JP7448115B2 - 土砂等運搬用荷台及びその製造方法 - Google Patents

Description

本発明は土砂等運搬用荷台及びその製造方法に関し、より具体的には、土砂等を運搬するダンプカーの荷台やパワーショベルのショベル部等及びこれらの製造方法に関する。

土木建築業界においては大量の土砂貨物等を運搬することが必要不可欠であり、当該土砂貨物等の運搬に関しては、様々な観点からの改善要求が存在する。例えば、ダンプカーの荷台として一般的に用いられているのは鋼板であるが、鉄鋼製の荷台は高重量となる。一方で、道路を走行する際の車両の総重量は道路交通法で上限が定められており、一度により多くの砂利や土砂等を運搬するためには、車両自体を軽量化する必要がある。

ここで、荷台をアルミニウム合金製とすれば、車両の軽量化を図ることができるが、アルミニウム合金材の耐摩耗性は鉄鋼材と比較して大幅に低く、砂利や土砂を繰り返し積載及び荷下ろしすると摩耗の進行が深刻となる。当該摩耗を考慮するとアルミニウム合金板の厚さを増加させる必要があり、重量増となることに加え、アルミニウム合金板表面における土砂等の滑り性は悪く、荷台の傾斜を急にしないと土砂貨物等を円滑に荷下ろしできないという問題があった。

これに対し、特許文献１（特開平１０－１８１４１７号公報）においては、アルミニウム又はアルミニウム合金で形成された傾斜荷台付き車両の荷台床面に、積載物の滑り性が優れ且つ耐摩耗性の優れた樹脂材料でなる板を付着させて成り、前記樹脂材料は高分子ポリエチレンから成ることを特徴とする傾斜荷台付き車両の荷台構造、が提案されている。また、当該荷台構造においては、樹脂材料にフッ素樹脂を用いることも提案されている。

前記特許文献１に記載の荷台構造においては、鋼板床面構造のダンプトラックと同じ滑り性と耐摩耗性を維持し、荷台全体を大きく軽量化でき、長期間実用的な使用に耐え、法律によって規制された重量内で、従来のものより多くの砂利や土砂等を運搬することができる、とされている。

特開平１０－１８１４１７号公報

しかしながら、土砂貨物等の運搬に関しては、ダンプカー等の荷台への付着残土によって積載可能量が減少し、運搬効率が悪化するという問題も存在する。また、当該運搬効率の悪化に起因して、過剰な運搬回数の増加、付着残土除去のための清掃による運搬稼働率の低下、車両消費燃料の増加等が生じており、これらの改善が切望されている。

これに対し、上記特許文献１に記載の荷台構造においては、荷台への付着残土の抑制については全く考慮されていない。また、付着残土の問題は、アルミニウム合金製の荷台と比較すると良好な滑り性を確保できる鉄鋼製の荷台について顕在化しており、鋼板床面構造の荷台においても、付着残土による運搬効率の悪化を十分に抑制することができない。具体的には、鋼板床面構造の荷台を用いた場合であっても、平均で積載した土砂の約５％が付着残土となってしまう。これは、積載効率が９５％となることを意味しており、土木建築業界における土砂運搬の総量を考慮すると、経済的損失は極めて大きい。

更に、前記特許文献１に記載の荷台構造においては、樹脂板がアルミニウム製荷台の床面にリベットやビスで機械的に締結されている。リベットやビスの使用は荷台構造の重量を増加させるだけでなく、金属材と比較して強度が低い樹脂板に亀裂等が生じやすく、土砂等を運搬するという極めて過酷な使用環境下において、長期信頼性を担保することができない。また、締結部の隙間を完全にシールすることは困難であり、当該隙間からの土砂等の侵入により、樹脂材が破断する虞がある。また、樹脂板をリベットやビス等で金属材に機械的に締結する場合、接合部の強度及び信頼性を担保するためには樹脂材を厚くする必要がある。その結果、荷台の積載効率（容積及び重量）が悪化することに加え、材料コストや運搬コストも増加する。

ここで、滑り性や耐久性等の観点からは樹脂材としてフッ素樹脂製の板材を用いることが好ましいが、フッ素樹脂は難接合材であり、リベットやビス等を用いることなくフッ素樹脂板を金属材に接合し、当該接合部に高い強度と長期信頼性を付与できる簡便な接合方法は存在しないのが現状である。

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、鋼板床面構造の荷台と比較しても付着残土を効率的に抑制することができ、土砂等を繰り返し運搬しても当該効果を維持することができる土砂等運搬用荷台及びその効率的な製造方法を提供することにある。

本発明者は上記目的を達成すべく、土砂等運搬用荷台の構造等について鋭意研究を重ねた結果、鉄鋼製荷台の内側表面にフッ素樹脂材を直接接合し、鉄鋼製荷台からフッ素樹脂材を剥離させると、フッ素樹脂材が鉄鋼製荷台の表面から繊維状に伸長する程度にまで、当該接合部の強度を増加させること等が効果的であることを見出し、本発明に到達した。

即ち、本発明は、
鉄鋼製荷台の内側表面にフッ素樹脂材が設けられ、
前記鉄鋼製荷台と前記フッ素樹脂材が直接に接合された接合部を有し、
前記接合部において前記鉄鋼製荷台から前記フッ素樹脂材を剥離させると、前記フッ素樹脂材が前記鉄鋼製荷台の表面から繊維状に伸長すること、
を特徴とする土砂等運搬用荷台、を提供する。

本発明の土砂等運搬用荷台においては、鉄鋼製荷台の内側表面にフッ素樹脂材がリベットやビス等を用いることなく直接接合されていることから、接合に起因する重量増加がない。加えて、フッ素樹脂材を薄くすることができ、フッ素樹脂材の接合に起因する重量増加を抑制することができる。また、鉄鋼製荷台の内側表面とフッ素樹脂材が直接接合されていることは、当該内側表面とフッ素樹脂材の表面とが完全に密着していることを意味しており、細かな土砂等であっても、鉄鋼製荷台とフッ素樹脂材との間に侵入することはない。また、本発明において、「土砂等運搬用荷台」とは、ダンプカー等の荷台に限られず、例えば、パワーショベルのショベル部やアスファルトフィニッシャのホッパ等を含むものである。

また、鉄鋼製荷台の内側表面とフッ素樹脂材とは、鉄鋼製荷台からフッ素樹脂材を剥離させると、フッ素樹脂材が鉄鋼製荷台の表面から繊維状に伸長する程度にまで強固に接合されており、土砂等を繰り返し運搬する過酷な使用環境においても長期の信頼性を有している。ここで、本発明の土砂等運搬用荷台は、本発明の土砂等運搬用荷台の製造方法によって好適に得ることができ、鉄鋼製荷台の表面とフッ素樹脂材との強固な接合部は、例えば、レーザ照射を用いた直接接合によって形成させることができる。

本発明の土砂等運搬用荷台においては、前記フッ素樹脂材の厚さが５ｍｍ以下であること、が好ましい。本発明の土砂等運搬用荷台においては、鉄鋼製荷台の内側表面にフッ素樹脂材がリベットやビス等を用いることなく直接接合されていることから、フッ素樹脂材を薄くすることができ、フッ素樹脂材の厚さを５ｍｍ以下とすることで、フッ素樹脂材に起因する土砂等運搬用荷台の内容積の低減及び重量増加を抑制することができる。フッ素樹脂材の厚さは０．５～１．５ｍｍとすることがより好ましく、０．８～１．０ｍｍとすることが最も好ましい。

本発明の土砂等運搬用荷台においては、前記接合部において、前記鉄鋼製荷台の表面に金属酸化物粒子からなる金属酸化物層を有すること、が好ましい。当該金属酸化物層は金属酸化物粒子のクラスターからなり、そのような構成を有する金属酸化物層によって鉄鋼製荷台の表面とフッ素樹脂材との接合強度を飛躍的に向上させることができる。より具体的には、フッ素樹脂材のＣ－Ｆ結合の解離が金属酸化物粒子クラスターによって促進され、効率的に強固な接合部を得ることができる。

ここで、金属酸化物層の表面の最大高さ（Ｓｚ）は５０ｎｍ～３μｍであることが好ましい。金属材側の被接合界面となる金属酸化物粒子クラスターの表面の最大高さ（Ｓｚ）を５０ｎｍ～３μｍとすることで、金属酸化物粒子クラスターとフッ素樹脂材との密着性を担保することができる。

また、本発明の土砂等運搬用荷台においては、前記金属酸化物粒子の粒径が５０～２００ｎｍであること、が好ましい。金属酸化物粒子の粒径を５０ｎｍ以上とすることで、金属酸化物粒子クラスターの表面の最大高さ（Ｓｚ）を５０ｎｍ以上とすることが容易になる。また、金属酸化物粒子の粒径を２００ｎｍ以下とすることで、金属酸化物粒子クラスターの表面の最大高さ（Ｓｚ）を３μｍ以下とすることが容易になる。加えて、金属酸化物粒子の粒径を５０～２００ｎｍとすることで、当該金属酸化物粒子の表面においてフッ素樹脂材が加熱された際に、当該フッ素樹脂材のＣ－Ｆ結合の解離を促進することができる。Ｃ－Ｆ結合の解離が促進される理由については必ずしも明らかにはなっていないが、適当な曲率（エネルギー状態）を有する金属酸化物粒子が所謂触媒作用を発現するものと考えられる。

また、本発明の土砂等運搬用荷台においては、前記フッ素樹脂板が前記鉄鋼製荷台の少なくとも隅角部に設けられていること、が好ましい。土砂等を運搬することによる付着残土は荷台の隅角部に顕著に形成されることから、当該領域にフッ素樹脂板を設けることによって、極めて効果的に付着残土を低減することができる。リベットやビスを用いて機械的に締結する場合、隅角部への接合は平面部への接合と比較すると困難であることに加え、鉄鋼製荷台の表面とフッ素樹脂材との間に隙間が生じやすい。これに対し、本発明の土砂等運搬用荷台においてはフッ素樹脂材が鉄鋼製荷台の内側表面に直接接合されていることから、隅角部であっても平面部と同等の接合部を形成することができる。

更に、本発明の土砂等運搬用荷台においては、前記フッ素樹脂材がポリテトラフルオロエチレンであること、が好ましい。ポリテトラフルオロエチレンはフッ素樹脂材のなかでも反応性に乏しく、付着残土をより効率的に抑制することができる。ここで、ポリテトラフルオロエチレンは超難接合材であるが、レーザを用いた直接接合法を用いることで、良好な接合部を形成することができる。

また、本発明は、
酸化性雰囲気下において鉄鋼製荷台の内側表面にパルスレーザを照射し、表面改質領域を形成する第一工程と、
前記表面改質領域にフッ素樹脂材を当接させ、被接合界面を形成する第二工程と、
レーザ照射によって前記被接合界面を昇温して接合を達成する第三工程と、を有し、
前記第一工程において、前記表面改質領域に５～５００ｎｍの粒径を有する金属酸化物粒子が連続的に接合されてなる金属酸化物粒子クラスターを形成し、
前記金属酸化物粒子クラスターの表面の最大高さ（Ｓｚ）を５０ｎｍ～３μｍとすること、
を特徴とする土砂等運搬用荷台の製造方法、も提供する。

本発明の土砂等運搬用荷台の製造方法においては、第三工程におけるフッ素樹脂材のＣ－Ｆ結合の解離が金属酸化物粒子クラスターによって促進され、効率的に強固な接合部を得ることができる。加えて、金属材側の被接合界面となる金属酸化物粒子クラスターの表面の最大高さ（Ｓｚ）を５０ｎｍ～３μｍとすることで、金属酸化物粒子クラスターとフッ素樹脂材との密着性を担保することができる。

多くのフッ素樹脂は溶融流動性を有しておらず、被接合界面に空隙がある場合、当該空隙が微小な場合でも密着性に及ぼす影響は大きい。一方で、空隙にフッ素樹脂が隙間なく充填される場合は、当該空隙の存在は接合強度の向上に寄与する。本発明の金属フッ素樹脂直接接合方法においては、金属酸化物粒子クラスターの表面の最大高さ（Ｓｚ）を５０ｎｍ以上とすることで、フッ素樹脂の充填によって接合部の強度を向上させることができ、３μｍ以下とすることで、フッ素樹脂が充填されずに空隙のまま残存することを抑制できる。

また、本発明の土砂等運搬用荷台の製造方法においては、第一工程において、酸化性雰囲気下において鉄鋼材の表面にパルスレーザを照射して表面改質領域を形成させることから、表面改質領域の形成に湿式工程を用いる必要が無く、大量かつ効率的に均質な表面改質領域を形成させることができる。加えて、第一工程で使用するレーザ設備を第三工程で使用してもよく、作業効率の向上及び設備導入コストの低減を図ることができる。

第一工程及び第三工程で用いるレーザは、本発明の効果を損なわない限りにおいて特に制限されず、従来公知の種々のレーザを用いることができ、例えば、鉄鋼材を効率的に加熱できる半導体レーザを好適に用いることができる。

また、本発明の土砂等運搬用荷台の製造方法においては、前記フッ素樹脂材の厚さを５ｍｍ以下とすること、が好ましい。本発明の土砂等運搬用荷台の製造方法においては、レーザ照射を用いて鉄鋼製荷台の内側表面にフッ素樹脂材を直接接合することから、フッ素樹脂材を薄くすることができ、フッ素樹脂材の厚さを５ｍｍ以下とすることで、フッ素樹脂材に起因する土砂等運搬用荷台の内容積の低減及び重量増加を抑制することができる。フッ素樹脂材の厚さは０．５～１．５ｍｍとすることがより好ましく、０．８～１．０ｍｍとすることが最も好ましい。

また、本発明の土砂等運搬用荷台の製造方法においては、前記金属酸化物粒子の粒径を５０～２００ｎｍとすること、が好ましい。金属酸化物粒子の粒径を５０ｎｍ以上とすることで、金属酸化物粒子クラスターの表面の最大高さ（Ｓｚ）を５０ｎｍ以上とすることが容易になる。また、金属酸化物粒子の粒径を２００ｎｍ以下とすることで、金属酸化物粒子クラスターの表面の最大高さ（Ｓｚ）を３μｍ以下とすることが容易になる。加えて、金属酸化物粒子の粒径を５０～２００ｎｍとすることで、当該金属酸化物粒子の表面においてフッ素樹脂材が加熱された際に、当該フッ素樹脂材のＣ－Ｆ結合の解離を促進することができる。Ｃ－Ｆ結合の解離が促進される理由については必ずしも明らかにはなっていないが、適当な曲率（エネルギー状態）を有する金属酸化物粒子が所謂触媒作用を発現するものと考えられる。

また、本発明の土砂等運搬用荷台の製造方法においては、前記第三工程において、前記金属酸化物粒子の触媒作用によって前記フッ素樹脂材のＣ－Ｆ結合を解離させ、当該解離によって生成するカルボキシル基等の官能基と前記鉄鋼材に含まれる金属元素とを結合させること、が好ましい。フッ素樹脂材のＣ－Ｆ結合は強固であり、解離させることは極めて困難であるが、金属酸化物粒子の触媒作用を活用することで、効率的にＣ－Ｆ結合を解離させることができる。また、金属酸化物粒子の近傍でＣ－Ｆ結合が解離することで、カルボキシル基等と金属酸化物粒子に含まれる金属元素とを結合させることができる。なお、本発明においては、フッ素樹脂材由来のカルボキシル基等の官能基と鉄鋼材に含まれる金属元素とが結合することで接合が達成されるが、「鉄鋼材に含まれる金属元素」とは、表面改質領域においては金属酸化物粒子に含まれる鉄鋼材由来の金属元素を意味する。

本発明の土砂等運搬用荷台の製造方法においては、前記表面改質領域を前記被接合界面の２０％以上の面積とすること、が好ましい。表面改質領域を被接合界面の２０％以上の面積とすることで、接合部全体として高い継手強度と信頼性を担保することができる。

また、本発明の土砂等運搬用荷台の製造方法においては、第一工程で用いる前記パルスレーザの１パルスの照射エネルギーを０．２～１．０ｍｊとすること、が好ましい。パルスレーザの１パルスの照射エネルギーを０．２～１．０ｍｊとすることで、照射領域に５～５００ｎｍの粒径を有する金属酸化物粒子が連続的に接合されてなる金属酸化物粒子クラスターを形成すると共に、当該金属酸化物粒子クラスターの表面の最大高さ（Ｓｚ）を５０ｎｍ～３μｍとすることができる。

また、本発明の土砂等運搬用荷台の製造方法においては、前記第三工程において、前記被接合界面に５ＭＰａ以上の圧力を印加すること、が好ましい。第三工程において被接合界面に５ＭＰａ以上の圧力を印加することで、フッ素樹脂材と鉄鋼材（金属酸化物粒子クラスター）を密着させることができ、強固な接合部を得ることができる。加えて、昇温に伴って接合部に気泡等が形成される場合であっても、当該気泡を系外に排出させることができる。

また、本発明の土砂等運搬用荷台の製造方法においては、前記第三工程において、前記フッ素樹脂材が透明な場合は前記フッ素樹脂材側から前記レーザを照射し、前記フッ素樹脂材が不透明な場合は前記鉄鋼材側から前記レーザを照射すること、が好ましい。フッ素樹脂材が透明な場合はフッ素樹脂材側からレーザを照射し、フッ素樹脂材が不透明な場合は鉄鋼材側からレーザを照射することで、被接合界面の温度を効率的に上昇させることができる。また、鉄鋼材側からレーザ照射することにより、フッ素樹脂材の種類に依らず被接合材として用いることができる。更に、鉄鋼材側から加熱することにより、フッ素樹脂材側に空間を設けることができ、必要に応じて当該フッ素樹脂材表面から加圧することができる。

第三工程で使用するレーザには、例えば、矩形ビームを形成した半導体レーザを用いることができる。ここで、フッ素樹脂、特にＰＴＦＥは加熱流動性を持たないため、被接合界面に数μｍ程度のごく僅かの隙間が存在する場合であって良好な密着界面を形成することができず、金属材との接合を達成することができない。従って、加熱されたフッ素樹脂と金属表面とを密着させるために、第三工程においては、レーザ照射により接合界面を最適な温度に昇温した後、直ちにフッ素樹脂と金属表面の密着を促す圧力を印加することが好ましい。

本発明の土砂等運搬用荷台及びその製造方法によれば、鋼板床面構造の荷台と比較しても付着残土を効率的に抑制することができ、土砂等を繰り返し運搬しても当該効果を維持することができる土砂等運搬用荷台及びその効率的な製造方法を提供することができる。

本発明の土砂等運搬用荷台の一例を示す模式図である。 本発明の土砂等運搬用荷台の製造方法の工程図である。 ステンレス鋼材表面に形成された表面改質領域のＳＥＭ観察画像である。 表面改質領域の断面のＴＥＭ観察画像である。 実施例で得られた金属フッ素樹脂接合体の外観写真である。 せん断引張試験後の金属フッ素樹脂接合体の外観写真である。 金属フッ素樹脂接合体の剥離領域のＳＴＥＭ－ＥＤＳ分析結果である。 実施例２におけるフッ素樹脂材を取り付けたダンプカー荷台の外観写真である。 実施例２における最大傾斜時のダンプカー荷台の状況である。 実施例２における最大傾斜時のダンプカー荷台の隅角部の状況である。 比較例における最大傾斜時のダンプカー荷台の状況である。

以下、図面を参照しながら本発明の土砂等運搬用荷台及びその製造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。

（１）土砂等運搬用荷台
図１は本発明の土砂等運搬用荷台の一例を示す概略図である。図１に示す土砂等運搬用荷台２は、ダンプカーの荷台であり、鉄鋼製荷台４の内側の表面にフッ素樹脂材６が直接接合されている。土砂等運搬用荷台２においては、鉄鋼製荷台４の内側表面にフッ素樹脂材６がリベットやビス等を用いることなく直接接合されていることから、接合に起因する重量増加がない。ここで、鉄鋼製荷台４の内側表面の全域をフッ素樹脂材６で被覆してもよいが、少なくとも、鉄鋼製荷台４の内側の隅角部をフッ素樹脂材６で被覆することが好ましい。

フッ素樹脂材６の厚さは、本発明の効果を損なわない限りにおいて特に限定されないが、５ｍｍ以下とすることが好ましく、０．５～１．５ｍｍとすることがより好ましく、０．８～１．０ｍｍとすることが最も好ましい。フッ素樹脂材６の厚さを０．５ｍｍ以上とすることで、長期間耐用におけるフッ素樹脂材の摩耗及び摩擦による滑り抵抗性の低下を抑制することができ、５ｍｍ以下とすることで、容積低下及び重量増による積載効率の低下を抑制することができる。

また、鉄鋼製荷台４の内側の表面とフッ素樹脂材６とは全面に接合部が形成されている必要はなく、使用態様においてフッ素樹脂材６が剥離せず、長期の信頼性を確保できるように接合部を形成させればよい。また、フッ素樹脂材６の外縁部に接合部を形成させることで、土砂等が鉄鋼製荷台４とフッ素樹脂材６の間に侵入することを防止することができる。

また、フッ素樹脂材６を鉄鋼製荷台４から強制的に剥離させると、フッ素樹脂材６に起因するフッ素樹脂が鉄鋼製荷台４の表面から繊維状に伸長する。これは、難接合材であるフッ素樹脂材６が鉄鋼製荷台４の表面に化学的に強固に接合されていることを意味しており、機械的締結とは全く状態が異なる。

鉄鋼製荷台４の表面から繊維状に伸長したフッ素樹脂材６を確認する方法は特に限定されず、従来公知の種々の方法で観察すればよい。例えば、フッ素樹脂材６を剥離した鉄鋼製荷台４の表面を適当な顕微鏡等で観察すればよく、荷台の状態で観察する場合は持ち運び可能な顕微鏡を用いることができ、より詳細に観察したい場合は鉄鋼製荷台４の該当箇所を適当に切断し、走査電子顕微鏡を用いて高倍率で観察すればよい。

また、接合界面においてはフッ素樹脂材６のＣ－Ｆ結合がＣ－Ｏ－Ｏ、Ｃ－Ｏ及びＣ＝Ｏ等の結合に変化している。その結果、例えば、鉄鋼製荷台４の表面から繊維状に伸長したフッ素樹脂材４を元素分析すると、ＣやＯと比較してＦの検出量は極めて小さくなる。

また、土砂等運搬用荷台２の接合部において、鉄鋼製荷台４の表面に金属酸化物粒子からなる金属酸化物層を有することが好ましい。当該金属酸化物層は金属酸化物粒子のクラスターからなり、そのような構成を有する金属酸化物層によって鉄鋼製荷台４の表面とフッ素樹脂材６との接合強度を飛躍的に向上させることができる。より具体的には、フッ素樹脂材６のＣ－Ｆ結合の解離が金属酸化物粒子クラスターによって促進され、効率的に強固な接合部を得ることができる。

金属酸化物層の表面の最大高さ（Ｓｚ）は５０ｎｍ～３μｍであることが好ましい。鉄鋼製荷台４側の被接合界面となる金属酸化物粒子クラスターの表面の最大高さ（Ｓｚ）を５０ｎｍ～３μｍとすることで、金属酸化物粒子クラスターとフッ素樹脂材６との密着性を担保することができる。

また、金属酸化物粒子の粒径は５０～２００ｎｍであることが好ましい。金属酸化物粒子の粒径を５０ｎｍ以上とすることで、金属酸化物粒子クラスターの表面の最大高さ（Ｓｚ）を５０ｎｍ以上とすることが容易になる。また、金属酸化物粒子の粒径を２００ｎｍ以下とすることで、金属酸化物粒子クラスターの表面の最大高さ（Ｓｚ）を３μｍ以下とすることが容易になる。加えて、金属酸化物粒子の粒径を５０～２００ｎｍとすることで、当該金属酸化物粒子の表面においてフッ素樹脂材６が加熱された際に、フッ素樹脂材６のＣ－Ｆ結合の解離を促進することができる。Ｃ－Ｆ結合の解離が促進される理由については必ずしも明らかにはなっていないが、適当な曲率（エネルギー状態）を有する金属酸化物粒子が所謂触媒作用を発現するものと考えられる。

また、土砂等運搬用荷台２においては、フッ素樹脂材６がポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ、融点：３２７℃）であること、が好ましい。ポリテトラフルオロエチレンはフッ素樹脂材のなかでも反応性に乏しく、付着残土をより効率的に抑制することができる。ここで、ポリテトラフルオロエチレンは超難接合材であるが、レーザを用いた直接接合法を用いることで、良好な接合部を形成することができる。その他、フッ素樹脂材としては、例えば、ポリクロロトリフルオロエチレン（ＰＣＴＦＥ、融点：２２０℃）、ポリビニリデンフルオライド（ＰＶＤＦ、融点：１５１～１７８℃）、ポリビニルフルオライド（ＰＶＦ、融点２０３℃）、テトラフルオロエチレン－ヘキサフルオロプロピレン共重合体（ＦＥＰ、融点：２５０～２７５℃）、テトラフルオロエチレン－パーフルオロアルキルビニルエーテル共重合体（ＰＦＡ、融点：３０２～３１０℃）、テトラフルオロエチレン－エチレン共重合体（ＥＴＦＥ、融点：２１８～２７０℃）、テトラフルオロエチレン－パーフルオロジオキソール共重合体（ＴＦＥ／ＰＤＤ）、クロロトリフルオロエチレン－エチレン共重合体（ＥＣＴＦＥ、融点：２４５℃）などを挙げることができる。

（２）土砂等運搬用荷台の製造方法
本発明の土砂等運搬用荷台の製造方法は鉄鋼製荷台の内側表面にフッ素樹脂材を直接接合することを最大の特徴とするものである。よって、鉄鋼製荷台の製造方法やフッ素樹脂材の加工方法等については、本発明の効果を損なわない限りにおいて特に限定されず、従来公知の種々の加工方法や製造方法等によって得られるものを使用することができる。

図２は、本発明の土砂等運搬用荷台の製造方法の工程図である。本発明の土砂等運搬用荷台の製造方法は、酸化性雰囲気下において鉄鋼製荷台の内側表面にパルスレーザを照射し、表面改質領域を形成する第一工程（Ｓ０１）と、表面改質領域にフッ素樹脂材を当接させ、被接合界面を形成する第二工程（Ｓ０２）と、レーザ照射によって被接合界面を昇温して接合を達成する第三工程（Ｓ０３）と、を有している。以下、各工程について詳述する。

（１－１）第一工程（Ｓ０１：表面改質領域形成工程）
第一工程（Ｓ０１）は、強固な接合界面の形成に寄与する表面改質領域を得るための工程である。表面改質領域には、５～５００ｎｍの粒径を有する金属酸化物粒子が連続的に接合されてなる金属酸化物粒子クラスターであって、最大高さ（Ｓｚ）が５０ｎｍ～３μｍの金属酸化物粒子クラスターを形成する。

金属材側の被接合界面となる金属酸化物粒子クラスターの表面の最大高さ（Ｓｚ）を５０ｎｍ～３μｍとすることで、第三工程（Ｓ０３）における金属酸化物粒子クラスターとフッ素樹脂材との密着性を担保することができる。金属酸化物粒子クラスターの表面の最大高さ（Ｓｚ）を５０ｎｍ以上とすることで、フッ素樹脂の充填によって接合部の強度を向上させることができ、３μｍ以下とすることで、フッ素樹脂が充填されずに空隙のまま残存することを抑制できる。より好ましい金属酸化物粒子クラスターの表面の最大高さ（Ｓｚ）は１００ｎｍ～２μｍであり、最も好ましい最大高さ（Ｓｚ）は２００ｎｍ～１μｍである。

また、金属酸化物粒子の粒径を５０～２００ｎｍとすることが好ましい。金属酸化物粒子の粒径を５０ｎｍ以上とすることで、金属酸化物粒子クラスターの表面の最大高さ（Ｓｚ）を５０ｎｍ以上とすることが容易になる。また、金属酸化物粒子の粒径を２００ｎｍ以下とすることで、金属酸化物粒子クラスターの表面の最大高さ（Ｓｚ）を３μｍ以下とすることが容易になる。加えて、金属酸化物粒子の粒径を５０～２００ｎｍとすることで、当該金属酸化物粒子の表面においてフッ素樹脂材が加熱された際に、当該フッ素樹脂材のＣ－Ｆ結合の解離を促進することができる。

第一工程（Ｓ０１）において、具体的には、酸化性雰囲気下において鉄鋼製荷台の内側の表面にパルスレーザを照射する。第一工程で用いるレーザは、本発明の効果を損なわない限りにおいて特に制限されず、従来公知の種々のレーザを用いることができ、例えば、鉄鋼材を効率的に加熱できる半導体レーザを好適に用いることができる。

パルスレーザの１パルスの照射エネルギーは０．２～１．０ｍｊとすることが好ましい。パルスレーザの１パルスの照射エネルギーを０．２～１．０ｍｊとすることで、照射領域に５～５００ｎｍの粒径を有する金属酸化物粒子が連続的に接合されてなる金属酸化物粒子クラスターを形成すると共に、当該金属酸化物粒子クラスターの表面の最大高さ（Ｓｚ）を５０ｎｍ～３μｍとすることができる。

また、酸化性雰囲気の種類は本発明の効果を損なわない限りにおいて特に限定されず、パルスレーザの照射によって鉄鋼材の表面に金属酸化物粒子クラスターが形成される雰囲気とすればよく、例えば、大気中で処理を施せばよい。

また、表面改質領域は鉄鋼材の被接合界面に形成させればよいが、当該表面改質領域を被接合界面の２０％以上の面積とすることが好ましい。表面改質領域を被接合界面の２０％以上の面積とすることで、接合部全体として高い継手強度と信頼性を担保することができる。また、表面改質領域は面状に形成してもよく、例えば、線状等として適当なパターンを描いてもよい。

（１－２）第二工程（Ｓ０２：被接合界面形成工程）
第二工程（Ｓ０２）は、第一工程（Ｓ０１）で表面改質領域を形成させた鉄鋼材（鉄鋼製荷台の内側の表面）とフッ素樹脂材とを当接させて、被接合界面を形成させるための工程である。

また、鉄鋼材とフッ素樹脂材とを重ね継手の状態とする場合、どちらか一方又は両方の被接合材の表面に耐熱性ガラス板等を当接させて全面拘束することで、被接合材同士をより密着させることができ、レーザ照射時の被接合界面のずれ等を抑制することができる。なお、耐熱性ガラスはレーザの透過性に優れたものを用いることが好ましい。また、耐熱ガラスを用いなくとも、鋼製のローラーを用いて両部材を密着せしめる加圧を付与することで、レーザ照射による加熱を行った後、直ちに部材密着を実現することができる。加熱後の密着を実現した後は、適切な時間内に接合界面の温度をフッ素樹脂の融点以下に冷却することが望ましい。

被接合材として用いるフッ素樹脂は、本発明の効果を損なわない限りにおいて特に限定されず、従来公知のフッ素樹脂を用いることができる。当該フッ素樹脂としては、例えば、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ、融点：３２７℃）、ポリクロロトリフルオロエチレン（ＰＣＴＦＥ、融点：２２０℃）、ポリビニリデンフルオライド（ＰＶＤＦ、融点：１５１～１７８℃）、ポリビニルフルオライド（ＰＶＦ、融点２０３℃）、テトラフルオロエチレン－ヘキサフルオロプロピレン共重合体（ＦＥＰ、融点：２５０～２７５℃）、テトラフルオロエチレン－パーフルオロアルキルビニルエーテル共重合体（ＰＦＡ、融点：３０２～３１０℃）、テトラフルオロエチレン－エチレン共重合体（ＥＴＦＥ、融点：２１８～２７０℃）、テトラフルオロエチレン－パーフルオロジオキソール共重合体（ＴＦＥ／ＰＤＤ）、クロロトリフルオロエチレン－エチレン共重合体（ＥＣＴＦＥ、融点：２４５℃）などを挙げることができるが、本発明のフッ素樹脂の接合方法では接着剤を用いることなく高温強度に優れた接合部を得ることができることから、融点の高いポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ、融点：３２７℃）を用いることが好ましい。ポリテトラフルオロエチレンを用いることで、極めて効率的に鉄鋼製荷台の残土を低減することができる。

フッ素樹脂材の厚さは、本発明の効果を損なわない限りにおいて特に限定されないが、５ｍｍ以下とすることが好ましく、０．５～１．５ｍｍとすることがより好ましく、０．８～１．０ｍｍとすることが最も好ましい。フッ素樹脂材６の厚さを０．５ｍｍ以上とすることで、長期間耐用におけるフッ素樹脂材の摩耗及び摩擦による滑り抵抗性の低下を抑制することができ、５ｍｍ以下とすることで、容積低下及び重量増による積載効率の低下を抑制することができる。

被接合材となる鉄鋼製荷台の材質は、本発明の効果を損なわない限りにおいて特に限定されず、従来公知の種々の鉄鋼材を用いることができ、例えば、ステンレス鋼、炭素鋼や工具鋼等を用いることができる。耐食性等の観点からはステンレス鋼を用いることが好ましく、耐摩耗性の観点からは工具鋼を用いることが好ましい。

（１－３）第三工程（Ｓ０３：昇温工程）
第三工程（Ｓ０３）は、レーザ照射によって第二工程（Ｓ０２）で形成させた被接合界面を昇温し、接合を達成する工程である。

第三工程（Ｓ０３）においては、フッ素樹脂材が透明な場合はフッ素樹脂材側からレーザを照射し、フッ素樹脂材が不透明な場合は鉄鋼材側からレーザを照射することが好ましい。フッ素樹脂材が透明な場合はフッ素樹脂材側からレーザを照射し、フッ素樹脂材が不透明な場合は鉄鋼材側からレーザを照射することで、被接合界面の温度を効率的に上昇させることができる。また、鉄鋼材側からレーザ照射することにより、フッ素樹脂材の種類に依らず被接合材として用いることができる。更に、鉄鋼材側から加熱することにより、フッ素樹脂材側に空間を設けることができ、必要に応じて当該フッ素樹脂材表面から加圧することができる。

第三工程（Ｓ０３）においては、被接合界面に５ＭＰａ以上の圧力を印加することが好ましい。被接合界面に５ＭＰａ以上の圧力を印加することで、フッ素樹脂材と鉄鋼材（鉄鋼材の表面に形成させた金属酸化物粒子クラスター）を密着させることができ、強固な接合部を得ることができる。加えて、昇温に伴って接合部に気泡等が形成される場合であっても、当該気泡を系外に排出させることができる。

金属酸化物粒子クラスターを介してフッ素樹脂材と鉄鋼材とが直接接合された接合部は十分に高い強度を有しているが、加圧工程を加えることで、品質のばらつきを小さくすることができる。当該加圧により、例えば、軟化したフッ素樹脂材が鉄鋼材の熱影響部の範囲を超えて広がることから、鉄鋼材とフッ素樹脂材との接合界面を拡大することができる。

被接合界面を加圧する場合、第二工程（Ｓ０２）において、どちらか一方又は両方の被接合材の表面に耐熱性ガラス板等を当接させて全面拘束することで、より容易に被接合界面を押圧することができる。

なお、レーザ出力、走査速度及び焦点距離等のレーザ照射に関するプロセスパラメータについては、被接合材の種類、大きさ、被接合界面の面積及び継手に要求される機械的性質等に応じて適当に選択すればよい。

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１≫
［鋼材へのフッ素樹脂材の直接接合］
本発明の土砂等運搬用荷台の製造方法を用いて、フッ素樹脂材とステンレス鋼材（鉄鋼製荷台の内側表面）との直接接合を行った。フッ素樹脂材はポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）とし、ニチアス株式会社製のナフロンＴＯＭＢＯ Ｎｏ．９０００（板厚１ｍｍ）を２５ｍｍ×５０ｍｍに切断して一方の被接合材とした。また、鉄鋼材はＳＵＳ３０４ステンレス鋼（板厚０．５ｍｍ）とし、本実施例においては２５ｍｍ×１００ｍｍに切断して鉄鋼製荷台の内側表面に対応する他方の被接合材とした。

ステンレス鋼材の被接合界面となる領域に対して大気中にてレーザ照射を施し、表面改質領域を形成させた（第一工程）。レーザにはＩＰＧ社製のＹＬＰパルスレーザを用い、レーザの照射条件は平均出力：５０Ｗ（１パルスのエネルギー：１ｍｊ）、フォーカス径：５９μｍ、走査速度：１５０００５８８．５μｍ／ｓとした。また、レーザ照射のピッチ及びオフセットを共に６０μｍとし、被接合界面の全域に表面改質領域を形成させた。

ステンレス鋼材表面に形成された表面改質領域のＳＥＭ写真（低倍及び高倍）を図３に示す。ＳＥＭ観察には、日本電子株式会社製のＪＳＭ－７１００Ｆを用いた。高倍のＳＥＭ写真によって、表面改質領域には５～１００ｎｍ程度の粒径を有する粒子が連続的に接合されてなるクラスターが形成していることが分かる。また、当該クラスターについてＳＥＭに付随するエネルギー分散形Ｘ線分析装置（ＪＥＤ－２３００ Ａｎａｌｙｓｉｓ Ｓｔａｔｉｏｎ Ｐｌｕｓ）を用いてＳＥＭ－ＥＤＳ分析を行ったところ、主としてＯとＦｅ等の金属元素が検出された。具体的には、クラスターに対する点分析結果は、Ｆｅ：２８．０ａｔ％，Ｏ：２６．２ａｔ％，Ｃｒ：２１．９ａｔ％，Ｃ：１７．２ａｔ％，Ｎｉ：４．８ａｔ％，Ｍｎ：１．５ａｔ％，Ｓｉ：０．４ａｔ％となった。これらの結果は、表面改質領域に微細な金属酸化物粒子が連続的に接合されてなるクラスターが形成していることを示している。

表面改質領域の断面について、ＴＥＭ観察を行った。ＴＥＭ観察には日本電子株式会社製のＪＥＭ－ＡＲＭ２００Ｆを用いた。得られたＴＥＭ観察画像を図４に示す。金属酸化物粒子からなるクラスターの表面は比較的平滑な状態になっており、最大高さ（Ｓｚ）は５０ｎｍ～３μｍとなっていることが分かる。

第一工程の後、表面改質領域にＰＴＦＥ板を重ね合わせ（第二工程）、ステンレス鋼板側からレーザを照射して金属フッ素樹脂接合体を得た（第三工程）。第三工程ではＬａｓｅｒｌｉｎｅ社製の４ｋｗ半導体レーザを用い、光学系にズームホモジナイザーを用いて３ｍｍ×４０ｍｍのラインレーザとし、出力２００ｗ、走査速度０．５ｍｍ／ｓで２５ｍｍ走査させた。また、第三工程において、被接合界面には約５ＭＰａの圧力を印加した。金属フッ素樹脂接合体の接合部は、板幅２５ｍｍに対して１５ｍｍの接合長となっており、２５ｍｍ×１５ｍｍの接合領域が形成されている。得られた金属フッ素樹脂接合体の外観写真を図５に示す。

同様の方法で５本の金属フッ素樹脂接合体を作製し、得られた接合体のせん断引張強度を測定した。せん断引張試験の前に金属フッ素樹脂接合体を－３０℃にて１０分間保持し、引張速度は１０ｍｍ／分とした。得られたせん断引張特性を表１に示す。また、せん断引張試験後の金属フッ素樹脂接合体の外観写真を図６に示す。

全ての金属フッ素樹脂接合体でＰＴＦＥ板が伸長し、荷重は５００Ｎ以上の高い値を示した。せん断引張試験においてＰＴＦＥ板が破断しており、素材強度を上回る接合強度が得られていることが分かる。

また、金属フッ素樹脂接合体について、ステンレス鋼板とＰＴＦＥ板を強制的に剥離させ、完全分離する直前の試料をＳＴＥＭ－ＥＤＳ分析した。得られたＳＴＥＭ－ＥＤＳ分析結果を図７に示す。ＰＴＦＥは金属酸化物粒子クラスターに接合したまま繊維状に伸長し、接合界面に空隙が生じている。また、ＥＤＳ分析において、Ｃ及びＯは明瞭に検出されるが、Ｆは殆ど検出されなかった。当該結果は、ＰＴＦＥのＣ－Ｆ結合がＣ－Ｏ－Ｏ、Ｃ－Ｏ及びＣ＝Ｏ等の結合に変化していることを示唆している。

≪実施例２≫
［土砂運搬用荷台の性能評価］
実施例１に記載の接合方法を用い、鋼製ダンプカー荷台の内側の隅角部にフッ素樹脂材（ＰＴＦＥ）を直接接合した。フッ素樹脂材を取り付けたダンプカー荷台の外観写真を図８に示す。

次に、ダンプカー荷台への土砂の付着状況を評価するために、当該ダンプカー荷台にシルト質粘性土を充填した後、ダンプカー荷台を最大限に傾斜させた。傾斜時のダンプカー荷台の状況を図９に、ダンプカー荷台の隅角部の状況を図１０に、それぞれ示す。図９及び図１０から、フッ素樹脂材によりシルト質粘性土の付着が極めて効果的に抑制されていることが分かる。

≪比較例≫
鋼製ダンプカー荷台の内側の隅角部にフッ素樹脂材を接合しなかったこと以外は実施例２と同様にして、ダンプカー荷台への土砂の付着を評価した。

ダンプカー荷台を最大限に傾斜させた際の状況を図１１に示す。大量のシルト質粘性土が荷台隅角部に残土として付着していることが分かる。

２・・・土砂等運搬用荷台、
４・・・鉄鋼製荷台、
６・・・フッ素樹脂材。

Claims (13)

1. 鉄鋼製荷台の内側表面にフッ素樹脂材が設けられ、
   前記鉄鋼製荷台と前記フッ素樹脂材が直接に接合された接合部を有し、
   前記接合部において前記鉄鋼製荷台から前記フッ素樹脂材を剥離させると、前記フッ素樹脂材が前記鉄鋼製荷台の表面から繊維状に伸長し、
   前記接合部において、前記鉄鋼製荷台の表面に金属酸化物粒子からなる金属酸化物層を有すること、
   を特徴とする土砂運搬用荷台。
2. 前記フッ素樹脂材の厚さが５ｍｍ以下であること、
   を特徴とする請求項１に記載の土砂運搬用荷台。
3. 前記金属酸化物粒子の粒径が５０～２００ｎｍであること、
   を特徴とする請求項１又は２に記載の土砂運搬用荷台。
4. 前記フッ素樹脂材が前記鉄鋼製荷台の少なくとも隅角部に設けられていること、
   を特徴とする請求項１～３のうちのいずれかに記載の土砂運搬用荷台。
5. 前記フッ素樹脂材がポリテトラフルオロエチレンであること、
   を特徴とする請求項１～４のうちのいずれかに記載の土砂運搬用荷台。
6. 酸化性雰囲気下において鉄鋼製荷台の内側表面にパルスレーザを照射し、表面改質領域を形成する第一工程と、
   前記表面改質領域にフッ素樹脂材を当接させ、被接合界面を形成する第二工程と、
   レーザ照射によって前記被接合界面を昇温して接合を達成する第三工程と、を有し、
   前記第一工程において、前記表面改質領域に５～５００ｎｍの粒径を有する金属酸化物粒子が連続的に接合されてなる金属酸化物粒子クラスターを形成し、
   前記金属酸化物粒子クラスターの表面の最大高さ（Ｓｚ）を５０ｎｍ～３μｍとすること、
   を特徴とする土砂運搬用荷台の製造方法。
7. 前記フッ素樹脂材の厚さを５ｍｍ以下とすること、
   を特徴とする請求項６に記載の土砂運搬用荷台の製造方法。
8. 前記金属酸化物粒子の粒径を５０～２００ｎｍとすること、
   を特徴とする請求項６又は７に記載の土砂運搬用荷台の製造方法。
9. 前記表面改質領域を前記被接合界面の２０％以上の面積とすること、
   を特徴とする請求項６～８のうちのいずれかに記載の土砂運搬用荷台の製造方法。
10. 前記第三工程において、前記金属酸化物粒子の触媒作用によって前記フッ素樹脂材のＣ－Ｆ結合を解離させ、当該解離によって生成する官能基と前記鉄鋼製荷台に含まれる金属元素とを結合させること、
    を特徴とする請求項６～９のうちのいずれかに記載の土砂運搬用荷台の製造方法。
11. 前記パルスレーザの１パルスの照射エネルギーを０．２～１．０ｍｊとすること、
    を特徴とする請求項６～１０のうちのいずれかに記載の土砂運搬用荷台の製造方法。
12. 前記第三工程において、前記被接合界面に５ＭＰａ以上の圧力を印加すること、
    を特徴とする請求項６～１１のうちのいずれかに記載の土砂運搬用荷台の製造方法。
13. 前記フッ素樹脂材をポリテトラフルオロエチレンとすること、
    を特徴とする請求項６～１２のうちのいずれかに記載の土砂運搬用荷台の製造方法。