(57)【要約】【課題】異なる種類の金属がセルフピアシングリベットにより接合されていても腐食の発生を防ぐことができる積層体等を提供する。【解決手段】積層体１０は、アルミニウム板２０と、アルミニウム板２０の一方の表面上に設けられた第一のシーラント層４０と、アルミニウム板２０の他方の表面側に設けられた鋼材３０と、アルミニウム板２０と鋼材３０との間に設けられた第二のシーラント層４１と、を備え、各層は、セルフピアシングリベット５０により固着され、第一のシーラント層４０及び第二のシーラント層４１は、乾燥膜厚１００〜３０００μｍである。【選択図】図１
2012017018.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
アルミニウム材層と、
前記アルミニウム材層の一方の表面上に設けられた第一のシーラント層と、
前記アルミニウム材層の他方の表面側に設けられた鋼材層と、
前記アルミニウム材層と前記鋼材層との間に設けられた第二のシーラント層と、
を備える積層体であって、
前記各層は、セルフピアシングリベットにより固着され、
前記第一のシーラント層及び前記第二のシーラント層は、乾燥膜厚１００〜３０００μｍである
ことを特徴とする積層体。
【請求項２】
前記第一のシーラント層及び前記第二のシーラント層は、ウレタンプレポリマーから成ることを特徴とする請求項１に記載の積層体。
【請求項３】
請求項１に記載の積層体に用いられるシーラント被覆アルミニウム材であって、
前記第一のシーラント層及び前記第二のシーラント層は、前記アルミニウム材の両表面に設けられていることを特徴とするシーラント被覆アルミニウム材。
【請求項４】
前記第一のシーラント層及び前記第二のシーラント層は、ウレタンプレポリマーから成ることを特徴とする請求項３に記載のシーラント被覆アルミニウム材。
【請求項５】
アルミニウム材の両表面にウレタンプレポリマーを塗布する工程と、
前記ウレタンプレポリマーが塗布されたアルミニウム材を、到達板温６０〜８０℃で２５分以上焼付する工程と、
を含むシーラント被覆アルミニウム材の製造方法。
【請求項６】
請求項１に記載の積層体の製造方法であって、
各層を積層する工程と、
鋼材を下側にしてダイスの上に載置する工程と、
アルミニウム材側から、パンチによりセルフピアシングリベットを打ち込む工程と、
を含む積層体の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、自動車、鉄道車両などの輸送分野、機械部品、建築構造物等に用いられる積層体、シーラント被覆アルミニウム材、シーラント被覆アルミニウム材の製造方法及び積層体の製造方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
アルミニウム板及びアルミニウム合金板（以下、総称してアルミニウム板という）は、耐食性が良好で軽量であることから、飲料缶材料、建材、電機及び電子部品を含む家電材並びに自動車材等の用途に広く利用されている。
【０００３】
特に自動車材の分野においては、車体の軽量化を図るため、アルミニウム板で形成された車輌用部材（例えばアルミルーフパネル）が利用されている。そして、一つの車輌に、アルミ製の車輌用部材と鉄製の車輌用部材とが用いられ、これらを接合することがある。しかし、この場合、従来の抵抗スポット溶接では、接合界面に脆い金属間化合物が生成され、継手強度が低く信頼性に問題があった。
【０００４】
また、異種金属部材間の接合強度を確保するために、異種金属部材をトランジションピースを介して融接する技術が開発されている。しかし、トランジションピースが高価であるためコスト的に実施が困難であった。
【０００５】
そこで、従来、セルフピアシングリベット（ＳＰＲ）を用いて異種金属部材を機械的に接合する方法が実用化されている。セルフピアシングリベット接合は、異種金属接合方法の中では接合時間が短く、異種金属同士の溶融による接触を必要としない為、多くの種類の金属を接合することが可能である。また、異種金属を接合する他の方法であるメカニカルクリンチ接合よりも、接合強度が高い等の特徴を持つ。
【０００６】
そして、縁部の全周に絶縁シール部を設けたアルミ製のルーフパネルと、スチール製のサイドレールとを、セルフピアシングリベットにより接合する接合構造が知られている（特許文献１）。
【０００７】
また、平板状の板材と、接合座面部を有する板材とを接合する接合構造であって、接合部を包囲するように環状のシール部材が配置され、そのシール部材を２つの板材で挟んだ状態で、接合部をセルフピアシングリベットにより接合する接合構造が知られている（特許文献２）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開２０００−２７２５４１号公報
【特許文献２】特開２００７−１１３０８３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
しかし、セルフピアシングリベット接合では、リベットを打ち込んだ後、板からの反発力を受ける。そのため、リベットの食い込み量が小さくなり、図２（ａ）及び（ｂ）に示すように、リベット頭部とアルミニウム板との間に隙間Ｓが形成される場合がある。特許文献１に記載の構造では、板端面にのみシーリングをしており、鋼板とアルミニウム板間や接合部近傍にはシーリングがないため、リベット頭部とアルミニウム板との隙間から水分が浸入した場合、腐食が発生するといった問題点があった。また、金属製リベットが使用される為、リベットと被接合材との電食も引き起こされていた。
【００１０】
また、特許文献２に記載の構造では、絶縁シール材があるものの、アルミニウム板と接着されておらず、隙間から水分が浸入すれば腐食が発生するという問題があった。
【００１１】
本発明は、このような従来技術の問題点に鑑みてなされたものであり、異なる種類の金属をセルフピアシングリベット接合により積層しても腐食の発生を防止できる積層体等を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
上記目的を達成するための本発明の第１の観点に係る積層体は、
アルミニウム材層と、
前記アルミニウム材層の一方の表面上に設けられた第一のシーラント層と、
前記アルミニウム材層の他方の表面側に設けられた鋼材層と、
前記アルミニウム材層と前記鋼材層との間に設けられた第二のシーラント層と、
を備える積層体であって、
前記各層は、セルフピアシングリベットにより固着され、
前記第一のシーラント層及び前記第二のシーラント層は、乾燥膜厚１００〜３０００μｍである
ことを特徴とする。
【００１３】
また、前記第一のシーラント層及び前記第二のシーラント層は、ウレタンプレポリマー、であることが望ましい。
【００１４】
また、上記目的を達成するための本発明の第２の観点に係るシーラント被覆アルミニウム材は、
本発明の第１の観点に係る積層体に用いられ、
前記第一のシーラント層及び前記第二のシーラント層は、前記アルミニウム材の両表面に設けられていることを特徴とする。
【００１５】
また、前記第一のシーラント層及び前記第二のシーラント層は、ウレタンプレポリマー、であることが望ましい。
【００１６】
また、上記目的を達成するための本発明の第３の観点に係るシーラント被覆アルミニウム材の製造方法は、
アルミニウム材の両表面にウレタンプレポリマーを塗布する工程と、
前記ウレタンプレポリマーが塗布されたアルミニウム材を、到達板温６０〜８０℃で２５分以上焼付する工程と、
を含むことを特徴とする。
【００１７】
また、上記目的を達成するための本発明の第４の観点に係る積層体の製造方法は、
本発明の第１の観点に係る積層体の製造方法であって、
各層を積層する工程と、
鋼材を下側にしてダイスの上に載置する工程と、
アルミニウム材側から、パンチによりセルフピアシングリベットを打ち込む工程と、
を含むことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１８】
本発明により、異なる種類の金属をセルフピアシングリベット接合により積層しても腐食の発生を防止できる。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】本発明の実施形態に係る積層体を示す断面図である。
【図２】従来のセルフピアシングリベット接合された積層体を示す断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
以下、本発明の実施の形態を説明する。尚、以下に記載する実施形態は本発明の好適な実施形態であり、本願発明の範囲を制限するものではない。また、当業者であればこれらの各要素又は全要素をこれと均等なものに置換した実施形態を採用することが可能であるが、これらの実施形態も本発明の範囲に含まれる。
【００２１】
図１に示すように、本実施形態に係る積層体１０は、アルミニウム板２０の表面に第一のシーラント層４０及び第二のシーラント層４１が形成されたシーラント被覆アルミニウム材６０と、鋼材３０と、セルフピアシングリベット５０とからなる。そして、積層体１０は、シーラント被覆アルミニウム材６０と、鋼材３０とが、セルフピアシングリベット５０により接合されて形成されている。
【００２２】
まず、本実施形態に係るシーラント被覆アルミニウム材６０を構成する各要素について説明する。
【００２３】
（アルミニウム板）
アルミニウム板２０には、純アルミニウム、ならびに、鉄、銅、マンガン、珪素、マグネシウム、亜鉛、クロム、ニッケル等を１種又は２種以上含有するアルミニウム合金材が用いられる。アルミニウム板２０の厚さは特に限定されるものではないが、０．１〜３ｍｍのものが好適に用いられる。
【００２４】
アルミニウム板２０は、大気中に放置されることで酸化被膜を生成する。また、圧延などの製造工程で、アルミニウム板２０の表面には油分が付着する。この酸化被膜及び油分を除去するため、アルカリ性水溶液及び／又は酸性水溶液による脱脂、洗浄を行うことが好ましい。これらの脱脂や洗浄には、通常のアルミニウム処理法として行われる方法でよく、市販の処理液を使用することも可能である。アルカリ性水溶液には、水酸化ナトリウムや水酸化カリウム等が用いられ、酸性水溶液には、硫酸、硝酸、リン酸、フッ酸、硝酸とフッ酸の混合液等が用いられる。
【００２５】
（シーラント層）
本実施形態に係るシーラント被覆アルミニウム６０は、耐食性を向上させるため、第一のシーラント層４０及び第二のシーラント層４１を有している。シーラント剤としてはウレタンプレポリマーが好適である。
【００２６】
ウレタンプレポリマーは、水、酸性水、塩基性水を封止して腐食を防ぐことができる。これは、腐食原因である水や酸／塩基がウレタンプレポリマー中に溶けることができないからである。結果的に、金属部品付近の水分濃度が低く保たれることで、腐食防止効果が発揮される。
【００２７】
また、ウレタンプレポリマーは、液状シーラント剤と比較すると高粘度である為、セルフピアシングリベット接合時に、リベットとアルミニウム板の間に巻き込まれない。ウレタンプレポリマーは、リベットが打ち込まれることによって押し上げられ、図１（ｂ）に示すように、アルミニウム板２０とリベット頭部５１に形成される隙間を埋める。そして、図２（ｂ）に示すような、水が浸入するおそれがある袋構造の隙間Ｓが形成されることを防止する。ウレタンプレポリマーとして例えば、ＳＲシールＡ−２４（サンライズＭＳＩ社製）やＳ−４６１（セメダインヘンケル社製）等が挙げられる。またシーラント剤としてウレタンプレポリマーだけでなく、シリコーンポリマーも適用可能である。シリコーンポリマーとしては例えば、信越シリコーン(株)製一液型ＲＴＶゴム脱オキシムタイプ等が挙げられる。
【００２８】
第一のシーラント層４０及び第二のシーラント層４１は、隙間の封止効果を発揮させるため、乾燥膜厚が１００〜３０００μｍで形成されている。厚さが１００μｍ未満では十分な耐食性が得られず、３０００μｍを超えると塗膜が脆くなる。また、第一のシーラント層４０及び第二のシーラント層４１は、同じ膜厚で形成されている必要はなく、異なる膜厚であってもよい。
【００２９】
次に、本実施形態に係るシーラント被覆アルミニウム材６０の第一のシーラント層４０及び第二のシーラント層４１の形成方法について説明する。
【００３０】
（シーラント層形成方法）
第一のシーラント層４０及び第二のシーラント層４１の形成には、塗布方法としてロールコート法、ロールスクイズ法、エアナイフ法、ケミコーター法、浸漬法、スプレー法、バーコート法等を利用できる。その中でも、塗膜の均一性に優れ、生産性が良好なロールコーター法を適用することが好ましい。塗布後、到達板温６０〜８０℃で焼付を２５分以上実施することで均一な層が得られる。到達板温が６０℃未満では、シーラント剤が硬化せず、８０℃を超えると、シーラント剤と金属面間に焦げ付きが発生し、シーラント剤が金属面から剥離する。また、焼付時間が２５分未満では、シーラント剤が硬化しない。
【００３１】
以上で、本実施形態に係るシーラント被覆アルミニウム材６０が得られる。
【００３２】
次に、本実施形態に係る積層体１０を構成する鋼材３０及びリベット５０について説明する。
【００３３】
（鋼材）
鋼材３０には、鉄ならびに炭素、珪素、マンガン、燐、硫黄等を１種又は２種以上含有する鋼材を用いることができる。鋼材３０の厚さは特に限定されるものではないが、０．６〜１ｍｍのものが好適に用いられる。本発明に使用される鋼材３０は、表面に油分が付着した状態でもよく、また、鋼材の発錆を防ぐ為の防錆油が塗布された状態でもよい。また、亜鉛鍍金や合金化溶融亜鉛鍍金、アルミニウム鍍金など各種鍍金層が施された鍍金鋼板を用いてもよい。
【００３４】
（リベット）
リベット５０は、大径のリベット頭部５１と、リベット頭部５１から延びて内側に空洞が形成されたリベット突起部５２と、から成る。リベット突起部５２の長さは、アルミニウム板２０の厚さ以上であることが必要である。リベット５０には、錫亜鉛鍍金層でコーティングされたタングステン／カーバイドから成る超硬合金を用いているが、これに限らず、あらゆる鍍金層でコーティングされた合金を用いることができる。
【００３５】
次に、本実施形態に係る積層体１０を形成する方法について説明する。
【００３６】
（セルフピアシングリベット接合方法）
セルフピアシングリベット接合には、パンチとダイスを有する締結装置を用いる。
まず、シーラント被覆アルミニウム材６０を鋼材３０の上側に重ね合わせる。次に、重ね合わせた板材を、鋼材３０を下側にした状態で、ダイスの上に配置する。そして、シーラント被覆アルミニウム材６０側から、パンチによりセルフピアシングリベット５０を打ち込む。打ち込まれたセルフピアシングリベット５０は、シーラント被覆アルミニウム材６０を貫通し、鋼材３０内でダイス形状に開くことにより、シーラント被覆アルミニウム材６０と鋼材３０とを締結する（図１参照）。ダイスの形状は、板厚や材料強度に合わせて決めることができる。
【００３７】
次に、上記の接合方法によって得られた、本実施形態に係る積層体１０について説明する。
【００３８】
（積層体）
積層体１０は、図１に示すように、シーラント被覆アルミニウム材６０と鋼材３０とが、セルフピアシングリベット５０で接合されて作製されている。接合されるアルミニウム板２０と鋼材３０の接合面間には、アルミニウム板２０に予め設けられたシーラント層４１が挟まれることにより、積層金属間の空間を埋めている。また、シーラント層４１の撥水性によって、水分の浸透を防ぎ、異種金属の接触による電食を防ぐことができる。
【００３９】
また、シーラント被覆アルミニウム材６０をダイス側とし、鋼材３０側からリベット５０を打ち込むことも可能であるが、良好な接合部を形成する為に、鋼材３０をダイス側とし、シーラント被覆アルミニウム材６０側からリベット５０を打ち込むことが好ましい。
【００４０】
また、上述のとおり、シーラント層４０の厚さは、１００μｍ以上でアルミニウム板２０とリベット頭部５１との間に形成される隙間の封止効果を発揮する。シーラント層の厚みが１００μmを超えると、リベット５０をシーラント被覆アルミニウム材６０に打ち込んだ時、弾性を有するシーラント層４０は、リベット５０に引かれて瞬間的に伸ばされ、アルミニウム板２０とリベット５０との隙間に追従しようとするが、途中で切断される。そのため、シーラント層４０が追従しようとした分だけ、接合後のアルミニウム材とリベットの間に隙間が発生する。しかし、アルミニウム材のリベット打ち込み側の面にはシーラント層が形成されているため、リベットと被打点アルミニウム材に形成される隙間部の入り口を被覆し、水分が浸入することはない。
【００４１】
このように、本実施形態に係る積層体は、表面にシーラント層が形成されたアルミニウム板と、鋼材とを、セルフピアスリベットにより接合した積層体である。アルミニウム板と鋼材との間に第二のシーラント層が存在するため、アルミニウム板と鋼材との間の隙間を封止することができる。そして、第一のシーラント層に被覆の欠落部があり、雨水等がリベット脚部とアルミニウム板の切断部端面との間の僅かな隙間から毛細管現象により浸入しても、第二のシーラント層が存在するため、電食を防ぐことができる。また、リベット頭部とアルミニウム板間に形成される隙間の入口を第一のシーラント層で封止することにより、リベットと積層体の接触腐食も防止することができる。
【００４２】
また、本実施形態の積層体は、両表面にシーラント層が形成されたシーラント被覆アルミニウム材に、鋼材を積層させ、セルフピアスリベットにより接合した積層体であったが、これに限定されるものではない。片側表面にシーラント層が形成されたシーラント被覆アルミニウム材と、片側表面にシーラント層が形成された鋼材を用意し、シーラント層側を上方にした鋼材の上に、シーラント層側を上方にしたアルミニウム材を積層させ、セルフピアスリベットにより接合した積層体であってもよい。
【００４３】
また、本実施形態では、シーラント剤としてウレタンプレポリマーを使用したが、これに限られるものではなく、従来、自動車に応用されているシリコーンゴム等も適用可能である。
【実施例】
【００４４】
以下、実施例により本発明を具体的に説明するが、本実施例は一例に過ぎず、本発明を限定するものではない。
【００４５】
まず、シーラント被覆アルミニウム材の基板として、板厚１．２ｍｍのＡ６０２２アルミニウム合金板を準備した。また、積層される鋼板として、板厚１．０ｍｍの冷延鋼板（ＳＰＣＣ）を準備した。
【００４６】
アルミニウム板に対し、シーラント剤を塗装する前処理として、下記Ａ１〜Ａ３の洗浄を行い供試材とした。
Ａ１：４０℃の市販のアルカリ脱脂剤（水酸化ナトリウム系）に１０秒間浸
漬した後、４０℃の１０％硝酸に１０秒間浸漬
Ａ２：４０℃の５％水酸化ナトリウム水溶液に１０秒間浸漬
Ａ３：４０℃の１０％硝酸に１０秒間浸漬
【００４７】
次に、アルミニウム板に、ＳＲシールＡ−２４（サンライズＭＳＩ社製）をロールコーターにて塗布し、焼付処理を行った。加熱保持、乾燥条件は表１のように行った。
【００４８】
その後、得られたシーラント被覆アルミニウム材と、鋼材とを、セルフピアシングリベット接合し、接合強度評価用試験片と耐食性試験用試験片を作成した。
【００４９】
１）塗膜安定性
シーラント被覆アルミニウム材の被覆に、セロハンテープを貼り付け、剥がしたセロハンテープへの剥離粉の付着を目視により確認した。
○      ：剥離粉の付着無し
×      ：剥離粉付着
○を合格とし、×を不合格とした。
【００５０】
２）接合強度評価
シーラント被覆アルミニウム材及び鋼材を、それぞれ１００ｍｍ×３０ｍｍに切断し、４０ｍｍ×３０ｍｍを重ね合わせた。パンチ側をシーラント被覆アルミニウム材、ダイ側を鋼材として、積層部にセルフピアシングリベット接合を施し、１６０ｍｍ×３０ｍｍの積層体試験片を作製した。リベット頭部がアルミニウム材表面から０．３ｍｍ〜０．６ｍｍ埋没するように、リベットをシーラント被覆アルミニウム材に打ち込んだ。リベットは、東海金属ＨＥＮＲＯＢ社タイプセルフピアシングリベットを使用した。リベットは、錫亜鉛鍍金されたＳ４５Ｃ材であり、胴体部３．５ｍｍφ、突起部の長さは５ｍｍ、突起部の厚さは０．７ｍｍで形成されたものを用いた。試験片の引張せん断強度を測定し、下記基準により分類した。
○      ：引張せん断強度  ≧  ２０００Ｎ
△      ：２０００Ｎ      ＞  引張せん断強度  ≧  １８００Ｎ
×      ：引張せん断強度  ＜  １８００Ｎ
【００５１】
３）耐食性試験
シーラント被覆アルミニウム材及び鋼材を、それぞれ１５０ｍｍ×６０ｍｍに切断し、１５０ｍｍ×３０ｍｍを重ね合わせた。パンチ側をシーラント被覆アルミニウム材、ダイ側を鋼材として積層部にセルフピアシングリベット接合を施し、１５０ｍｍ×９０ｍｍの積層体試験片を作製した。リベット頭部がアルミニウム材表面から０．３ｍｍ〜０．６ｍｍ埋没するように、リベットをシーラント被覆アルミニウム材に打ち込んだ。リベットは、東海金属ＨＥＮＲＯＢ社タイプセルフピアシングリベットを使用した。リベットは、錫亜鉛鍍金されたＳ４５Ｃ材であり、胴体部３．５ｍｍφ、突起部の長さは５ｍｍ、突起部の厚さは０．７ｍｍで形成されたものを用いた。作製した試験片を化成処理及び電着塗装処理した。その後、試験片のエッジを白色ペイント(日本ペイント製)でシールし、この試験片にＳＡＥ−Ｊ２３３４に準拠したサイクル腐食試験（０．５％ＮａＣｌ＋０．１％ＣａＣｌ２＋０．０７５％ＮａＨＣＯ３水溶液浸漬（２５℃）→乾燥（６０℃, ５０％ＲＨ以下）→湿潤（５０℃, ９８％ＲＨ以上））を１２０サイクル行った。この試験後に、接合部を剥離させて観察し、耐食性（アルミニウムの最大腐食深さ）を評価した。耐食性はアルミニウム材の最大腐食深さを測定した。
◎：最大腐食深さ  ０．１ｍｍ未満
○：最大腐食深さ  ０．１〜０．２ｍｍ
△：最大腐食深さ  ０．２〜１．０ｍｍ
×：最大腐食深さ  １．０ｍｍより大きい
【００５２】
【表１】
2012017018.tif 000003
【００５３】
比較例１は、シーラントが薄過ぎるため、塗膜が不安定で塗布抜けが発生した。そして、その部分に水分が浸入してしまうため、耐食性が不十分であった。
比較例２は、乾燥時板温が低すぎるため、シーラントが硬化しなかった。そのため、塗膜にクラックが生じたり、塗膜が剥離した。塗膜が剥離したため、耐食性が不十分であった。
比較例３は、シーラント厚さが大きすぎて、乾燥温度と時間が足りなかった。そのため、塗膜が剥離した。また、塗膜が剥離したため、耐食性が不十分であった。
比較例４は、焼付時板温が高過ぎたため、シーラントと金属面間に焦げ付きが発生し、金属面とシーラント接触部において界面剥離が発生した。また、塗膜が剥離したため、耐食性が不十分であった。
比較例５は、加熱保持時間が短過ぎて、シーラントが硬化しなかった。そのため、塗膜が剥離した。また、塗膜が剥離したため、耐食性が不十分であった。
【符号の説明】
【００５４】
１０  積層体
２０  アルミニウム板
３０  鋼材
４０  第一のシーラント層
４１  第二のシーラント層
５０  セルフピアシングリベット
６０  シーラント被覆アルミニウム材
【図１】
2012017018.tif 000004
【図２】
2012017018.tif 000005