金屬和樹脂的復合體及其制造方法技術

本發明專利技術涉及能夠將金屬和樹脂、尤其是將經形狀化的普通鋼材的基材和樹脂組合物牢固地一體化接合的金屬和樹脂的復合體及其制造方法。將經形狀化的普通鋼材的表面通過化學蝕刻等而制成被超微細凹凸形狀覆蓋幾乎整個面的鐵的自然氧化膜薄層，使其化學吸附有肼、氨或水溶性胺而得到的鋼鐵材形狀物（１），將該鋼鐵材形狀物（１）插入注射成型模具（１０），注射特定的樹脂組合物（４）。鋼鐵材形狀物（１）的表面可以是金屬氧化物或金屬磷氧化物的薄層。通過該注射普通鋼材和樹脂形成牢固地一體化的復合體（７）。使用的樹脂組合物（４）的主要樹脂成分為結晶性聚苯硫醚樹脂（ＰＰＳ）或聚對苯二甲酸丁二醇酯樹脂（ＰＢＴ）。

【技術實現步驟摘要】
【國外來華專利技術】
本專利技術涉及一般適用于移動機械、電氣設備、醫療設備、普通機械、其他制造領域的復合體及其制造技術。更詳細而言，涉及將通過各種機械加工而形狀化的鋼鐵材形狀物 和熱塑性樹脂組合物一體化而成的復合體及其制造方法。
技術介紹
將金屬和合成樹脂一體化的技術，是汽車、家庭電氣化產品、產業設備等的部件制 造業等廣闊產業領域所要求的，為此開發出大量粘合劑。其中提案有非常優良的粘合劑。例 如，常溫或通過加熱而發揮功能的粘合劑，被用于將金屬和合成樹脂一體化的接合，該接合 方法目前是通常的接合技術。 然而，一直以來也研究著不使用粘合劑的更合理的接合方法。對于鎂、鋁、作為其 合金的輕金屬類、或不銹鋼等鐵合金類，不介由粘合劑而將高強度的工程樹脂一體化的方 法，是其中一例。例如，由本專利技術人等提出了向預先插入到注射成型模具內的經表面處理的 金屬形狀物注射熔融樹脂而將樹脂部分成型，與此同時將該成型品和金屬形狀物固著(接 合)的方法(以下，稱為"注射接合")。 作為該接合技術，有例如對鋁合金注射聚對苯二甲酸丁二醇酯樹脂(以下稱為 "PBT")或聚苯硫醚樹脂(以下稱為"PPS")而使其接合的一體化技術(例如，參照專利文 獻1)。另外，還公開了在鋁材的陽極氧化皮膜上設置大的孔，使合成樹脂體插入該孔而使其 粘合的接合技術(例如，參照專利文獻2)。 專利文獻1的提案中的該注射接合的原理為如下所示。使鋁合金形狀物金浸漬于水溶性胺系化合物的稀水溶液中，通過水溶液的弱堿性而使鋁合金形狀物微細地蝕刻。另外，清楚了在該浸漬中，同時發生胺系化合物分子在鋁合金形狀物表面的吸附。將完成該處理的鋁合金形狀物插入到注射成型模具中，向其高壓注射已熔融的熱塑性樹脂。 此時，熱塑性樹脂與吸附于鋁合金形狀物表面的胺系化合物分子相遇，由此而發熱。雖然與該發熱幾乎同時地，該熱塑性樹脂與保持在低溫的模具溫度的鋁合金形狀物接觸而被急速冷卻，但是由于產生發熱現象，因此要結晶化并固化的樹脂，其固化延遲而維持熔融狀態，潛入到超微細的鋁合金形狀物面上的凹部。樹脂潛入凹部后固化。由此，鋁合金形狀物和熱塑性樹脂以該樹脂不會從鋁合金形狀物表面剝離的狀態牢固地接合(以下，也稱為固著)。g卩，由于發生發熱反應，而可以牢固地注射接合。實際上，確認了能與胺系化合物發生發熱反應的PBT、PPS等可以與該鋁合金注射接合。另外，還知道將預先進行了化學蝕刻的金屬部件插入到注射成型機的模具中，用熱塑性樹脂材料進行注射成型本身的技術(例如，參照專利文獻3)。其中雖然包含了形狀條件，但仍然是有關注射接合的技術之一。 專利文獻1 :日本特開2004-216425號 專利文獻2 :W02004-055248A1 專利文獻3 :日本特開2001-225352號
技術實現思路
由本專利技術人等提出的專利文獻1的技術原理雖然對鋁合金類顯示出明確的效果， 但對于向鋁合金以外的金屬、尤其是鋼鐵材的注射接合其效果尚不明確。因此，希望對于鋼 鐵材也開發出新的接合技術。本專利技術人等對向鋁合金進行硬質樹脂的注射接合進行了開發 改良，從中開發出新的技術。即，發現了無需胺系化合物向金屬部件表面的化學吸附，總之 不需得到格外的發熱反應、某些特異的化學反應的幫助，而可以進行注射接合的條件。 為此，必須要至少2個條件。1個條件為，使用硬的高結晶性樹脂，即雖然使用PPS、 PBT或芳香族聚酰胺，但僅此并不充分，必須配合注射接合而進一步將它們制成改良的組合 物后使用。另一條件是對金屬合金方面所要求的條件，即，金屬部件的表層為適當的粗糙度 形狀且表面為硬質。 對粗糙度形狀進行概述，是l 10ym周期的(微米級周期的)凹凸，且至少在其 凹部內壁面具有數十 數百nm周期的微細凹凸的二重凹凸型的粗糙度結構。而且形成該 粗糙度的表面形成金屬氧化物或金屬磷氧化物的薄層，即形成高硬度的陶瓷質地。 該薄層的厚度為十 數十nm即足夠，對于自然氧化層具有耐腐蝕性的金屬種類 而言，優選比自然氧化層厚。此外，對于像鎂合金、普通鋼材這樣的自然氧化層沒有足夠耐 腐蝕性的金屬種類而言，優選實施化成處理等，形成由與底料金屬不同金屬種類的氧化物、 磷氧化物等形成的表面層。總之，必要條件是將表層制成比金屬硬度高的陶瓷質地。 為了制成高硬度的陶瓷質地，例如在使用以銅合金為基材的形狀物時，如果浸漬 于酸性的過氧化氫水溶液中，則銅被氧化成銅離子，其結果是，如果浸漬條件合適，則基材 被化學蝕刻成數ym周期的凹凸的粗糙度。接著，將經化學蝕刻過的銅合金形狀物浸漬于 強堿性的亞氯酸鈉水溶液中，則雖然銅發生氧化但銅離子不能溶解，因此表面被氧化銅薄 層覆蓋。如果用電子顯微鏡觀察其表面，可知數十 數百nm直徑的凹部(開口部)被以數 百nm周期存在的微細凹凸面覆蓋。由于氧化銅薄層為陶瓷質地，因此經該處理后的銅合金 形狀物滿足上述條件。 然后，設想將該銅合金形狀物插入到注射成型模具中進行樹脂注射的情況，對注 射接合的狀況進行說明。將注射接合時的注射成型模具的溫度設定為120 14(TC左右。 插入在該注射成型模具內的銅合金形狀物保持比注射的樹脂的熔點(對于PBT而言溫度為 25(TC左右，對于PPS而言溫度30(TC左右)低IO(TC以上的溫度，因此，被注射的樹脂在進 入注射成型模具內的流路后被急速冷卻，在接近銅合金部件的時刻達到熔點以下的可能性 高。 并不是所有的結晶性樹脂在從熔融狀態被急速冷卻而達到熔點以下時，都是以零 時間而結晶化、固化的，雖是非常短的時間，但仍有熔點以下的熔融狀態、即過冷卻狀態的 時間。在合金形狀物上的粗糙度為微米級時，即，本專利技術中定義的凹部的內徑為1 10ym 左右時，在限于從過冷卻到產生最初結晶、即微結晶的時間內，有可能侵入到凹部內，凹部 深度如果為凹部直徑的一半左右，則在侵入凹部后，即使微結晶一齊產生而粘度急劇上升， 樹脂流也有可能到達其底部。換言之，在產生的高分子微結晶群的數字密度還小的情況下， 如果是內徑為數P m的大的凹部，則樹脂能夠充分侵入其凹部內。 進而換言之，在金屬合金上的微米級凹部的內壁上存在數十 數百nm直徑的微細凹凸。例如對于前述的純銅系銅合金而言，正確來說，與其說具有微細凹凸，不如說可以 觀察到散在有無數100nm直徑左右的孔狀凹部的獨特微細凹凸面。雖然侵入微米級凹部內 的樹脂流可能未到達至該約100nm直徑的微細開口部的底部，但可以認為能夠以在該微細 開口部的入口處突入頭的程度進入。此外，隨后進入凹部內部的樹脂以生長為微結晶的結 晶和掩埋結晶群的間隙的非晶性固體而全部固化。 總之，可以推定，在微米級的凹部中結晶化而固化的樹脂，形成為在存在于內壁面 的微細開口部稍深入根的形狀。形成該微細開口部的金屬表層為氧化銅、即陶瓷質地的硬 表層時，由于在凹部內形成的樹脂的牽拉而成為更牢固地被粘合的形態，成為不會容易地 剝落的構成。由于樹脂一方和金屬一方硬度均高，因此即使要將已固化的樹脂部強制性地 從金屬合金部剝離時，已固化的樹脂也難以從凹部拔出。即，注射接合力提高。 本專利技術中進行注射的樹脂組合物的改良也是重要因素。即，本專利技術中使用的樹脂 組合物是在注射成型而從熔融狀態急冷至熔點以下的溫度時，使結晶速度減慢了的樹脂組 合物。通過使用該樹脂組合物，產生更強的注射本文檔來自技高網...

【技術保護點】
一種金屬和樹脂的復合體，其特征在于，由鋼鐵材形狀物、以及通過注射成型與所述鋼鐵材形狀物粘合而一體化的高硬度結晶性樹脂組合物形成，其中，所述鋼鐵材形狀物具有由化學蝕刻所致的微米級粗糙度，并且其表面被高度和深度為５０～５００ｎｍ、寬為數百～數千ｎｍ的階梯連續的形狀的超微細凹凸形狀覆蓋幾乎整個面，并且其表面為鐵的自然氧化膜薄層且化學吸附有選自肼、氨和水溶性胺中的１種以上。

【技術特征摘要】
【國外來華專利技術】...

【專利技術屬性】
技術研發人員：成富正德，安藤直樹，
申請(專利權)人：大成普拉斯株式會社，
類型：發明
國別省市：JP[日本]