JP6823840B2 - 金属樹脂複合体及びその製造方法 - Google Patents
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- B29C66/20—Particular design of joint configurations particular design of the joint lines, e.g. of the weld lines
- B29C66/21—Particular design of joint configurations particular design of the joint lines, e.g. of the weld lines said joint lines being formed by a single dot or dash or by several dots or dashes, i.e. spot joining or spot welding
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- B29C66/20—Particular design of joint configurations particular design of the joint lines, e.g. of the weld lines
- B29C66/23—Particular design of joint configurations particular design of the joint lines, e.g. of the weld lines said joint lines being multiple and parallel or being in the form of tessellations
- B29C66/232—Particular design of joint configurations particular design of the joint lines, e.g. of the weld lines said joint lines being multiple and parallel or being in the form of tessellations said joint lines being multiple and parallel, i.e. the joint being formed by several parallel joint lines
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- B29C66/24—Particular design of joint configurations particular design of the joint lines, e.g. of the weld lines said joint lines being closed or non-straight
- B29C66/244—Particular design of joint configurations particular design of the joint lines, e.g. of the weld lines said joint lines being closed or non-straight said joint lines being non-straight, e.g. forming non-closed contours
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- B29C66/7392—General aspects of processes or apparatus for joining preformed parts characterised by the composition, physical properties or the structure of the material of the parts to be joined; Joining with non-plastics material characterised by the intensive physical properties of the material of the parts to be joined, by the optical properties of the material of the parts to be joined, by the extensive physical properties of the parts to be joined, by the state of the material of the parts to be joined or by the material of the parts to be joined being a thermoplastic or a thermoset characterised by the material of the parts to be joined being a thermoplastic or a thermoset characterised by the material of at least one of the parts being a thermoplastic
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- B29C66/72—General aspects of processes or apparatus for joining preformed parts characterised by the composition, physical properties or the structure of the material of the parts to be joined; Joining with non-plastics material characterised by the structure of the material of the parts to be joined
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- B29C66/70—General aspects of processes or apparatus for joining preformed parts characterised by the composition, physical properties or the structure of the material of the parts to be joined; Joining with non-plastics material
- B29C66/74—Joining plastics material to non-plastics material
- B29C66/742—Joining plastics material to non-plastics material to metals or their alloys
- B29C66/7428—Transition metals or their alloys
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- B29K—INDEXING SCHEME ASSOCIATED WITH SUBCLASSES B29B, B29C OR B29D, RELATING TO MOULDING MATERIALS OR TO MATERIALS FOR MOULDS, REINFORCEMENTS, FILLERS OR PREFORMED PARTS, e.g. INSERTS
- B29K2081/00—Use of polymers having sulfur, with or without nitrogen, oxygen or carbon only, in the main chain, as moulding material
- B29K2081/04—Polysulfides, e.g. PPS, i.e. polyphenylene sulfide or derivatives thereof
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Description
本発明では、表面の少なくとも一部に粗化面を有する金属部材を使用する。かかる粗化面は、後述する表面粗化の方法により形成可能であり、前記粗化面の任意の5点を、共焦点顕微鏡を用いてISO 25178に準拠して測定した時に展開面積比(Sdr)が数平均値で5以上となるように調整する。
金属部材の種類は問わず公知のものを用いることができる。すなわち、アルミニウム、銅、ステンレス、マグネシウム、鉄、チタンまたはそれらを含有する合金が挙げられる。より具体的には、鉄や、例えば、ステンレス、鋼材など、鉄を主成分、すなわち20質量%以上、より好ましくは50質量%以上、さらに好ましくは80質量%の割合とし、他に炭素、ケイ素、マンガン、クロム、タングステン、モリブデン、ホスホル、チタン、バナジウム、ニッケル、ジルコニウム、ボロンなどを含む合金(以下、鉄合金)や、アルミニウムや、アルミニウムを主成分として、他に銅、マンガン、ケイ素、マグネシウム、亜鉛、ニッケルを含む合金(以下、アルミニウム合金)や、マグネシウムや、マグネシウムを主成分として、他に亜鉛、アルミニウム、ジルコニウムなどを含む合金(以下、マグネシウム合金)や、銅や、銅を主成分として、他に亜鉛、スズ、リン、ニッケル、マグネシウム、ケイ素、クロムを含む合金(以下、銅合金)や、チタンや、チタンを主成分として、他に銅、マンガン、ケイ素、マグネシウム、亜鉛、ニッケルを含む合金(以下、チタン合金)が挙げられる。これらのうち、より好ましくは鉄、鉄合金、アルミニウム合金、マグネシウム合金、銅合金、チタン合金が挙げられ、さらに好ましくは鉄合金、アルミニウム合金、マグネシウム合金が挙げられる。
また、前記粗化面の展開面積比(Sdr)が所定範囲に調整可能であれば、金属部材の表面粗化法も公知のものを用いることができ、例えば
(1)侵食性水溶液または侵食性懸濁液による浸漬法
(2)陽極酸化法
(3)ブラスト加工やレーザー加工による機械的切削が挙げられるが、粗化面の展開面積比(Sdr)が高くなる粗化方法として(1)侵食性水溶液または侵食性懸濁液による浸漬法か(2)陽極酸化法が特に好ましい。
粗化面の展開面積比(Sdr)は金属の表面粗化による表面積の広がりを意味し、ISO 25178によって規定される面粗さの1つである。表面粗化によって金属部材の表面積が広がるほど接合しうる樹脂とのアンカー効果が強くなり、ひいては金属と樹脂からなる一体成型物の接合強度が高くなる。したがって、本発明の金属樹脂構造体に用いる表面粗化した金属部材は、粗化面の任意の5点を、共焦点顕微鏡を用いてISO 25178に準拠して測定した際の展開面積比(Sdr)が、数平均値で5以上の範囲であればよいが15以上の範囲であることがより好ましい。一方、上限値は上記の通り特に限定されないが、金属表面の凹凸部の端点への応力集中を防いで材料破壊を抑制することができる観点から150以下の範囲であることが好ましい。
本発明において金属部材の上記粗化面の展開面積比(Sdr)を算出する際に、触針式粗さ計を用いた粗さ曲線の要素の平均長さ(RSm)を求めることができる。粗化面の展開面積比(Sdr)算出に使用する共焦点顕微鏡の視野範囲を決めるために使用できる。また、より好ましくは触針式粗さ計から粗さ曲線の最大高さ粗さ(Rz)も求めることもできる。
樹脂部材としては、例えば熱可塑性樹脂を溶融成形してなる成形品を使用することができる。使用可能な熱可塑性樹脂としては、例えば、ポリエチレン樹脂、ポリプロピレン樹脂、ポリスチレン樹脂、ゴム変性ポリスチレン樹脂、アクリロニトリル−ブタジエン−スチレン(ABS)樹脂、アクリロニトリル−スチレン(AS)樹脂、ポリメチルメタクリレート樹脂、アクリル樹脂、ポリ塩化ビニル樹脂、ポリ塩化ビニリデン樹脂、ポリエチレンテレフタレート樹脂、エチレンビニルアルコール樹脂、酢酸セルロース樹脂、アイオノマー樹脂、ポリアクリロニトリル樹脂、ポリアミド樹脂、ポリアセタール樹脂、ポリブチレンテレフタレート樹脂、ポリ乳酸樹脂、ポリフェニレンエーテル樹脂、変性ポリフェニレンエーテル樹脂、ポリカーボネート樹脂、ポリサルホン樹脂、ポリアリーレンスルフィド樹脂、ポリエーテルイミド樹脂、ポリエーテルサルフォン樹脂、ポリアリレート樹脂、熱可塑性ポリイミド樹脂、ポリアミドイミド樹脂、ポリエーテルエーテルケトン樹脂、ポリケトン樹脂、液晶ポリエステル樹脂、フッ素樹脂、シンジオタクチックポリスチレン樹脂、環状ポリオレフィン樹脂などが挙げられる。これらの熱可塑性樹脂は1種または2種以上を併用して用いることができる。これらの中でも、ポリアリーレンスルフィド(PAS)樹脂およびポリカーボネート樹脂が好ましい。さらに、溶融粘度および結晶化挙動の観点から、本願発明で使用する金属部材との接合強度に優れるため、樹脂部材がPAS樹脂を含有することが好ましく、PAS樹脂の中でも特に、ポリフェニレンスルフィド(以下「PPS」とも言う)樹脂が好ましい。
PAS樹脂は、芳香族環と硫黄原子とが結合した構造を繰り返し単位とする樹脂構造を有するものであり、具体的には、下記一般式(1):
(式中、R1およびR2は、それぞれ独立して水素原子、炭素原子数1〜4の範囲のアルキル基、ニトロ基、アミノ基、フェニル基、メトキシ基、エトキシ基を表す。)で表される構造部位と、必要に応じてさらに下記一般式(2):
で表される3官能性の構造部位と、を繰り返し単位とする樹脂である。式(2)で表される3官能性の構造部位は、他の構造部位との合計モル数に対して0.001〜3モル%の範囲が好ましく、特に0.01〜1モル%の範囲であることが好ましい。
で表される構造部位を、前記一般式(1)と一般式(2)で表される構造部位との合計の30モル%以下で含んでいてもよい。特に本発明では前記一般式(5)〜(8)で表される構造部位は10モル%以下であることが、PAS樹脂の耐熱性、機械的強度の点から好ましい。前記PAS樹脂中に、前記一般式(5)〜(8)で表される構造部位を含む場合、それらの結合様式としては、ランダム共重合体、ブロック共重合体の何れであってもよい。
前記PAS樹脂の製造方法としては、特に限定されないが、例えば1)硫黄と炭酸ソーダの存在下でジハロゲノ芳香族化合物を、必要ならばポリハロゲノ芳香族化合物ないしその他の共重合成分を加えて、重合させる方法、2)極性溶媒中でスルフィド化剤などの存在下にジハロゲノ芳香族化合物を、必要ならばポリハロゲノ芳香族化合物ないしその他の共重合成分を加えて、重合させる方法、3)p−クロルチオフェノールを、必要ならばその他の共重合成分を加えて、自己縮合させる方法、4)ジヨード芳香族と単体硫黄を、カルボキシ基やアミノ基などの官能基を有していてもよい重合禁止剤の存在下、減圧させながら溶融重合させる方法などが挙げられる。これらの方法のなかでも、2)の方法が汎用的であり好ましい。反応の際に、重合度を調節するためにカルボン酸やスルホン酸のアルカリ金属塩や、水酸化アルカリを添加しても良い。前記2)方法のなかでも、加熱した有機極性溶媒とジハロゲノ芳香族化合物とを含む混合物に含水スルフィド化剤を水が反応混合物から除去され得る速度で導入し、有機極性溶媒中でジハロゲノ芳香族化合物とスルフィド化剤とを、必要に応じてポリハロゲノ芳香族化合物と加え、反応させること、および反応系内の水分量を該有機極性溶媒1モルに対して0.02〜0.5モルの範囲にコントロールすることによりPAS樹脂を製造する方法(特開平07−228699号公報参照。)や、固形のアルカリ金属硫化物および非プロトン性極性有機溶媒の存在下でジハロゲノ芳香族化合物と必要ならばポリハロゲノ芳香族化合物ないしその他の共重合成分を加え、アルカリ金属水硫化物および有機酸アルカリ金属塩を、硫黄源1モルに対して0.01〜0.9モルの範囲の有機酸アルカリ金属塩および反応系内の水分量を非プロトン性極性有機溶媒1モルに対して0.02モル以下の範囲にコントロールしながら反応させる方法(WO2010/058713号パンフレット参照。)で得られるものが特に好ましい。ジハロゲノ芳香族化合物の具体的な例としては、p−ジハロベンゼン、m−ジハロベンゼン、o−ジハロベンゼン、2,5−ジハロトルエン、1,4−ジハロナフタレン、1−メトキシ−2,5−ジハロベンゼン、4,4’−ジハロビフェニル、3,5−ジハロ安息香酸、2,4−ジハロ安息香酸、2,5−ジハロニトロベンゼン、2,4−ジハロニトロベンゼン、2,4−ジハロアニソール、p,p’−ジハロジフェニルエーテル、4,4’−ジハロベンゾフェノン、4,4’−ジハロジフェニルスルホン、4,4’−ジハロジフェニルスルホキシド、4,4’−ジハロジフェニルスルフィド、および、前記各化合物の芳香環に炭素原子数1〜18の範囲のアルキル基を有する化合物が挙げられ、ポリハロゲノ芳香族化合物としては1,2,3−トリハロベンゼン、1,2,4−トリハロベンゼン、1,3,5−トリハロベンゼン、1,2,3,5−テトラハロベンゼン、1,2,4,5−テトラハロベンゼン、1,4,6−トリハロナフタレンなどが挙げられる。また、前記各化合物中に含まれるハロゲン原子は、塩素原子、臭素原子であることが好ましい。
表面粗化により広がった表面積を有する金属部材の粗化面に、溶融した樹脂部材がより深く確実に入り込むことができると、アンカー効果により樹脂部材と金属部材との接合強度が向上する。このため、樹脂部材の溶融粘度は、好ましくは200Pa・s以上、より好ましくは1000Pa・s以上から、好ましくは6000Pa・s以下、より好ましくは5000Pa・s以下までの範囲である。なお、本発明において溶融粘度は、接合時の樹脂温度と同条件で、せん断速度10/s条件での測定値を示すものである。測定方法の一例として、本発明では、キャピラリーレオメーターを用いてJIS K7199またはISO11443に準じて測定を行い、接合時に別途計測した樹脂温度条件で、オリフィス長(L)とオリフィス径(D)の比、L/D=40の条件下、せん断速度10/sでの測定値を示す。上記条件下で測定した樹脂部材の溶融粘度を上記範囲内に設定することにより、樹脂部材と金属部材との接合強度をさらに高めることができる。
前記のとおり、表面粗化により広がった表面積を有する金属部材の粗化面に、溶融した樹脂部材が入り込み、アンカー効果を奏することで、樹脂部材と金属部材との接合強度が向上する。ここで、樹脂部材が溶融時に金属部材の粗化面により深く入り込んだ後、冷却により結晶化が進行しつつ固化した場合、さらに強いアンカー効果を奏することで、樹脂部材と金属部材との接合強度がさらに向上する。このため、樹脂部材の結晶化挙動を最適化し、樹脂部材と金属部材との接合強度を向上する観点から、樹脂部材の融点(Tm)は、270℃以上の範囲であることが好ましく、さらに270〜300℃の範囲であることがより好ましい。また、樹脂部材、特にはPAS樹脂の再結晶化温度(Tc2)も、180〜260℃の範囲であることが好ましい。なお融点(Tm)と再結晶化温度(Tc2)は、示差走査熱量計(DSC)で測定が可能であり、例えば昇温速度20℃/分で樹脂融点より10℃以上高い温度まで昇温することで融点(Tm)測定を行った後、降温速度20℃/分で再結晶化温度(Tc2)を測定して得ることが出来る。
樹脂部材と金属部材との接合強度向上の見地から、本発明に用いる樹脂部材、特にはPAS樹脂の非ニュートン指数は、0.90〜2.00の範囲であることが好ましい。リニア型PAS樹脂を用いる場合には、非ニュートン指数が0.90〜1.50の範囲であることが好ましく、さらに0.95〜1.25の範囲であることがより好ましい。このようなPAS樹脂は機械的物性、流動性、耐磨耗性に優れる。ただし、非ニュートン指数(N値)は、キャピログラフを用いて300℃、オリフィス長(L)とオリフィス径(D)の比、L/D=40の条件下で、剪断速度および剪断応力を測定し、下記式を用いて算出した値である。
樹脂部材としてPAS樹脂を使用する場合、PAS樹脂の靭性向上および冷熱衝撃性向上の観点から、PAS樹脂と共にオレフィン系重合体を配合してもよい。オレフィン系重合体としては、例えばエチレン、プロピレン、1−ブテン、1−ペンテン、4−メチルー1−ペンテン、イソブチレンなどのα―オレフィンを単独あるいは2種以上で重合して得られる重合体、さらには前記αオレフィンと、(メタ)アクリル酸、(メタ)アクリル酸メチル、(メタ)アクリル酸エチル、(メタ)アクリル酸ブチルなどのα,β―不飽和酸およびそのアルキルエステルとの共重合体が挙げられる。なお、本発明において、(メタ)アクリルとは、アクリルおよび/またはメタクリルを意味する。
金属部材との接合強度や耐ヒートサイクル性向上のために、本発明で使用する樹脂部材中には、熱可塑性樹脂に加えて充填剤を配合してもよい。これら充填剤としては本発明の効果を損なうものでなければ公知慣用の材料を用いることもでき、例えば、繊維状のものや、粒状や板状などの非繊維状のものなど、さまざまな形状の充填剤等が挙げられる。具体的には、ガラス繊維、炭素繊維、シランガラス繊維、セラミック繊維、アラミド繊維、金属繊維、チタン酸カリウム、炭化珪素、珪酸カルシウム、ワラストナイト等の繊維、天然繊維等の繊維状充填剤が使用でき、またガラスビーズ、ガラスフレーク、硫酸バリウム、クレー、パイロフィライト、ベントナイト、セリサイト、マイカ、雲母、タルク、アタパルジャイト、フェライト、珪酸カルシウム、炭酸カルシウム、炭酸マグネシウム、ガラスビーズ、ゼオライト、ミルドファイバー、硫酸カルシウム等の非繊維状充填剤も使用できる。
さらに本発明で使用する樹脂部材中には、特にPAS樹脂を使用する場合、必要に応じて、フェノール樹脂を任意成分として配合してもよい。フェノール樹脂としてはフェノール骨格を有する熱可塑性重合体を指し、ノボラック型フェノール樹脂またはビスフェノール型フェノール樹脂の何れもが好ましいものとして使用でき、さらにノボラック型フェノール樹脂がより好ましい。
本発明に係る樹脂部材は、熱可塑性樹脂、必要に応じてさらに前記例示した各種材料を溶融混練して樹脂組成物とし、これを任意の形状に成形することにより製造可能である。熱可塑性樹脂としてPAS樹脂を使用する場合、例えばPAS樹脂、ガラス繊維を必須成分とし、その他の任意成分を必要に応じて配合し、PAS樹脂の融点以上で溶融混練する。以下の実施形態では、熱可塑性樹脂としてPAS樹脂を使用する場合に基づき説明する。
本発明に係る金属樹脂複合体の製造方法では、金属部材と樹脂部材とを重ね合わせた状態で、樹脂部材と反対側の金属部材の表面に発生させた摩擦熱により樹脂部材を溶融させて、樹脂部材と金属部材とを接合する工程を含む。特に本発明では、金属部材と樹脂部材とを重ね合わせた状態で、樹脂部材と反対側の金属部材の表面に、回転させた回転ツールを押圧することにより摩擦熱を発生させ、かかる摩擦熱が金属部材を伝熱することにより樹脂部材を溶融させて、樹脂部材と金属部材とを接合する工程を含むことが好ましい。特に後者は摩擦撹拌接合(FSW)と呼ばれる。以下に、FSWを例に挙げて、本発明に係る接合行程の実施形態の一例について説明する。FSWを利用した接合行程は、(1)金属部材と樹脂部材とを重ね合わせる工程と、(2)摩擦撹拌工程とを含む。
まず、表面の少なくとも一部に粗化面を有する金属部材と樹脂部材とを準備し、金属部材の粗化面の少なくとも一部と接するように樹脂部材を重ね合わせる。図1に示す例では、金属部材102の一方の面(図1では下側面)に粗化面103が形成されており、かかる粗化面103と接するように樹脂部材101を重ね合わせる。重ね合わせた金属部材102と樹脂部材101とを不図示の固定手段により固定する。なお、図2は金属部材102の粗化面103を示しており、本発明では、粗化面の中心、および四角の計5点(図中の105)の数平均値を粗化面の展開面積比(Sdr)と定義する。
摩擦撹拌工程では、樹脂部材101と反対側の金属部材102の表面に、回転させた回転ツール201を押圧する。回転ツール201の材質および形状は、金属部材102の金属の種類および形状により種々変更可能であるが、材質に関しては金属部材102を構成する金属よりも硬質の金属を使用することが好ましい。また、図1では回転ツール201が円柱状で、その下面(金属部材102に接触させる面)が平たんな例を示したが、下面はR形状であってもよく、テーパ形状、テーパR形状であってもよい。また、例えば位置決めのために、回転ツール201の下面の中心部にピンを形成してもよく、あるいは摩擦熱を効率よく発生させるため、回転ツール201の下面に複数のピンや渦巻、螺旋など任意の形状を形成してもよい。回転ツール201は、金属部材102に対して図1の様に垂直であってもよいし、回転ツール201を傾斜させて押圧を行っても良い。また、押圧する際の回転ツール201の押込速度や押込圧、回転ツール201の回転速度は任意に設計可能である。
FSWにより製造された金属樹脂複合体の接合部位の断面図の一例を図3に示す。図3に示すとおり、FSWの摩擦撹拌工程では、樹脂部材101と反対側の金属部材102の表面を回転ツール201で押圧することにより、凹状に形成された、押圧跡Aが形成される。FSWにより製造された金属樹脂複合体の金属部材表面に形成された押圧痕の正面視の一例を図4に示す。図4に示すとおり、かかる押圧痕は、独立した1または2以上の円形状のもの(a)であってもよく、2以上の円形状の押圧痕が重ね合わされることで、全体として直線形状となったもの(b)であってもよい。また押圧痕は、2以上の円形状の押圧痕が重ね合わされることで、全体として柵状のもの(c)、格子状ないし網目状のもの(d)、さらにはジグザグ形状のもの(e)であってもよい。
金属部材の樹脂部材側への突出痕は、金属部材の厚み、材質、回転ツールの押込の程度により異なるが、図3に示すとおり、断面視で円弧状となる(図3中のB)。金属部材102の樹脂部材101側への突出の程度を金属部材102に対する角度(θ)で示すと、好ましくは20〔°〕以下、より好ましくは15〔°〕以下、さらに好ましくは10〔°〕以下の範囲である。
本発明に係る金属樹脂複合体の主な用途例としては、各種家電製品、携帯電話、およびPC(Personal Computer)などの電子機器の筐体、箱型の電気・電子部品集積モジュール用保護・支持部材・複数の個別半導体またはモジュール、センサ、LEDランプ、コネクタ、ソケット、抵抗器、リレーケース、スイッチ、コイルボビン、コンデンサ、バリコンケース、光ピックアップ、発振子、各種端子板、変成器、プラグ、プリント基板、チューナ、スピーカ、マイクロフォン、ヘッドフォン、小型モーター、磁気ヘッドベース、パワーモジュール、端子台、半導体、液晶、FDDキャリッジ、FDDシャーシ、モーターブラッシュホルダ、パラボラアンテナ、コンピュータ関連部品などに代表される電気・電子部品;VTR部品、テレビ部品、アイロン、ヘアードライヤ、炊飯器部品、電子レンジ部品、音響部品、オーディオ・レーザディスク・コンパクトディスク・DVDディスク・ブルーレイディスクなどの音声・映像機器部品、照明部品、冷蔵庫部品、エアコン部品、タイプライタ部品、ワードプロセッサ部品、あるいは給湯機や風呂の湯量、温度センサなどの水回り機器部品などに代表される家庭、事務電気製品部品;オフィスコンピュータ関連部品、電話器関連部品、ファクシミリ関連部品、複写機関連部品、洗浄用治具、モーター部品、ライタ、タイプライタなどに代表される機械関連部品:顕微鏡、双眼鏡、カメラ、時計などに代表される光学機器、精密機械関連部品;オルタネーターターミナル、オルタネーターコネクタ、ブラシホルダー、スリップリング、ICレギュレータ、ライトディマー用ポテンシオメーターベース、リレーブロック、インヒビタースイッチ、排気ガスバルブなどの各種バルブ、燃料関係・排気系・吸気系各種パイプ、エアーインテークノズルスノーケル、インテークマニホールド、燃料ポンプ、エンジン冷却水ジョイント、キャブレターメインボディ、キャブレタースペーサ、排気ガスセンサ、冷却水センサ、油温センサ、ブレーキパットウェアーセンサ、スロットルポジションセンサ、クランクシャフトポジションセンサ、エアーフローメータ、ブレーキパッド摩耗センサ、エアコン用サーモスタットベース、暖房温風フローコントロールバルブ、ラジエーターモーター用ブラッシュホルダ、ウォーターポンプインペラ、タービンベイン、ワイパーモーター関係部品、デュストリビュータ、スタータースイッチ、イグニッションコイルおよびそのボビン、モーターインシュレータ、モーターロータ、モーターコア、スターターリレ、トランスミッション用ワイヤーハーネス、ウィンドウォッシャーノズル、エアコンパネルスイッチ基板、燃料関係電磁気弁用コイル、ヒューズ用コネクタ、ホーンターミナル、電装部品絶縁板、ステップモーターロータ、ランプソケット、ランプリフレクタ、ランプハウジング、ブレーキピストン、ソレノイドボビン、エンジンオイルフィルタ、点火装置ケース、パワーモジュール、インバータ、パワーデバイス、インテリジェントパワーモジュール、絶縁ゲートバイポーラトランジスタ、パワーコントロールユニット、リアクトル、コンバータ、コンデンサ、インシュレーター、モーター端子台、バッテリー、電動コンプレッサー、バッテリー電流センサ、ジャンクションブロック、DLIシステム用イグニッションコイルなどを収納するケースなどの自動車・車両関連部品、その他各種用途にも適用可能である。
金属部材の粗化面の表面粗さを共焦点顕微鏡(Lasertec製、OPTELICS HYBRID)を用い、ISO 25178に準拠した手法で評価した。白色光源を用い、共焦点モードを使用した。対物レンズとして、視野範囲の一辺が測定例2で得た粗さ曲線要素の平均長さ(RSm)の3〜8倍になる倍率のものを選択した。高さ方向のスキャン分解能を10nmとし、サーチピークモードで金属粗化表面の三次元高さの原表面像を得た。原表面像に対して表面傾斜補正を行った後、Sフィルタ2.5μm、Lフィルタ0.8μm(いずれもガウシアンフィルタ)の表面フィルタ処理を行い、さらにノイズカット用のメディアンフィルタ(フィルタサイズ3×3)を1回かけて得た像の全体を評価領域として、金属部材の粗化面の展開面積比(Sdr)を得た。測定箇所は、図2に記載の粗化面103の中心、および四角の5点であり、5点の値を平均したSdrの値を用いた。
金属部材の粗化面の表面粗さを触針式表面粗さ試験器(東京精密製、サーフコム1400D)を用い、JIS−B 0601−2001(ISO4287)に準拠して評価した。球状の圧子(先端半径は2μm)を使用し、評価長さ4mm、走査速度0.06mm/s、基準長さ0.8mm、低域カットオフ長2.5μm、カットオフフィルタとしてガウス関数を使用した粗さ曲線から、粗さ曲線の最大高さ(Rz)と粗さ曲線要素の平均長さ(RSm)を得た。測定箇所は、金属部材の粗化表面の平行関係にある任意の2直線部、およびこれと垂直関係にある任意の2直線部であり、合計4直線における上記パラメータの値を平均した値を用いた。
金属樹脂複合体(ISO19095に準拠したType−B型)は材料試験器(島津製作所、AG−IS)を用いて引張速度5mm/minでせん断引張測定をおこなった。測定温度は室温、金属樹脂複合体の破断に至るまでの応力の最大値の平均値(n=5)を求めた。次に、せん断引張測定後に破断した金属部材の破断面を光学顕微鏡で観察し、樹脂部材との接合面積(図2に示す104)を見積もった。上記で測定した、破断に至るまでの応力の最大値の平均値を接合面積で割った値((破断に至るまでの応力の最大値の平均値)/(接合面積))により接合強度(MPa)を算出した。
金属樹脂複合体(ISO19095に準拠したType−B型)は冷熱衝撃試験装置(エスペック株式会社「TSA−103EL」)内に導入して、−40℃/30分→160℃/30分のヒートサイクルを100サイクル行った(1サイクル1時間)。ヒートサイクル試験後の金属樹脂複合体を測定例3に従って「せん断引張試験」を行い、ヒートサイクル試験後の接合強度とした。
ヒートサイクル試験前の接合強度を「初期接合強度」として、また、「(ヒートサイクル試験後の接合強度)/(ヒートサイクル試験前の接合強度)×100」を保持率(%)とした。保持率が高いほど、耐ヒートサイクル性に優れることを意味する。
キャピラリーレオメーター(東洋精機製キャピログラフ1D)を用いてJIS K7199またはISO11443に準じて測定を行い、接合時に別途計測した樹脂温度条件で、オリフィス長(L)とオリフィス径(D)の比、L/D=40の条件下、せん断速度10/sで測定した。接合時の樹脂温度計測とは、実際の接合施工とは別に行い、同じ金属部材、樹脂部材を用いて、図1の103面に厚み50ミクロンの熱電対型温度センサーを挟み、同条件でツールの押し当て攪拌を行った際の最大温度を計測した。
示差走査熱量計(パーキンエルマー社製「PYRIS Diamond DSC」)を用い、示差走査熱量計による分析法(DSC法;JIS K−7121に準拠)に基づき、室温から350℃まで、20℃/分で昇温したときの最大吸熱ピークを示す温度を融点(Tm)、また溶融状態から20℃/分で降温したときの最大発熱ピークを示す温度を再結晶化温度(Tc2)として測定した。
(PPS樹脂の製造)
[工程1]
圧力計、温度計、コンデンサ、デカンタ、精留塔を連結した撹拌翼付き150リットルオートクレーブにp−ジクロロベンゼン(以下、「p−DCB」と略記する。)33.075質量部(225モル部)、NMP3.420質量部(34.5モル部)、47.23質量%NaSH水溶液27.300質量部(NaSHとして230モル部)、および49.21質量%NaOH水溶液18.533質量部(NaOHとして228モル部)を仕込み、撹拌しながら窒素雰囲気下で173℃まで5時間掛けて昇温して、水27.300質量部を留出させた後、オートクレーブを密閉した。脱水時に共沸により留出したp−DCBはデカンタで分離して、随時オートクレーブ内に戻した。脱水終了後のオートクレーブ内は微粒子状の無水硫化ナトリウム組成物がp−DCB中に分散した状態であった。この組成物中のNMP含有量は0.079質量部(0.8モル部)であったことから、仕込んだNMPの98モル%(33.7モル部)がNMPの開環体(4−(メチルアミノ)酪酸)のナトリウム塩(以下、「SMAB」と略記する。)に加水分解されていることが示された。オートクレーブ内のSMAB量は、オートクレーブ中に存在する硫黄原子1モル当たり0.147モル部であった。仕込んだNaSHとNaOHが全量、無水Na2Sに変わる場合の理論脱水量は27.921質量部であることから、オートクレーブ内の残水量0.878質量部(48.8モル部)の内、0.609質量部(33.8モル部)はNMPとNaOHとの加水分解反応に消費されて、水としてオートクレーブ内に存在せず、残りの0.269質量部(14.9モル部)は水、あるいは結晶水の形でオートクレーブ内に残留していることを示していた。オートクレーブ内の水分量はオートクレーブ中に存在する硫黄原子1モル当たり0.065モルであった。
前記脱水工程終了後に、内温を160℃に冷却し、NMP46.343質量部(467.5モル部)を仕込み、185℃まで昇温した。オートクレーブ内の水分量は、工程2で仕込んだNMP1モル当たり0.025モルであった。ゲージ圧が0.00MPaに到達した時点で、精留塔を連結したバルブを開放し、内温200℃まで1時間掛けて昇温した。この際、精留塔出口温度が110℃以下になる様に冷却とバルブ開度で制御した。留出したp−DCBと水の混合蒸気はコンデンサーで凝縮し、デカンタで分離して、p−DCBはオートクレーブへ戻した。留出水量は0.228質量部(12.7モル部)であった。
工程3開始時のオートクレーブ内水分量は0.041質量部(2.3モル部)で、工程2で仕込んだNMP1モル当たり0.005モルで、オートクレーブ中に存在する硫黄原子1モル当たり0.010モルであった。オートクレーブ内のSMAB量は工程1と同じく、オートクレーブ中に存在する硫黄原子1モル当たり0.147モルであった。次いで、内温200℃から230℃まで3時間掛けて昇温し、230℃で1時間撹拌した後、250℃まで昇温し、1時間撹拌した。内温200℃時点のゲージ圧は0.03MPaで、最終ゲージ圧は0.40MPaであった。冷却後、得られたスラリーの内、0.650質量部を3質量部(3リットル部)の水に注いで80℃で1時間撹拌した後、濾過した。このケーキを再び3質量部(3リットル部)の温水で1時間撹拌し、洗浄した後、濾過した。この操作を4回繰り返した。このケーキを再び3質量部(3リットル部)の温水と、酢酸を加え、pH4.0に調整した後、1時間撹拌し、洗浄した後、濾過した。このケーキを再び3質量部(3リットル部)の温水で1時間撹拌し、洗浄した後、濾過した。この操作を2回繰り返した。熱風乾燥機を用いて120℃で一晩乾燥して白色の粉末状のPPS樹脂(1)を得た。
前記で製造したPPS樹脂とガラス繊維(平均繊維長200μm、平均直径10μm)とを表1に示す配合比(全て質量部)で配合し、各材料をタンブラーで均一に混合した。その後、ベント付き2軸押出機(日本製鋼所社製、TEX−2)に前記配合材料を投入し、樹脂成分吐出量30kg/hr、スクリュー回転数220rpm、設定樹脂温度を320℃に設定して溶融混練し、実施例1〜6および比較例1〜5のための樹脂組成物のペレットを得た。得られた樹脂組成物の溶融粘度は、2540Pa・s(300℃、10/s条件)であり、非ニュートン指数は1.10、融点(Tm)279℃、再結晶化温度(Tc2)233℃であった。また実施例7および比較例6では、PPS樹脂に代えてPC樹脂(商品名「ユーピロンE−2000」、(三菱エンジニアリングプラスチックス社製)のみを使用した。溶融粘度は、1291Pa・s(290℃、10/s条件)であり、非ニュートン指数は1.12、融点(Tm)、再結晶化温度は検出されなかった。
射出成形機(住友重機械社製、SV−50M)に、粗化していない金属を入れておき、実施例1〜7および比較例1〜5のための樹脂組成物のペレットをスクリュー温度320℃で射出成形することにより、長さ×幅×厚み=45mm×10mm×3.0mmの大きさの樹脂部材を製造した。なお、比較例6については後述する。
(金属部材(B−0)の製造)
アルミニウムダイキャスト(ADC12)、アルミニウム(A5052)、銅(C1100)の未処理(未粗化)板から、長さ×幅×厚み=45mm×10mm×1.5mmの大きさに金属部材(B−0)を切り出した。得られた金属部材の粗さ曲線の最大高さ粗さ(Rz)と粗さ曲線要素の平均長さ(RSm)を測定例2に従い評価した。また、上記金属部材の界面の展開面積比(Sdr0)を測定例1に従い評価した。
ADC12の金属部材(B−0)を50℃、5%の水酸化ナトリウム水溶液に20秒間浸漬させて第一の表面粗化工程を行った。ついで第二の表面粗化工程として、67.5%硝酸:55%フッ化水素酸=9:1の体積比で混合した侵食性水溶液に20秒間浸漬させて、粗化面を有する金属部材(表面粗化B−1)を得た。得られた金属部材の粗さ曲線の最大高さ粗さ(Rz)と粗さ曲線要素の平均長さ(RSm)を測定例2に従い評価した。また、上記金属部材の粗化面の展開面積比(Sdr1)を測定例1に従い評価した。また粗化した金属部材のSdrから表面粗化していない金属部材(B−0)の界面の展開面積比(Sdr0)との比率(Sdr1/Sdr0)を算出した。結果を表1に示す。以下同様。
ADC12の金属部材(B−0)に対し、50℃、5%の水酸化ナトリウム水溶液に20秒間浸漬させる第一の表面粗化工程のみを行い、金属部材(表面粗化B−2)を得た。
ADC12の金属部材(B−0)を50℃、5%の水酸化ナトリウム水溶液に10秒間浸漬させて第一の表面粗化工程を行った。ついで第二の表面粗化工程として、67.5%硝酸:55%フッ化水素酸=9:1の体積比で混合した侵食性水溶液に10秒間浸漬させて金属部材(表面粗化B−3)を得た。
ADC12の金属部材(B−0)に対し、メック社のアマルファ処理(Dプロセス)を行い、金属部材(表面粗化B−4)を得た。
A5052の金属部材(B−0)に対し、メック社のアマルファ処理(Dプロセス)を行い、金属部材(表面粗化B−5)を得た。
C1110の金属部材(B−0)に対し、メック社のアマルファ処理(A10201プロセス)を行い、金属部材(表面粗化B−6)を得た。
ADC12の金属部材(B−0)を50℃、2%の水酸化ナトリウム水溶液に20秒間浸漬させて第一の表面粗化工程を行った。ついで第二の表面粗化工程として、15%硝酸:10%フッ化水素酸=9:1の体積比で混合した侵食性水溶液に20秒間浸漬させて金属部材(表面粗化B−7)を得た。
ADC12の金属部材(B−0)に対し、スチールグリッド研削材で60秒間乾式ショットブラストを行い、金属部材(表面粗化B−8)を得た。
実施例1〜7および比較例1〜5
図1に示すとおり、少なくとも一方の表面に粗化面が形成された各金属部材102(比較例1〜3では粗化面を有しない各金属部材102)に、かかる粗化面と接するように各樹脂部材101を重ね合わせた(接触面積は長さ×幅=10mm×10mm)。次に、定置式フリクションスポット接合装置(川崎重工社製、FSJ)を使用し、図1に示すとおり、樹脂部材101が下側、金属部材102が上側になるように専用冶具上に固定し、金属部材102の表面に、回転させた回転ツール201(φ6mm)を押圧することにより、樹脂部材101と金属部材102とを接合した。なお、回転ツールの回転速度は3000rpm、押込速度は5mm/s、押込圧は800Nに設定し、回転ツールを金属部材102表面に押込んだ状態で1〜2秒間保持した。その後に押圧した状態で回転速度を100rpmに低下して3.5秒間保持した。回転ツールを回転させつつ押圧した結果、接合後の金属部材102の表面にはφ5mm程度の円形の圧痕が見られたが、樹脂部材101と金属部材102との接合面や、樹脂部材101には歪んだ痕は見られなかった。実施例1〜7および比較例1〜5で得られた金属樹脂複合体の接合強度および耐ヒートサイクル性を測定例3および測定例4に記載の方法で評価した。結果を表1に示す。
金属部材B−2をホットプレート上で200℃に予熱した後、射出成形機(住友重機械社製、SV−50M)の金型(金型温度は140℃)にセットし、金属部材の粗化面(10mm×10mm)と樹脂部材とが接合されるように、比較例6のための樹脂組成物のペレットをスクリュー温度290℃でインサート成形し、金属樹脂複合体を得た。比較例6で得られた金属樹脂複合体の接合強度および耐ヒートサイクル性を測定例3および測定例4に記載の方法で評価した。結果を表1に示す。
Claims (8)
- 表面の少なくとも一部に粗化面を有する金属部材(ただし、少なくとも樹脂部材との接合領域における表面から深さ100nmまでの表層部が以下の組成Aを有する鋼材を除く。
(組成A)
鉄原子および亜鉛原子の合計量が鉄原子、亜鉛原子および酸素原子の合計量に対して25原子%以上である;
酸素原子の量が鉄原子、亜鉛原子および酸素原子の合計量に対して20原子%以上である。)と樹脂部材とを備え、前記粗化面の少なくとも一部と接するように前記樹脂部材が接合された金属樹脂複合体の製造方法であって、
前記金属部材と前記樹脂部材とを重ね合わせた状態で、前記樹脂部材と反対側の前記金属部材の表面に発生させた摩擦熱により前記樹脂部材を溶融させて、前記樹脂部材と前記金属部材とを接合する工程を含み、
前記粗化面の任意の5点を、共焦点顕微鏡を用いてISO 25178に準拠して測定した時に展開面積比(Sdr)が数平均値で5以上であることを特徴とする金属樹脂複合体の製造方法。 - 前記摩擦熱が、前記樹脂部材と反対側の前記金属部材の表面に、回転させた回転ツールを押圧することにより発生するものである請求項1に記載の金属樹脂複合体の製造方法。
- 前記樹脂部材の溶融粘度が200〜6000Pa・sである請求項1または2に記載の金属樹脂複合体の製造方法。
- 前記樹脂部材がポリアリーレンスルフィド樹脂を含有する請求項1〜3のいずれかに記載の金属樹脂複合体の製造方法。
- 金属部材(ただし、少なくとも樹脂部材との接合領域における表面から深さ100nmまでの表層部が以下の組成Aを有する鋼材を除く。
(組成A)
鉄原子および亜鉛原子の合計量が鉄原子、亜鉛原子および酸素原子の合計量に対して25原子%以上である;
酸素原子の量が鉄原子、亜鉛原子および酸素原子の合計量に対して20原子%以上である。)と樹脂部材とが接合された金属樹脂複合体であって、
前記樹脂部材は少なくとも熱可塑性樹脂を含有するものであり、
前記金属部材は、表面の少なくとも一部に粗化面を有し、前記粗化面は、その任意の5点を、共焦点顕微鏡を用いてISO 25178に準拠して測定した時に展開面積比(Sdr)が数平均値で5以上であり、
前記粗化面の少なくとも一部と接するように前記樹脂部材を重ね合わせた状態で、前記樹脂部材と反対側の前記金属部材の表面に発生させた摩擦熱により前記樹脂部材を溶融させることにより、前記樹脂部材と前記金属部材とが接合しており、
前記熱可塑性樹脂の融点が260℃以上であることを特徴とする金属樹脂複合体。 - 金属部材(ただし、少なくとも樹脂部材との接合領域における表面から深さ100nmまでの表層部が以下の組成Aを有する鋼材を除く。
(組成A)
鉄原子および亜鉛原子の合計量が鉄原子、亜鉛原子および酸素原子の合計量に対して25原子%以上である;
酸素原子の量が鉄原子、亜鉛原子および酸素原子の合計量に対して20原子%以上である。)と樹脂部材とが接合された金属樹脂複合体であって、
前記樹脂部材は少なくとも熱可塑性樹脂を含有するものであり、
前記金属部材は、表面の少なくとも一部に粗化面を有し、前記粗化面は、その任意の5点を、共焦点顕微鏡を用いてISO 25178に準拠して測定した時に展開面積比(Sdr)が数平均値で5以上であり、
前記粗化面の少なくとも一部と接するように前記樹脂部材が接合されており、かつ前記樹脂部材と反対側の前記金属部材の表面に押圧跡を有するものであり、
前記熱可塑性樹脂の融点が260℃以上であることを特徴とする金属樹脂複合体。 - 前記金属部材の表面に存在する押圧跡が、断面視で凹状のものであり、かつ正面視で独立した1または2以上の円形状のものである請求項6に記載の金属樹脂複合体。
- 前記金属部材の表面に存在する押圧跡が、断面視で凹状のものであり、かつ正面視で独立した1または2以上の円形状の押圧痕が重ね合わされることで、全体として直線形状となったもの、全体として柵状のもの、全体として格子状ないし網目状のもの、または全体としてジグザグ形状のものである請求項6に記載の金属樹脂複合体。
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