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技術 金属部品と樹脂の接合方法及び金属部品と樹脂の一体成形品

出願人 株式会社大貫工業所
発明者 五十嵐信弥林田勉隠岐裕康大貫啓人御田護
出願日 2015年10月8日 (4年1ヶ月経過) 出願番号 2015-200606
公開日 2017年4月13日 (2年7ヶ月経過) 公開番号 2017-071165
状態 未登録
技術分野 プラスチック等のライニング、接合 電気メッキ方法,物品
主要キーワード プレス溝 ミクロ凹凸 一体化製品 傾斜穴 化学的結合性 微細樹脂 オーバーハング量 ウッド浴
関連する未来課題
重要な関連分野

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図面 (20)

課題

ヒートショックを受けても金属部品樹脂との接合強度劣化しにくく、また、アンカー効果による金属部品と樹脂との接合を比較的に容易に行うことが可能な金属部品と樹脂の接合方法及び金属部品と樹脂の一体成形品を提供する。

解決手段

本発明に係る金属部品と樹脂の接合方法は、金属部品と樹脂とを一体化する金属部品と樹脂の接合方法であって、前記金属部品の表面に凹部を形成し、前記凹部を含む前記金属部品の表面に微細孔を有する多孔質めっき膜を形成し、前記凹部および前記多孔質めっき膜の前記微細孔に前記樹脂を流し込み、前記金属部品と前記樹脂とを接合することを特徴とする。

概要

背景

金属部品樹脂一体成形品は、例えば、金属部品の表面に溶融樹脂射出することにより製造される。金属部品と樹脂の接合を強固なものとするために、溶融樹脂の射出に先立ち、金属部品の表面に微細凹凸を形成する方法が提案されている。特許文献1では、微細な凹凸を形成した金型を用いてプレス加工により金属表面にミクロンベルの凹凸を形成している。特許文献2では、化学処理ケミカルエッチング)により金属表面にナノレベル微細孔を形成している。特許文献3では、金属表面をレーザスキャニング加工して多数の突起(凹凸部)を形成している。これらの方法により形成された微細な凹部に溶融樹脂を充填することで、アンカー効果(投鋲効果)により金属・樹脂界面の密着性を高めることができる。

特許文献4には、アンカー効果による金属と樹脂の接合強度バラツキが少なく所望の接合強度とするために、金属基材表面軸線が金属基材表面の垂線に対して所定の角度傾斜している複数の傾斜穴を形成し、傾斜孔樹脂組成物を充填する方法が提案されている。

概要

ヒートショックを受けても金属部品と樹脂との接合強度が劣化しにくく、また、アンカー効果による金属部品と樹脂との接合を比較的に容易に行うことが可能な金属部品と樹脂の接合方法及び金属部品と樹脂の一体成形品を提供する。 本発明に係る金属部品と樹脂の接合方法は、金属部品と樹脂とを一体化する金属部品と樹脂の接合方法であって、前記金属部品の表面に凹部を形成し、前記凹部を含む前記金属部品の表面に微細孔を有する多孔質めっき膜を形成し、前記凹部および前記多孔質めっき膜の前記微細孔に前記樹脂を流し込み、前記金属部品と前記樹脂とを接合することを特徴とする。

目的

本発明の目的は、ヒートショックを受けても金属部品と樹脂との接合強度が劣化しにくく、また、アンカー効果による金属部品と樹脂との接合を比較的に容易に行うことが可能な金属部品と樹脂の接合方法及び金属部品と樹脂の一体成形品を提供する

効果

実績

技術文献被引用数
0件
牽制数
0件

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請求項1

金属部品樹脂とを一体化する金属部品と樹脂の接合方法であって、前記金属部品の表面に凹部を形成し、前記凹部を含む前記金属部品の表面に微細孔を有する多孔質めっき膜を形成し、前記凹部および前記多孔質めっき膜の前記微細孔に前記樹脂を流し込み、前記金属部品と前記樹脂とを接合することを特徴とする金属部品と樹脂の接合方法。

請求項2

請求項1に記載の金属部品と樹脂の接合方法において、前記凹部を含む前記金属部品の表面に下地膜を形成し、前記下地膜が形成された前記金属部品の表面に前記多孔質めっき膜を形成することを特徴とする金属部品と樹脂の接合方法。

請求項3

請求項1または2に記載の金属部品と樹脂の接合方法において、前記多孔質めっき膜は、前記多孔質めっき膜の底部に複数の前記微細孔を連通する連通孔を有することを特徴とする金属部品と樹脂の接合方法。

請求項4

請求項1ないし3のいずれか一項に記載の金属部品と樹脂の接合方法において、前記凹部を、切削加工塑性加工またはレーザ光照射によって形成することを特徴とする金属部品と樹脂の接合方法。

請求項5

請求項4に記載の金属部品と樹脂の接合方法において、前記塑性加工がプレス加工であることを特徴とする金属部品と樹脂の接合方法。

請求項6

請求項5に記載の金属部品と樹脂の接合方法において、前記金属部品の表面に、前記凹部として、プレス加工により前記金属部品の表面に対する垂線に対して傾斜したプレス溝を形成し、前記プレス加工を前記プレス溝のオーバーハング部を押し込むように行うことを特徴とする金属部品と樹脂の接合方法。

請求項7

金属部品と樹脂の一体成形品であって、前記金属部品の表面に形成された凹部と、前記凹部を含む前記金属部品の表面に形成された微細孔を有する多孔質めっき膜と、前記多孔質めっき膜の表面に形成された前記樹脂と、を有し、前記樹脂が、前記凹部と、前記多孔質めっき膜の前記微細孔に充填されて接合されていることを特徴とする金属部品と樹脂の一体成形品。

請求項8

請求項7に記載の金属部品と樹脂の一体成形品において、前記樹脂が、前記凹部および前記微細孔によるアンカー効果によって前記金属部品に接合されていることを特徴とする金属部品と樹脂の一体成形品。

請求項9

請求項7または8に記載の金属部品と樹脂の一体成形品において、前記凹部が、断面が楔形状の溝であることを特徴とする金属部品と樹脂の一体成形品。

請求項10

請求項7ないし9のいずれか一項に記載の金属部品と樹脂の一体成形品において、さらに、前記金属部品と前記多孔質めっき膜との間に下地膜を有することを特徴とする金属部品と樹脂の一体成形品。

請求項11

金属部品と樹脂とを一体化する金属部品と樹脂の接合方法であって、前記金属部品の表面に微細孔を有する多孔質めっき膜を形成し、前記樹脂として前記微細孔の孔径以下のフィラーを充填した樹脂を用い、該樹脂を前記多孔質めっき膜上に流し込み、前記金属部品と前記樹脂とを接合することを特徴とする金属部品と樹脂の接合方法。

技術分野

0001

本発明は、金属部品樹脂接合方法及び金属部品と樹脂の一体成形品に関する。

背景技術

0002

金属部品と樹脂の一体成形品は、例えば、金属部品の表面に溶融樹脂射出することにより製造される。金属部品と樹脂の接合を強固なものとするために、溶融樹脂の射出に先立ち、金属部品の表面に微細凹凸を形成する方法が提案されている。特許文献1では、微細な凹凸を形成した金型を用いてプレス加工により金属表面にミクロンベルの凹凸を形成している。特許文献2では、化学処理ケミカルエッチング)により金属表面にナノレベル微細孔を形成している。特許文献3では、金属表面をレーザスキャニング加工して多数の突起(凹凸部)を形成している。これらの方法により形成された微細な凹部に溶融樹脂を充填することで、アンカー効果(投鋲効果)により金属・樹脂界面の密着性を高めることができる。

0003

特許文献4には、アンカー効果による金属と樹脂の接合強度バラツキが少なく所望の接合強度とするために、金属基材表面軸線が金属基材表面の垂線に対して所定の角度傾斜している複数の傾斜穴を形成し、傾斜孔樹脂組成物を充填する方法が提案されている。

先行技術

0004

特開2012‐64880号公報
特許第4903881号公報
特許第4020957号公報
特開2009‐51131号公報

発明が解決しようとする課題

0005

特許文献1は、プレスにより金属表面を粗化し、樹脂との接触面積の拡大、接触角ランダム化などにより、金属と樹脂の食いつきを高めて接合するものであるが、特許文献2や特許文献3のようなアンカー効果による機械的接合ではないため、引きはがし方向への接合力が課題となる。さらに、プレス金型にミクロンレベルの微細な凹凸を形成させる必要があり、金型製作の複雑化や複製困難、金型の劣化とその見極めが課題となる。

0006

特許文献2および3に記載のように、ミクロンレベルの微細な凹凸やナノレベルの微細孔を金属表面に形成し、アンカー効果を持たせた場合、初期接着強度は高いものが得られるが、これらの微細な凹凸や微細孔によるアンカー効果は、金属部品と樹脂の一体成型品ヒートサイクルなどの熱的、機械繰返し応力を受けた場合、微細樹脂部の破断や、樹脂クリープによる微細アンカー部の機能喪失などにより劣化することが想定される。例えば、金属と樹脂は、線膨張率が異なるので、両者の界面では、温度変化により大きな熱応力が発生する。一般に樹脂は、金属より線膨張率が大きいために、温度変化を伴う環境下では、金属との間の線膨張率の差に起因する熱応力が大きくなる。このために、ヒートショックによって金属部品表面と樹脂間の界面剥離が生じる可能性がある。

0007

また、インサート成形の際に、溶融樹脂が微細な凹凸や微細孔に十分に流れ込まない場合、接合力の低下や劣化が想定される。そこで、微細な凹凸や微細孔に樹脂を流れ込み易くするために、インサート成型時の溶融樹脂温度高温化や射出圧力の増加など、特殊な成型条件が要求される。これにより、製造コストの増加、装置機能の追加、樹脂バリの発生や形状精度の劣化などが課題と成り得る。

0008

さらに、特許文献2では、金属表面に対して、化学的ウエット工程(エッチング工程)及びその前処理工程が必要であり、コスト、リードタイム環境負荷などが課題となる。また、エッチング処理後樹脂成型までの保管期間にも制約があることなどの課題を有する。

0009

特許文献4では、開口径が0.05〜1mm、深さ0.5〜5mm程度の傾斜孔を形成している。特許文献4では、ヒートサイクルを受けた場合、樹脂と金属との間には線膨張率の差に起因する熱応力が発生するが、特許文献1〜3に記載の微細な凹凸や微細孔と異なり、金属部品表面の傾斜孔と傾斜孔に充填される樹脂によるアンカー効果は劣化しにくいと考えられる。

0010

しかしながら、特許文献4では孔によりアンカー効果を得るようにしているため、金属と樹脂の所望の接合強度を得るには多数の傾斜孔を形成する必要がある。特許文献4では、安定した接合を得るために、傾斜方向が異なる傾斜孔を多数形成しており、例えば、それぞれ傾斜方向が異なる傾斜孔を金属部品表面に環状に形成している。このような傾斜方向が異なる多数の傾斜孔を容易に形成することは難しい。また、傾斜孔は閉塞孔なので、樹脂を確実に充填するのは困難である。閉塞孔内に空気層が残ることにより、温度変化による剥離の発生も懸念される。

0011

本発明の目的は、ヒートショックを受けても金属部品と樹脂との接合強度が劣化しにくく、また、アンカー効果による金属部品と樹脂との接合を比較的に容易に行うことが可能な金属部品と樹脂の接合方法及び金属部品と樹脂の一体成形品を提供することにある。

課題を解決するための手段

0012

本発明に係る金属部品と樹脂の接合方法は、金属部品と樹脂とを一体化する金属部品と樹脂の接合方法であって、金属部品の表面に凹部を形成し、凹部を含む金属部品の表面に微細孔を有する多孔質めっき膜を形成し、凹部および多孔質めっき膜の微細孔に樹脂を流し込み、金属部品と樹脂とを接合することを特徴とする。

0013

また、本発明に係る金属部品と樹脂の一体成形品は、金属部品と樹脂の一体成形品であって、金属部品の表面に形成された凹部と、凹部を含む金属部品の表面に形成された微細孔を有する多孔質めっき膜と、多孔質めっき膜の表面に形成された樹脂と、を有し、樹脂が、凹部と、多孔質めっき膜の微細孔に充填されて接合されていることを特徴とする。

発明の効果

0014

本発明によれば、ヒートショックを受けても金属部品と樹脂との接合強度が劣化しにくく、また、アンカー効果による金属部品と樹脂との接合を比較的に容易に行うことが可能になる。上記した以外の課題、構成及び効果は、以下の実施形態の説明により明らかにされる。

図面の簡単な説明

0015

本発明に係る金属部品と樹脂の接合方法の一例を示すフロー図である。
図1のX部分の拡大図である。
図1のY部分の拡大図である。
多孔質めっき膜の表面の写真である。
金属部品、下地膜および多孔質めっき膜の断面写真である。
図5部分拡大図である。
図5の部分拡大図である。
図5の部分拡大図である。
図5の部分拡大図である。
図5の部分拡大図である。
図5の部分拡大図である。
多孔質めっき膜における微細孔同士の連通を説明するための概念図である。
本発明に係る金属部品と樹脂の接合方法によって形成する凹部の形状例を模式的に示す断面図である。
矩形状の凹部に多孔質めっき膜を形成した場合の断面(多孔質膜形成後)を模式的に示す図である。
矩形状の凹部に多孔質めっき膜を形成した場合の断面(樹脂形成後)を模式的に示す図である。
本発明に係る金属部品と樹脂の接合方法の他の一例を示すフロー図である。
金属部品と樹脂の一体成形品の一例を模式的に示す斜視図である。
金属部品と樹脂の一体成形品の他の一例を模式的に示す斜視図である。
金属部品1に形成された凹部の一部分の第一の例を模式的に示す斜視図である。
金属部品に形成された凹部の一部分の第二の例を模式的に示す斜視図である。
金属部品に形成された凹部の一部分の第三の例を模式的に示す斜視図である。
金属部品の一部に溝を形成した態様の一例を模式的に示す斜視図である。
図21Aの金属部品に樹脂を形成した態様を模式的に示す斜視図である。

実施例

0016

以下、図面を参照しながら本発明の実施例を説明する。

0017

[金属部品と樹脂の接合方法]
まず、本発明に係る金属部品と樹脂の接合方法について説明する。図1は、本発明に係る金属部品と樹脂の接合方法の一例を示すフロー図である。図1では、金属部品1、多孔質めっき膜3および樹脂4の断面を示している。図1に示すように、本発明に係る金属部品と樹脂の接合方法は、金属部品1の表面に凹部2を形成し(工程(a))、凹部2を含む金属部品1の表面に微細孔(後述する図2〜11Aにおいて詳述する。)を有する多孔質めっき膜3を形成し(工程(b))、凹部2および多孔質めっき膜3の微細孔に樹脂4を流し込み、金属部品1と樹脂4とを接合して金属部品と樹脂の一体成形品5を作製する(工程(c))。

0018

図2図1のX部分の拡大図であり、図3図1のY部分の拡大図である。図2および3に示すように、多孔質めっき膜3は、多孔質めっき膜3の膜厚方向伸びる多数の微細孔8を有しており、この微細孔8に樹脂4が流し込まれる。すなわち、本発明に係る金属部品と樹脂の接合方法では、凹部2によって形成された金属部品1の表面の比較的マクロ凹凸構造(深さ:数十μm〜数mm、以下「マクロ凹凸構造」と称する。)と、多孔質めっき膜3が有する微細孔8によって形成された比較的ミクロな凹凸構造(孔径:1〜10μm程度、深さ:孔径の3〜5倍程度、以下「ミクロ凹凸構造」と称する。)の2種類の凹凸構造を形成し、この2種類の凹凸構造によるアンカー効果によって金属部品と樹脂との高い密着性を実現している。マクロ凹凸構造は、主に引き剥がし方向に垂直な方向(図3に示すx方向)の剥離に対して抵抗力を発生し、ミクロ凹凸構造は、主に引き剥がし方向(図3に示すy方向)の剥離に対して抵抗力を発生する。また、微細孔は、一般にガラスフィラー(直径:数μm〜数十μm)を含むエンジニアリングプラスチックを樹脂として用いる場合、このフィラーが多孔質めっき膜3の微細孔に保持され、接合力を向上することが可能となる。

0019

本発明の「多孔質めっき膜」は、めっき処理によって作製される無数の微細孔を有する膜を意味するものとし、成膜後に化学エッチング等によって微細孔を作製した多孔質膜(ポーラス膜)とは異なるものである。

0020

通常のめっき処理では、微細孔が形成されないように行われるものである。本発明におけるめっき処理は、微細孔を有する多孔質めっき膜を形成するようにしている。このような多孔質めっき膜の形成は、例えば、特開2010‐121194号公報、特開2008‐50673号公報、特開2009‐74147号公報などに記載されている。

0021

多孔質めっき膜3の組織の一例について詳述する。図1の工程(a)および工程(b)を実施して金属部品に多孔質めっき膜を形成し、レーザ顕微鏡によって微細構造の観察を行った。図4は多孔質めっき膜の表面の写真である。また、図5は金属部品、下地膜および多孔質めっき膜の断面写真であり、図6〜11Aは図5の部分拡大図である。多孔質めっき膜3(多孔質ニッケルめっき膜)は、特開2010‐121194号公報などに記載の電気めっきによって作製した。めっき浴組成は、硫酸ニッケル(NiSO4・6H2O):200〜380g/L、塩化ニッケル(NiCl2・6H2O):30〜70g/L、ホウ酸:(H3BO3):30〜45g/Lおよび、ドデシルジメチルベンジルアンモニウムクロライド:0.03mol/Lとした。また、めっき条件は、pH:3.0〜4.8、浴温:40〜70℃および陰極電流密度:0.5〜10A/dm2とし、2μmのめっき厚となるように多孔質めっき膜3を作製した。なお、2μmのめっき厚となるようにめっき条件を調整しても、微細孔が多数形成されることから、後述の図7〜11Aから明らかなように厚さが5μm程度の多孔質めっき膜が形成される。また、断面観察は、試料を切断後、表面研磨して行った。なお、この表面研磨の際に研磨剤が微細な孔に入り込んでいる可能性があり、実際にはもっと多くの微細孔が形成されているものと推測される。また、図5〜11Aは金属部品と多孔質めっき膜との間に後述する素地膜(下地膜)を形成した場合の写真であるが、多孔質めっき膜の組織は下地層の有無によって変わるものではない。

0022

図7〜11Aに示すように、多孔質めっき膜3は、その膜厚方向に伸びる微細孔8を有し、微細孔8の中に樹脂4が充填されていることが確認できる(図10および図11A)。このように膜厚方向に伸びる微細孔は、多孔質めっき膜に特有のものである。金属表面に対して化学エッチングによって微細孔を作製しても、化学エッチングは本来的に微細孔の長さ(深さ)を大きくすると微細孔が消えて平面的になるので、多孔質めっき膜のような長い微細孔(例えば5μm以上の微細孔)は得られない。

0023

また、多孔質めっき膜3の底部(下地膜6との界面部分)において、複数の微細孔8が連通して形成された連通孔を有する箇所がある(図9図11A)。これを図11Bに示す概念図で説明する。図11Bにおける矢印は流し込む樹脂の流れる方向を示す。隣接する微細孔の一方が出口8Aとなり、他方が出口8Bとなる。多孔質めっき膜3の底部には連通孔8Cが形成される。連通孔8Cは多孔質めっき膜を形成する際に形成される。そして、例えば、射出シリンダー圧により射出された熱可塑性溶融樹脂の温度は通常200℃以上であり、多孔質めっき膜の表面に射出されると、界面ずり応力を受けながら多孔質めっき膜表面に入り込む。このずり応力は、多孔質めっき膜表面で部分的に異なるので、ずり応力の小さな界面は早く溶融樹脂が流動し、ずり応力が大きな界面では溶融樹脂の侵入遅れる。この時間的な遅れによって溶融樹脂の出口8B、入口8Aが生じる。入口8Aから流入する溶融樹脂により押し出された微細孔内の空気は連通孔8Cを介して出口8Bから空気が抜けるようになる。これによって満遍なく溶融樹脂が微細孔8に入り込むことができる。このように、本発明に係る多孔質めっき膜3は、樹脂4を微細孔8に流し込む(圧入する)際に、この連通孔8Cから空気が抜けることによって樹脂が微細孔の奥(下地膜6側)まで浸透し、金属部品(下地膜)と樹脂との接合強度が向上するという効果を得ることができる。このような連通孔8Cも多孔質めっき膜に特有のものであり、化学エッチングによって形成した多孔質膜には形成されないものである。

0024

以下に、図1の工程(a)〜(c)について詳述する。まず始めに、工程(a)では金属部品1の表面に凹部2を形成する。金属部品1の材質としては、特に限定は無く、金属部品と樹脂の一体成形品の用途に応じて選択することができるが、例えば銅(Cu)、鉄(Fe)およびアルミニウム(Al)等を用いることができる。図12は本発明に係る金属部品と樹脂の接合方法によって形成する凹部の形状例を模式的に示す断面図である。図12に示すように、凹部の断面形状に特に限定は無く、図1に示す楔形状(2a)の他にも、単純な矩形状(2b)、金属部品1の中心部に向かって幅が狭くなるすり状(2c)または半球状(クレーター状)(2d)など、種々の形状を適用することができる。図13および図14は矩形状の凹部に多孔質めっき膜を形成した場合の断面を模式的に示す図である。図13および14に示すように、凹部が矩形状であっても、微細孔8が引き剥がし方向(図14のy方向)の剥離に対して抵抗力を発生し、図2および図3に示す楔形状の場合と同様に、金属部品と樹脂との高い密着性を実現することができる。

0025

また、凹部2は、後述する図16〜21Bに示すように、金属部品の長さ方向または幅方向に伸びる溝であってもよい。溝の形成態様としては、金属部品の表面に複数の平行な溝が形成されていてもよいし、溝同士が直交するように形成されていてもよい。さらに、多数の溝が不規則な方向に伸びているように形成されていてもよい。溝の配置が複雑であるほど多方向に抵抗力を生じ、金属部品と樹脂との高い密着性を実現することができる。

0026

凹部2の形成方法は、特に限定は無く、切削加工塑性加工(プレス加工など)またはレーザ光照射による表面粗化などによって形成することができる。この中でも、特にプレス加工が好ましい。プレス加工の場合、プレス機の金型の上下運動を用いることによって凹部を形成することができる。順送金型では、順送工程の一工程として組み込むことが可能であり、コスト削減に寄与することができる。さらに、プレス加工で楔形状の溝を形成する場合、図1に示すようにオーバーハング量Oのオーバーハング部7が形成される。このオーバーハング部7により大きなアンカー効果が得られる。さらに、金属部品表面に形成されたプレス溝のオーバーハング部7を、上方から下方へ押し込むようにプレス加工を行うことが好ましい。このようにプレス加工を行うことによって、プレス溝に袋状の空間が形成され、より高いアンカー効果を得ることができる。

0027

凹部2の深さとしては、特に限定は無いが、金属部品の片面に形成する場合、金属部品の厚さの10〜50%であることが好ましい。例えば、金属部品1してコネクタ端子(厚さ0.2mm)を用いてプレス溝を形成する場合のサイズの一例を挙げると、凹部2の深さ:30μm、幅:30μm、長さ:0.5〜5mmとなる。

0028

工程(b)における多孔質めっき膜3の作製方法としては、特に限定は無いが、電気めっきが好適である。多孔質膜の組成は、ニッケル(Ni)が好ましく、他には金属部品1がCuである場合にはCu系合金が好ましく、Feである場合にはFe系合金が好ましく、Alである場合にはAl系合金が好ましい。電気めっきのめっき浴の組成は、多孔質膜を構成する金属を含む化合物を用い、適宜添加剤を使用する。めっき浴の種類は公知のものを用いることができる。Niめっき浴としては、例えば、ワット浴スルファミン酸浴クエン酸浴、ウッド浴などが挙げられ、Cuめっき浴としては、例えばピロリン酸銅浴などが挙げられる。めっき条件としては、多孔質膜を形成する際の一般的な条件を用いることができる。めっき浴およびめっき条件の一例は、上述したとおりである。多孔質めっき膜3の膜厚は、微細孔の孔径をどの程度にするかに依存する。すなわち、微細孔の深さは、樹脂の微細孔への入り込みを考慮すると、樹脂の粘性にもよるが、微細孔の孔径の5倍以下が望ましい。それよりも深いと樹脂が十分に入り込まなくなる可能性があるからである。また、微細孔の最も深い孔の深さは多孔質めっき膜の厚さと同程度である。これらのことから、多孔質めっき膜の厚さは微細孔の孔径に依存して設定される。一方、微細孔の孔径は、めっき条件や多孔質めっき膜3の膜厚によって変えられる。

0029

工程(c)における樹脂4の充填方法としては、特に限定は無いが、溶融樹脂の射出成形が好ましい。樹脂の流し込みは、通常の射出成形と同様に、金型に凹部2および多孔質めっき膜3を形成した金属部品1をインサートして金型に樹脂を射出して行うことができる。樹脂4としては、通常の射出成形に適用可能な熱可塑性樹脂熱硬化性樹脂または熱可塑性エラストマーなどを用いることができる。より詳細には、一般の射出成形で用いられる汎用プラスチック、エンジニアリングプラスチック、スーパーエンジニアリングプラスチック類、これらを混合したポリマーアロイ類や、フィラーとしてガラス繊維などの無機繊維アラミド繊維などの有機繊維炭素繊維金属繊維類、あるいはシリカタルクなどの無機物などを含んだ物も用いることができる。熱可塑性樹脂としてはポリフェニレンサルファイド樹脂PPS樹脂)などが好ましい。

0030

図15は本発明に係る金属部品と樹脂の接合方法の一例を示すフロー図である。図15では、多孔質めっき膜を形成する工程(b2)の前に、下地膜6(素地膜)(b1)を形成する工程を有している点が図1に示す方法と異なる点である。多孔質めっき膜を、直接、金属部品の表面にめっき処理した場合、金属部品が腐食環境に置かれると、多孔質めっき膜は金属部品の表面を保護し得ないので、金属部品の表面に下地膜を形成するのが望ましい。このため、本実施例では、下地膜は微細孔を有しないめっき膜としている。すなわち、通常の電気めっき処理で形成しためっき膜を金属正面に下地膜として形成する。また、このように、凹部2と多孔質めっき膜3との間に下地膜6を設けることで、金属部品1と多孔質めっき膜3との密着性が向上し、金属部品と樹脂の一体成形品5´の耐食性を向上することができる。下地膜としては、特に限定は無いが、多孔質めっき膜と同様に、金属部品1の組成に合わせてCu系合金、Fe系合金またはAl系合金を用いてもよく、Niを用いることも好ましい。下地膜6の膜厚は、1〜6μmが好ましい。

0031

上述の実施例では、マクロ凹凸構造とミクロ凹凸構造によるアンカー効果により金属部品と樹脂とを一体化させている。以下に、樹脂に充填されるフィラーとマクロ凹凸構造やミクロ凹凸構造との関係に注目して金属部品と樹脂の接続性の向上について説明する。

0032

金属部品と樹脂の一体成形においては、特に金属と樹脂の密着性が重要とされるが、実際には多くの射出成形用の熱可塑性樹脂は、金属との化学的結合性を有しない。エポキシ樹脂などの熱硬化型の樹脂では、未硬化のエポキシ樹脂官能基と金属を射出成形時に化学結合させ、射出成形後に加熱し硬化させて、金属と樹脂の接着と樹脂の機械的強度の向上を両立させる手法が用いられる。しかしながら、熱可塑性樹脂は、基本的に化学的官能基を持たず、温度を上げることで溶融し、温度を下げることで固化する樹脂である。このため、熱可塑性樹脂ではその過程で何ら化学的な金属と溶融樹脂の結合は得られない。したがって、アンカー効果と称するメカニカルロッキングにより、金属と樹脂界面の密着を上げる以外に方法が無いのが実状である。このメカニカルロッキングを最大限生かすには、金属と樹脂界面の構造制御が最も重要であることを発明者らは見出した。金属と熱可塑性樹脂を一体成形するインサート成形においては、熱可塑性樹脂に数種類のフィラーが充填される。温度サイクルにおける熱応力を小さくするために、熱可塑性樹脂の線膨張率を金属の線膨張率に近づける、線膨張率制御用フィラーにはガラス繊維が多用されている。ガラス繊維は、繊維の配列方向の線膨張率を下げる作用を有する。一方、方向性なく樹脂の線膨張率を金属と整合させるフィラーとしては石英粉末がある。ガラス繊維フィラーは、通常太さが5〜10μmのものが用いられている。通常はガラス繊維の太さの10倍程度の長さである。しかし、ガラス繊維フィラーのみでは、線膨張率の方向性があるために、粉末状のフィラーも一緒に熱可塑性樹脂に充填される。粉末状フィラーの場合、例えば石英フィラーでは、1〜3μmの径(平均粒径)である。この粉末状フィラーは、金属の凹凸部にも入り込むことができるので、金属と熱可塑性樹脂界面の線膨張率も低下させることができる。この他、樹脂用フィラーには、電磁波吸収用フェライトフィラー熱伝導性付与用のAl2O3(アルミナ)、AlN(窒化アルミ)、BN(ボロンナイトライド)などのフィラー、導電性付与のカーボンフィラー抗菌用のゼオライトフィラー、しゅう動性付与の硫化モリブデンフィラーなど多くあるが、これらは1〜10μmの径(平均粒径)の粉末フィラーである。このため、金属と熱可塑性樹脂の界面にこれらの微粉末フィラーも入り込めることが好ましい。

0033

すなわち、凹部はガラス繊維などのフィラーが入り込むことが可能な寸法とし、また微細孔には、粉末フィラーが入り込める寸法に形成することが望ましい。このように凹部や微細孔を構成することにより、微細孔にも粉末フィラーが侵入することで、微細孔に侵入した熱可塑性樹脂の線膨張率も金属に近い値に維持しつつ、凹部はガラス繊維フィラーの侵入で、金属と整合した線膨張率とすることができる。溶融樹脂は一般に粘性が高く粉末フィラーを入れることで粘性が低下する。特に射出成形機の射出シリンダーの吐出圧は、フィラーを入れることでチクソトロピー性が生じ動的粘弾性が低下する。フィラー混合によって、チクソ指数が大きく上昇することで、動的粘弾性が低下して微細孔に溶融樹脂が流動しやすくなる。発明者らはこの点に着目し、微細孔の寸法形状を粉末フィラーの入りやすい寸法にすることが望ましいことを見出した。具体的には、微細孔の径は1〜10μmが好ましい。また微細孔の深さは、樹脂の入り込みを考慮すると微細孔の径の5倍以下の深さが好ましく、また微細孔は互いに連通していることが好ましい。連通させることで、溶融樹脂の入り口と出口が自然に生ずるので、より熱可塑性樹脂が微細孔に入り込みやすくなる。発明者らは図10などに示すように、微細孔を連通させることで、溶融樹脂が侵入しやすくなることを見出した。図11Aに溶融樹脂が入り込んだ拡大画像を示すように、隣接する微細孔は互いに連通しており、溶融樹脂の出入口を形成しているのがわかる。連通孔のモデル図11Bに示す。図の矢印は溶融樹脂の入口、出口を示している。射出シリンダー圧により射出された熱可塑性溶融樹脂の温度は通常200℃以上であり、金属部品の表面に射出されると、界面ずり応力を受けながら金属表面に入り込む。このずり応力は、金属表面で部分的に異なるので、ずり応力の小さな界面は早く溶融樹脂が流動し、ずり応力が大きな界面では溶融樹脂の侵入が遅れる。この時間的な遅れによって溶融樹脂の出口、入口が生じて満遍なく溶融樹脂が微細孔に入り込むことができる。また凹部においては、ガラス繊維フィラーも入り込める寸法とすることで、ガラス繊維フィラーが凹部に入り込むことができる。凹部の幅寸法はガラス繊維が侵入できる100μm程度が好ましい。

0034

特許文献2では金属表面に5〜500nm周期微細凹凸形成としているが、このように微細な凹凸では、粉末フィラーが侵入できないので、温度サイクルにおいて微細な凹凸に侵入した熱可塑性樹脂や接着剤の線膨張率は、金属より大きいので、特に低温側がマイナス20からマイナス65℃となる温度サイクル試験条件では、樹脂の収縮による剥離が生ずる。特許文献2が自動車部品などの金属樹脂一体化製品に使用ができない状況はこの理由によっている。

0035

上述したように、凹部や微細孔の大きさを樹脂に充填されるフィラーが侵入できる大きさとすることにより、ヒートショックに強い金属部品と樹脂の接合を実現することができる。この特徴は、微細孔について着目すれば、必ずしも金属部品に凹部を形成する必要がない。すなわち、表面が平面の金属部品に多孔質めっき膜を形成し、微細孔を樹脂に充填される粉末フィラーが侵入できる大きさに形成することにより、金属部品と樹脂の接続性を向上させることができる。例えば、所定のめっき条件で形成した多孔質めっき膜の微細孔の孔径をレーザ顕微鏡などで確認し、確認した微細孔の孔径よりも小さい平均粒径を有するフィラーを充填した樹脂を用いるようにする。例えば、微細孔径が1μm程度であれば平均粒径が1μmのフィラーを用いる。フィラーの粒度分布における1μmよりも小さいフィラーが微細孔に入り込み、微細孔内の樹脂と金属部品の線膨張率の差を小さくすることができる。

0036

[金属部品と樹脂の一体成形品]
次に、上述した本発明に係る金属部品と樹脂の接合方法を用いて作製した金属部品と樹脂の一体成形品について説明する。図16および図17は金属部品と樹脂の一体成形品の一例を模式的に示す斜視図である。図16および図17では図面の見やすさを考慮して多孔質めっき膜の図示を省略している。図16は金属部品1に凹部2として断面が楔形状の溝を形成した場合を示し、図17は金属部品1に凹部2として断面が矩形状の溝を作製した場合を示している。

0037

図18図20は金属部品1に形成された凹部2の一部分の例を模式的に示す斜視図である。図18に示すように、凹部2は、金属部品1の片面に形成されていてもよいし、図19に示すように両面に形成されていてもよい。また、図20に示すように、複数の楔形状の溝が直交するように形成されていてもよい。

0038

図21Aは金属部品の一部に溝を形成した態様の一例を模式的に示す斜視図であり、図21B図21Aの金属部品に樹脂を形成した態様を模式的に示す斜視図である。このように、金属部品の一部分にのみ凹部を形成し、この凹部上に樹脂4が位置するように形成してもよい。

0039

本発明は、種々の用途、形状を持った金属部品・樹脂一体成形品に適用可能であり、産業機器自動車航空機器、民生品家電品など種々の用途に使用される電気的あるいは機械的な機構部品に適用可能である。例えば、金属製の導電端子内装する樹脂製の電子回路保護ケース部材、部分的に金属による電磁シールド放熱板などを有する樹脂製カバーなどがあげられる。

0040

以上、上述したように、本発明によればヒートショックを受けても金属部品と樹脂との接合強度が劣化しにくく、また、アンカー効果による金属部品と樹脂との接合を比較的に容易に行うことが可能な金属部品と樹脂の接合方法及び金属部品と樹脂の一体成形品を提供することができることが示された。

0041

なお、本発明は上記した実施例に限定されるものではなく、様々な変形例が含まれる。例えば、上記した実施例は本発明を分かりやすく説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。また、ある実施例の構成の一部を他の実施例の構成に置き換えることが可能であり、また、ある実施例の構成に他の実施例の構成を加えることも可能である。また、各実施例の構成の一部について、他の構成の追加,削除,置換をすることが可能である。

0042

1…金属部品、2…凹部、3…多孔質めっき膜、4…樹脂、5…金属部品と樹脂の一体成形品、6…下地膜、7…オーバーハング部、8…微細孔。

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