JP7651779B2

JP7651779B2 - 金属樹脂複合成形品、金属部材の加工方法、金属樹脂複合成形品の製造方法

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Publication number: JP7651779B2
Application number: JP2024514623A
Authority: JP
Inventors: 兼斗廣田; 和樹大井
Original assignee: Polyplastics Co Ltd
Current assignee: Polyplastics Co Ltd
Priority date: 2022-11-08
Filing date: 2023-11-07
Publication date: 2025-03-26
Anticipated expiration: 2043-11-07
Also published as: WO2024101360A1; JPWO2024101360A1; EP4616990A1; CN120091886A

Description

本発明は、金属部材と熱可塑性樹脂を接合させる技術に関する。

金属などの電気伝導性材料と樹脂など電気絶縁性材料など、特性が異なる材料を組み合わせて用いることで、軽量化、高強度化、あるいは、高機能化された部品が様々な分野で使用されている。例えば、金属部材と熱可塑性樹脂を接合させた金属樹脂複合成形品は、インストルメントパネル周りのコンソールボックス等の自動車の内装部材やエンジン周り部品、インテリア部品、デジタルカメラや携帯電話等の電子機器の筐体部、インターフェース接続部、電源端子部等に使用されている。

金属と樹脂等の異なる材料同士の接合方法として、接着やネジ止めなどの工法が一般的に知られているが、工程や部品点数が増えるため好ましくない。そこで、金属材料と樹脂材料を接合させる方法として様々な提案がなされてきた。

例えば、特許第４０２０９５７号では、金属材料の表面のある走査方向にレーザ加工を施し、当該走査方向とクロスする別の走査方向にレーザ加工を施し、この表面に異種材料を接合することが記載されている。特開２０２０－１１６８０６号公報では、金属板の表面に凹凸を形成する際に凹凸のアンダーカット率を所定範囲内にすることで、この表面に樹脂成形品を接合させるときの接合強度を向上させることが記載されている。特開２０１３－７１３１２号公報では、レーザ光などにより金属にクレーター状の窪みを形成し、金属表面が溶融飛散した廂状の隆起部に粒状のスパッタを形成させた金属と樹脂の複合成形体が記載されている。特許第６８１９７９８号では、表面粗化金属部材とＰＰＳ部材とが接合してなる複合構造体であって、表面粗化した金属部材表面の任意の５点を、共焦点顕微鏡を用いてＩＳＯ２５１７８に準拠して測定した時に界面の展開面積比（Ｓｄｒ）が数平均値で５以上の範囲であること、ＰＰＳ樹脂の溶融粘度が１５～５００〔Ｐａ・ｓ〕の範囲である複合構造体が記載されている。

しかし、従来の金属材料と樹脂材料を接合させる方法では、金属材料と樹脂材料の接合部分の気密性を十分に確保することができず、この点を改善することが求められている。
そこで、本発明は、金属部材と樹脂部材を接合させる場合に接合部分の気密性を高めることを目的とする。

本発明の第１の観点は、金属部材と熱可塑性樹脂が接合された金属樹脂複合成形品である。この金属樹脂複合成形品では、金属部材の一面のうち熱可塑性樹脂と接合されている表面部分の表面性状において、頂点の算術平均曲率が３７０１～５０００（１／ｍｍ）である。

本発明の第２の観点は、金属部材の加工方法である。この加工方法では、金属部材の表面に対して高エネルギービームを照射することで、前記表面の頂点の算術平均曲率が３７０１～５０００（１／ｍｍ）となる表面性状とする。

本発明の第３の観点は、金属部材と熱可塑性樹脂が接合された金属樹脂複合成形品の製造方法である。この製造方法では、金属部材の表面に対して高エネルギービームを照射することで、金属部材の表面の頂点の算術平均曲率が３７０１～５０００（１／ｍｍ）となる表面性状とし、次いで、金属部材を金型内に挿入し、熱可塑性樹脂を射出成形することにより、金属部材の前記表面に熱可塑性樹脂を接合させる。

本発明の一態様によれば、金属部材と樹脂部材を接合させる場合に接合部分の気密性を高めることができる。

一実施形態の金属部材の加工方法を模式的に示す図である。金属部材のレーザ照射部に形成される例示的なクラスタの画像を示す図である。一実施形態の金属樹脂複合成形品において樹脂部材の表面のＳｐｃの大小に応じた金属部材と樹脂部材の界面の状態を模式的に説明する図である。気密性試験に使用される試験片の形状を示す図である。気密性試験の試験装置の概略的な構成を示す図である。実施例及び比較例の気密性試験の試験結果を基に、樹脂部材の表面のＳｐｃと図５の試験装置での検出圧力との関係をプロットした図である。

以下、本発明の一実施形態に係る金属樹脂複合成形品について説明する。
一実施形態の金属樹脂複合成形品は、金属部材と熱可塑性樹脂が接合されたものである。この金属樹脂複合成形品では、金属部材の一面のうち熱可塑性樹脂と接合されている接合面には凹凸が形成されている。
一実施形態では、接合面の凹凸は、実質的に球状のクラスタにより形成されている。「実質的に球状」には、クラスタを構成する個々の形状が球に限られず、楕円体、球若しくは楕円体の一部が欠けているもの等も含まれる。
この実質的に球状のクラスタは、金属部材の表面に例えばレーザを照射することで形成することができる。例えば、金属部材の表面に所定の照射条件でレーザを照射することで金属表面に球状のクラスタを形成することができる。
本願の発明者は鋭意研究の結果、金属部材の一面のうち熱可塑性樹脂と接合されている接合面の表面性状を所望の表面粗さとすることで、金属樹脂複合成形品の金属と樹脂の接合面の気密性を従来よりも高められることを見出した。以下の実施形態では、金属部材と熱可塑性樹脂の接合面に実質的に球状のクラスタを形成することで所望の表面粗さを実現する場合について説明するが、その限りではない。金属部材と熱可塑性樹脂の接合面に所望の表面粗さが達成できればよく、そのための表面処理方法は限定されない。
なお、金属樹脂複合成形品の形状も特に限定されず、如何なる形状の金属樹脂複合成形品に対しても本発明を適用することができる。

金属樹脂複合成形品に含まれる金属部材は、限定するものではないが、例えば、アルミニウム、銅、銀、金、鉄、チタン、ニッケル、マグネシウム、亜鉛及びその合金である炭素鋼、ステンレス鋼等である。
また、金属材料の表面には、陽極酸化処理等の表面処理や塗装がされていてもよい。軽量、強度の点からアルミニウム、マグネシウム、銅、チタンが好ましく、端子等の導電性が必要とされる用途においてはアルミニウム、銅がより好ましく、銅が特に好ましい。また、薄肉での剛性が要求される用途においてはマグネシウム、チタンが好ましく、チタンが特に好ましい。

金属樹脂複合成形品に含まれる樹脂は、射出成形による加工が容易な熱可塑性樹脂を用いることが好ましい。
好適な熱可塑性樹脂の例として、ポリアセタール（ＰＯＭ）、ポリアミド（ＰＡ）、ポリブチレンテレフタレート（ＰＢＴ）、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）、ポリカーボネート（ＰＣ）、ポリフェニレンサルファイド（ＰＰＳ）、液晶ポリマー（ＬＣＰ）、ポリエーテルエーテルケトン（ＰＥＥＫ）、スチレン系樹脂、アクリル系樹脂等が挙げられる。

金属部材と樹脂の接合方法は、限定するものではないが、射出成形により接合させることができる。例えば、金属材料をインサート部材とするインサート成形により接合することができる。

図１に、一実施形態の金属部材の加工方法を模式的に示す。
図１に示すように、レーザを金属部材に照射すると、金属部材の表面の金属がレーザによる高エネルギービームにより溶融し、照射部の外側に押出された後、表面張力により球状に固化することで、金属部材の表面に凹凸が形成される。一実施形態では、金属部材表面を微小なピッチでレーザ走査することで生成した球状物が重なりクラスタが形成される。あるいは金属部材が昇華、飛散した液状の金属粒子が凝固（再凝着）し、堆積することで、球状のクラスタが形成される。図２に、金属部材にレーザを照射したときのレーザ照射部に形成される例示的なクラスタの画像を示す。
ここで、レーザ出力（単位時間当たりのエネルギー）が低い場合には、金属表面の金属が溶融しなかったり、昇華や液状の金属粒子の飛散が生じなかったりするため、球状のクラスタを形成するためのレーザ出力については、金属部材に使用される金属材料に応じて適宜決定される。また、レーザ照射部の外側に押出された溶融金属を微小な球状にするにはレーザ走査ピッチは３０μｍ以下が好ましく、２０μｍ以下がより好ましく、１０μｍ以下がさらに好ましい。
なお、レーザ出力と照射速度により、単位面積において単位時間当たりに金属表面に与えられるエネルギーが決定されるため、レーザ出力に加え、照射速度についても球状のクラスタを形成する際のファクタとなる。レーザ出力と照射速度によって金属表面において局所的な極短時間での温度上昇が生じ、それによって球状のクラスタが形成される。

また、樹脂と接合したときに気密性を十分に確保する観点から、金属部材の樹脂との接合面の全面に球状のクラスタを形成することが好ましい。そのためには、レーザ走査ピッチをレーザの照射径よりも小さくするとよい。

本開示において「高エネルギービーム」とは、金属部材の表面に球状のクラスタが形成できる程度に高い単位時間当たりのエネルギーのビームという意味である。
高エネルギービームは、レーザが典型的ではあるが、その限りではなく、電子銃により発生させるビームであってもよい。

一実施形態の金属樹脂複合成形品の製造方法は、金属部材の表面に対してレーザ等の高エネルギービームを照射することで金属部材の表面に凹凸を形成し、表面に凹凸を形成した金属部材と熱可塑性樹脂を溶融接合させる方法である。一実施形態では、金属部材の表面（接合面）に実質的に球状のクラスタが形成される。
金属部材の樹脂との接合面に球状のクラスタを形成することで、金属部材と熱可塑性樹脂をインサート成形する際には、球状のクラスタの部分に溶融樹脂が入り込み、成形段階において金属と樹脂との密着性が高くなる。そのため、作製された金属樹脂複合成形品では、金属部材の接合面において従来よりも高い気密性が実現される。

金属部材の表面において球状のクラスタを形成する範囲は、金属部材の樹脂との接合面の全面であることが好ましいが、その限りではない。例えば接合面の大部分、例えば接合面のうち７０～８０％以上の範囲に球状のクラスタを形成すれば、金属部材の接合面において十分に高い気密性が確保される。
例えば、金属部材の樹脂との接合面の全面をレーザの照射対象としたときに、レーザの走査ピッチがレーザの照射径より大きい場合には、接合面にレーザが照射されない領域が生ずる。その場合でも、接合面のうちレーザが照射されない領域が比較的少ない場合には、金属部材の接合面において十分に高い気密性が確保される。

本願の発明者はさらに、金属部材の表面に形成される球状のクラスタの形状について着目し、金属部材の表面についての様々な表面粗さのパラメータと、金属部材の樹脂との接合面における気密性との関係について研究を進めた結果、球状のクラスタの頂点のＳｐｃ（山頂点の算術平均曲率）を所定の範囲とすることで気密性が格段に向上できることを見出した。Ｓｐｃ（山頂点の算術平均曲率）は、ＩＳＯ２５１７８に規定される表面性状のパラメータであり、評価対象の表面に形成される山頂点の主曲率の平均を表す。

球状のクラスタの頂点のＳｐｃを所定の範囲とすることで金属部材の樹脂との接合面における気密性が向上する理由は、図３を参照すると以下のように推察される。
図３は、金属部材の表面に形成される球状のクラスタの頂点のＳｐｃが大きい値の場合（「Ｓｐｃ大」）、中程度の値の場合（「Ｓｐｃ中」）、及び、小さい値の場合（「Ｓｐｃ小」）について、金属部材と樹脂との接合面を模式的に示したものである。Ｓｐｃ大の場合、球状のクラスタの頂点が尖鋭形状となり、熱可塑性樹脂が冷却したときにヒケ（収縮）が生じるが、クラスタの頂点が尖鋭形状のためこの頂点の接合面において樹脂と金属間で隙間が生じやすく、気密性の点で不利である。他方、Ｓｐｃ小の場合、球状のクラスタは全体として緩やかに変化する表面性状をなすことから、接合部の表面積が小さく成形段階において金属と樹脂との密着性が高くならない。そこで、Ｓｐｃが中程度である場合に、金属部材の表面の球状のクラスタの部分に対する溶融樹脂の入り込みが十分に入り込むことになり、成形段階において金属と樹脂との密着性が極めて高くなると推察される。

具体的には、金属部材の表面の球状のクラスタの頂点のＳｐｃは、２５００～５０００（１／ｍｍ）の範囲であることが好ましく、３０００～５０００（１／ｍｍ）の範囲であることがさらに好ましく、３５００～５０００（１／ｍｍ）の範囲であることが最も好ましい。
このＳｐｃが所望の範囲内になるように調整するには、金属部材の樹脂との接合面に対してレーザ照射により与えるエネルギーを制御する。レーザとしてパルスレーザを使用する場合に、平均出力をＰ、周波数をｆとした場合、１パルス当たりのエネルギーＥはＰ／ｆで表されるため、平均出力Ｐ（いわゆるレーザ出力）及び／又は周波数ｆを調整することで、金属部材の樹脂との接合面に与えるエネルギーを制御することができる。例えば、パルスレーザの周波数を上げると金属部材の表面に付与される１パルス当たりのエネルギー量が小さくなるため、Ｓｐｃが低下する傾向になる。逆に、パルスレーザの周波数を下げると金属部材の表面に付与される１パルスあたりのエネルギー量が大きくなりＳｐｃが増加する傾向になるが、エネルギー量が十分に大きくなるとＳｐｃは飽和する。また、同じレーザ照射条件であっても環境条件によってＳｐｃが変わる可能性がある（例えば、環境温度が低いとＳｐｃが低下する可能性が考えられる）ため、レーザ照射後にＳｐｃが所望の範囲内であるかの確認を行う。

以下、金属樹脂複合成形品の実施例について説明する。
実施例では、試験片として、図４に示す形状の金属樹脂複合成形品１０（以下、「試験片１０」という。）を作製した。
図４に示すように、試験片１０は、中央に内孔を有する円環状の金属部材１１と、金属部材１１の内孔に配置される樹脂成形品１２とからなる。金属部材１１は、外径がφ５０ｍｍ、内孔の径がφ２０ｍｍ、厚さが１ｍｍである。樹脂成形品１２は、外径がφ３０ｍｍであり、厚さが３ｍｍである。

金属部材１１、樹脂成形品１２として以下の材料を使用した。
・金属部材：アルミニウムＡ５０５２，銅Ｃ１１００
・熱可塑性樹脂：
ポリフェニレンサルファイド（ＰＰＳ）（ジュラファイド（登録商標）１１４０Ａ６（ポリプラスチックス社製））
ポリブチレンテレフタレート（ＰＢＴ）（ジュラネックス（登録商標）９３０ＭＡ（ポリプラスチックス社製））
ポリフェニレンサルファイド（ＰＰＳ）（ジュラファイド（登録商標）６１５０Ｔ７３（ポリプラスチックス社製））

樹脂成形品１２と接合する前に、レーザ加工機（アマダウエルドテック製ＭＬ－７３５０ＤＬ）により、金属部材１１の表面のφ２０ｍｍからφ２６ｍｍの範囲（樹脂成形品１２との接合面）に対して同心円状にレーザ処理を行った。
後記する表１に、実施例１～６のレーザ照射条件を示す。後記する表２及び表３に、比較例１～１１のレーザ照射条件を示す。表には記載されていないが、すべての実施例、比較例について、レーザの照射ピッチを１０μｍとし、照射径を５８μｍとした。ピッチは、レーザを走査する同心円同士の間隔である。ピッチが照射径よりも小さいため、接合面の全面にレーザが照射されたことになる。

すべての実施例、比較例について、金属部材１１の表面をＳＥＭ（走査型電子顕微鏡）で観察したところ、全面に球状のクラスタが形成されていることが確認された。さらに、キーエンス社製レーザ顕微鏡ＶＫ－Ｘ３０００を用いて金属部材１１の表面に形成された球状のクラスタの頂点のＳｐｃを測定した（表１～表３を参照）。
比較例１，７，８では、レーザ出力が比較的低く、周波数が高いため、金属部材１１の表面に付与される１パルス当たりのエネルギー量が小さくなり、Ｓｐｃが低いことがわかる。

金属部材１１に対してレーザ処理を行った後、以下の条件で金属部材１１をインサート部材とするインサート成形により接合することで、図４に示す試験片１０を成形した。
・射出成形機：ソディック社製ＴＲ１００ＥＨ
・シリンダー温度：３２０℃（１１４０Ａ６、６１５０Ｔ７３の場合）、２６０℃（９３０ＭＡの場合）
・金型温度：１５０℃
・射出速度：１５ｍｍ／ｓ
・保圧力：５０ＭＰａ

次いで、実施例及び比較例として成形された試験片１０に対して気密性試験を行った。気密性試験（ヘリウムリーク試験、真空法）の試験装置の構成を図５に示す。
図５に示すように、外部から密閉されたチャンバー３内に、治具２と試験片１０を配置する。治具２は有底直方体状をなしており、上部に試験片１０を配置することで治具２内がチャンバー３内の残りの部位から密閉される。弁６を開状態にして治具２内を真空ポンプ５によって真空状態にし、次いで、弁６を閉状態にしてヘリウムボンベ４によりチャンバー３をヘリウムガスで満たす。チャンバー３内において試験片１０の接合部分から漏れたヘリウムガスは、ヘリウム検出器７によって検出される。制御装置８は、ヘリウムガスの検出結果を表示する。
なお、ヘリウム検出器７として株式会社コスモ計器製のヘリウムリークテスターＧ－ＦＩＮＥ及びインフィコン株式会社製Ｌ３００ｉを使用した。

チャンバー３内のヘリウムの圧力を４００ｋＰａとし、治具２内の真空圧を１００ｋＰａとした。試験片１０の金属部材１１と樹脂成形品１２の接合部分の気密性が低い場合には、チャンバー３内のヘリウムガスが治具２内に流入し、ヘリウム検出器７によって検出される。この試験では、ヘリウム検出器７で検出されるヘリウムの圧力（検出圧力）が１．０×１０^－７（＝１．０Ｅ－７）Ｐａ・ｍ^３／ｓ以上の場合は気密性ＮＧと判断し、１．０×１０^－７（＝１．０Ｅ－７）Ｐａ・ｍ^３／ｓ未満の場合は気密性ＯＫと判断した。
試験片に対する気密性試験の検出圧力について、表１に実施例１～６の結果、表２及び表３に比較例１～１１の結果を示す。

図６は、実施例１～６及び比較例１～１１について、気密性試験の検出圧力と、金属部材１１の表面に形成された球状のクラスタの頂点のＳｐｃとの関係をプロットしたものである。
図６から、クラスタの頂点のＳｐｃが２５００～５０００（１／ｍｍ）である場合に、金属部材と樹脂との接合部分の気密性が高い（つまり、検出圧力が低い）ことが確認された。クラスタの頂点のＳｐｃが３０００～５０００（１／ｍｍ）である場合には、気密性試験の検出圧力がさらに低いことから好ましい。クラスタの頂点のＳｐｃが３５００～５０００（１／ｍｍ）である場合には、気密性試験の検出圧力がより一層低いことからさらに好ましい。

以上、本発明の実施形態について詳細に説明したが、本発明は上記の実施形態に限定されない。また、上記の実施形態は、本発明の主旨を逸脱しない範囲において、種々の改良や変更が可能である。

本発明は、２０２２年１１月８日に日本国特許庁に出願された特願２０２２－１７８５１２の特許出願に関連しており、この出願のすべての内容が本願の明細書に参照によって組み込まれる。

Claims

金属部材と熱可塑性樹脂が接合された金属樹脂複合成形品であって、
金属部材の一面のうち熱可塑性樹脂と接合されている表面部分の頂点の算術平均曲率が３７０１～５０００（１／ｍｍ）である、
金属樹脂複合成形品。
前記表面部分には、実質的に球状のクラスタが形成されており、クラスタの頂点の算術平均曲率が３７０１～５０００（１／ｍｍ）である、
請求項１に記載された金属樹脂複合成形品。
金属部材の加工方法であって、
金属部材の表面に対して高エネルギービームを照射することで、前記表面の頂点の算術平均曲率を３７０１～５０００（１／ｍｍ）とする、
金属部材の加工方法。
金属部材の加工方法であって、
金属部材の表面に対して高エネルギービームを照射することで、前記表面に実質的に球状のクラスタであって、頂点の算術平均曲率が３７０１～５０００（１／ｍｍ）であるクラスタを形成する、
金属部材の加工方法。
金属部材と熱可塑性樹脂が接合された金属樹脂複合成形品の製造方法であって、
金属部材の表面に対して高エネルギービームを照射することで、前記表面の頂点の算術平均曲率を３７０１～５０００（１／ｍｍ）とした金属部材を金型内に挿入し、熱可塑性樹脂を射出成形することにより、金属部材の前記表面に熱可塑性樹脂を接合させる、
金属樹脂複合成形品の製造方法。
金属部材と熱可塑性樹脂が接合された金属樹脂複合成形品の製造方法であって、
金属部材の表面に対して高エネルギービームを照射することで、前記表面に実質的に球状のクラスタであって、頂点の算術平均曲率が３７０１～５０００（１／ｍｍ）であるクラスタを形成し、前記表面に実質的に球状のクラスタが形成された金属部材を金型内に挿入し、熱可塑性樹脂を射出成形することにより、金属部材の前記表面に熱可塑性樹脂を接合させる、
金属樹脂複合成形品の製造方法。