(57)【要約】【課題】環境保護に適し、接合力が高い金属と樹脂との複合体の製造方法、及びこの製造方法による金属と樹脂の複合体を提供すること。【解決手段】本発明に係る金属と樹脂の複合体は、金属部材、及び金属部材の表面に形成された樹脂部材を備え、金属部材の表面には、塗装層が形成され、塗装層の表面には、複数の凹部が形成され、樹脂部材を塗装層の複数の前記凹部の中に侵入させた状態で金属部材と一体に接合され、塗装層は、無機材料からなる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
金属部材、及び前記金属部材の表面に形成された樹脂部材を備える金属と樹脂との複合体であって、
前記金属部材の表面には、塗装層が形成され、前記塗装層の表面には、複数の凹部が形成され、前記樹脂部材を前記塗装層の複数の前記凹部の中に侵入させた状態で前記金属部材と一体に接合され、前記塗装層は、無機材料からなることを特徴とする金属と樹脂との複合体。
【請求項２】
前記金属と樹脂との複合体は、前記金属部材の表層に形成された連接層をさらに備え、前記連接層の厚さは、０．１μｍ〜１μｍであり、前記塗装層は、前記連接層の表面に形成されることを特徴とする請求項１に記載の金属と樹脂との複合体。
【請求項３】
前記無機材料は、粉末型無機材料又は線材型無機材料であり、且つ金属、金属合金、金属炭化物、金属酸化物、プラスチック又はセラミックであることを特徴とする請求項１に記載の金属と樹脂との複合体。
【請求項４】
前記粉末型無機材料は、自己溶解性合金粉末、セラミック粉末、炭化粉末、軟質摩耗可能な粉末又は金属合金粉末であり、前記粉末型無機材料の直径は、５μｍ〜２００μｍであることを特徴とする請求項３に記載の金属と樹脂との複合体。
【請求項５】
前記自己溶解合金粉末は、ニッケル基自己溶解性合金粉末又はコバルト基自己溶解性合金粉末であり、前記セラミック粉末は、アルミナ、酸化クロム、酸化チタン又はジルコニアであり、前記炭化粉末は、炭化クロム又はタングステンカーバイドであり、前記軟質摩耗可能な粉末は、アルミ、銅、ニッケル、コバルト又はプラスチック粉末であり、前記金属合金粉末は、亜鉛合金、亜鉛アルミ合金、アルミ合金、銅合金、鉄合金、モリブデン合金、ニッケル合金、チタン合金又はサーメットであることを特徴とする請求項４に記載の金属と樹脂との複合体。
【請求項６】
前記線材型無機材料の直径は、１μｍ〜５μｍであり、前記線材型無機材料は、亜鉛線材、亜鉛アルミ合金線材、アルミ線材、錫線材、銅線材、ステンレス線材、アルミ青銅線材又はモリブデン線材であることを特徴とする請求項３に記載の金属と樹脂との複合体。
【請求項７】
前記塗装層の厚さは、１μｍ〜１００μｍであり、前記塗装層の粗さＲａは、２μｍ〜５μｍであり、前記凹部の平均直径は、５μｍ〜１００μｍであり、前記凹部の平均深さは、１００μｍより小さいことを特徴とする請求項１に記載の金属と樹脂の複合体。
【請求項８】
前記樹脂部材は、ポリブチレンテレフタレート（ＰＢＴ）、ポリフェニレンサルファイド（ＰＰＳ）、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）、ポリエーテルエーテルケトン（ＰＥＥＫ）、ポリカーボネート（ＰＣ）又はポリ塩化ビニル（ＰＶＣ）であることを特徴とする請求項１に記載の金属と樹脂との複合体。
【請求項９】
金属部材を提供する工程と、
前記金属部材の表面に無機材料を吹き付けることによって、前記金属部材の表面において、表面に複数の凹部が開口された塗装層を形成する工程と、
表面に前記塗装層が被覆された前記金属部材を射出成形用金型の中にインサートする工程と、
前記金属基材に向かって溶融した熱可塑性樹脂を注入し、且つ前記熱可塑性樹脂を前記金属部材の表面の塗装層に形成された凹部に侵入させた状態で、前記熱可塑性樹脂を硬化して、前記金属部材と一体に接合された樹脂部材を成形する工程と、
を備えることを特徴とする金属と樹脂の複合体の製造方法。
【請求項１０】
前記金属部材の表面に無機材料を吹き付けることによって、前記金属部材の表面において、表面に複数の凹部が開口された塗装層を形成する工程は、粉末型無機材料を用いて前記金属部材に対してプラズマ溶射することによって実現され、
前記プラズマ溶射する場合、スプレーガンを備えるプラズマ塗装装置を用意して、前記プラズマ塗装装置の電圧を２２０Ｖ〜２７５Ｖに調節し、電流を３７５Ａ〜６００Ａに調節し、前記プラズマ塗装装置の中に流動速度が４５〜１２０ｍ／分であり、且つ窒素と水素との混合気体、アルゴンと水素との混合気体又はアルゴンからなる動作気体を注入して、電流によって前記動作気体に温度が１０００℃〜１２０００℃であるプラズマアークを生成させ、前記プラズマ塗装装置の中に粉末型無機材料を注入して、前記プラズマアークによって前記粉末型無機材料を溶融状態に加熱し、前記スプレーガンと前記金属部材との間の距離を５０ｍｍ〜８０ｍｍに設定して、圧力が１．０ＭＰａ〜１．５ＭＰａであり且つ流動速度が１４〜１８Ｌ／分である窒素をプッシュガスとして、溶融状態の粉末型無機材料を４３０〜５２７ｍ／ｓの流動速度で前記金属部材の表面に吹き付けて、前記プラズマ塗装装置の外へ噴射された溶融の粉末型無機材料の走行経路の軸線と前記金属部材の表面との角度は、４５°〜９０°であることを特徴とする請求項９に記載の金属と樹脂との複合体の製造方法。
【請求項１１】
前記金属部材の表面に無機材料を吹き付けることによって、前記金属部材の表面において、表面に複数の凹部が開口された塗装層を形成する工程は、線材型無機材料を用いて前記金属部材に対して火炎溶射することによって実現され、
前記火炎溶射する場合、火炎スプレーガンを提供して、酸素及び可燃性ガスを燃焼ガスとして、前記燃焼ガスを点火して、温度が１５００℃〜２５００℃の火炎センターを形成して、
前記火炎スプレーガンの電気モーターによって前記線材型無機材料を前記火炎センターまで持続的に輸送させて、前記線材型無機材料の前記火炎スプレーガンのノズルに近い一端を溶融状態に加熱して、前記火炎スプレーガンと前記金属部材との間の距離を５０〜８００ｍｍに設定して、前記火炎スプレーガンの中に流動速度が１４〜１８Ｌ／分の圧縮空気を持続的に注入して、前記圧縮気体によって前記溶融状態の線材型無機材料に微細顆粒とフォギングさせた後、前記微細顆粒を前記金属部材の表面に吹き付け、前記火炎スプレーガンの外へ噴射された微細顆粒状態の前記粉末型無機材料の走行経路の軸線と前記金属部材の表面との角度は、４５°〜９０°であることを特徴とする請求項９に記載の金属と樹脂の複合体との製造方法。
【請求項１２】
前記溶融の粉末型無機材料が前記金属部材の表面に吹き付けられた後、前記金属部材の表面は熱を受けて部分的に溶かされ、前記溶融の粉末型無機材料と溶けた前記金属部材とは、相互に浸透して結合して、厚さが０．１μｍ〜１μｍである連接層を形成した後、前記連接層の表面に、引き続き前記溶融の粉末型無機材料を吹き付けて、塗装層を形成することを特徴とする請求項１０に記載の金属と樹脂との複合体の製造方法。
【請求項１３】
前記溶融の線材型無機材料が前記金属部材の表面に吹き付けられた後、前記金属部材の表面は熱を受けて部分的に溶かされ、引き続き噴射すると、溶融の線材型無機材料は、溶融の前記金属部材と相互に浸透して結合して、厚さが０．１μｍ〜１μｍである連接層を形成し、前記連接層の表面に、引き続き溶融の線材型無機材料を吹き付けて、塗装層を形成することを特徴とする請求項１１に記載の金属と樹脂との複合体の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、金属と樹脂の複合体の製造方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
金属と合成樹脂を一体化する技術の発展が、自動車、家電、通信装置等の部品製造業等の幅広い産業分野で期待されている。現在、金属の高強度性及び樹脂の成形性を利用した金属と合成樹脂との接合技術には、接着剤を利用する粘着法（特許文献１を参照）或いはインモールド射出成形法（特許文献２を参照）等がある。しかし、従来の技術は、接合強度が低いため、より合理的な接合方法が引き続き研究されて来た。
【０００３】
例えば、アルミニウム部材に対して、表面凹凸化エッチング処理を行った後、熱可塑性溶融樹脂を射出して接触させることで、特異的に接着力が上がることがわかった。具体的には、特開２００３−１７０５３１号公報（特許文献３を参照）説明されているように、アルミニウム合金を、アンモニア、ヒドラジン、ヒドラジン誘導体及び水溶性アミン系化合物から１種以上を選択して水溶液に浸漬させることによって、アルミニウム合金の表面を微細なエッチング面にする。その後、表面に無数の凹部が形成されたアルミニウム合金形状物に対して溶融樹脂を射出して、溶融樹脂を上記凹部の内部に侵入させた状態で、熱可塑性樹脂組成物とアルミニウム合金形状物とを一体に射出接合させることが記載されている。
【０００４】
また、マグネシウム合金部品に対して微細表面処理を行なう場合、好ましくは、化成処理用水溶液として、過マンガン酸カリウムを１．５〜３％、酢酸を１％前後及び酢酸ナトリウムを０．５％前後含む水溶液を、温度４０〜５０℃で使用し、この水溶液に浸漬させる時間は１分程度であることが好ましいことが記載されている（特許文献４を参照）。また、ステンレス鋼の場合、ステンレス鋼全般は、塩酸等ハロゲン化水素酸、亜硫酸、硫酸、ハロゲン化金属塩等の水溶液で、全面腐食するとの記録がある（特許文献５を参照）。
【０００５】
上記の方法によって、より高い接合力の金属と樹脂との複合体を得ることができるが、異なる金属に対して異なる化学エッチング用の水溶液を調製しなければならない。また、金属を化学エッチングする時に採用した化学薬剤は、いずれも高濃度の酸又はアルカリであり、エッチング溶液の廃棄処理が難しく、環境保護に不利である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開平１１−１５１７７９号公報
【特許文献２】特開平１０−３０５５２３号公報
【特許文献３】特開２００３−１７０５３１号公報
【特許文献４】特許５１２９９０３号公報
【特許文献５】特許４９２７８７６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本発明は、上記の問題点を考慮してなされたものであり、環境保護に適し、接合力が高い金属と樹脂との複合体の製造方法、及びこの製造方法による金属と樹脂の複合体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】
上記の課題を解決するために、本発明に係る金属と樹脂との複合体は、金属部材、及び金属部材の表面に形成された樹脂部材を備え、金属部材の表面には、塗装層が形成され、塗装層の表面には、複数の凹部が形成され、樹脂部材を塗装層の複数の凹部の中に侵入させた状態で金属部材と一体に接合され、塗装層は、無機材料からなる。
【０００９】
また、上記の課題を解決するために、本発明に係る金属と樹脂との複合体の製造方法は、金属部材を提供する工程と、金属部材の表面に無機材料を吹き付けることによって、金属部材の表面において、表面に複数の凹部が開口された塗装層を形成する工程と、表面に塗装層が被覆された金属部材を射出成形用金型の中にインサートする工程と、金属基材に向かって溶融した熱可塑性樹脂を注入し、且つ熱可塑性樹脂を金属部材の表面の塗装層に形成された凹部に侵入させた状態で、熱可塑性樹脂を硬化して、金属部材と一体に接合された樹脂部材を成形する工程と、を備える。
【発明の効果】
【００１０】
従来の技術と異なり、本発明に係る金属と樹脂の複合体の製造方法は、金属部材の表面に無機材料を噴射して、金属部材の表面に無数の凹部を備える塗装層を被覆する。インサートモールド成型の時、溶融状態の熱可塑性樹脂を塗装層の無数の凹部内に侵入させた状態で、金属部材と一体に接合される。これにより、溶融状態の熱可塑性樹脂からなる樹脂部材と金属部材との接合力は大幅に向上される。しかも、本発明方法は、化学薬剤を用いないため、環境保護に適する。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】本発明の実施形態に係る金属と樹脂との複合体の断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
図１に示すように、本発明の実施形態に係る金属と樹脂との複合体１００は、金属部材１１と、金属部材１１の表層に形成された連接層１３と、連接層１３の表面に形成された塗装層１５と、塗装層１５の上面に被覆された樹脂部材１７と、を備える。
【００１３】
金属部材１１の材料は、アルミニウム、アルミニウム合金、亜鉛合金、マグネシウム、マグネシウム合金、ステンレス、銅又は銅合金等である。
【００１４】
連接層１３及び塗装層１５は、それぞれ塗装方法によって形成される。塗装の過程において使用する溶融の無機材料を金属部材１１の表面に塗装する時、金属部材１１の表面を加熱してその一部を溶かす。この時、溶融の無機材料は溶融の金属部材１１と相互に浸透して結合して、厚さが０．１μｍ〜１μｍの連接層１３を形成する。次に、引き続き、溶融の無機材料を連接層１３の表面にコーティングして、塗装層１５を形成する。
【００１５】
塗装層１５の表面には、複数の凹部１５１が形成されている。凹部１５１の平均直径及び平均深さは、１００μｍより小さい。好ましくは、凹部１５１の平均直径は、５μｍ〜１００μｍである。塗装層１５の厚さは、１μｍ〜１００μｍである。塗装層１５の粗さＲａは、２μｍ〜５μｍである。
【００１６】
上記無機材料は、粉末型無機材料又は線材型無機材料である。また、無機材料は、金属、金属合金、金属炭化物、金属酸化物、プラスチック又はセラミック等である。
【００１７】
上記粉末型無機材料は、自己溶解合金粉末（Ｓｅｌｆ−Ｆｌｕｘｉｎｇ  Ｐｏｗｄｅｒ）、セラミック粉末（Ｃｅｒａｍｉｃ  Ｐｏｗｄｅｒ）、炭化粉末（Ｃａｒｂｉｄｅ  Ｐｏｗｄｅｒ）、軟質摩耗可能な粉末（Ａｂｒａｄａｂｌｅ  Ｐｏｗｄｅｒ）又は金属合金粉末（Ａｌｌｏｙ  Ｍｅｔａｌ  Ｐｏｗｄｅｒ）であることが可能である。好ましくは、この粉末型無機材料は、セラミック粉末である。粉末型無機材料の直径は、５μｍ〜２００μｍである。
【００１８】
上記自己溶解合金粉末は、ニッケル基自己溶解性合金粉末又はコバルト基自己溶解性合金粉末等である。上記セラミック粉末は、アルミナ、酸化クロム、酸化チタン又はジルコニア等である。上記炭化粉末は、炭化クロム又はタングステンカーバイド等である。上記軟質摩耗可能な粉末は、アルミ、銅、ニッケル、コバルト又はプラスチック粉末等である。上記金属合金粉末は、亜鉛合金、亜鉛アルミ合金、アルミ合金、銅合金、鉄合金、モリブデン合金、ニッケル合金、チタン合金又はサーメット等である。上記サーメットは、Ｃｒ３Ｃ２−ＮｉＣｒ又はＷＣ−Ｃｏ等である。
【００１９】
上記線材型無機材料の直径は、１μｍ〜５μｍである。この線材型無機材料の例としては、亜鉛線材、亜鉛アルミ合金線材、アルミ線材、錫線材、銅線材、ステンレス線材、アルミ青銅線材及びモリブデン線材等が挙げられる。
【００２０】
樹脂部材１７は、ポリブチレンテレフタレート（ＰＢＴ）、ポリフェニレンサルファイド（ＰＰＳ）、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）、ポリエーテルエーテルケトン（ＰＥＥＫ）、ポリカーボネート（ＰＣ）又はポリ塩化ビニル（ＰＶＣ）等であることが可能である。
【００２１】
図１に示すように、本発明の実施形態に係る金属と樹脂の複合体１００の製造方法は、以下の工程を備える。
【００２２】
第一工程において、形状化された金属部材１１を提供する。金属部材１１は、機械加工、鋳造等の方法によって所定の形状に成形されている。金属部材１１の材料は、アルミ、アルミ合金、亜鉛合金、マグネシウム、マグネシウム合金、ステンレス、銅又は銅合金等である。
【００２３】
第二工程において、金属部材１１を脱脂洗浄して、金属部材１１の表面の油及び汚れ等を除去する。具体的には、金属部材１１を２０℃〜３０℃の脱脂剤を含有する水溶液の中に１〜６分間を浸漬する。その後、水で金属部材１１を洗浄する。上記脱脂剤は、市販されている金属向けの脱脂剤であり、濃度は９０〜１５０ｇ／Ｌである。
【００２４】
第三工程において、上記無機材料を用いて金属部材１１に対して塗装を行なって、金属部材１１の表面に塗装層１５を形成する。無機材料は、粉末型又は線材型であり、金属、金属合金、金属炭化物、金属酸化物、プラスチック又はセラミック等である。以下、具体的な例を挙げて、金属部材１１に対する塗装処理を説明する。
【００２５】
粉末型無機材料を用いて金属部材１１に対してプラズマ溶射処理する場合、スプレーガンを備えるプラズマ塗装装置を用意して、プラズマ塗装装置の電圧を２２０Ｖ〜２７５Ｖに調節し、電流を３７５Ａ〜６００Ａに調節する。続いて、プラズマ塗装装置の中に流動速度が４５〜１２０ｍ／分の動作気体を注入して、電流によって上記動作気体にプラズマアークを生成させる。プラズマアークの温度は、１０００℃〜１２０００℃である。動作気体は、窒素と水素との混合気体、アルゴンと水素との混合気体又はアルゴンである。続いて、プラズマ塗装装置の中に粉末型無機材料を注入して、プラズマアークによって粉末型無機材料を溶融状態に加熱する。粉末型無機材料を注入する時の速度は、０〜１５０ｇ／分である。続いて、スプレーガンと金属部材１１との間の距離を５０ｍｍ〜８００ｍｍに設定して、窒素をプッシュガスとして、溶融状態の粉末型無機材料を４３０〜５２７ｍ／ｓの流動速度で金属部材１１の表面に吹き付ける。プッシュガスの圧力は１．０〜１．５Ｍｐａである。プッシュガスの流動速度は、１４〜１８Ｌ／分である。上記の過程において、プラズマ塗装装置の外へ噴射された溶融の粉末型無機材料の走行経路の軸線と金属部材１１の表面との角度は、４５°〜９０°である。
【００２６】
溶融の粉末型無機材料が金属部材１１の表面に吹き付けられた後、金属部材１１の表面は熱を受けて一部溶ける。引き続き噴射すると、溶融の粉末型無機材料と溶けた金属部材１１とは、相互に浸透して結合して、連接層１３を形成する。連接層１３の厚さは、０．１μｍ〜１μｍである。その後、連接層１３の表面に、上記溶融の粉末型無機材料を吹き付けて、塗装層１５を形成する。プラズマ溶射の時間は、金属部材１１の表面積及び塗装層１５の厚さによって決められる。上記の方法で得られた塗装層１５の表面には、複数の凹部１５１が形成される。凹部１５１の平均直径及び平均深さは、１００μｍより小さい。塗装層１５の厚さは、１μｍ〜１００μｍである。塗装層１５の粗さＲａは、２μｍ〜５μｍである。
【００２７】
一方、線材型無機材料を用いて金属部材１１に対して火炎溶射する場合、火炎スプレーガン（図示せず）を提供して、酸素及び可燃性ガスを燃焼ガスとする。可燃性ガスは、アセチレン、プロパン又は水素等である。燃焼ガスを点火して、温度が１５００℃〜２５００℃の火炎センターを形成する。燃焼ガスの中において、酸素の圧力は０．２ＭＰａ〜０．５ＭＰａであり、アセチレンの圧力は０．０４ＭＰａ〜０．１ＭＰａである。燃焼過程において、アセチレンの消耗速度は０．５〜０．７ｍ３／ｈであり、酸素の消耗速度は１．６〜１．８ｍ３／ｈである。線材型無機材料が火炎スプレーガンの電気モーター（図示せず）によって火炎センターまで持続的に輸送されることによって、線材型無機材料の火炎スプレーガンのノズルに近い一端は溶融状態まで加熱される。電気モーターの線材型無機材料を輸送する時の牽引力は、１０ｋｇより大きい。続いて、火炎スプレーガンと金属部材１１との間の距離を５０ｍｍ〜８００ｍｍに設定して、火炎スプレーガンの中に流動速度が１４〜１８Ｌ／分の圧縮空気を持続的に注入して、該圧縮気体によって溶融状態の線材型無機材料を微細顆粒にフォギングさせた後、上記微細顆粒を金属部材１１の表面に吹き付ける。上記の過程において、火炎スプレーガンの外へ噴射された微細顆粒状態の粉末型無機材料の走行経路の軸線と金属部材１１の表面との角度は、４５°〜９０°である。
【００２８】
溶融の線材型無機材料が金属部材１１の表面に吹き付けられた後、金属部材１１の表面は熱を受けてその一部が溶ける。引き続き噴射すると、溶融の線材型無機材料は、溶融の金属部材１１と相互に浸透して結合して、厚さが０．１μｍ〜１μｍである連接層１３を形成する。その後、連接層１３の表面に、溶融の線材型無機材料を吹き付けて、塗装層１５を形成する。火炎溶射の時間は、金属部材１１の表面積及び塗装層１５の厚さによって決められる。上記の方法によって得られた塗装層１５の表面には、複数の凹部１５１が形成される。凹部１５１の平均直径及び平均深さは、１００μｍより小さい。塗装層１５の厚さは、１μｍ〜１００μｍである。塗装層１５の粗さＲａは、２μｍ〜５μｍである。
【００２９】
第四工程において、表面に塗装層１５が被覆されている金属部材１１を射出成形用金型（図示せず）の中にインサートして、電磁誘導加熱等の加熱方法によって、金属部材１１を１００℃〜５００℃に加熱する。その後、射出成形用金型のキャビティの中に溶融状態の樹脂を射出して、該溶融状態の樹脂を塗装層１５の表面の凹部１５１の中に侵入させた状態で、樹脂を冷却して硬化させて、金属部材１１と一体に接合される樹脂部材１７を成形する。これにより、金属と樹脂との複合体１００を得る。溶融状態の樹脂は、ポリブチレンテレフタレート（ＰＢＴ）、ポリフェニレンサルファイド（ＰＰＳ）、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）、ポリエーテルエーテルケトン（ＰＥＥＫ）、ポリカーボネート（ＰＣ）又はポリ塩化ビニル（ＰＶＣ）等の熱可塑性樹脂である。
【００３０】
本発明の方法によって得られた金属と樹脂との複合体１００に対して、抗張力及びせん断力試験を行ったところ、その抗張力は２ＭＰａ〜１５ＭＰａに達し、せん断力は６ＭＰａ〜３０ＭＰａに達した。また、金属と樹脂との複合体１００に対して冷熱衝撃試験（４８時間、−４０℃〜８５℃、４時間／サイクル、１２サイクル）を行った結果においても、金属と樹脂との複合体１００の抗張力及びせん断力の明らかな低下は見られなかった。
【符号の説明】
【００３１】
１００  金属と樹脂との複合体
１１  金属部材
１３  連接層
１５  塗装層
１５１  凹部
１７  樹脂部材
【図１】
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