(57)【要約】【課題】炭素繊維強化樹脂と接合される金属母材のガルバニック腐食を防止する。【解決手段】金属母材２よりもイオン化傾向が大きい犠牲金属５を金属母材２に付することで、犠牲金属５を陽極として作用させ、金属母材２及び炭素繊維強化樹脂３を陰極として作用させる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
金属母材と炭素繊維強化樹脂とが接合された接合体において、
上記金属母材に、該金属母材よりもイオン化傾向が大きい犠牲金属が付されていることを特徴とする接合体。
【請求項２】
上記犠牲金属は、上記金属母材に、ねじ又は接着剤で該犠牲金属部材が取り付けられている、該犠牲金属製のねじが取り付けられている、該犠牲金属のめっき膜が形成されている、これらのうちいずれか１以上の状態で付されていることを特徴とする請求項１記載の接合体。
【請求項３】
上記めっき膜の犠牲金属は、カルシウム又はバリウムであることを特徴とする請求項２記載の接合体。
【請求項４】
炭素繊維強化樹脂と接合される金属母材の腐食を防止する金属の防食処理方法において、
上記金属母材よりもイオン化傾向が大きい犠牲金属を上記金属母材に付することを特徴とする金属の防食処理方法。
【請求項５】
上記犠牲金属を付する方法は、上記金属母材に、ねじ又は接着剤で該犠牲金属部材を取り付ける方法、該犠牲金属製のねじを取り付ける方法、該金属母材に該犠牲金属のめっき膜を形成する方法のうちいずれか１以上の方法であることを特徴とする請求項４記載の金属の防食処理方法。
【請求項６】
上記めっき膜の犠牲金属は、カルシウム又はバリウムであることを特徴とする請求項５記載の金属の防食処理方法。
【請求項７】
上記カルシウムのめっき膜を成膜する際のめっき液は、塩化カルシウムの濃度が２００〜８００ｇ／Ｌ、メチルアルコール及びジエチレングリコールの濃度が１００〜８００ｍＬ／Ｌ、トリメチルアミン塩酸塩又はｍ−フェニレンジアミン硫酸塩の濃度が０．５〜５ｇ／Ｌ、クエン酸ナトリウム又はクエン酸カリウム、酒石酸ナトリウム又は酒石酸カリウムの濃度が５〜１０ｇ／Ｌ、純水の濃度が３００〜９００ｍＬ／ｌとなるように調整した溶液に、ｐＨが１０〜１４となるように炭酸カルシウム又はカセイソーダを添加した溶液であることを特徴とする請求項６記載の金属の防食処理方法。
【請求項８】
上記バリウムのめっき膜を成膜する際のめっき液は、塩化バリウムの濃度が１５０〜８００ｇ／Ｌ、イソプロピルアルコールの濃度が１２〜６０ｍＬ／Ｌ、エチルアルコールの濃度が２０〜８０ｍＬ／Ｌ、トリメチルアミン塩酸塩又はｍ−フェニレンジアミン硫酸塩の濃度が０．５〜５ｇ／Ｌ、クエン酸ナトリウム又はクエン酸カリウム、酒石酸ナトリウム又は酒石酸カリウムの濃度が５〜１０ｇ／Ｌ、純水の濃度が２００〜５００ｍＬ／Ｌとなるように調整した溶液に、ｐＨが１０〜１４となるように炭酸カルシウム又はカセイソーダを添加した溶液であることを特徴とする請求項６記載の金属の防食処理方法。
【請求項９】
炭素繊維強化樹脂と接合される金属母材において、
該金属母材よりもイオン化傾向が大きい犠牲金属が付されていることを特徴とする金属母材。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、金属母材と炭素繊維強化樹脂とを接合した接合体において、金属母材の腐食が防止された接合体、金属母材の腐食を防止する金属の防食処理方法、及びこの金属の防食処理方法が施された金属母材に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、航空機、自動車、スポーツ遊具等の多様な分野において、炭素繊維強化樹脂(Carbon Fiber-Reinforced Plastic  略称CFRP)を代表とする複合材料が積極的に利用されている。炭素繊維強化樹脂は、軽量化、高い剛性、高い強度の特性を有する（特許文献１参照。）。
【０００３】
この炭素繊維強化樹脂は、接着剤を介して金属母材と接合されるか、又は金属母材と接合した後、金属母材と共に接着剤や絶縁塗料で覆われて使用される。このような炭素繊維強化樹脂と金属母材とが接合された接合体では、金属母材を腐食してしまう場合がある。
【０００４】
図５に示すように、例えばアルミ合金のような金属母材１０と炭素繊維強化樹脂１１とが接着剤１２で接合されている接合体１３では、金属母材１０が腐食し、腐食部分１４が発生する。この腐食の原因は、炭素繊維強化樹脂１１と金属母材１０との間で、それぞれの電位が異なるため、酸化還元電位が小さい炭素繊維強化樹脂１１が陰極となり、これよりも酸素還元電位が大きい金属母材１０が陽極となり、空気中の水分や湿気等が電解質となり電池が形成され、金属母材１０と炭素繊維強化樹脂１１とが導通することで、陽極側の金属母材１０が腐食してしまう。これは、いわゆるガルバニック腐食である。金属母材１０が腐食してしまうと、破断等が生じるようになり、金属母材１０の性能が低下して不具合が発生してしまう。
【０００５】
そこで、このように炭素繊維強化樹脂１１と金属母材１０との接合体において、金属母材１０の腐食を防止する防食処理方法が求められている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開平７−２０５３１０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
そこで、本発明は、このような従来の実情に鑑みて提案されたものであり、金属母材と炭素繊維強化樹脂とが接合された接合体において、金属母材の腐食が防止された接合体、金属母材の腐食を防止する金属の防食処理方法、及びこの金属の防食処理方法が施された金属母材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】
【０００８】
上述した目的を達成する本発明に係る接合体は、金属母材と炭素繊維強化樹脂とが接合された接合体であり、金属母材に、該金属母材よりもイオン化傾向が大きい犠牲金属が付されていることを特徴とする。
【０００９】
上述した目的を達成する本発明に係る金属の防食処理方法は、炭素繊維強化樹脂と接合される金属母材の腐食を防止する金属の防食処理方法であり、金属母材よりもイオン化傾向が大きい犠牲金属を金属母材に付することを特徴とする。
【００１０】
上述した目的を達成する本発明に係る金属母材は、炭素繊維強化樹脂と接合される金属母材であり、該金属母材よりもイオン化傾向が大きい犠牲金属が付されていることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１１】
本発明では、炭素繊維強化樹脂と接合される金属母材に、金属母材よりもイオン化傾向が大きい犠牲金属を付することで、犠牲金属が陽極として作用し、金属母材及び炭素繊維強化樹脂が陰極として作用し、金属母材及び炭素繊維強化樹脂から犠牲金属に向って電流が流れるようになるため、犠牲金属が腐食され、金属母材を腐食から防止することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本発明を適用した犠牲金属を金属母材に接着剤で取り付けた接合体の断面図である。
【図２】本発明を適用した犠牲金属を金属母材にねじで取り付けた接合体の断面図である。
【図３】本発明を適用した犠牲金属製のねじを金属母材に取り付けた接合体の断面図である。
【図４】本発明を適用した金属母材に犠牲金属のめっき膜を形成した接合体の断面図である。
【図５】従来の接合体の断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
以下、本発明を適用した接合体、金属の防食処理方法及び金属母材について、図面を参照して詳細に説明する。なお、本発明は、特に限定がない限り、以下の詳細な説明に限定されるものではない。
【００１４】
接合体１は、図１に示すように、金属母材２と炭素繊維強化樹脂３とを接着剤４で接合したものである。この接合体１には、金属母材２の腐食を防止するために金属の防食処理が施されている。金属の防食処理方法は、金属母材２に、金属母材２よりもイオン化傾向が大きい犠牲金属５を付することによって、金属母材２の腐食を防止する。
【００１５】
ここで、金属母材２に犠牲金属５が付されていない場合には、接合体１に付着している水分や接合体１の周囲の水分や湿気等が電解質となって、酸化還元電位が大きい炭素繊維強化樹脂３が陰極となり、酸化還元電位が小さい、即ちイオン化傾向が大きい金属母材２が陽極となり、電池が形成される。これにより、接合体１では、金属母材２に電流が流れるようになるため、金属母材２が腐食してしまう。
【００１６】
一方、本実施の形態のように、金属母材２に犠牲金属５が付されている場合には、犠牲金属５のイオン化傾向が金属母材２よりも大きいため、犠牲金属５が陽極となり、金属母材２及び炭素繊維強化樹脂３が陰極となり、図１に示すように、金属母材２及び炭素繊維強化樹脂３から犠牲金属５に向って電流が流れるようになる。これにより、犠牲金属５が腐食され、金属母材２が腐食することを防止できる。
【００１７】
具体的に、金属母材２は、例えばアルミニウム、アルミニウム合金、マグネシウム、マグネシウム合金、チタン、チタン合金、鉄、鉄合金等が挙げられ、航空機、自動車、スポーツ遊具等の多様な分野に用いられる金属を挙げることができる。
【００１８】
炭素繊維強化樹脂３は、炭素繊維を樹脂の中に入れて強度を向上させた複合材料であり、優れた比弾性率、強度を有し、化学的にも極めて安定であり、導電性、耐熱性を有するといった優れた特性を有する。炭素繊維強化樹脂３は、導電性が良好であり、金属母材２よりも酸化還元電位が大きいものである。航空機、自動車、スポーツ遊具等の多様な分野で用いられる一般的な炭素繊維強化樹脂３を用いることができる。
【００１９】
接着剤４としては、金属母材２と炭素繊維強化樹脂３とを接合する一般に用いられている接着剤を使用することができる。例えば、商品名ＥＣ−３９２４Ｂ（住友スリーエム株式会社製）、商品名ＡＺ１５＋ＨＺ１５（日本チバガイギー株式会社製）等を用いることができる。
【００２０】
犠牲金属５は、金属母材２よりもイオン化傾向が大きい、即ち酸化還元電位が小さいものである。即ち、この犠牲金属５は、炭素繊維強化樹脂３よりも酸化還元電位が小さい金属である。このような酸化還元電位の差から、犠牲金属５は、図１に示すように、陽極として作用し、金属母材２及び炭素繊維強化樹脂３が陰極として作用するようになる。
【００２１】
犠牲金属５としては、マグネシウム、チタン、カルシウム、バリウム等の金属やそれらの金属テープを用いることができる。犠牲金属５としては、上述したように、使用する金属母材２及び炭素繊維強化樹脂３よりも酸化還元電位が小さければ、これらに限定されず、用いる金属母材２及び炭素繊維強化樹脂３の酸化還元電位によって適宜決定することができる。
【００２２】
犠牲金属５を金属母材２に付する方法としては、図１に示すように、例えば板状あるいはテープ状に形成した犠牲金属部材５ａを金属母材２に接着剤６、又は図２に示すようにねじ７で取り付ける方法がある。接着剤６としては、犠牲金属部材５ａを金属母材２に貼付け、剥離が可能なものであることが好ましい。犠牲金属部材５ａを接着剤６やねじ７で取り付けることで、腐食した犠牲金属部材５ａを取り外し、腐食していない犠牲金属部材５ａと容易に交換することができる。
【００２３】
また、図３に示すように、犠牲金属製のねじ８を金属母材２に取り付けるようにしてもよい。上述した犠牲金属部材５ａと同様に、腐食したねじ８を取り外して、腐食していないねじ８と容易に交換することができる。
【００２４】
更には、図４に示すように、金属母材２に犠牲金属５のめっき処理を施して、めっき膜９を形成することで、金属母材２に犠牲金属５を取り付けるようにしてもよい。めっき膜９としては、カルシウム又はバリウムが好ましい。
【００２５】
めっき処理は、金属のめっき処理に用いられる一般的な方法を用いることができる。めっき処理の方法としては、例えば、カルシウムやバリウム等の犠牲金属５の塩類等を含むめっき液を用いた電解めっき法を挙げることができる。
【００２６】
カルシウムめっき膜９を形成する場合には、例えば、塩化カルシウムの濃度が２００〜８００ｇ／Ｌ、メチルアルコール及びジエチレングリコールの濃度が１００〜８００ｍＬ／Ｌ、トリメチルアミン塩酸塩又はｍ−フェニレンジアミン硫酸塩の濃度が０．５〜５ｇ／Ｌ、クエン酸ナトリウム又はクエン酸カリウム、酒石酸ナトリウム又は酒石酸カリウムの濃度が５〜１０ｇ／Ｌ、純水の濃度が３００〜９００ｍＬ／ｌとなるように調整した溶液に、ｐＨが１０〜１４となるように炭酸カルシウム又はカセイソーダを添加しためっき液を用いる。めっき液中の塩化カルシウムの濃度が２００ｇ／Ｌよりも小さいと、十分なカルシウムめっき膜を形成することができないおそれがあり、８００ｇ／Ｌよりも大きいと、カルシウムがめっき液に溶解しにくくなり、不均一となってしまい、めっき膜にクラックが発生してしまう。また、錯化剤のトリメチルアミン塩酸塩又はｍ−フェニレンジアミン硫酸塩、クエン酸ナトリウム又はクエン酸カリウム、酒石酸ナトリウム又は酒石酸カリウムが５ｇ／Ｌよりも少ないと、カルシウムの沈澱物が生成するおそれがあり、これらの濃度が高すぎると、めっきの際にカルシウムの析出を阻害し、めっき膜にクラックが発生してしまう。めっき条件は、めっき浴の温度が１５〜５０℃、電流密度は０．５〜５．０Ａ／ｃｍ２である。
【００２７】
バリウムめっき膜９を形成する場合には、例えば、塩化バリウムの濃度が１５０〜８００ｇ／Ｌ、イソプロピルアルコールの濃度が１２〜６０ｍＬ／Ｌ、エチルアルコールの濃度が２０〜８０ｍＬ／Ｌ、トリメチルアミン塩酸塩又はｍ−フェニレンジアミン硫酸塩の濃度が０．５〜５ｇ／Ｌ、クエン酸ナトリウム又はクエン酸カリウム、酒石酸ナトリウム又は酒石酸カリウムの濃度が５〜１０ｇ／Ｌ、純水の濃度が２００〜５００ｍＬ／Ｌとなるように調整した溶液に、ｐＨが１０〜１４となるように炭酸カルシウム又はカセイソーダを添加しためっき液を用いる。めっき液中の塩化バリウムの濃度が１５０ｇ／Ｌよりも小さいと、十分なバリウムめっき膜を形成することができないおそれがあり、８００ｇ／Ｌよりも大きいと、バリウムがめっき液に溶解しにくくなり、不均一となってしまい、めっき膜にクラックが発生する原因となる。また、錯化剤のトリメチルアミン塩酸塩又はｍ−フェニレンジアミン硫酸塩、クエン酸ナトリウム又はクエン酸カリウム、酒石酸ナトリウム又は酒石酸カリウムが５ｇ／Ｌよりも少ないと、バリウムの沈澱物が生成するおそれがあり、これらの濃度が高すぎると、めっきの際にバリウムの析出を阻害し、めっき膜にクラックが発生してしまう。めっき条件は、カルシウムめっき膜９を形成する場合と同様である。なお、めっき液については、上記組成のめっき液に限らず、形成するめっき膜９やめっき条件等によって適切な組成とする。
【００２８】
犠牲金属５の取り付け方法は、上述した犠牲金属部材５ａを取り付ける方法、犠牲金属５製のねじ８を取り付ける方法、犠牲金属５のめっき膜９を形成する方法のうち、いずれか１つの方法に限らず、これらを組み合わせてもよい。
【００２９】
以上のように、金属の防食処理方法は、炭素繊維強化樹脂３と接着剤４で接合される金属母材２に、金属母材２よりもイオン化傾向が大きい犠牲金属５からなる犠牲金属部材５ａや犠牲金属５製のねじ８を取り付けたり、犠牲金属５からなるめっき膜９を形成する。これにより、この金属の防食処理方法では、酸化還元電位が一番小さい犠牲金属部材５ａ等が陽極となり、この犠牲金属５よりも酸化還元電位が大きい金属母材２や炭素繊維強化樹脂３が陰極となり、周囲の水分や湿気等を電解質とすることで電池が形成され、金属母材２及び炭素繊維強化樹脂３から犠牲金属部材５ａ等に向って腐食の原因となる電流が流れるようになる。したがって、この金属の防食処理方法では、犠牲金属部材５ａ等が腐食され、金属母材２は腐食されないため、金属母材２を保護することができる。これにより、金属母材２に破断等が生じず、金属母材２の性能が低下することを防止できる。
【００３０】
また、この金属の防食処理方法では、犠牲金属部材５ａやねじ８等の腐食を維持管理することで、犠牲金属部材５ａやねじ８等が腐食したら、腐食した犠牲金属部材５ａやねじ８等を取り外して、腐食していないものと交換することで金属母材２の腐食防止を維持することができる。
【００３１】
また、この金属の防食処理方法では、金属母材２に犠牲金属５のめっき膜９を形成することで、めっき膜９により金属母材２を防食すると共に、接合体１を放射線を防ぐ部材とすることができる。例えば、めっき膜９を形成した金属母材２自体、又は金属母材２と炭素繊維強化樹脂３とを接合した接合体１を航空機の部材に採用した場合には、航空機内に放射線が入り込むことを遮蔽し、操縦士や乗務員、乗客を放射線の被爆から軽減することができる。
【００３２】
以上のような金属の防食処理方法が施された接合体１は、金属母材２の腐食が防止されているため、航空機、自動車、スポーツ遊具等の多様な分野で利用することができる。
【実施例】
【００３３】
以下、本発明を適用した具体的な実施例について、実験結果をもとに詳細に説明する。なお、本発明は、これらの実施例に限定されるものではない。
【００３４】
＜実施例１＞
実施例１では、チタン合金からなる金属母材と炭素繊維強化樹脂とを接着剤で接合した接合体の金属母材に、金属母材のイオン化傾向よりも大きいイオン化傾向を有する金属であるマグネシウム合金製の板を犠牲金属部材として接着剤で取り付けて、野外暴露した。
【００３５】
実施例１では、目視により接合体を観察したところ、犠牲金属部材に腐食は生じたが、２年経過しても金属母材には腐食が生じなかった。
【００３６】
＜実施例２＞
実施例２では、実施例１における板状の犠牲金属部材をマグネシウム合金製のねじに代えて、同様に野外暴露した。実施例２においても、目視により接合体を観察したところ、犠牲金属となるマグネシウム合金製のねじに腐食は生じたが、２年経過しても金属母材には腐食が生じなかった。
【００３７】
＜実施例３＞
実施例３では、マグネシウムからなる金属母材と炭素繊維強化樹脂とを接着剤で接合した接合体の金属母材に、市販のステンレス製のねじと、マグネシウム製のねじを離して絶縁した状態で取り付けた。実施例３では、金属母材にステンレス製のねじをねじ込むことによってねじの表面の被膜が破れてしまい、金属母材と導通し、ステンレス製のねじの周囲では金属母材の腐食が生じた。一方、マグネシウム製のねじは、目視により観察したところ、腐食が生じたが、１年経過してもマグネシウム製のネジの周囲では金属母材の腐食は生じなかった。
【００３８】
＜実施例４＞
実施例４では、金属母材として鉄合金を用いた以外は実施例１と同様に接合体を野外暴露した。実施例４においても、目視により接合体を観察したところ、犠牲金属となるマグネシウム合金は少し緩やかな腐食ではあったが、１年経過しても鉄合金からなる金属母材には腐食が生じなかった。
【００３９】
＜実施例５＞
実施例５では、鉄合金の金属母材に、犠牲金属として電気めっき法によりカルシウムめっき膜を形成した。そして、めっき膜を形成した金属母材と、炭素繊維強化樹脂とを接着剤で接合した接合体を野外暴露した。カルシウムめっき膜の膜厚は、５μｍとした。
【００４０】
使用するめっき液は、塩化カルシウムの濃度が４００ｇ／Ｌ、メチルアルコールの濃度が４００ｍＬ／Ｌ、ジエチレングリコールの濃度が３００ｍＬ／Ｌ、トリメチルアミン塩酸塩の濃度が３ｇ／Ｌ、クエン酸ナトリウムの濃度が５ｇ／Ｌ、純水の濃度が５００ｍＬ／Ｌの範囲内となるように調整した溶液に、ｐＨが１０〜１４の範囲内となるように、炭酸カルシウムを添加して作製した。めっき条件は、めっき浴の温度を３０℃とし、電流密度を１Ａ／ｃｍ２の範囲内で行った。
【００４１】
実施例５では、１年経過しても接合体の金属母材に腐食は見られなかった。
【００４２】
＜実施例６＞
実施例６では、金属母材にチタン合金を用いたこと以外は実施例５と同様にして接合体を作製し、接合体を野外暴露した。カルシウムめっき膜の膜厚は、５μｍであり、めっき液及びめっき条件も実施例５と同様である。実施例６においても、１年経過しても接合体の金属母材に腐食は見られなかった。
【００４３】
＜実施例７＞
実施例７では、金属母材に犠牲金属のバリウムめっき膜を形成したこと以外は実施例５と同様に接合体を作製し、接合体を野外暴露した。
【００４４】
使用するめっき液は、塩化バリウムの濃度が４００ｇ／Ｌ、イソプロピルアルコールの濃度が３０ｍＬ／Ｌ、エチルアルコールの濃度が４０ｍＬ／Ｌ、トリメチルアミン塩酸塩の濃度が３ｇ／Ｌ、クエン酸カリウムの濃度が５ｇ／Ｌ、純水の濃度が３００ｍＬ／ｌの範囲内となるように調整した溶液に、ｐＨが１０〜１４の範囲内となるようにカセイソーダを添加して作製した。めっき条件は、めっき浴の温度を３０℃の範囲内とし、電流密度を１Ａ／ｃｍ２の範囲内で行った。バリウムめっき膜の膜厚は、５μｍとした。
【００４５】
実施例７では、１年経過しても接合体の金属母材に腐食は見られなかった。
【００４６】
＜実施例８＞
実施例８では、金属母材にチタン合金を用いたこと以外は実施例７と同様に接合体を作製し、接合体を野外暴露した。実施例８では、１年経過しても接合体の金属母材に腐食は見られなかった。
【００４７】
＜実施例９＞
実施例９では、金属母材にアルミニウム合金を用い、この金属母材に実施例７と同様にしてバリウムめっき膜を形成し、続けてバリウムめっき膜上に、実施例５と同様にしてカルシウムめっき膜を形成し、炭素繊維強化樹脂と接着剤で接合した接合体を作製し、接合体を野外暴露した。実施例９においても、金属母材に腐食は見られなかった。
【００４８】
以上の実施例の結果から、金属母材に、この金属母材よりもイオン化傾向が大きい犠牲金属からなる犠牲金属部材、テープやねじを取り付けたり、めっき膜を施すことによって、犠牲金属部材やねじ、めっき膜が陽極となり、金属母材及び炭素繊維強化樹脂が陰極となって電池が形成されるため、犠牲金属部材に電流が流れ込み、金属母材に流れ込まないため、金属母材の腐食を防止できることがわかる。更に、実施例の結果から、金属母材の腐食を長期間防止できることがわかる。
【符号の説明】
【００４９】
１  接合体、２  金属母材、３  炭素繊維強化樹脂、４  接着剤、５  犠牲金属、５ａ  犠牲金属部材、６  接着剤、７  ねじ、８  ねじ、９  めっき膜
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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