(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
金属部材と樹脂部材とを摩擦攪拌接合する方法であって、
前記金属部材にプラズマ電解酸化処理を施すことで前記金属部材の表面に微細な空孔を含む酸化被膜を形成させる第一工程と、
前記金属部材と前記樹脂部材との少なくとも一部分を重畳させ、前記樹脂部材と前記金属部材とが前記酸化被膜を介して当接した重ね合わせ領域を形成し、前記重ね合わせ領域において前記金属部材の側から回転するツールを圧入して摩擦攪拌接合を施す第二工程とを有し、            
前記第二工程では、前記回転ツールと前記金属部材との摩擦熱により接合界面近傍の樹脂材料を溶融させ、溶融した樹脂材料を前記空孔内に侵入させた後に自然冷却により硬化させる、摩擦攪拌接合する方法。
【請求項２】
前記樹脂部材が非極性材であること、
を特徴とする請求項１に記載の摩擦攪拌接合する方法。
【請求項３】
前記ツールの底面が略平面であること、
を特徴とする請求項１又は２に記載の摩擦攪拌接合する方法。
【請求項４】
前記第二工程の予備処理として、前記樹脂部材にコロナ放電処理を施すこと、
を特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の摩擦攪拌接合する方法。
【請求項５】
前記金属部材がマグネシウム又はマグネシウム合金であり、
前記空孔の孔径が１〜３０μｍで形成される、
を特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の摩擦攪拌接合する方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、金属部材と樹脂部材を接合する方法に関し、より具体的には、樹脂材料の種類によることなく、金属部材と樹脂部材を接合することができる摩擦攪拌接合法に関する。
【背景技術】
【０００２】
現在、電気製品や自動車等の様々な製品において、金属材料と樹脂材料を併用することが一般的に行われており、金属部材と樹脂部材を接合する需要も増加している。金属部材と樹脂部材を接合する場合、従来は接着剤を用いる方法、ボルト留め、加締め等による機械的結合方法等が利用されているが、接合部の信頼性等に問題があった。
【０００３】
一方で、局所的に熱を与えることができる摩擦攪拌接合（ＦＳＷ）を利用した異種材料の接合方法が提案されている。本来、摩擦攪拌接合は金属材料同士を接合する方法であるが、提案されている接合方法では、局所的に熱を与えることができる摩擦攪拌接合の特性を利用して、金属材料と樹脂材料を接合している。
【０００４】
例えば、特許文献１（特開２０１２−１７０９７５号公報）には、摩擦攪拌接合の熱によって樹脂材料中の極性基、例えばカルボキシル基の原子の一部を解離させて、金属材料と樹脂材料とを接続する方法が開示されている。当該接合方法においては、樹脂材料と金属材料表面の酸化物中の酸素とを結合させ、金属部材と樹脂部材を接合することができるとしている。
【０００５】
また、特許文献２（特開２００９−２７９８５８号公報）には、金属材料の被接合面に熱可塑性樹脂の塗膜を形成し、当該塗膜部に樹脂材料を重ね、摩擦攪拌接合により接合する方法が開示されている。当該接合方法においては、回転ツールによって生じる摩擦熱により、塗膜と樹脂材料とが相溶することで、金属部材と樹脂部材を接合することができるとしている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２０１２−１７０９７５号公報
【特許文献２】特開２００９−２７９８５８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、前記特許文献１に開示されている接合方法では、樹脂材料中の極性基を利用するため、樹脂材料の種類が極性材料に限定され、非極性材料を接合することはできない。また、前記特許文献２に開示されている接合方法では、金属材料の塗膜と樹脂材料の相溶性を考慮する必要があるため、樹脂材料の種類が限定される。
【０００８】
以上のような従来技術における問題点に鑑み、本発明の目的は、樹脂材料の種類に関わることなく、摩擦攪拌接合によって金属部材と樹脂部材を接合する方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明者は、上記目的を達成すべく、摩擦攪拌接合条件及び摩擦攪拌接合に対する金属部材の予備処理方法等について鋭意研究を重ねた結果、少なくとも金属部材の接合面にプラズマ電解酸化（ＰＥＯ）処理を施し、その後に摩擦攪拌接合を行うことが極めて有効であることを見出し、本発明に到達した。
【００１０】
即ち、本発明は、
金属部材と樹脂部材を摩擦攪拌接合するする方法であって、
前記金属部材にプラズマ電解酸化処理を施し、前記金属部材の表面に微細な空孔を含む酸化被膜を形成させる第一工程と、
前記金属部材と前記樹脂部材との少なくとも一部分を重畳させ、前記樹脂部材と前記金属部材とが前記酸化被膜を介して当接した重ね合わせ領域を形成し、前記重ね合わせ領域において前記金属部材の側から回転するツールを圧入して摩擦攪拌接合を施す第二工程とを有し、
前記第二工程では、前記回転ツールと前記金属部材との摩擦熱により接合界面近傍の樹脂材料を溶融させ、溶融した樹脂材料を前記空孔内に侵入させた後に自然冷却により硬化させる、摩擦攪拌接合する方法を提供する。
【００１１】
本発明の金属部材と樹脂部材の接合方法においては、前記樹脂部材が非極性材料である場合であっても、良好な継手を得ることができる。
【００１２】
また、本発明の金属部材と樹脂部材の接合方法においては、前記ツールの底面が略平面であることが好ましい。
【００１３】
また、本発明の金属部材と樹脂部材の接合方法においては、前記第二工程の予備処理として、前記樹脂部材にコロナ放電処理を施すことが好ましい。
【００１４】
更に、本発明の金属部材と樹脂部材の接合方法においては、本発明の金属部材は、マグネシウム又はマグネシウム合金であり、空孔の孔径が１〜３０μｍで形成されることが好ましい。
【発明の効果】
【００１５】
本発明によれば、樹脂材料の種類に関わらず、金属部材と樹脂部材を接合する方法を提供することができ、より具体的には、樹脂材料が非極性材料、例えばポリプロピレン（ＰＰ）、ポリエチレン（ＰＥ）であっても、金属材料と接合することができる摩擦攪拌接合方法を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】本発明の金属部材と樹脂部材の接合方法の工程図である。
【図２】本発明の金属部材と樹脂部材の接合方法の概略図である。
【図３】プラズマ電解酸化処理を施したＡＺ３１合金板／ポリエチレン板継手の外観写真である。
【図４】プラズマ電解酸化処理を施していないＡＺ３１合金板／ポリエチレン板継手の外観写真である。
【図５】プラズマ電解酸化処理を施したＡＺ３１合金板／ポリエチレン板継手の引張試験結果である。
【図６】プラズマ電解酸化処理を施したＡＺ３１合金板／コロナ放電処理を施したポリエチレン板継手の引張試験結果である。
【図７】プラズマ電解酸化処理を施したＡＺ３１合金板／ポリプロピレン板継手の引張試験結果である。
【図８】プラズマ電解処理を施したＡＺ３１合金板／コロナ放電処理を施したポリプロピレン板継手の引張試験結果である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
以下、図面を参照しながら本発明の金属部材と樹脂部材の接合方法の代表的な実施形態について詳細に説明するが、本発明はこれらのみに限定されるものではない。なお、以下の説明では、同一または相当部分には同一符号を付し、重複する説明は省略する場合がある。また、図面は、本発明を概念的に説明するためのものであるから、表された各構成要素の寸法やそれらの比は実際のものとは異なる場合もある。
【００１８】
図１は、本発明の金属部材と樹脂部材の接合方法の工程図である。本発明の金属部材と樹脂部材の接合方法は、金属部材に酸化被膜を形成させる第一工程（Ｓ０１）と、第一工程（Ｓ０１）で形成させた酸化被膜を含む被接合領域に対して摩擦攪拌接合を施す第二工程（Ｓ０２）とを有している。
【００１９】
（１） 被接合部材
（１−１）金属部材
金属部材の金属材料には、プラズマ電解酸化処理が可能な金属材料、例えば、鉄、鋼、アルミニウム、マグネシウム、チタン等を用いることができる。ここで、金属部材の金属材料はプラズマ電解酸化処理が可能な金属材料であれば特に限定されないが、表面に酸化物の少ないマグネシウム又はマグネシウム合金を用いることが好ましい。
【００２０】
（１−２）樹脂部材
樹脂部材の樹脂材料には、本発明の効果を損なわない範囲で従来公知の種々の樹脂材料を用いることができるが、当該樹脂材料が非極性材料であることが好ましい。非極性材料としては、例えば、ポリエチレン（ＰＥ）、ポリプロピレン（ＰＰ）等を例示することができる。
【００２１】
（２）プラズマ電解酸化（ＰＥＯ）処理（第一工程）
金属部材にプラズマ電解酸化処理を施し、表面に酸化被膜を形成する工程である。当該酸化被膜は主に金属酸化物で構成され、表面には多数の細長い開孔が形成される。
【００２２】
プラズマ電解酸化処理の前処理としては、金属部材を有機溶剤や強アルカリ水溶液に浸漬することで金属部材表面の脱脂処理を行うことが好ましい。脱脂には、トリクロロエチレンやアセトンなどの有機溶剤の他、水酸化カリウムや水酸化ナトリウムを含む強アルカリ水溶液を用いることができる。また、その後の洗浄工程では、例えば、洗剤、脱イオン水、超純水などを用い、必要に応じて超音波を利用して洗浄を行うことが好ましい。酸化被膜を形成する領域以外の表面にマスクを形成させてもよい。
【００２３】
プラズマ電解酸化処理は、金属部材を電極として対電極と共に電解質液に浸漬し、金属部材の表面に電圧を印加することで行うことができる。高電圧を印可するとアーク放電が生じ、金属部材表面に微細な空孔を含む緻密な酸化被膜が形成される。なお、電解質には、珪酸塩、燐酸塩、炭酸塩、水酸化ナトリウム、フッ化ナトリウムを含有するものを使用することができる。プラズマ電解酸化処理の後、金属部材を例えば、脱イオン水、超純水などを用いて洗浄し、乾燥を行うことで、密着性に優れた酸化被膜を得ることができる。
【００２４】
酸化被膜内に形成される空孔は、酸化被膜の形成時に金属部材と電解液との反応によって生じる気体が、酸化被膜内から電解液中へ放出されることによって形成される貫通孔である。孔径が１〜３０μｍの空孔が形成され、空孔の分布密度は、１０００〜１０００００個／ｍｍ２程度である。空孔が少なすぎると、摩擦攪拌接合における樹脂材料のアンカー効果が不十分となり、継手の接合強度が低下するので適当ではない。空孔が多すぎると、酸化被膜の密着性が低下するため、好ましくない。
【００２５】
プラズマ電解酸化処理によって形成される酸化被膜の厚さは、１〜２００μｍであることが好ましい。１μｍ未満では、樹脂材料のアンカー効果が不十分となり、２００μｍを超えると、十分な分布密度の空孔を得ることが困難となるため、好ましくない。
【００２６】
プラズマ電解酸化処理を施すことができるマグネシウム合金には、Ｍｇ−Ａｌ系合金、Ｍｇ−Ｚｎ系合金、Ｍｇ−Ｚｒ系合金、Ｍｇ−Ａｌ−Ｚｎ系合金、Ｍｇ−Ａｌ−Ｍｎ系合金、Ｍｇ−Ｚｎ−Ｚｒ系合金、Ｍｇ−希土類元素系合金、Ｍｇ−Ｚｎ−希土類元素系合金、Ｍｇ−Ｌｉ系合金、Ｍｇ−Ｌｉ−Ｙ系合金、Ｍｇ−Ｃａ−希土類元素系合金などを例示することができる。
【００２７】
プラズマ電解酸化処理においては、金属部材と電解質液との反応によって金属部材の表面に微細な空孔を含む緻密層が形成される。そのため、プラズマ電解酸化処理前の金属部材表面は、酸化被膜が除去されているか、その厚さが薄い方が好ましい。
【００２８】
プラズマ電解酸化処理は少なくとも金属部材の接合面に施せばよく、当該処理によって金属部材の被接合面に多孔質の酸化物被膜が形成される。なお、当該酸化被膜は耐熱性を有していることから、摩擦攪拌接合時に発生する入熱によって深刻な影響を受けることはない。また、当該酸化被膜は金属部材の耐食性を向上させることから、金属部材の全体に施すことが好ましい。
【００２９】
（３）摩擦攪拌接合（第二工程）
第二工程（Ｓ０２）は、金属部材と樹脂部材との少なくとも一部を重畳させ、第一工程（Ｓ０１）で形成させた酸化被膜を含む被接合領域に対して摩擦攪拌接合を施す工程である。即ち、金属部材と樹脂部材とが酸化被膜を介して当接した重ね合わせ領域に対して、摩擦攪拌接合を施す工程である。
【００３０】
摩擦攪拌接合は、ＦＳＷ（Ｆｒｉｃｔｉｏｎ  Ｓｔｉｒ  Ｗｅｌｄｉｎｇ）と称され、接合しようとする二つの金属部材それぞれの端部を突き合わせ、回転ツールの先端に設けられた突起部（プローブ）を当該突き合わせ部に挿入し、突き合わせ線に沿って回転ツールを回転させつつ移動させることによって、二つの金属部材を接合する方法である。
【００３１】
本発明における「摩擦攪拌接合」とは、被接合材同士を重ね合わせて金属部材の側から回転ツールを挿入する摩擦攪拌接合において、回転ツールを接合方向に向けて移動させる摩擦攪拌接合及び回転ツールを接合部位で移動させないスポット摩擦攪拌接合のいずれかの態様を任意に組み合わせた態様が含まれる。
【００３２】
本発明においては、回転ツールと金属部材との間に生じる摩擦熱で接合部位の樹脂材料が溶融し、第一工程（Ｓ０１）で形成させた酸化被膜の多孔部に侵入する。回転ツールが移動した後、樹脂部材の一部が前記多孔部に侵入した状態で自然冷却により硬化することで、金属部材と樹脂部材の接合が達成される。
【００３３】
摩擦攪拌接合に用いる回転ツールの回転速度及び前進速度は、被接合材の種類、ツールの材質、形状及びサイズ等によって適宜決定すればよい。ここで、例えば、直径１５ｍｍの円柱状の鋼製回転ツールを用いてマグネシウム合金に回転ツールを挿入する場合、ツール回転速度は５００〜４０００ｒｐｍとすることが好ましく、１０００〜２５００ｒｐｍとすることがより好ましい。また、回転ツールの前進速度については、１００〜２０００ｍｍ／ｍｉｎとすることが好ましく、２００〜１５００ｍｍ／ｍｉｎとすることがより好ましい。
【００３４】
回転ツールの形状は本発明の効果を損なわない範囲において特に限定されないが、回転ツールの底面が略平面であるツール（フラットツール）を用いることが好ましい。フラットツールを用いることで、酸化皮膜を破壊せず被接合界面に十分な圧力及び熱量を印加することができ、良好な継手を得ることができる。
【００３５】
ここで、図２を用いて、金属部材と樹脂部材の摩擦攪拌接合をより詳細に説明する。プラズマ電解酸化処理を施した金属部材２と樹脂部材４の少なくとも一部分を重畳させ、金属部材２の表面に形成された酸化被膜６を介して重ね合わせ領域を形成し、金属部材２の側から回転ツール８を重ね合わせ領域に圧入して摩擦攪拌接合を行う。攪拌部１０（回転ツールの圧入に起因した塑性流動によって形成される領域）において、回転ツール８と金属部材２の摩擦による熱が生じ、接合界面に伝導される。この熱により、接合界面近傍の樹脂材料が溶融し、金属部材２の酸化被膜６の多孔部内に侵入する。多孔部に侵入した樹脂は、回転ツール８の移動後、自然冷却により硬化し、金属部材２と樹脂部材４が接合される。
【００３６】
摩擦攪拌接合の予備処理として、樹脂部材４にコロナ放電処理を施すことが好ましい。ポリエチレン、ポリプロピレン等の非極性樹脂材料は、表面層に極性基を持たないため、濡れ特性が低いが、コロナ放電処理を施すことにより、非極性樹脂材料の濡れ特性は向上し、金属部材との接合において継手の接合強度が向上する。
【００３７】
コロナ放電処理は、樹脂部材４を放電電極と誘電体の間に挿入して行われる。放電電極は、樹脂部材４と接しないように且つ誘電体に平行に配置される。放電電極に高周波高電圧を印加すると、放電電極と樹脂部材４の間でコロナ放電が起こり、樹脂部材４の表面にコロナ放電処理がなされる。コロナ放電処理によって、酸素等の気体成分がプラズマ状態となり、コロナ放電中の加速電子が樹脂部材４の表面に衝突することで、当該表面に水酸基やカルボニル基などの極性基が発生する。これらの極性基は親水性であり、樹脂部材４の濡れ特性が向上し、金属部材２との接合強度の向上に寄与する。
【００３８】
非極性樹脂材料としては、ポリエチレン（ＰＥ）、ポリプロピレン（ＰＰ）の他、低密度ポリエチレン（ＬＤＰＥ）、高密度ポリエチレン（ＨＤＰＥ）、ポリスチレン（ＰＳ）、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）などを例示することができる。
【００３９】
以上、本発明の代表的な実施形態について説明したが、本発明はこれらのみに限定されるものではなく、種々の設計変更が可能であり、それら設計変更は全て本発明の技術的範囲に含まれる。
【実施例】
【００４０】
≪実施例１≫
板厚２ｍｍのマグネシウム合金（ＡＺ３１）板に対してプラズマ電解酸化処理を施した。具体的には、珪酸塩燐酸塩混合水溶液中にて、平均電流密度２００Ａｍ−２の定電流パルス処理を施すことにより、厚さ約１０μｍの酸化被膜を得た。
【００４１】
上述のプラズマ電解酸化処理を施したＡＺ３１合金板を、重ね幅が１７ｍｍとなるようにポリエチレン板の上に重ね合わせ、ＡＺ３１合金板の上から回転ツールを挿入することで摩擦攪拌接合（線接合）を施した。
【００４２】
摩擦攪拌接合の条件を表１に示す。回転ツールには、プローブを有しないショルダ径１５ｍｍの円筒状の鋼製ツールを用い、ツール挿入深さを０．２５ｍｍ、ツール回転速度を５００ｒｐｍとし、ツール移動速度を２００、４００、８００、１５００ｍｍ／ｍｉｎと変化させて摩擦攪拌接合を行った。
【００４３】
【表１】
0006014879.tif 000002
【００４４】
≪実施例２≫
摩擦攪拌接合の前処理としてポリエチレン板にコロナ放電処理を施したこと以外は、実施例１と同様にして、摩擦攪拌接合を行った。なお、コロナ放電には高周波電源を用い、放電電流を２００ｍＡ、処理時間を１０ｍｉｎとして処理を施した。
【００４５】
≪実施例３≫
樹脂材料をポリプロピレン板としたこと以外は、実施例１と同様にして、摩擦攪拌接合を行った。
【００４６】
≪実施例４≫
樹脂材料をポリプロピレン板とし、摩擦攪拌接合の前処理としてポリプロピレン板にコロナ放電処理を施したこと以外は、実施例１と同様にして、摩擦攪拌接合を行った。なお、コロナ放電には高周波電源を用い、放電電流を２００ｍＡ、処理時間を１０ｍｉｎとして処理を施した。
【００４７】
≪比較例１≫
ＡＺ３１合金板にプラズマ電解酸化処理を施さなかったこと以外は、実施例１と同様にして、摩擦攪拌接合を行った。
【００４８】
≪比較例２≫
ポリエチレン板に摩擦攪拌接合の前処理としてコロナ放電処理を施したこと以外は、比較例１と同様にして、摩擦攪拌接合を行った。なお、コロナ放電には高周波電源を用い、放電電流を２００ｍＡ、処理時間を１０ｍｉｎとして処理を施した。
【００４９】
≪比較例３≫
樹脂材料をポリプロピレン板としたこと以外は、比較例１と同様にして、摩擦攪拌接合を行った。
【００５０】
≪比較例４≫
樹脂材料をポリプロピレン板とし、摩擦攪拌接合の前処理としてポリプロピレン板にコロナ放電処理を施したこと以外は、比較例１と同様にして、摩擦攪拌接合を行った。なお、コロナ放電には高周波電源を用い、放電電流を２００ｍＡ、処理時間を１０ｍｉｎとして処理を施した。
【００５１】
実施例１〜実施例４及び比較例１〜比較例４の接合確認試験結果を表２に示す。接合確認試験は、摩擦攪拌接合を行った後に、金属部材と樹脂部材が接合されているか否かを目視で観察するものである。２００、４００、８００、１５００ｍｍ／ｍｉｎのいずれのツール移動速度でも、金属部材と樹脂部材が一体化されていれば「○」、いずれかのツール移動速度において、金属部材と樹脂部材が接合されずに分離したままの状態のものがあれば「×」とし、結果を表２に示した。
【００５２】
【表２】
0006014879.tif 000003
【００５３】
ＡＺ３１合金板にプラズマ電解酸化処理を施した実施例１〜実施例４では、２００、４００、８００、１５００ｍｍ／ｍｉｎのいずれのツール移動速度でも、金属部材と樹脂部材が良好に接合できている。これに対し、ＡＺ３１合金板にプラズマ電解酸化処理を施さなかった比較例１〜比較例４では、金属部材と樹脂部材を接合することはできなかった。
【００５４】
図３は、実施例１で得られた継手の外観である（回転ツールの前進速度：８００ｍｍ／ｍｉｎ）。継手の表面には回転ツールによる攪拌部が観察され、当該領域でプラズマ電解酸化処理を施したＡＺ３１合金板とポリエチレン板が接合されている。
【００５５】
図４は、比較例１で得られた継手の外観である（回転ツールの前進速度：８００ｍｍ／ｍｉｎ）。プラズマ電解処理を施していないＡＺ３１合金板は、ポリエチレン板と完全に分離しており、接合されていないことが分かる。
【００５６】
上記接合確認試験において、金属部材と樹脂部材が接合されていることが確認された実施例１〜４について、幅２０ｍｍの短冊状の継手試験片を切り出し、引張試験機（島津製作所製）を用いて、引張速度０．５ｍｍ／ｍｉｎで引張試験を行った。
【００５７】
実施例１の引張試験結果を図５に示す。プラズマ電解酸化処理を施したＡＺ３１合金板とポリエチレン板を摩擦攪拌接合すると、ツール移動速度が２００ｍｍ／ｍｉｎ〜１５００ｍｍ／ｍｉｎの条件で、ほぼ同レベルの高い接合強度を有する継手を得ることができた。
【００５８】
実施例２の引張試験結果を図６に示す。摩擦攪拌接合の前処理として、ポリエチレン板にコロナ放電処理を施すことにより、ツール移動速度が４００ｍｍ／ｍｉｎ〜１５００ｍｍ／ｍｉｎの条件で継手の強度は大幅に向上した。
【００５９】
実施例３の引張試験結果を図７に示す。プラズマ電解酸化処理を施したＡＺ３１合金板とポリプロピレン板を摩擦攪拌接合すると、ツール移動速度が２００ｍｍ／ｍｉｎ〜１５００ｍｍ／ｍｉｎの条件で良好な継手を得ることができた。特に、ツール移動速度が４００ｍｍ／ｍｉｎ〜１５００ｍｍ／ｍｉｎの条件で、高い接合強度を有する継手を得ることができた。
【００６０】
実施例４の引張試験結果を図８に示す。摩擦攪拌接合の前処理として、ポリプロピレン板にコロナ放電処理を施すことにより、ツール移動速度が４００ｍｍ／ｍｉｎ〜１５００ｍｍ／ｍｉｎの条件で継手の強度は大幅に向上した。
【符号の説明】
【００６１】
２・・・金属部材
４・・・樹脂部材
６・・・酸化被膜
８・・・回転ツール
１０・・・攪拌部
【図１】
0006014879.tif 000004
【図２】
0006014879.tif 000005
【図３】
0006014879.tif 000006
【図４】
0006014879.tif 000007
【図５】
0006014879.tif 000008
【図６】
0006014879.tif 000009
【図７】
0006014879.tif 000010
【図８】
0006014879.tif 000011