(57)【要約】【課題】樹脂と金属との接合強度が十分に高い複合成形体を得る。【解決手段】強化繊維Ｆを含有する繊維強化樹脂からなる樹脂部３と金属部２とが接合された複合成形体１であって、金属部２は、その一部に板状の接合部４を有し、接合部４は、互いに対向する２つの主面４ａ，４ｂと、２つの主面４ａ,４ｂのうちの一方の主面から他方の主面まで、接合部４を貫通する複数の貫通孔Ｐとを有し、一方又は両方の主面上の貫通孔の一つ当たりの面積が、０．００８〜２０ｍｍ２であり、一方又は両方の主面上の貫通孔の開口率が１０〜６０％であり、金属部は、接合部の２つの主面がそれぞれ繊維強化樹脂に被覆され、かつ貫通孔の内部に繊維強化樹脂が充填されることによって樹脂部と接合されたことを特徴とする。【選択図】図４
2013141814.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
強化繊維を含有する繊維強化樹脂からなる樹脂部と金属部とが接合された複合成形体であって、
前記金属部は、その一部に板状の接合部を有し、
前記接合部は、
互いに対向する２つの主面と、前記２つの主面のうちの一方の主面から他方の主面まで、前記接合部を貫通する複数の貫通孔とを有し、
前記一方又は両方の主面上の前記貫通孔の一つ当たりの面積が、０．００８〜２０ｍｍ２であり、
前記一方又は両方の主面上の貫通孔の開口率が１０〜６０％であり、
前記金属部は、前記接合部の前記２つの主面がそれぞれ繊維強化樹脂に被覆され、かつ前記貫通孔の内部に繊維強化樹脂が充填されることによって前記樹脂部と接合された複合成形体。
【請求項２】
前記貫通孔の内部における繊維強化樹脂中の強化繊維の濃度Ｗinの、前記貫通孔の外部における繊維強化樹脂中の強化繊維の濃度Ｗoutに対する比（Ｗin／Ｗout）が０．６〜１．４である請求項１に記載の複合成形体。
【請求項３】
前記接合部の縦幅Ｌの、前記接合部の厚みｄに対する比（Ｌ／ｄ）が１〜２０である請求項１又は２に記載の複合成形体。
【請求項４】
強化繊維を含有する繊維強化樹脂からなる樹脂部と金属部とが接合された複合成形体の製造方法であって、
前記金属部の一部であり、かつ互いに対向する２つの主面を有する板状の接合部に、前記２つの主面のうちの一方又は両方の主面上の貫通孔の面積が０．００８〜２０ｍｍ２となり、前記一方又は両方の主面上の貫通孔の開口率が１０〜６０％となるように貫通孔を設ける金属部穿孔工程と、
前記接合部の前記２つの主面をそれぞれ繊維強化樹脂によって被覆するとともに、前記貫通孔の内部に繊維強化樹脂を充填することにより、前記金属部と接合された樹脂部を形成する樹脂部形成工程とを含む複合成形体の製造方法。
【請求項５】
前記樹脂部形成工程において、前記金属部を金型のキャビティ内にインサートし、その後、前記金型のキャビティ内に繊維強化樹脂を射出することにより、前記金属部と接合された樹脂部を形成する請求項４に記載の複合成形体の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、樹脂と金属とが接合された複合成形体及び複合成形体の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、樹脂材料の軽量性、加工性、絶縁性などの特性と金属材料の導電性、放熱性、高強度などの特性とを有効に組み合わせた複合成形体が注目されている。このような複合成形体の製造方法としては、化学的反応や化学的処理により樹脂と金属とを接合させる方法の他、物理的に樹脂と金属とを接合させる方法が知られている。
【０００３】
例えば、特許文献１には、熱可塑性樹脂の成形体の表面に、多数の細孔を穿孔加工した金属板をプレス加熱成形で積層することにより、物理的に金属板と樹脂成形体とを接合したものが開示されている。また、特許文献２には、金属板をインサート体とする射出成形において、射出成形時にウェルドが発生する箇所に一致させて貫通孔を金属板に設け、当該貫通孔を通じて金属板の両面の樹脂を連結させることで、金属板と樹脂との密着性を高めたものが開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開平５−１８５５６１号公報
【特許文献２】特開２００６−１１０９２４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、前述した従来の技術では樹脂と金属との十分な接合強度を確保できない場合があり、樹脂と金属との接合強度を向上させる技術が強く求められていた。
【０００６】
そこで、本発明は、樹脂と金属との接合強度が十分に高い複合成形体及びその製造方法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】
【０００７】
上記課題を解決するため、本発明は、強化繊維を含有する繊維強化樹脂からなる樹脂部と金属部とが接合された複合成形体であって、金属部は、その一部に板状の接合部を有し、接合部は、互いに対向する２つの主面と、２つの主面のうちの一方の主面から他方の主面まで、接合部を貫通する複数の貫通孔とを有し、一方又は両方の主面上の貫通孔の一つ当たりの面積が、０．００８〜２０ｍｍ２であり、一方又は両方の主面上の貫通孔の開口率が１０〜６０％であり、金属部は、接合部の２つの主面がそれぞれ繊維強化樹脂に被覆され、かつ貫通孔の内部に繊維強化樹脂が充填されることによって樹脂部と接合されたことを特徴とする。
【０００８】
本発明に係る複合成形体においては、貫通孔の内部における繊維強化樹脂中の強化繊維の濃度Ｗinの、貫通孔の外部における繊維強化樹脂中の強化繊維の濃度Ｗoutに対する比（Ｗin／Ｗout）が０．６〜１．４であることが好ましい。
【０００９】
また、本発明に係る複合成形体においては、接合部の縦幅Ｌの、接合部の厚みｄに対する比（Ｌ／ｄ）が１〜２０であることが好ましい。
【００１０】
本発明は、強化繊維を含有する繊維強化樹脂からなる樹脂部と金属部とが接合された複合成形体の製造方法であって、金属部の一部であり、かつ互いに対向する２つの主面を有する板状の接合部に、２つの主面のうち一方又は両方の主面上の貫通孔の面積が０．００８〜２０ｍｍ２となり、一方又は両方の主面上の貫通孔の開効率が１０〜６０％となるように貫通孔を設ける金属部穿孔工程と、接合部の２つの主面をそれぞれ繊維強化樹脂によって被覆するとともに、貫通孔の内部に繊維強化樹脂を充填することにより、金属部と接合された樹脂部を形成する樹脂部形成工程とを含むことを特徴とする。
【００１１】
本発明に係る複合成形体の製造方法においては、樹脂部形成工程において、金属部を金型のキャビティ内にインサートし、その後、金型のキャビティ内に繊維強化樹脂を射出することにより、金属部と接合された樹脂部を形成することが好ましい。
【発明の効果】
【００１２】
本発明は、樹脂と金属との接合強度が十分に高い複合成形体を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本発明に係る複合成形体の一実施形態を示す斜視図である。
【図２】図１の金属部を示す斜視図である。
【図３】図１のIII−III線に沿った断面図である。
【図４】貫通孔内の強化繊維の配向状態を説明するための拡大断面図である。
【図５】（ａ）は、金属部に対するマスキング処理を示す図である。（ｂ）は、複合成形体の製造用型枠を示す図である。
【図６】（ａ）は、樹脂部の射出成形を示す図である。（ｂ）は、実施例に係る複合成形体の完成状態を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
以下、本発明の好適な実施形態について、図面を参照して詳細に説明する。なお、各図面における寸法、形状、構成要素間の大小関係は実際の製品と必ずしも同一ではない。
【００１５】
［複合成形体］
図１〜図３に示されるように、本実施形態に係る複合成形体１は、平板状の金属部２とブロック状の樹脂部３との接合により形成されている。本実施形態では単純形状の複合成形体１について説明するが、本発明にかかる複合成形体の外形は、様々な複雑な形状をとることができる。
【００１６】
金属部２の材料は、例えば、アルミニウム、銅、鉄、鉄鋼、各種合金の中から使用目的に応じて選択される。この金属部２は、その一部に、樹脂部３と一体に接合された平板状の接合部４を有している。
【００１７】
平板状の接合部４は、互いに対向する２つの主面４ａ及び４ｂを有し、金属部２は、２つの主面４ａ，４ｂがそれぞれ繊維強化樹脂に被覆されることによって樹脂部３と接合されている。主面４ａ及び４ｂには、樹脂部３との接合強度を高めるため微細な凹凸を設けることができる。このような微細な凹凸は、サンドペーパー処理やサンドブラスト等の機械加工、又は化学処理により形成される。その他、樹脂部３との接合強度を高めるための接着層等を主面４ａ及び／又は４ｂの上に設けてもよい。
【００１８】
また、接合部４には、主面４ａから主面４ｂにかけて貫通する多数の貫通孔Ｐが形成されている。これらの貫通孔Ｐは、例えば接合部４に対してプレス加工を行うことにより形成される。貫通孔Ｐは、接合部４を厚さ方向に貫通して形成されている。
【００１９】
主面４ａと主面４ｂのうちの一方又は両方の主面上の貫通孔Ｐの一つ当たりの面積は、一つ当たり０．００８〜２０ｍｍ２である。また、好ましくは０．２〜１３ｍｍ２である。なお、主面４ｂ上の貫通孔Ｐの一つ当たりの面積は、主面４ａ上の貫通孔Ｐの一つ当たりの面積と同一であってもよく、異なっていてもよい。
【００２０】
また、主面４ａと主面４ｂのうちの一方又は両方の主面上における多数の貫通孔Ｐの開口率は、１０〜６０％である。また、好ましくは２０〜５０％である。なお、ここでいう開口率は、主面４ａ又は主面４ｂ上における貫通孔Ｐの面積の合計を、当該主面の面積（貫通孔Ｐの面積も含む）で除して求められる割合を意味する。
【００２１】
貫通孔Ｐの形状としては、正円、楕円などの円形状：三角形状、四角形状などの多角形状：星形などの形状を挙げることができる。
【００２２】
また、貫通孔Ｐの貫通方向は、接合部４の厚さ方向と同じであってもよく、異なっていてもよい。貫通孔Ｐの内面は、主面４ａ及び主面４ｂに対して垂直であってもよく、あるいは主面４ａから主面４ｂに向かってテーパ状に傾いていてもよく、また段差等が形成されていてもよい。
【００２３】
また、多数の貫通孔Ｐは、全てが同じ面積や形状である必要はなく、場所により面積や形状、面積比率が変化してもよい。このような貫通孔Ｐの面積や面積比率、形状の組み合わせは、複合成形体１の使用目的や複合成形体１に加わる荷重条件等に応じて適切なものが選択される。
【００２４】
接合部４の縦幅Ｌの、接合部４の厚みｄに対する比（Ｌ／ｄ）は、好ましくは１〜２０であり、より好ましくは２〜１８であり、さらに好ましくは５〜１５である。ここで、接合部４の縦幅とは、金属と樹脂との接合部４における樹脂部３への金属部２の奥行き（樹脂部３へ入り込む金属部２の深さ）を指す。接合部４が矩形である場合のＬ及びｄは図１に示す通りである。
【００２５】
樹脂部３は、強化繊維Ｆを含有する繊維強化樹脂から形成されている。樹脂材料としては、例えばポリプロピレン、ポリエチレン、ポリスチレン、ポリアミド、ポリ塩化ビニル、ポリカーボネート、アクリル樹脂、スチレン−ブタジエンブロック共重合体、アクリロニトリル−スチレン−ブタジエンブロック共重合体等の一般的な熱可塑性樹脂、ＥＰＭ、ＥＰＤＭ等の熱可塑性エストラマ−、これらの混合物、これらを用いたポリマーアロイ等が挙げられる。
【００２６】
樹脂材料の２３０℃、荷重２．１６ｋｇで測定したメルトマスフローレイト（ＭＦＲ）は、好ましくは５ｇ／１０分〜２００ｇ／１０分である。
【００２７】
また、樹脂部３に含有される強化繊維Ｆとしては、例えばガラス繊維、有機繊維、炭素繊維、金属繊維等が挙げられる。このような強化繊維Ｆを含有する繊維強化樹脂を用いることで、樹脂部３の熱膨張率が金属部２の熱膨張率に近づくので、熱膨張による剥離を避けることができる。また、繊維強化樹脂を用いることにより複合成形体１の強度及び耐熱性の向上が図られる。繊維強化樹脂における強化繊維Ｆの割合は、１０重量％〜６０重量％であることが好ましい。
【００２８】
その他、樹脂部３の樹脂材料には、通常使用される各種のフィラー、安定剤、分散剤、紫外線吸収剤、離型剤、滑材、帯電防止剤、顔料等の各種添加材が含有されていてもよい。
【００２９】
樹脂部３は、接合部４の主面４ａ及び４ｂと密着し、貫通孔Ｐ内も満たしている。図３に、樹脂部３と接合部４とを含む複合成形体１の接合部分をＪとして示す。
【００３０】
樹脂部３に含有される強化繊維Ｆの平均繊維長は、０．１ｍｍ〜５．０ｍｍであることが好ましい。これらの強化繊維Ｆが貫通孔Ｐ内に存在することにより、特定方向に対する樹脂部３の強度を高めることができる。平均繊維長は、例えば特開２００２−５９２４号公報に記載の方法により測定される。また、強化繊維Ｆの繊維径は、好ましくは５μｍ〜１００μｍである。
【００３１】
図４は、貫通孔Ｐ内の強化繊維の状態を説明するための拡大断面図である。貫通孔Ｐの内部における繊維強化樹脂中の強化繊維の濃度Ｗinの、貫通孔Ｐの外部における繊維強化樹脂中の強化繊維の濃度Ｗoutに対する比（Ｗin／Ｗout）は、０．６〜１．４であり、好ましくは０．８〜１．２であり、より好ましくは０．９〜１．１である。ここで、繊維強化樹脂中の強化繊維の濃度とは、繊維強化樹脂の重量に対する強化繊維の重量の割合を表す。貫通孔Ｐの内部又は外部における繊維強化樹脂中の強化繊維の濃度は、下記の方法により求めることができる。
（１）複合成形体１の貫通孔Ｐの内部、または外部のそれぞれ約１０箇所から、樹脂をサンプリングする。
（２）サンプリングした繊維強化樹脂の合計の重量を測定する。
（３）上記のサンプリングした樹脂を加熱し、繊維強化樹脂に含まれる樹脂材料を熱分解させる。
（４）残った強化繊維の重量を測定し、得られた強化繊維の重量を、（２）で測定した繊維強化樹脂の合計の重量で除した値を、繊維強化樹脂中の強化繊維の濃度とする。
なお、上記（３）における加熱温度は、繊維強化樹脂に含まれる樹脂材料のみが熱分解し、強化繊維が熱分解しない温度であり、樹脂材料及び強化繊維の種類に応じて適宜設定すればよい。熱可塑性樹脂がポリプロピレンであり、強化繊維がガラス繊維である場合、通常は５００〜７００℃である。また、加熱時間は通常は２０分〜１時間である。
【００３２】
［複合成形体の製造方法］
上述した複合成形体１の製造方法の製造方法について説明する。複合成形体１の製造方法は、金属部２の接合部４に貫通孔Ｐを設ける金属部穿孔工程と、樹脂部３を形成する樹脂部形成工程とから構成される。
【００３３】
（金属部穿孔工程）
金属部穿孔工程では、例えば、平板の金属板の一部である接合部４にプレス加工で多数の貫通孔Ｐを設ける。なお、金属部穿孔工程は上述した方法以外の方法を用いてもよく、例えば、切削加工により貫通孔Ｐを設けてもよい。
【００３４】
（樹脂部形成工程）
樹脂部形成工程では、金属部２を金型のキャビティ内にインサートし、その後、金型のキャビティ内に繊維強化樹脂を射出することにより樹脂部３が形成される。
【００３５】
具体的には、まず金属部２のうち接合部４のみがキャビティ内に露出した状態で金型に配置される。接合部４は、主面４ａ及び主面４ｂの何れも金型の内面と接触しない状態で配置される。
【００３６】
その後、金型のキャビティ内に溶融した繊維強化樹脂を注入することで、接合部４の周囲に樹脂が充填される。このとき、接合部４の主面４ａ及び主面４ｂの両方から樹脂が貫通孔Ｐ内に入り込み、貫通孔Ｐ内が繊維強化樹脂によって充填された状態となる。
【００３７】
樹脂部形成工程における成形温度は、使用する樹脂材料の種類に応じて適宜設定すればよい。一例として、樹脂材料がポリプロピレンの場合、好ましくは２２０℃〜２７０℃であり、より好ましくは２３０℃〜２６０℃である。また、金型温度は通常は２０℃〜６０℃である。樹脂部形成工程における射出率は、通常は１０〜３００ｃｍ３／ｓである。
【００３８】
その後、保圧処理及び冷却処理を経て主面４ａ及び主面４ｂが繊維強化樹脂によって被覆され、貫通孔Ｐ内にも樹脂が充填された状態で形成される。そして、所定の成形処理を経て複合成形体１が製造される。
【００３９】
以上説明した本実施形態に係る複合成形体１及びその製造方法によれば、強化繊維Ｆを含有する繊維強化樹脂から樹脂部３を形成することにより、強化繊維を含まない樹脂から樹脂部３を形成する場合と比べて複合成形体の強度向上を図ることができる。しかも、金属部２の接合部４に多数の貫通孔Ｐが形成されており、多数の貫通孔Ｐを通じて主面４ａ側の樹脂と主面４ｂ側の樹脂とが繋がる構成とすることで、樹脂部３と接合部４とが構造的に係止され、金属部２と樹脂部３との接合強度を高めることができる。更に、貫通孔Ｐ内に強化繊維Ｆが存在するので、接合部４に加えられる力、特に樹脂部３から接合部４を引き抜く方向の力は貫通孔Ｐ内の強化繊維Ｆを通じて樹脂部３内に広く分散される。その結果、金属部２と樹脂部３との接合強度が十分に高い複合成形体を得ることができる。
【００４０】
また、本実施形態に係る複合成形体１及び複合成形体の製造方法によれば、金属部２をインサート体とした射出成形により金属部２と樹脂部３とが接合されるので、少ない工程で複合成形体１を製造することができる。また、複合成形体１の量産化に有利である。
【００４１】
また、接合部４の形状については、平板状以外の形状であってもよく、例えば、Ｌ字形状や湾曲形状であってもよく、波板形状であってもよい。また、一つの金属部２が複数の接合部４を有していてもよい。
【実施例】
【００４２】
（実施例１）
実施例１では、図５（ａ）に示す平板状の金属部１０を準備して、インサート射出成形により複合成形体を製造した。金属部１０として、長さ５０ｍｍ、幅２０ｍｍ、厚さ０．５ｍｍのＳＰＣＣ（冷間圧延鋼板）を使用した。
【００４３】
金属部１０は、いわゆるパンチングメタルであり、プレス加工により形成された多数の貫通孔Ｑを有している。貫通孔Ｑの形状としては、正円の他、半円や四分円が存在する。正円の貫通孔Ｑの直径は１．０ｍｍ（面積は０．７８５ｍｍ２）であった。
【００４４】
以下、図５及び図６を参照して実施例１に係る複合成形体の製造方法を説明する。図５（ａ）は、金属部１０に対するマスキング処理を示す図である。図５（ａ）では、金属部１０のうち接合部１１を除く部分を樹脂製のマスキング１２で覆うマスキング処理を行った。貫通孔Ｑの開口率（接合部１１の主面における複数の貫通孔Ｑの開口率）は２２．６％であった。
【００４５】
図５（ｂ）は、複合成形体の製造用型枠２０の成形を示す図である。今回は、樹脂製の製造用型枠２０を利用して複合成形体の製造を行った。この製造用型枠２０は、縦幅１５０ｍｍ、横幅１５０ｍｍ、厚さ２．５ｍｍのキャビティを有する金型を用いて射出成形により形成した。樹脂材料は、平均繊維長が９ｍｍ、繊維径が２２μｍであるガラス長繊維を４０重量％含有したガラス長繊維強化ポリプロピレン（住友化学株式会社製、熱可塑性樹脂）を用いた。これにより製造された正方形の樹脂板Ｎに、金属部１０が配置される切り出し部２１を形成して型枠２０とした。
【００４６】
図６（ａ）は、樹脂部の射出成形を示す図である。図６（ａ）に示されるように、金属部１０を型枠２０の切り出し部２１内に配置して射出成形を行った。射出成形機として、株式会社日本製鋼所製のＪ１００（最大圧力２５１０ｋｇｆ／ｃｍ２，最大射出率２８０ｃｍ３／ｓ）を使用した。成形温度は２５０℃、金型温度は５０℃、射出率を最大射出率の２０％とした。
【００４７】
射出成形で用いられる樹脂は、平均繊維長が９ｍｍ、繊維径が２２μｍであるガラス長繊維を４０重量％含有したガラス長繊維強化ポリプロピレンとした。金属板１０の接合部１１をインサート体とし、切り出し部２１内で金属板１０の接合部１１のみが露出した状態で射出成形を行った。切り出し部２１内に注入された樹脂は、接合部１１の周囲に流れ込んで貫通孔Ｑ内を満たし、接合部１１と接合した樹脂部３０が形成された。
【００４８】
図６（ｂ）は、複合成形体の完成状態を示す図である。図６（ｂ）に示されるように、射出成形により樹脂部３０が形成された後、マスキング１２を剥がすことにより金属部１０が露出され、実施例１に係る複合成形体を得た。この複合成形体の接合部分（接合部１１を内包する樹脂部分）の寸法は、横幅２０ｍｍ、縦幅５ｍｍ、厚さ２．５ｍｍである。なお、接合部分の縦幅は、樹脂部３０内に入り込んでいる接合部１１の長さに等しい。
【００４９】
（実施例２）
金属部１０として、長さ５０ｍｍ、幅２０ｍｍ、厚さ１．０ｍｍのＳＰＣＣ（冷間圧延鋼板）を使用した。また、金属部１０における貫通孔Ｑの直径を２．０ｍｍ（面積は３．１４１ｍｍ２）とし、貫通孔Ｑの開口率を４０．２％とした。製造用型枠２０を成形する時の金型キャビティの厚さを５．０ｍｍとし、接合部分の縦幅は８．０ｍｍとした。その他の製造条件は実施例１と同様にした。
【００５０】
（比較例１）
実施例１の金属部１０に代えて、貫通孔を有さない同寸法の金属板を使用した。その他の製造条件は実施例１と同様にした。
【００５１】
（比較例２）
実施例２の金属部１０に代えて、貫通孔を有さない同寸法の金属板を使用した。その他の製造条件は実施例２と同様にした。
【００５２】
以上説明した実施例１，２及び比較例１，２の複合成形体について接合状態を評価した。また、複合成形体に対して２３℃の温度環境下で図６（ｂ）の矢印Ｔの方向に荷重を加え、破断時の最大荷重を計測した。これらの結果を表１に示す。なお、表１に示す接合強度は、破断時の最大荷重を接合部分の断面積で除すことにより求めた。
【表１】
2013141814.tif 000003
【００５３】
表１に示されるように、貫通孔Ｑを有さない比較例１，２では、繊維強化樹脂からなる樹脂部と金属部とを接合させることができなかった。一方、実施例１，２では、繊維強化樹脂からなる樹脂部３０と金属部１０とを接合することができた。実施例１では、破断時までに複合成形体に加えられた最大荷重が１２３４Ｎ、接合強度が１２．３ＭＰａであった。また、実施例２では、破断時までに複合成形体に加えられた最大荷重が２７９１．７Ｎ、接合強度が１７．５ＭＰａであった。
【符号の説明】
【００５４】
１…複合成形体  ２,１０…金属部  ３…樹脂部  ４，１１…接合部  ４ａ…主面  ４ｂ…主面  １２…マスキング  ２０…型枠  Ｆ…強化繊維  Ｎ…樹脂板  Ｐ,Ｑ…貫通孔  Ｐｃ…中心軸
【図１】
2013141814.tif 000004
【図２】
2013141814.tif 000005
【図３】
2013141814.tif 000006
【図４】
2013141814.tif 000007
【図５】
2013141814.tif 000008
【図６】
2013141814.tif 000009