JP6000910B2 - 金属/樹脂複合構造体 - Google Patents
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Description
[1]金属部材と樹脂部材が接合してなる、金属/樹脂複合構造体において、
前記金属部材の、樹脂部材との接合表面に、下記(i)〜(iii)を満たす凹部形状を有する、金属/樹脂複合構造体。
(i)前記凹部の接合表面に対する傾きが5〜85°である
(ii)前記凹部の長さが、接合表面から40〜400μmである
(iii)接合面に形成された前記凹部の体積の総和が、金属部材と樹脂部材の接合面1mm2当たり、0.0024〜0.4mm3である
[2]前記凹部形状が下記(iv)をさらに満たす、[1]に記載の金属/樹脂複合構造体。
(iv)前記凹部の幅が、20〜500μmである
[3]前記金属部材が、鉄、ステンレス、アルミニウム、アルミニウム合金、マグネシウム、マグネシウム合金、銅、銅合金、チタンまたはチタン合金からなる、[1]または[2]に記載の金属/樹脂複合構造体。
[4]前記樹脂部材が(A)熱可塑性樹脂を含む樹脂組成物からなる[1]〜3]のいずれかに記載の金属/樹脂複合構造体。
[5]前記(A)熱可塑性樹脂がポリオレフィン樹脂である、[4]に記載の金属/樹脂複合構造体。
[6]前記樹脂組成物が(B)充填材を含み、前記(A)熱可塑性樹脂100重量部に対して、前記(B)充填材の含有量が1〜100重量部である、[4]または[5]に記載の金属/樹脂複合構造体。
[7]前記(B)充填材が、最大長さが10nm〜600μmであり、該最大長さの充填材が数分率で5〜100%存在する、[6]に記載の金属/樹脂複合構造体。
<金属部材>
本発明にかかる金属/樹脂複合構造体を構成する金属部材は、樹脂部材との接合表面側に、凹部形状が複数施されていることを特徴とする。該凹部形状は、下記(i)〜(iii)の特徴を有し、好ましくはさらに(iv)の特徴を有する。以下、(i)〜(iv)の特徴および該凹部形状を有する金属部材の調製方法について説明する。
本発明において、金属部材に施される凹部は、金属部材表面に対して、5〜85°の傾きで形成される。該金属表面に対する角度は、好ましくは15〜75°、より好ましくは30〜60°である。当該角度は、基本形状としては、図1の(c)に示すAの角度を意味するが、図5に示すように一方のみが前記角度を有していたり、図6、図7に示すように、両方に角度を有している形状を妨げるものではない。
本発明において、金属部材に施される凹部の長さは、通常40〜400μmであり、好ましくは80〜300μm、より好ましくは100〜200μmである。
本発明において、前記凹部の体積の総和は、金属部材と樹脂部材の接合面1mm2当たり、0.0024〜0.4mm3であり、好ましくは0.005〜0.31mm3であり、より好ましくは0.007〜0.28mm3である。
本発明において、金属部材に施される凹部の幅は、20〜500μmであることが好ましい。前記凹部の幅が上記範囲内であれば、後述する樹脂部材を構成する樹脂組成物に充填材が含まれる場合、充填材の一部が凹部に入り込むことにより、接合強度の向上が見込まれる点で有利である。前記凹部の幅は、より好ましくは30〜300μm、さらに好ましくは40〜150μmである。
〔金属部材の金属種類、その他形状〕
本発明において、前記金属部材を構成する金属の種類としては、鉄、ステンレス、アルミニウム、アルミニウム合金、マグネシウム、マグネシウム合金、銅、銅合金、チタンまたはチタン合金からなる少なくとも一種であることが望ましい。これらのうち、好ましくは鉄、ステンレス、アルミニウム合金、マグネシウム合金、銅合金、チタン合金であり、より好ましくは鉄、ステンレス、アルミニウム合金、マグネシウム合金である。
〔金属部材の調整方法〕
本発明において、前記金属部材の樹脂部材との接合表面側に形成される凹部形状は、例えば、レーザー照射による方法や、ローレット加工の方法により加工することができる。
<樹脂部材>
本発明にかかる金属/樹脂複合構造体を構成する樹脂部材は、(A)熱可塑性樹脂と、必要に応じて(B)充填材を含む樹脂組成物からなる。さらに、該樹脂組成物は必要に応じてその他の配合剤を含む。なお、便宜上、樹脂部材が(A)熱可塑性樹脂のみからなる場合であっても、樹脂部材は樹脂組成物からなると記載する。
〔(A)熱可塑性樹脂〕
本発明における樹脂部材の原料としての(A)熱可塑性樹脂としては、ポリアミド6、ポリアミド66、芳香族ポリアミド樹脂等のポリアミド樹脂;ポリエチレン樹脂、ポリプロピレン樹脂等のポリオレフィン樹脂;ポリエチレンテレフタラート樹脂、ポリブチレンテレフタラート樹脂等のポリエステル樹脂、アクリロニトリル・ブタジエン・スチレン共重合樹脂、ポリカーボネート樹脂、ポリメチルメタクリレート樹脂等の非晶性樹脂;その他、ポリフェニレンサルファイド樹脂、ポリフェニレンエーテル樹脂、ポリエーテルエーテルケトン樹脂、ポリイミド樹脂や、これら2種類以上を組み合わせたもの等を挙げることが出来る。好ましくは、ポリアミド樹脂、ポリオレフィン樹脂、非晶性樹脂、ポリエステル樹脂、ポリフェニレンサルファイド樹脂である。より好ましくは、ポリアミド樹脂、ポリオレフィン樹脂、ポリエステル樹脂、アクリル・ブタジエン・スチレン共重合樹脂、ポリカーボネート樹脂、ポリフェニレンサルファイド樹脂である。ポリオレフィン樹脂については、ポリプロピレン樹脂が好ましく用いられる。
〔(B)充填材〕
本発明における樹脂部材を構成する樹脂組成物は、上記(A)熱可塑性樹脂を必須の成分とするほか、必要とされる用途等に合わせて、さらに(B)充填材を含んでいてもよい。
〔その他配合剤〕
本発明において、樹脂部材には、個々の機能を付与する目的で配合剤を含んでもよい。
〔樹脂組成物の調整〕
前記樹脂組成物は、上記した(A)熱可塑性樹脂と、必要に応じて(B)充填材と、さらに必要に応じてその他配合剤とを、バンバリーミキサー、単軸押出機、2軸押出機、高速2軸押出機などの混合装置により、混合または溶融混合することにより得ることができる。
<金属/樹脂複合構造体>
本発明にかかる金属/樹脂複合構造体は、前記金属部材と、前記樹脂部材から構成される。
<金属/樹脂複合構造体の製造方法>
本発明の金属/樹脂複合構造体の製造方法は特に限定されず、上記特徴を有する金属部材に対して、上記樹脂組成物を所望の樹脂部材の形状になるように成形しながら接合させることにより得られる。
(i)樹脂部材を調整する工程
(ii)金属部材を射出成形用の金型内に設置する工程
(iii)樹脂部材を、上記金属部材の少なくとも一部と接するように、上記金型内に射出成形する工程
以下、各工程について説明する。
<金属/樹脂複合構造体の用途>
本発明の金属/樹脂複合構造体は、生産性が高く、形状制御の自由度も高いので、様々な用途に展開することが可能である。
(接合強度の評価方法および合否判定)
引っ張り試験機「モデル1323(アイコーエンジニヤリング社製)」を使用し、引張試験機に専用の治具を取り付け、室温(23℃)にて、チャック間距離60mm、引張速度10mm/minの条件にて測定をおこなった。破断荷重(N)を金属/樹脂接合部分の面積で除する事により接合強度(MPa)を得た。
(樹脂部材中の充填材の最大長さ測定、数分率算出)
(金属/樹脂複合構造体中の充填材の最大長さ測定、数分率算出)
作成した金属/樹脂複合構造体の樹脂部分を400℃に熱したオーブンの中で24時間放置し、樹脂を完全に炭化させた。その後、炭化した樹脂を取り除き、残った充填材を走査型電子顕微鏡(日本電子製)にて充填材が100個以上撮影できる倍率で撮影し、1つ1つの充填材の最大の辺の長さを測定した。
X:樹脂組成物中に含まれる最大長さ10nm以上600μm以下の充填材の数分率(%)
Y:最大長さ10nm以上600μm以下の充填材の数
Z:全充填材の数
(金属の表面処理)
[調整例1]
市販の1.6mm厚のA5052アルミニウム合金板を、18mm×45mmの長方形片に切断し、片側の端にレーザーマーカー(オムロン製MX−Z2000)を用いて、金属片の接合面に対して45°の角度(図1の(c)中Aの角度が45°)で、一方向(図1(a)中の矢印方向)のみに直線状にレーザースキャンし、金属部材を得た。レーザースキャン条件は以下の通りである。
<レーザースキャン条件>
レーザー:ファイバレーザー
出力:20W
波長:1,062nm
ビーム径:45μm
図1(a)で示す隣接する凹部の中心間距離:200μm
スキャン速度:500mm/sec
周波数:100kHz
ワーキングエリア:10mm×5mm
金属部材をレーザー顕微鏡(KEYENCE製VK−X100)にて、マーキング部を観察すると、金属表面に対して45°の角度で、深さが180μm、間隔周期が200μm、溝幅が50μmである線上の溝が形成されていた。これより、(i)前記凹部の接合表面に対する傾きは45°、(ii)前記凹部の長さは180μm、(iii)接合面に形成された前記凹部の体積の総和は0.036mm3/mm2、(iv)前記凹部の幅は50μmである。
[調整例2]
市販の1.6mm厚のA5052アルミニウム合金板を、18mm×45mmの長方形片に切断し、片側の端にレーザーマーカー(オムロン製MX−Z2000)を用いて、図1(d)に示すように金属片の接合面に対して90°の角度(図1の(c)中Aの角度が90°)で一方向(図1(a)中の矢印方向)のみに直線状にレーザースキャンし、金属部材を得た。レーザースキャン条件は以下の通りである。
<レーザースキャン条件>
レーザー:ファイバレーザー
出力:20W
波長:1,062nm
ビーム径:45μm
図1(a)で示す隣接する凹部の中心間距離:200μm
スキャン速度:500mm/sec
周波数:100kHz
ワーキングエリア:10mm×5mm
金属部材をレーザー顕微鏡(KEYENCE製VK−X100)にて、マーキング部を観察すると、金属表面に対して90°の角度で、深さが180μm、間隔周期が200μm、溝幅が50μmである線上の溝が形成されていた。これより、(i)前記凹部の接合表面に対する傾きは90°、(ii)前記凹部の長さは180μm、(iii)接合面に形成された前記凹部の体積の総和は0.036mm3/mm2、(iv)前記凹部の幅は50μmである。
[調整例3]
市販の1.6mm厚のA5052アルミニウム合金板を、18mm×45mmの長方形片に切断し、片側の端にレーザーマーカー(オムロン製MX−Z2000)を用いて、図4(b)に示すように金属片の接合面に対して90°の角度で二方向(図4(a)中の矢印方向)に格子状にレーザースキャンし、金属部材を得た。レーザースキャン条件は以下の通りである。
<レーザースキャン条件>
レーザー:ファイバレーザー
出力:20W
波長:1,062nm
ビーム径:45μm
図1(a)で示す隣接する凹部の中心間距離:200μm
スキャン速度:500mm/sec
周波数:100kHz
ワーキングエリア:10mm×5mm
金属部材をレーザー顕微鏡(KEYENCE製VK−X100)にて、マーキング部を観察すると、金属表面に対して90°の角度で、深さが30μm、間隔周期が200μm、溝幅が50μmである線上の溝が形成されていた。これより、(i)前記凹部の接合表面に対する傾きは90°、(ii)前記凹部の長さは30μm、(iii)接合面に形成された前記凹部の体積の総和は0.011mm3/mm2、(iv)前記凹部の幅は50μmである。
[実施例1]
日本製鋼所社製のJSW J85ADに小型ダンベル金属インサート金型102を装着し、金型102内に調整例1によって調整されたアルミニウム片103を、マーキング部が樹脂部材105と接触する方向に設置した。次いで、その金型102内に樹脂組成物として、ガラス繊維強化ポリプロピレン(プライムポリマー製V7100、ポリプロピレン(MFR(230℃、2.16kg荷重):18g/10min)80重量部、ガラス繊維20重量部)を、シリンダー温度250℃、金型温度120℃、射出速度25mm/sec、保圧80MPa、保圧時間10秒の条件にて射出成形を行い、金属/樹脂複合構造体を得た。接合強度の評価結果を表1に示す。
[実施例2]
使用した樹脂組成物をポリプロピレン(プライムポリマー製プライムポリプロJ105G(MFR(230℃、2.16kg荷重):9.0g/10min))に変更した以外は実施例1と同様の方法により金属/樹脂複合構造体を得た。接合強度の評価結果を表1に示す。
[比較例1]
使用したアルミニウム片を調整例2で調整したものに変更した以外は実施例1と同様の方法により金属/樹脂複合構造体を得た。接合強度の評価結果を表1に示す。
[比較例2]
使用したアルミニウム片を調整例3で調整したものに変更した以外は実施例1と同様の方法により金属/樹脂複合構造体を得た。接合強度の評価結果を表1に示す。
102 金型
103 金属部材
104 重なり部分
105 樹脂部材
106 複合体
107 ゲート/ランナー
Claims (4)
- 金属部材と樹脂部材が接合してなる、金属/樹脂複合構造体において、
前記金属部材の、前記樹脂部材との接合表面に、下記(i)〜(iv)を満たす凹部形状を有し、
前記金属部材の表面に前記凹部形状を有する溝が直線状に複数本形成されており、
前記樹脂部材が(A)熱可塑性樹脂および(B)充填材を含む樹脂組成物からなり、
前記(A)熱可塑性樹脂100重量部に対して、前記(B)充填材の含有量が1〜100重量部であり、
前記充填材の一部が前記凹部に入り込んでいる金属/樹脂複合構造体。
(i)前記凹部の接合表面に対する傾きが5〜85°である
(ii)前記凹部の長さが、接合表面から40〜400μmである
(iii)接合面に形成された前記凹部の体積の総和が、前記金属部材と前記樹脂部材の接合面1mm2当たり、0.0024〜0.4mm3である
(iv)前記凹部の幅が、20〜500μmである - 前記金属部材が、鉄、ステンレス、アルミニウム、アルミニウム合金、マグネシウム、マグネシウム合金、銅、銅合金、チタンまたはチタン合金からなる、請求項1に記載の金属/樹脂複合構造体。
- 前記(A)熱可塑性樹脂がポリオレフィン樹脂である、請求項1または2に記載の金属/樹脂複合構造体。
- 前記(B)充填材が、最大長さが10nm〜600μmであり、該最大長さの充填材が数分率で5〜100%存在する、請求項1〜3のいずれか1項に記載の金属/樹脂複合構造体。
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