アルマイト化アルミニウム合金と樹脂の複合体とその製造方法
【課題】
金属製筐体の良さと合成樹脂構造の良さとを両立させ、外観が綺麗で生産性が高く、量産性があり、形状、構造の設計自由度が高いアルマイト化アルミニウム合金と樹脂の複合体とその製造方法を提供する。
【解決手段】
アルミニウム合金形状物を陽極酸化処理してアルマイト化した後、被接合部分の酸化物層皮膜を破壊し、酸性水溶液に接触させるエッチング工程、及びアンモニア、ヒドラジン、及び水溶性アミン化合物から選択される１種以上と接触させる工程を経てたアルマイト化アルミニウム合金形状物を射出成形金型に収容し、熱可塑性樹脂組成物を射出して、被接合部分に熱可塑性樹脂組成物を一体に接合する。
金属製筐体の良さと合成樹脂構造の良さとを両立させ、外観が綺麗で生産性が高く、量産性があり、形状、構造の設計自由度が高いアルマイト化アルミニウム合金と樹脂の複合体とその製造方法を提供する。
【解決手段】
アルミニウム合金形状物を陽極酸化処理してアルマイト化した後、被接合部分の酸化物層皮膜を破壊し、酸性水溶液に接触させるエッチング工程、及びアンモニア、ヒドラジン、及び水溶性アミン化合物から選択される１種以上と接触させる工程を経てたアルマイト化アルミニウム合金形状物を射出成形金型に収容し、熱可塑性樹脂組成物を射出して、被接合部分に熱可塑性樹脂組成物を一体に接合する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電子機器の筐体、家電機器の筐体、構造用部品、機械部品等に用いられ、加飾や耐食性を施すために陽極酸化処理したアルマイト化アルミニウム合金と高強度樹脂の複合体とその製造方法に関する。更に詳しくは、各種機械加工で作られたアルミニウム合金形状物と熱可塑性樹脂を一体化した構造物に関し、モバイル用の各種電子機器、家電製品、医療機器、車両用構造部品、車両搭載用品、建築資材の部品、その他の構造用部品や外装用部品等に用いられるアルマイト化アルミニウム合金と樹脂の複合体とその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
金属と樹脂を一体化する技術は、自動車、家庭電化製品、及び産業機器等の部品製造等の広い分野から求められており、このため多くの接着剤が開発されている。この中には非常に優れた接着剤がある。常温、又は加熱により機能を発揮する接着剤は、金属と合成樹脂を一体化する接合に使われ、この接合方法は現在では一般的な技術である。
【０００３】
しかしながら、接着剤を使用しない、より合理的な接合方法がないか従来から研究されてきた。マグネシウム、アルミニウムやその合金である軽金属類、ステンレスなど鉄合金類に対して、接着剤の介在なしに高強度のエンジニアリング樹脂を一体化する方法、例えば、金属側に樹脂成分を射出等の方法で接合する方法、略して「射出接合法」は、本発明者らの知る限りにおいて現在のところ実用化されていない。
即ち本発明者らは、例えば特開２００２−０７２６７号公報（特許文献１）において、「水溶性アミン系化合物の水溶液にアルミニウム合金形状物を浸漬した後、ポリブチレンテレフタレート樹脂（以下、「ＰＢＴ」という。）やポリフェニレンサルファイド樹脂（以下、「ＰＰＳ」という。）を主成分とする熱可塑性樹脂組成物と高温高圧下で接触させると特異的に強い力で接合する。」という技術を提案している。
【０００４】
アルミニウムは、本来の物性である優れた展伸性、電導性、及び熱伝導性を有することに加えて、合金化や表面処理により、高強度化、高耐食性化、快削性化、及び高展伸性化などを示し、広い分野で用いられている。
個人の情報化が進展し、モバイル電子機器が汎用的に用いられるようになってきている現状では、機器の軽量化と製造工程の簡素化の要望は留まることがない。この点で、アルミニウム合金と樹脂の射出接合法は、このような電子機器の分野において利用度が急速に高まりつつある。
【０００５】
このように、アルミニウム合金と樹脂の複合体は、電子機器の分野のみならず広い分野で利用が促進されると考えられるが、大部分のアルミニウム合金を使用する分野ではアルミニウム合金は着色アルマイト化して用いられている。アルマイトは、陽極酸化法によってアルミニウム合金形状物を更に処理したものであり、基本的にはアルミニウム合金表面に５μｍ〜３０μｍのアルミニウム酸化物層皮膜を形成させたものである。また、着色アルマイトは、陽極酸化した後に染色・封孔処理して着色を安定化する工程を付加したものであり、耐食性が大幅に向上するというだけでなく、非常に見栄えもよくなる。
【０００６】
実際、アルマイトは家電機器や電子機器の筐体として多用されている。また、アルマイト化を行う対象であるアルミニウム合金形状物は、展伸材メーカーが販売する板材、管材及び押し出し材を切断して作成するか、これらにプレス加工等の追加の機械加工工程を加えて製造するか、または鋳造用材料を購入して鋳造した後機械加工して製造するのが一般的である。そして、それらの加工を行う工場で得た加工品は、そのままアルマイト化工程にかけて表面処理し、加飾や耐食性を施す場合が多い。
【０００７】
要するに、アルミニウム合金加工業界とアルマイト処理業界は重なり合っていることが多く、アルミニウム合金形状物をアルマイト形状物として供給したいという場合が多々存在するということである。
しかしながら、上記した本発明者らによる当初の射出接合法では、アルマイト化アルミニウム合金に樹脂を接合することはできない。
【特許文献１】特開２００２−０７２６７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
前述した本発明者らの発明を発展させ、アルマイト形状物をスタート物質としてＰＢＴ系、及びＰＰＳ系樹脂組成物を射出接合できる方法を開発せんとした。
一つは、射出接合すべきアルマイト表面以外の箇所を丈夫な塗料で塗装する方法である。使用する塗料塗膜が強塩基に耐える物であればこのアルマイト塗装法が使用できる。例えば、塗装したアルマイト形状品を１０〜２０％濃度の苛性ソーダ水溶液に数分浸漬すると、非塗装部、即ち酸化物層皮膜がむき出しになっている箇所では酸化物層皮膜が強塩基で溶解して地肌のアルミニウム合金が現れることになる。そこで、この形状物を前記した本発明者らの発明に従って液処理すれば射出接合に対する活性は非塗装部のみに得られ、そこにＰＢＴ系樹脂組成物等を射出接合することができる。
【０００９】
ただし、得られた複合体のアルミニウム合金部は塗装アルマイト面で覆われることになる。塗装アルマイトが外観部になることは決して悪いことではないが、本発明者らが量産を想定して試作したところ、意外なトラブルが続出した。即ち、外観部には充分に塗装したつもりであったが、ピンホールが存在したのか綺麗であった染色アルマイトに数点の汚点が発生することが多かった。酸化物層皮膜を溶かす塩基性液がきついだけに、僅かな塗装ミスや塗膜の薄い箇所で外観不良につながったのである。特に、染色アルマイトの色合いを生かすために透明塗装や透光性着色塗装をした場合には、塗装の薄い箇所が分からない。それゆえ、ピンホールが皆無であることを確認する方法がなく、結構やっかいである。
【００１０】
本発明は、上述のような技術背景のもとになされたものであり、その目的は、電子機器や家電機器等において、金属製筐体の良さと合成樹脂構造の良さとを両立させ、外観が綺麗で生産性が高く、量産性があり、形状、構造の設計自由度が高いアルマイト化アルミニウム合金と樹脂の複合体とその製造方法を提供することにある。また、他の目的は、電子機器や家電機器のみに囚われず、各種部品、構造物における軽量高強度化に役立つアルマイト化アルミニウム合金と樹脂の複合体とその製造方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
上記の課題を解決すべく、第１の発明のアルマイト化アルミニウム合金と樹脂の複合体は、少なくとも、陽極酸化処理工程、被接合部分の酸化物層皮膜を機械的方法により破壊する工程、酸性水溶液に接触させるエッチング工程、並びにアンモニア、ヒドラジン、及び水溶性アミン化合物から選択される１種以上と接触させる工程を経たアルマイト化アルミニウム合金形状物と、ポリアルキレンテレフタレート、ポリアリレンサルファイド、及びこれらの共重合体を主成分として含む熱可塑性樹脂組成物から選択される１種以上の熱可塑性樹脂組成物とが、前記酸化物層皮膜を破壊した被接合部分において一体に接合していることを特徴とする。
【００１２】
第２の発明のアルマイト化アルミニウム合金と樹脂の複合体は、少なくとも、陽極酸化処理工程、被接合部分の酸化物層皮膜をレーザー加工法により破壊する工程、酸性水溶液に接触させるエッチング工程、並びにアンモニア、ヒドラジン、及び水溶性アミン化合物から選択される１種以上と接触させる工程を経たアルマイト化アルミニウム合金形状物と、ポリアルキレンテレフタレート、ポリアリレンサルファイド、及びこれらの共重合体を主成分として含む熱可塑性樹脂組成物から選択される１種以上の熱可塑性樹脂組成物とが、前記酸化物層皮膜を破壊した被接合部分において一体に接合していることを特徴とする。
第２の発明のアルマイト化アルミニウム合金と樹脂の複合体において、前記レーザー加工法に用いるレーザーがＹＡＧレーザーであることが好ましい。
【００１３】
第３の発明のアルマイト化アルミニウム合金と樹脂の複合体の製造方法は、アルミニウム合金形状物を陽極酸化処理するアルマイト化工程と、アルマイト化アルミニウム合金形状物の被接合部分に形成された酸化物層皮膜を破壊する工程と、酸性水溶液に接触させてエッチング処理する工程と、アンモニア、ヒドラジン、及び水溶性アミン化合物から選択される１種以上と接触させる工程と、成形金型内に前記接触工程を経たアルマイト化アルミニウム合金形状物を収容し、熱可塑性樹脂組成物を射出して、前記酸化物層皮膜を破壊した被接合部分に樹脂成形物を接合して一体化する工程とを有することを特徴とする。
【００１４】
第３の発明のアルマイト化アルミニウム合金と樹脂の複合体の製造方法は、前記酸化物層皮膜を破壊する工程が機械的方法により行われることが好ましい。
或いは、前記酸化物層皮膜を破壊する工程がレーザー加工法により行われることが好ましい。このレーザー加工法に用いるレーザーはＹＡＧレーザーであることが好ましい。
【００１５】
第３の発明のアルマイト化アルミニウム合金と樹脂の複合体の製造方法は、前記熱可塑性樹脂組成物が、ポリアルキレンテレフタレート、ポリアリレンサルファイド、及びこれらの共重合体を主成分として含む熱可塑性樹脂組成物から選択される１種以上の熱可塑性樹脂組成物であることが好ましい。
第３の発明のアルマイト化アルミニウム合金と樹脂の複合体の製造方法は、前記アルマイト化工程は封孔工程を有し、該封孔工程はアルミニウム合金形状物を８５℃以上の水溶液に３０分以上浸漬することが好ましい。
或いは、前記アルマイト化工程は封孔工程を有し、該封孔工程はアルミニウム合金形状物を１００℃以上の水蒸気中で５分以上放置することが好ましい。
【００１６】
以下、前述したアルマイト化アルミニウム合金と樹脂の複合体の製造を製造工程に沿って詳細に説明する
〔アルマイト化アルミニウム合金形状物〕
アルミニウム合金の殆どは染色アルマイト化できる。合金種によって、得られるアルマイトの見栄えの良し悪しがあるが、これらはよく知られていることである。アルミニウム合金の陽極酸化法は８０年に近い歴史があって、成熟した技術である。
本発明で使用するアルマイト処理品としては、各アルマイトメーカーが通常の工程で製造したアルマイト品が使用できるが、封孔工程を通常より強化した場合の製品が好ましい。アルマイト化工程は、通常、ブラスト工程、脱脂工程、アルカリエッチング工程、化学研磨工程、陽極酸化処理工程、染色工程、及び封孔工程を順次実施するのが基本であり、施工状況や客先要望などによってブラスト工程や化学研磨工程や染色工程が外される。
【００１７】
以下、アルマイト化工程における一般的な事項については説明を控え、本発明に関係する事項について説明を加える。
ブラストは、供給されるアルミニウム形状物の表面にある加工工程で付いたキズ、梱包や輸送で付いたキズや汚れを、微細酸化鉄粉や砂粉を含む空気流で物理的に削り取る工程である。
その後に行うアルカリエッチングは、表層のアルミニウム合金を溶かし去り、同時に錆や汚れやブラストで突き刺さった微粉を取り去る工程である。この工程ではアルミニウム合金を溶かす力が強いので、ブラストで生じた表面の微細凹凸は取り去られず、ときには凹凸が更に激しくなる。
【００１８】
次の化学研磨工程は、凹凸のあるアルミニウム合金の凸部を特に溶かすので、結果的には、表面の凹凸度は減少し光沢あるアルマイト面を与えるもとになる。従って、見栄えを要求しない場合は、ブラストも化学研磨も必要としない。この化学研磨まで終えるとアルミニウム合金は表面が綺麗に剥がされてなだらかな地肌が出ることになる。
【００１９】
次の陽極酸化処理工程は必須工程であって、ここで多孔質のアルミニウム酸化物の結晶皮膜が形成される。
染色工程は前工程で形成された多数で微細な孔に染料等を入れ込める工程で、染色を必要としない場合は不要である。
封孔工程は、孔の開口部を崩して孔を詰め染料が排出しないようにし、且つ実質的に皮膜を封じて耐食性を安定化する工程である。水洗し乾燥すれば着色アルマイト化の工程は終わる。
【００２０】
なお、本発明全体で言えば、アルマイトを弱酸、弱塩基に浸漬する工程を含むので、出来るだけしっかりとしたアルマイトであることが望ましい。それゆえ、８５〜１００℃の水溶液に１０分程度浸漬するのが普通である封孔工程を本発明では３０分以上の長時間とするか、１００℃以上の水蒸気中に放置することが好ましい。１５０℃程度の水蒸気中に２０分程度放置すると、封孔部は熱水浸漬による方法による場合よりもかなり厚くなり丈夫になる。
【００２１】
〔酸化物層皮膜を破壊する工程〕
樹脂と射出接合すべき箇所（被接合部分）の酸化物層皮膜を破壊して剥がすのが、この工程の目的である。
フライス盤等の切削工具や研磨盤、ハンドグラインダ等の回転砥石などを使用するなどの機械的方法を用いて、アルマイト化アルミニウム合金形状物の表面０．１ｍｍ程度を削り取るのが最も単純で確かな方法である。ただし、この方法は量産性を考慮すると手間が掛かり過ぎるかもしれない。
【００２２】
もう一つは、市販のＹＡＧレーザーによるレーザー加工法で、レーザーをスキャンする方法である。レーザー照射により酸化物層皮膜は溶解し、一部が飛散するが、前記機械的方法と異なって、アルミニウム合金の地肌が完全には露出しない。したがって、接合力は前記機械的方法に比較してやや劣ることになる。
しかしながら、それでも接合力は十分に強いし、ＹＡＧレーザーによるスキャンは高速であるので量産性に優れている。
【００２３】
〔脱脂工程〕
この工程は外すこともできる。ただ、前工程や途中の扱いで、酸化物層皮膜の破壊部分に加工油や指脂が付いている可能性があるので、脱脂工程を加えることがより好ましい。脱脂工程は、親水性有機溶剤に浸漬して水洗することでもよいが、工業的には、市販のアルミニウム用脱脂剤を溶かした水溶液を５０〜７５℃にして数分浸漬して水洗するのが最も合理的である。
【００２４】
〔液工程前半／前処理〕
前工程で剥き出しにしたアルミニウム合金面を化学的にエッチング処理して次工程の効き目がしっかりと出るようにする前処理である一方でアルマイト面にはダメージが少ないように行うのがこの工程である。
このため、この工程はアルマイトが耐えられるレベルのエッチング処理とする。多数の試行錯誤により、具体的には濃度１〜５％のカルボン酸に０〜５％の中性塩を加えた水溶液が好ましく、カルボン酸としては安価な酢酸、中性塩としても安価な塩化アンモニウムや塩化ナトリウムが好ましく使用できる。春夏秋冬で安定して使用できるように液温は３０〜４０℃とし、２０〜２００分の浸漬を行うのが好ましい。
【００２５】
この弱酸性水溶液への浸漬でアルマイトの封孔部は大きく破壊されることはない。また、アルミニウム合金が剥き出しになったりレーザー加工した部分ではこの浸漬で金属部のエッチングがなされて活性化され、後の本処理に備えることができる。
ただ、この前処理によっても封孔部が全く影響を受けないわけではなく、封孔部表面の微細形状が変わるので艶感が若干変化して見えることがある。また、アルマイト化での封孔工程で作られた封孔部の厚さが薄い場合には封孔の一部が破れて染料が流出することもあり得るのである。従って、本発明に使用するアルマイトでは、前記したように、通常のアルマイト製造時に比較してやや過剰な封孔処理を施しておくのが好ましい。
【００２６】
また、後半の本処理に廻すにあたり、僅かな脱脂剤や塩素を含む水道水の吸着や同伴は、理由は明確ではないが射出接合活性をやや低下させるようであった。従って、この工程はイオン交換水に溶解した酢酸等で洗浄し、更にイオン交換水で水洗して次工程に廻すのが好ましい。
【００２７】
〔液工程後半／本処理〕
前処理を終わった形状物をアンモニア、ヒドラジン、及び水溶性アミン化合物から選択される１種以上の水溶液に浸漬させる。前工程で得た形状物のアルミニウム合金面をこれら弱塩基性水溶液で微細エッチングし、同時にこれら窒素含有化合物を吸着させるのがこの工程の目的である。
窒素含有化合物としては、広い意味のアミン系化合物と言えるアンモニア、ヒドラジンも加え、メチルアミン、ジメチルアミン、トリメチルアミン、エチルアミン、ジエチルアミン、トリエチルアミン、エチレンジアミン、エタノールアミン、アリルアミン、エタノールアミン、ジエタノールアミン、トリエタノールアミン、その他の水溶性アミン類が使用できる。
蒸気圧の高いアンモニアや低級アミン類は水溶液としても刺激臭や悪臭があるので工業的な使用は困難であり、本発明者らはヒドラジンや蒸気圧の低いアミン系化合物が実際の使用に当たって好ましいと考えている。
【００２８】
ヒドラジンを使用する場合について述べる。濃度は水和ヒドラジンとして２〜４％の物が好ましく、液温は５０〜７０℃として数分浸漬する。液は弱塩基性であり、僅かにアルミニウム合金の露出部から発泡するのが観察できる。浸漬を終了したらイオン交換水で十分に水洗し温風乾燥機で乾燥する。
この本処理で使用する水溶性アミン系化合物の水溶液は弱塩基性であるから、アルマイト層を若干でも溶解する可能性がある。本処理に至る前に封孔部が既に破れた箇所や封孔部が薄くなっている箇所では本処理で更に壊れがひどくなる可能性があったが、実際に本処理を行ってみると色調が変化するほどのことは殆ど起こらなかった。それでも、本処理はアルミニウム酸化物や水酸化物が溶け易い塩基性水溶液にアルマイト化形状物を浸漬する工程であるので、当初のアルマイト化にて封孔をしっかり行っておくことはやはり重要である。
【００２９】
〔熱可塑性樹脂組成物〕
射出成形に使用する熱可塑性樹脂組成物について述べる。
熱可塑性樹脂組成物としては、ポリアルキレンテレフタレート、ポリアリレンサルファイド、及びこれらの共重合体を主成分として含むものが使用できる。さらに、ＰＢＴ（ポリブチレンテレフタレート）、又はＰＰＳ（ポリフェニレンサルファイド）を主成分として含む樹脂組成物が使用でき、樹脂分としてＰＢＴ、ＰＰＳ以外にポリカーボネート（以下、「ＰＣ」という。）、アクリロニトリル・ブタジエン・スチレン樹脂（以下「ＡＢＳ」という。）、ポリエチレンテレフタレート（以下、「ＰＥＴ」という。）、ポリスチレン（以下「ＰＳ」という。）、ポリオレフィン、及びこれらの共重合体を成分として含む熱可塑性樹脂組成物から選択される１種以上の熱可塑性樹脂組成物が好ましく使用できる。
【００３０】
また、フィラーの大量含有はアルミニウム合金と熱可塑性樹脂組成物の線膨張率を近づけることができ、一体化後の温度変化に耐えさせることができるので非常に重要である。フィラーとしては、ガラス繊維、炭素繊維、アラミド繊維、その他これらに類する繊維系フィラー、又、炭酸カルシウム、炭酸マグネシウム、シリカ、タルク、ガラス、粘土等の粉フィラー、又、炭素繊維やアラミド繊維の粉砕物、その他類する樹脂充填用フィラーが使用できる。フィラーを含まない場合でも強固に接合し、アルミニウム合金に接合した樹脂成形物を取り去るには非常に強い力が必要である。しかしながら、成形された複合体を温度サイクル試験にかけると、フィラーを含まない樹脂の系では両者の線膨張率が離れ過ぎているので温度変化のサイクルを重ねるに従って次第に接合強度が低下する。
【００３１】
線膨張率に関し具体例に述べると、アルミニウム合金は２．５×１０−５℃−１程度であり、純ＰＢＴのそれは９〜１０×１０−５℃−１とアルミニウム合金の数倍の大きさである。樹脂の線膨張率を下げるために混ぜるフィラーの量はかなり多くする必要があり、少なくとも組成物中のフィラー含有率は２５％以上、好ましくは３０〜４５％の物が使用に適している。
【００３２】
また、樹脂組成物とアルミニウム合金とを強力に接合するには、樹脂の成形収縮率も重要な要素になる。簡単な計算をしてみる。接合が金型温度、例えば１３０℃と同レベルの温度でなされたとして、接合後に室温まで放冷された場合を考えると、アルミニウム合金は１１０〜１２０℃冷えることになるから、その放冷縮み率は線膨張率と低下した温度の積から約０．３％と計算される。一方、ＰＢＴ樹脂単独の成形収縮率は０．９〜１．０％もあり金属側の放冷縮み率より遥かに大きい。実際には、前記のように線膨張率を合わすためにフィラー類が３０〜４０％含まれた組成物を使うとして、成形収縮率は０．５〜０．７％になるがこれではまだやや大きい。結晶性ポリマーであるＰＢＴやＰＰＳは元々成形収縮率が大きいので、フィラー以外にその他のポリマー、上手く混ざるようであれば成形収縮率の小さい非晶性ポリマーを混入させることが更に成形収縮率を下げる要素になり好ましい。
【００３３】
現在、成形収縮率をアルミニウム合金並みの０．３％にまで下げることには成功してないが、０．４〜０．６％程度までは下げることができている。約０．５％であれば強い接合力によって内部歪を含みつつも射出接合後約１日（ほぼ完全に成形収縮が終わる時間）にて問題は生じないようにできている。このような一体化品は、高温の熱風乾燥機に投入しても拡大する内部歪を押さえ込むことができ、数十分アニールすることで樹脂が僅かに軟化し、遂には内部歪をほぼ解消して丈夫な一体化物にすることができる。
【００３４】
〔成形／射出成形〕
射出成形金型を用意し、金型を開いてその一方にアルミニウム合金形状物をインサートし、金型を閉め、前記の熱可塑性樹脂組成物を射出し、金型を開き離型する方法である。射出成形は、樹脂形状の自由度、生産性などを勘案すれば最も優れた成形法である。大量生産では、インサート用にロボットを用意すればよい。
次に、射出条件について述べる。樹脂組成物単独の射出成形時とほぼ同様の条件で十分な接着効果が発揮できるが、接合力を上げるために若干のポイントがある。即ち、原理的には高温の溶融樹脂が高圧でアルミニウム合金部分と接触することが必要である。それゆえ、金型にはまず十分なガス抜きを付けて溶融樹脂が円滑にアルミニウム合金面に到達するようにすること、金型温度は高くすること、射出圧力も高い方がよいというのが原則である。ただ、ＰＰＳ系樹脂の方は、結晶化速度が異常に速くて若干様子が異なり、金型温度を上げ過ぎると接合力が低下することがある。試作により最適金型温度を探ってから実施することが必要である。
【００３５】
〔作用〕
本発明によれば、アルマイト化されたアルミニウム合金形状物をスタート物質として使用し、このアルマイト化アルミニウム合金形状物と、ＰＢＴ系、又はＰＰＳ系樹脂組成物等の熱可塑性樹脂組成物とをインサート射出成形により強固に射出接合することができる。実用的には、使用する樹脂組成物として高濃度のフィラー、及びその他の熱可塑性樹脂を若干含むコンパウンドが好ましい。
アルマイト層を剥がし地肌が出たアルミニウム合金をアミン系化合物の水溶液に浸漬する等の液処理を行うと、合金表面は微細にエッチング処理されると同時に化学的にも変化して親ＰＢＴ面、親ＰＰＳ面になる。また、この液処理においては、アルマイト表面は殆ど変化しない。この双方の事柄から、アルマイト表面と地肌が出たアルミニウム合金表面との共存物を液処理して合金表面のみを親ＰＢＴ面、親ＰＰＳ面とすることができた。この親ＰＢＴ面、親ＰＰＳ面にＰＢＴやＰＰＳを射出すると、強固に接合することができる。
【００３６】
本発明を使用することで、モバイル電子機器や家電機器の軽量化や、車載機器や部品の軽量化、ロボットの腕や足の軽量化、その他多くの分野で、綺麗な着色アルマイト表面で軽量な部品、筐体を供給するのに役立つことができる。
【発明の効果】
【００３７】
本発明のアルマイト化アルミニウム合金と樹脂の複合体とその製造方法によれば、電子機器や家電機器等において、金属製筐体の良さと合成樹脂構造の良さとを両立させ、外観が綺麗で生産性が高く、量産性があり、形状、構造の設計自由度が高いアルマイト化アルミニウム合金と樹脂の複合体を提供することができる。また、電子機器や家電機器のみに囚われず、各種部品、構造物における軽量高強度化に役立つアルマイト化アルミニウム合金と樹脂の複合体を製造することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３８】
以下、本発明を実施するための最良の形態を実施例に代えて詳記する。
〔実施例１〕
市販の３ｍｍ厚のＡ５０５２アルミニウム合金板を購入し、２５ｍｍ×１００ｍｍの長方形片多数に切断した。このアルミニウム合金片をライトウイン社（神奈川県川崎市）に依頼し、通常の黒着色アルマイト化を実施した。アルマイト化による酸化物皮膜厚は約２０μｍとし、使用した染料はブルーブラックをベースにしたアルマイト用黒染料（奥野製薬社製）で、封孔処理は通常９５℃で浸漬１０分行っているものを浸漬時間４５分に延ばして行った。
【００３９】
この黒アルマイト片１０個に対し、図１に示すように、２３ｍｍ×８ｍｍの広さで回転砥石を用いて酸化物皮膜を削り取った。削り取った深さは平均約０．１ｍｍであった。
この合金片１０個を塩化ビニルで全面コートしたステンレス針金製の浸漬治具に入れ、７５℃に保持した市販のアルミニウム用脱脂剤水溶液に５分間浸漬し、取り出して水道水で水洗した。次に、４０℃に保持した３％濃度の酢酸と３％濃度の塩化アンモニウムを含む水溶液に６０分浸漬し、水道水で水洗した。続いて、４０℃に保持した別の３％濃度の酢酸水溶液に１分浸漬し、イオン交換水で水洗した。さらに、６０℃に保持した３．5％濃度の一水和ヒドラジン水溶液に１分浸漬し、続いて４０℃に保持した０．５％濃度の一水和ヒドラジン水溶液に０．５分浸漬してイオン交換水で水洗した。次に、４０℃の温風乾燥機中に治具ごと入れて１５分間置き、更に６０℃の温風乾燥機に移して５分放置し乾燥した。乾燥後の合金片を観察したがアルマイト部分に変色は見られなかった。
【００４０】
また、合金片２０枚全体をチャック付きポリ袋内に入れて封止し、保管した。保管２日後、合金片を取り出し、アルマイト部分を摘まんで１４０℃に保った射出成形金型にインサートした。金型を閉め、図２に示すように、ガラス繊維２０％、微粉ガラス２０％含有のＰＢＴ／ＰＥＴ樹脂（ＰＢＴ約８５％とＰＥＴ約１５％、元樹脂は三菱レイヨン社製）を射出口３から射出温度２７０℃でアルミニウム金属露出部に射出し、アルマイト化アルミニウム合金片１と合成樹脂板２とから成る複合体を得た。翌日、この複合体を１５０℃に制御している熱風乾燥機に投入し、１時間放置し（アニールし）て取り出した。
得られた複合体１０個のアルマイト表面の外観は特に問題なかった。この１０個全てを引っ張り破断試験機で破断したところ、３００〜３６０Ｋｇｆで破断した。せん断破断でなく、全てが樹脂部が折れての破断であって、接合力が非常に高いことが分かった。
【００４１】
〔実施例２〕
実施例１と同じ３ｍｍ厚のＡ５０５２アルミニウム合金板で２５ｍｍ×１００ｍｍの長方形片の物を使用した。このアルミニウム片を実施例１と同様に黒着色アルマイト化した。このアルマイト片に対し、図１に示すように２３ｍｍ×８ｍｍの広さで、ＹＡＧレーザーを濃密にスキャンするレーザ加工法により酸化物層皮膜を溶解させ破壊した。その後の処理工程は実施例１と全く同様の方法で行い、アルマイト片とＰＢＴ系樹脂組成物と射出接合し、アニールした。
得られた複合体１０個のアルマイト表面の外観は特に問題なかった。この１０個全てを引っ張り破断試験機で破断したところ、２００〜２６０Ｋｇｆで破断した。全てがせん断破断であったが、接合力は十分高かった。
【００４２】
〔実施例３〕
実施例１と同じ３ｍｍ厚のＡ１１００アルミニウム合金板で２５ｍｍ×１００ｍｍの長方形片の物を使用した。このアルミニウム片を実施例１と全く同様にして黒着色アルマイト化した。このアルマイト片１０個に対し、図１に示すように２３ｍｍ×８ｍｍの広さで、回転砥石を使用してアルマイト層を破壊した。削り取った厚さは約０．１ｍｍであった。この片１０個を実施例１と全く同様にして液処理し乾燥した。乾燥後の金属片を観察したがアルマイト部分に何ら変色は見られなかった。
また、金属片２０枚全体をアルミ箔で包みチャック付きポリ袋に入れてチャックをして保管した。保管２日後、金属片を取り出し、油分等が付着せぬよう手袋で摘まんで１３０℃に保った射出成形金型にインサートした。金型を閉め、ガラス繊維３０％含有のＰＰＳ／ポリオレフィン樹脂（ＰＰＳ約８５％とポリオレフィンエラストマー約１５％、元樹脂は東ソー社製）を射出温度２９５℃で金属露出部に射出し、図２に示すような複合体を得た。翌日、この複合体を１７０℃に制御している熱風乾燥機に投入して１時間放置し（アニールし）、取り出した。
【００４３】
この１０個全てを引っ張り破断試験機で破断したところ、３４０〜３６０Ｋｇｆで破断した。せん断破断ではなく全てが樹脂部が折れて破断したので、接合力は非常に高いことが分かった。これらの実施例によって製造した複合体は、アルマイト化アルミニウム合金と熱可塑性樹脂組成物とが容易に剥がれることなく一体に接合されている。
即ち、アルミニウム側のスタート物質として着色アルマイトが使え、得た製品の外観は綺麗な着色アルマイトのままである。したがって、アルマイト化アルミニウム合金に、綺麗かつ軽量で、形状の自由度が高い樹脂部が接合しており、その接合強度上でも問題がなく、各種電子機器の筐体、部品、構造物等を作ることができる。また、本実施例によって製造した複合体は、筐体、部品、構造物を綺麗かつ軽量に製造しうるばかりでなく、機器製造工程の簡素化にも役立つものである。
【図面の簡単な説明】
【００４４】
【図１】実施例に用いるアルマイト化アルミニウム合金片を示す斜視図である。
【図２】アルマイト化アルミニウム合金片と合成樹脂板とを射出接合した引張試験片の形状を示す斜視図である。
【符号の説明】
【００４５】
１ アルマイト化アルミニウム合金片
２ 合成樹脂板
３ 射出口
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電子機器の筐体、家電機器の筐体、構造用部品、機械部品等に用いられ、加飾や耐食性を施すために陽極酸化処理したアルマイト化アルミニウム合金と高強度樹脂の複合体とその製造方法に関する。更に詳しくは、各種機械加工で作られたアルミニウム合金形状物と熱可塑性樹脂を一体化した構造物に関し、モバイル用の各種電子機器、家電製品、医療機器、車両用構造部品、車両搭載用品、建築資材の部品、その他の構造用部品や外装用部品等に用いられるアルマイト化アルミニウム合金と樹脂の複合体とその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
金属と樹脂を一体化する技術は、自動車、家庭電化製品、及び産業機器等の部品製造等の広い分野から求められており、このため多くの接着剤が開発されている。この中には非常に優れた接着剤がある。常温、又は加熱により機能を発揮する接着剤は、金属と合成樹脂を一体化する接合に使われ、この接合方法は現在では一般的な技術である。
【０００３】
しかしながら、接着剤を使用しない、より合理的な接合方法がないか従来から研究されてきた。マグネシウム、アルミニウムやその合金である軽金属類、ステンレスなど鉄合金類に対して、接着剤の介在なしに高強度のエンジニアリング樹脂を一体化する方法、例えば、金属側に樹脂成分を射出等の方法で接合する方法、略して「射出接合法」は、本発明者らの知る限りにおいて現在のところ実用化されていない。
即ち本発明者らは、例えば特開２００２−０７２６７号公報（特許文献１）において、「水溶性アミン系化合物の水溶液にアルミニウム合金形状物を浸漬した後、ポリブチレンテレフタレート樹脂（以下、「ＰＢＴ」という。）やポリフェニレンサルファイド樹脂（以下、「ＰＰＳ」という。）を主成分とする熱可塑性樹脂組成物と高温高圧下で接触させると特異的に強い力で接合する。」という技術を提案している。
【０００４】
アルミニウムは、本来の物性である優れた展伸性、電導性、及び熱伝導性を有することに加えて、合金化や表面処理により、高強度化、高耐食性化、快削性化、及び高展伸性化などを示し、広い分野で用いられている。
個人の情報化が進展し、モバイル電子機器が汎用的に用いられるようになってきている現状では、機器の軽量化と製造工程の簡素化の要望は留まることがない。この点で、アルミニウム合金と樹脂の射出接合法は、このような電子機器の分野において利用度が急速に高まりつつある。
【０００５】
このように、アルミニウム合金と樹脂の複合体は、電子機器の分野のみならず広い分野で利用が促進されると考えられるが、大部分のアルミニウム合金を使用する分野ではアルミニウム合金は着色アルマイト化して用いられている。アルマイトは、陽極酸化法によってアルミニウム合金形状物を更に処理したものであり、基本的にはアルミニウム合金表面に５μｍ〜３０μｍのアルミニウム酸化物層皮膜を形成させたものである。また、着色アルマイトは、陽極酸化した後に染色・封孔処理して着色を安定化する工程を付加したものであり、耐食性が大幅に向上するというだけでなく、非常に見栄えもよくなる。
【０００６】
実際、アルマイトは家電機器や電子機器の筐体として多用されている。また、アルマイト化を行う対象であるアルミニウム合金形状物は、展伸材メーカーが販売する板材、管材及び押し出し材を切断して作成するか、これらにプレス加工等の追加の機械加工工程を加えて製造するか、または鋳造用材料を購入して鋳造した後機械加工して製造するのが一般的である。そして、それらの加工を行う工場で得た加工品は、そのままアルマイト化工程にかけて表面処理し、加飾や耐食性を施す場合が多い。
【０００７】
要するに、アルミニウム合金加工業界とアルマイト処理業界は重なり合っていることが多く、アルミニウム合金形状物をアルマイト形状物として供給したいという場合が多々存在するということである。
しかしながら、上記した本発明者らによる当初の射出接合法では、アルマイト化アルミニウム合金に樹脂を接合することはできない。
【特許文献１】特開２００２−０７２６７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
前述した本発明者らの発明を発展させ、アルマイト形状物をスタート物質としてＰＢＴ系、及びＰＰＳ系樹脂組成物を射出接合できる方法を開発せんとした。
一つは、射出接合すべきアルマイト表面以外の箇所を丈夫な塗料で塗装する方法である。使用する塗料塗膜が強塩基に耐える物であればこのアルマイト塗装法が使用できる。例えば、塗装したアルマイト形状品を１０〜２０％濃度の苛性ソーダ水溶液に数分浸漬すると、非塗装部、即ち酸化物層皮膜がむき出しになっている箇所では酸化物層皮膜が強塩基で溶解して地肌のアルミニウム合金が現れることになる。そこで、この形状物を前記した本発明者らの発明に従って液処理すれば射出接合に対する活性は非塗装部のみに得られ、そこにＰＢＴ系樹脂組成物等を射出接合することができる。
【０００９】
ただし、得られた複合体のアルミニウム合金部は塗装アルマイト面で覆われることになる。塗装アルマイトが外観部になることは決して悪いことではないが、本発明者らが量産を想定して試作したところ、意外なトラブルが続出した。即ち、外観部には充分に塗装したつもりであったが、ピンホールが存在したのか綺麗であった染色アルマイトに数点の汚点が発生することが多かった。酸化物層皮膜を溶かす塩基性液がきついだけに、僅かな塗装ミスや塗膜の薄い箇所で外観不良につながったのである。特に、染色アルマイトの色合いを生かすために透明塗装や透光性着色塗装をした場合には、塗装の薄い箇所が分からない。それゆえ、ピンホールが皆無であることを確認する方法がなく、結構やっかいである。
【００１０】
本発明は、上述のような技術背景のもとになされたものであり、その目的は、電子機器や家電機器等において、金属製筐体の良さと合成樹脂構造の良さとを両立させ、外観が綺麗で生産性が高く、量産性があり、形状、構造の設計自由度が高いアルマイト化アルミニウム合金と樹脂の複合体とその製造方法を提供することにある。また、他の目的は、電子機器や家電機器のみに囚われず、各種部品、構造物における軽量高強度化に役立つアルマイト化アルミニウム合金と樹脂の複合体とその製造方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
上記の課題を解決すべく、第１の発明のアルマイト化アルミニウム合金と樹脂の複合体は、少なくとも、陽極酸化処理工程、被接合部分の酸化物層皮膜を機械的方法により破壊する工程、酸性水溶液に接触させるエッチング工程、並びにアンモニア、ヒドラジン、及び水溶性アミン化合物から選択される１種以上と接触させる工程を経たアルマイト化アルミニウム合金形状物と、ポリアルキレンテレフタレート、ポリアリレンサルファイド、及びこれらの共重合体を主成分として含む熱可塑性樹脂組成物から選択される１種以上の熱可塑性樹脂組成物とが、前記酸化物層皮膜を破壊した被接合部分において一体に接合していることを特徴とする。
【００１２】
第２の発明のアルマイト化アルミニウム合金と樹脂の複合体は、少なくとも、陽極酸化処理工程、被接合部分の酸化物層皮膜をレーザー加工法により破壊する工程、酸性水溶液に接触させるエッチング工程、並びにアンモニア、ヒドラジン、及び水溶性アミン化合物から選択される１種以上と接触させる工程を経たアルマイト化アルミニウム合金形状物と、ポリアルキレンテレフタレート、ポリアリレンサルファイド、及びこれらの共重合体を主成分として含む熱可塑性樹脂組成物から選択される１種以上の熱可塑性樹脂組成物とが、前記酸化物層皮膜を破壊した被接合部分において一体に接合していることを特徴とする。
第２の発明のアルマイト化アルミニウム合金と樹脂の複合体において、前記レーザー加工法に用いるレーザーがＹＡＧレーザーであることが好ましい。
【００１３】
第３の発明のアルマイト化アルミニウム合金と樹脂の複合体の製造方法は、アルミニウム合金形状物を陽極酸化処理するアルマイト化工程と、アルマイト化アルミニウム合金形状物の被接合部分に形成された酸化物層皮膜を破壊する工程と、酸性水溶液に接触させてエッチング処理する工程と、アンモニア、ヒドラジン、及び水溶性アミン化合物から選択される１種以上と接触させる工程と、成形金型内に前記接触工程を経たアルマイト化アルミニウム合金形状物を収容し、熱可塑性樹脂組成物を射出して、前記酸化物層皮膜を破壊した被接合部分に樹脂成形物を接合して一体化する工程とを有することを特徴とする。
【００１４】
第３の発明のアルマイト化アルミニウム合金と樹脂の複合体の製造方法は、前記酸化物層皮膜を破壊する工程が機械的方法により行われることが好ましい。
或いは、前記酸化物層皮膜を破壊する工程がレーザー加工法により行われることが好ましい。このレーザー加工法に用いるレーザーはＹＡＧレーザーであることが好ましい。
【００１５】
第３の発明のアルマイト化アルミニウム合金と樹脂の複合体の製造方法は、前記熱可塑性樹脂組成物が、ポリアルキレンテレフタレート、ポリアリレンサルファイド、及びこれらの共重合体を主成分として含む熱可塑性樹脂組成物から選択される１種以上の熱可塑性樹脂組成物であることが好ましい。
第３の発明のアルマイト化アルミニウム合金と樹脂の複合体の製造方法は、前記アルマイト化工程は封孔工程を有し、該封孔工程はアルミニウム合金形状物を８５℃以上の水溶液に３０分以上浸漬することが好ましい。
或いは、前記アルマイト化工程は封孔工程を有し、該封孔工程はアルミニウム合金形状物を１００℃以上の水蒸気中で５分以上放置することが好ましい。
【００１６】
以下、前述したアルマイト化アルミニウム合金と樹脂の複合体の製造を製造工程に沿って詳細に説明する
〔アルマイト化アルミニウム合金形状物〕
アルミニウム合金の殆どは染色アルマイト化できる。合金種によって、得られるアルマイトの見栄えの良し悪しがあるが、これらはよく知られていることである。アルミニウム合金の陽極酸化法は８０年に近い歴史があって、成熟した技術である。
本発明で使用するアルマイト処理品としては、各アルマイトメーカーが通常の工程で製造したアルマイト品が使用できるが、封孔工程を通常より強化した場合の製品が好ましい。アルマイト化工程は、通常、ブラスト工程、脱脂工程、アルカリエッチング工程、化学研磨工程、陽極酸化処理工程、染色工程、及び封孔工程を順次実施するのが基本であり、施工状況や客先要望などによってブラスト工程や化学研磨工程や染色工程が外される。
【００１７】
以下、アルマイト化工程における一般的な事項については説明を控え、本発明に関係する事項について説明を加える。
ブラストは、供給されるアルミニウム形状物の表面にある加工工程で付いたキズ、梱包や輸送で付いたキズや汚れを、微細酸化鉄粉や砂粉を含む空気流で物理的に削り取る工程である。
その後に行うアルカリエッチングは、表層のアルミニウム合金を溶かし去り、同時に錆や汚れやブラストで突き刺さった微粉を取り去る工程である。この工程ではアルミニウム合金を溶かす力が強いので、ブラストで生じた表面の微細凹凸は取り去られず、ときには凹凸が更に激しくなる。
【００１８】
次の化学研磨工程は、凹凸のあるアルミニウム合金の凸部を特に溶かすので、結果的には、表面の凹凸度は減少し光沢あるアルマイト面を与えるもとになる。従って、見栄えを要求しない場合は、ブラストも化学研磨も必要としない。この化学研磨まで終えるとアルミニウム合金は表面が綺麗に剥がされてなだらかな地肌が出ることになる。
【００１９】
次の陽極酸化処理工程は必須工程であって、ここで多孔質のアルミニウム酸化物の結晶皮膜が形成される。
染色工程は前工程で形成された多数で微細な孔に染料等を入れ込める工程で、染色を必要としない場合は不要である。
封孔工程は、孔の開口部を崩して孔を詰め染料が排出しないようにし、且つ実質的に皮膜を封じて耐食性を安定化する工程である。水洗し乾燥すれば着色アルマイト化の工程は終わる。
【００２０】
なお、本発明全体で言えば、アルマイトを弱酸、弱塩基に浸漬する工程を含むので、出来るだけしっかりとしたアルマイトであることが望ましい。それゆえ、８５〜１００℃の水溶液に１０分程度浸漬するのが普通である封孔工程を本発明では３０分以上の長時間とするか、１００℃以上の水蒸気中に放置することが好ましい。１５０℃程度の水蒸気中に２０分程度放置すると、封孔部は熱水浸漬による方法による場合よりもかなり厚くなり丈夫になる。
【００２１】
〔酸化物層皮膜を破壊する工程〕
樹脂と射出接合すべき箇所（被接合部分）の酸化物層皮膜を破壊して剥がすのが、この工程の目的である。
フライス盤等の切削工具や研磨盤、ハンドグラインダ等の回転砥石などを使用するなどの機械的方法を用いて、アルマイト化アルミニウム合金形状物の表面０．１ｍｍ程度を削り取るのが最も単純で確かな方法である。ただし、この方法は量産性を考慮すると手間が掛かり過ぎるかもしれない。
【００２２】
もう一つは、市販のＹＡＧレーザーによるレーザー加工法で、レーザーをスキャンする方法である。レーザー照射により酸化物層皮膜は溶解し、一部が飛散するが、前記機械的方法と異なって、アルミニウム合金の地肌が完全には露出しない。したがって、接合力は前記機械的方法に比較してやや劣ることになる。
しかしながら、それでも接合力は十分に強いし、ＹＡＧレーザーによるスキャンは高速であるので量産性に優れている。
【００２３】
〔脱脂工程〕
この工程は外すこともできる。ただ、前工程や途中の扱いで、酸化物層皮膜の破壊部分に加工油や指脂が付いている可能性があるので、脱脂工程を加えることがより好ましい。脱脂工程は、親水性有機溶剤に浸漬して水洗することでもよいが、工業的には、市販のアルミニウム用脱脂剤を溶かした水溶液を５０〜７５℃にして数分浸漬して水洗するのが最も合理的である。
【００２４】
〔液工程前半／前処理〕
前工程で剥き出しにしたアルミニウム合金面を化学的にエッチング処理して次工程の効き目がしっかりと出るようにする前処理である一方でアルマイト面にはダメージが少ないように行うのがこの工程である。
このため、この工程はアルマイトが耐えられるレベルのエッチング処理とする。多数の試行錯誤により、具体的には濃度１〜５％のカルボン酸に０〜５％の中性塩を加えた水溶液が好ましく、カルボン酸としては安価な酢酸、中性塩としても安価な塩化アンモニウムや塩化ナトリウムが好ましく使用できる。春夏秋冬で安定して使用できるように液温は３０〜４０℃とし、２０〜２００分の浸漬を行うのが好ましい。
【００２５】
この弱酸性水溶液への浸漬でアルマイトの封孔部は大きく破壊されることはない。また、アルミニウム合金が剥き出しになったりレーザー加工した部分ではこの浸漬で金属部のエッチングがなされて活性化され、後の本処理に備えることができる。
ただ、この前処理によっても封孔部が全く影響を受けないわけではなく、封孔部表面の微細形状が変わるので艶感が若干変化して見えることがある。また、アルマイト化での封孔工程で作られた封孔部の厚さが薄い場合には封孔の一部が破れて染料が流出することもあり得るのである。従って、本発明に使用するアルマイトでは、前記したように、通常のアルマイト製造時に比較してやや過剰な封孔処理を施しておくのが好ましい。
【００２６】
また、後半の本処理に廻すにあたり、僅かな脱脂剤や塩素を含む水道水の吸着や同伴は、理由は明確ではないが射出接合活性をやや低下させるようであった。従って、この工程はイオン交換水に溶解した酢酸等で洗浄し、更にイオン交換水で水洗して次工程に廻すのが好ましい。
【００２７】
〔液工程後半／本処理〕
前処理を終わった形状物をアンモニア、ヒドラジン、及び水溶性アミン化合物から選択される１種以上の水溶液に浸漬させる。前工程で得た形状物のアルミニウム合金面をこれら弱塩基性水溶液で微細エッチングし、同時にこれら窒素含有化合物を吸着させるのがこの工程の目的である。
窒素含有化合物としては、広い意味のアミン系化合物と言えるアンモニア、ヒドラジンも加え、メチルアミン、ジメチルアミン、トリメチルアミン、エチルアミン、ジエチルアミン、トリエチルアミン、エチレンジアミン、エタノールアミン、アリルアミン、エタノールアミン、ジエタノールアミン、トリエタノールアミン、その他の水溶性アミン類が使用できる。
蒸気圧の高いアンモニアや低級アミン類は水溶液としても刺激臭や悪臭があるので工業的な使用は困難であり、本発明者らはヒドラジンや蒸気圧の低いアミン系化合物が実際の使用に当たって好ましいと考えている。
【００２８】
ヒドラジンを使用する場合について述べる。濃度は水和ヒドラジンとして２〜４％の物が好ましく、液温は５０〜７０℃として数分浸漬する。液は弱塩基性であり、僅かにアルミニウム合金の露出部から発泡するのが観察できる。浸漬を終了したらイオン交換水で十分に水洗し温風乾燥機で乾燥する。
この本処理で使用する水溶性アミン系化合物の水溶液は弱塩基性であるから、アルマイト層を若干でも溶解する可能性がある。本処理に至る前に封孔部が既に破れた箇所や封孔部が薄くなっている箇所では本処理で更に壊れがひどくなる可能性があったが、実際に本処理を行ってみると色調が変化するほどのことは殆ど起こらなかった。それでも、本処理はアルミニウム酸化物や水酸化物が溶け易い塩基性水溶液にアルマイト化形状物を浸漬する工程であるので、当初のアルマイト化にて封孔をしっかり行っておくことはやはり重要である。
【００２９】
〔熱可塑性樹脂組成物〕
射出成形に使用する熱可塑性樹脂組成物について述べる。
熱可塑性樹脂組成物としては、ポリアルキレンテレフタレート、ポリアリレンサルファイド、及びこれらの共重合体を主成分として含むものが使用できる。さらに、ＰＢＴ（ポリブチレンテレフタレート）、又はＰＰＳ（ポリフェニレンサルファイド）を主成分として含む樹脂組成物が使用でき、樹脂分としてＰＢＴ、ＰＰＳ以外にポリカーボネート（以下、「ＰＣ」という。）、アクリロニトリル・ブタジエン・スチレン樹脂（以下「ＡＢＳ」という。）、ポリエチレンテレフタレート（以下、「ＰＥＴ」という。）、ポリスチレン（以下「ＰＳ」という。）、ポリオレフィン、及びこれらの共重合体を成分として含む熱可塑性樹脂組成物から選択される１種以上の熱可塑性樹脂組成物が好ましく使用できる。
【００３０】
また、フィラーの大量含有はアルミニウム合金と熱可塑性樹脂組成物の線膨張率を近づけることができ、一体化後の温度変化に耐えさせることができるので非常に重要である。フィラーとしては、ガラス繊維、炭素繊維、アラミド繊維、その他これらに類する繊維系フィラー、又、炭酸カルシウム、炭酸マグネシウム、シリカ、タルク、ガラス、粘土等の粉フィラー、又、炭素繊維やアラミド繊維の粉砕物、その他類する樹脂充填用フィラーが使用できる。フィラーを含まない場合でも強固に接合し、アルミニウム合金に接合した樹脂成形物を取り去るには非常に強い力が必要である。しかしながら、成形された複合体を温度サイクル試験にかけると、フィラーを含まない樹脂の系では両者の線膨張率が離れ過ぎているので温度変化のサイクルを重ねるに従って次第に接合強度が低下する。
【００３１】
線膨張率に関し具体例に述べると、アルミニウム合金は２．５×１０−５℃−１程度であり、純ＰＢＴのそれは９〜１０×１０−５℃−１とアルミニウム合金の数倍の大きさである。樹脂の線膨張率を下げるために混ぜるフィラーの量はかなり多くする必要があり、少なくとも組成物中のフィラー含有率は２５％以上、好ましくは３０〜４５％の物が使用に適している。
【００３２】
また、樹脂組成物とアルミニウム合金とを強力に接合するには、樹脂の成形収縮率も重要な要素になる。簡単な計算をしてみる。接合が金型温度、例えば１３０℃と同レベルの温度でなされたとして、接合後に室温まで放冷された場合を考えると、アルミニウム合金は１１０〜１２０℃冷えることになるから、その放冷縮み率は線膨張率と低下した温度の積から約０．３％と計算される。一方、ＰＢＴ樹脂単独の成形収縮率は０．９〜１．０％もあり金属側の放冷縮み率より遥かに大きい。実際には、前記のように線膨張率を合わすためにフィラー類が３０〜４０％含まれた組成物を使うとして、成形収縮率は０．５〜０．７％になるがこれではまだやや大きい。結晶性ポリマーであるＰＢＴやＰＰＳは元々成形収縮率が大きいので、フィラー以外にその他のポリマー、上手く混ざるようであれば成形収縮率の小さい非晶性ポリマーを混入させることが更に成形収縮率を下げる要素になり好ましい。
【００３３】
現在、成形収縮率をアルミニウム合金並みの０．３％にまで下げることには成功してないが、０．４〜０．６％程度までは下げることができている。約０．５％であれば強い接合力によって内部歪を含みつつも射出接合後約１日（ほぼ完全に成形収縮が終わる時間）にて問題は生じないようにできている。このような一体化品は、高温の熱風乾燥機に投入しても拡大する内部歪を押さえ込むことができ、数十分アニールすることで樹脂が僅かに軟化し、遂には内部歪をほぼ解消して丈夫な一体化物にすることができる。
【００３４】
〔成形／射出成形〕
射出成形金型を用意し、金型を開いてその一方にアルミニウム合金形状物をインサートし、金型を閉め、前記の熱可塑性樹脂組成物を射出し、金型を開き離型する方法である。射出成形は、樹脂形状の自由度、生産性などを勘案すれば最も優れた成形法である。大量生産では、インサート用にロボットを用意すればよい。
次に、射出条件について述べる。樹脂組成物単独の射出成形時とほぼ同様の条件で十分な接着効果が発揮できるが、接合力を上げるために若干のポイントがある。即ち、原理的には高温の溶融樹脂が高圧でアルミニウム合金部分と接触することが必要である。それゆえ、金型にはまず十分なガス抜きを付けて溶融樹脂が円滑にアルミニウム合金面に到達するようにすること、金型温度は高くすること、射出圧力も高い方がよいというのが原則である。ただ、ＰＰＳ系樹脂の方は、結晶化速度が異常に速くて若干様子が異なり、金型温度を上げ過ぎると接合力が低下することがある。試作により最適金型温度を探ってから実施することが必要である。
【００３５】
〔作用〕
本発明によれば、アルマイト化されたアルミニウム合金形状物をスタート物質として使用し、このアルマイト化アルミニウム合金形状物と、ＰＢＴ系、又はＰＰＳ系樹脂組成物等の熱可塑性樹脂組成物とをインサート射出成形により強固に射出接合することができる。実用的には、使用する樹脂組成物として高濃度のフィラー、及びその他の熱可塑性樹脂を若干含むコンパウンドが好ましい。
アルマイト層を剥がし地肌が出たアルミニウム合金をアミン系化合物の水溶液に浸漬する等の液処理を行うと、合金表面は微細にエッチング処理されると同時に化学的にも変化して親ＰＢＴ面、親ＰＰＳ面になる。また、この液処理においては、アルマイト表面は殆ど変化しない。この双方の事柄から、アルマイト表面と地肌が出たアルミニウム合金表面との共存物を液処理して合金表面のみを親ＰＢＴ面、親ＰＰＳ面とすることができた。この親ＰＢＴ面、親ＰＰＳ面にＰＢＴやＰＰＳを射出すると、強固に接合することができる。
【００３６】
本発明を使用することで、モバイル電子機器や家電機器の軽量化や、車載機器や部品の軽量化、ロボットの腕や足の軽量化、その他多くの分野で、綺麗な着色アルマイト表面で軽量な部品、筐体を供給するのに役立つことができる。
【発明の効果】
【００３７】
本発明のアルマイト化アルミニウム合金と樹脂の複合体とその製造方法によれば、電子機器や家電機器等において、金属製筐体の良さと合成樹脂構造の良さとを両立させ、外観が綺麗で生産性が高く、量産性があり、形状、構造の設計自由度が高いアルマイト化アルミニウム合金と樹脂の複合体を提供することができる。また、電子機器や家電機器のみに囚われず、各種部品、構造物における軽量高強度化に役立つアルマイト化アルミニウム合金と樹脂の複合体を製造することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３８】
以下、本発明を実施するための最良の形態を実施例に代えて詳記する。
〔実施例１〕
市販の３ｍｍ厚のＡ５０５２アルミニウム合金板を購入し、２５ｍｍ×１００ｍｍの長方形片多数に切断した。このアルミニウム合金片をライトウイン社（神奈川県川崎市）に依頼し、通常の黒着色アルマイト化を実施した。アルマイト化による酸化物皮膜厚は約２０μｍとし、使用した染料はブルーブラックをベースにしたアルマイト用黒染料（奥野製薬社製）で、封孔処理は通常９５℃で浸漬１０分行っているものを浸漬時間４５分に延ばして行った。
【００３９】
この黒アルマイト片１０個に対し、図１に示すように、２３ｍｍ×８ｍｍの広さで回転砥石を用いて酸化物皮膜を削り取った。削り取った深さは平均約０．１ｍｍであった。
この合金片１０個を塩化ビニルで全面コートしたステンレス針金製の浸漬治具に入れ、７５℃に保持した市販のアルミニウム用脱脂剤水溶液に５分間浸漬し、取り出して水道水で水洗した。次に、４０℃に保持した３％濃度の酢酸と３％濃度の塩化アンモニウムを含む水溶液に６０分浸漬し、水道水で水洗した。続いて、４０℃に保持した別の３％濃度の酢酸水溶液に１分浸漬し、イオン交換水で水洗した。さらに、６０℃に保持した３．5％濃度の一水和ヒドラジン水溶液に１分浸漬し、続いて４０℃に保持した０．５％濃度の一水和ヒドラジン水溶液に０．５分浸漬してイオン交換水で水洗した。次に、４０℃の温風乾燥機中に治具ごと入れて１５分間置き、更に６０℃の温風乾燥機に移して５分放置し乾燥した。乾燥後の合金片を観察したがアルマイト部分に変色は見られなかった。
【００４０】
また、合金片２０枚全体をチャック付きポリ袋内に入れて封止し、保管した。保管２日後、合金片を取り出し、アルマイト部分を摘まんで１４０℃に保った射出成形金型にインサートした。金型を閉め、図２に示すように、ガラス繊維２０％、微粉ガラス２０％含有のＰＢＴ／ＰＥＴ樹脂（ＰＢＴ約８５％とＰＥＴ約１５％、元樹脂は三菱レイヨン社製）を射出口３から射出温度２７０℃でアルミニウム金属露出部に射出し、アルマイト化アルミニウム合金片１と合成樹脂板２とから成る複合体を得た。翌日、この複合体を１５０℃に制御している熱風乾燥機に投入し、１時間放置し（アニールし）て取り出した。
得られた複合体１０個のアルマイト表面の外観は特に問題なかった。この１０個全てを引っ張り破断試験機で破断したところ、３００〜３６０Ｋｇｆで破断した。せん断破断でなく、全てが樹脂部が折れての破断であって、接合力が非常に高いことが分かった。
【００４１】
〔実施例２〕
実施例１と同じ３ｍｍ厚のＡ５０５２アルミニウム合金板で２５ｍｍ×１００ｍｍの長方形片の物を使用した。このアルミニウム片を実施例１と同様に黒着色アルマイト化した。このアルマイト片に対し、図１に示すように２３ｍｍ×８ｍｍの広さで、ＹＡＧレーザーを濃密にスキャンするレーザ加工法により酸化物層皮膜を溶解させ破壊した。その後の処理工程は実施例１と全く同様の方法で行い、アルマイト片とＰＢＴ系樹脂組成物と射出接合し、アニールした。
得られた複合体１０個のアルマイト表面の外観は特に問題なかった。この１０個全てを引っ張り破断試験機で破断したところ、２００〜２６０Ｋｇｆで破断した。全てがせん断破断であったが、接合力は十分高かった。
【００４２】
〔実施例３〕
実施例１と同じ３ｍｍ厚のＡ１１００アルミニウム合金板で２５ｍｍ×１００ｍｍの長方形片の物を使用した。このアルミニウム片を実施例１と全く同様にして黒着色アルマイト化した。このアルマイト片１０個に対し、図１に示すように２３ｍｍ×８ｍｍの広さで、回転砥石を使用してアルマイト層を破壊した。削り取った厚さは約０．１ｍｍであった。この片１０個を実施例１と全く同様にして液処理し乾燥した。乾燥後の金属片を観察したがアルマイト部分に何ら変色は見られなかった。
また、金属片２０枚全体をアルミ箔で包みチャック付きポリ袋に入れてチャックをして保管した。保管２日後、金属片を取り出し、油分等が付着せぬよう手袋で摘まんで１３０℃に保った射出成形金型にインサートした。金型を閉め、ガラス繊維３０％含有のＰＰＳ／ポリオレフィン樹脂（ＰＰＳ約８５％とポリオレフィンエラストマー約１５％、元樹脂は東ソー社製）を射出温度２９５℃で金属露出部に射出し、図２に示すような複合体を得た。翌日、この複合体を１７０℃に制御している熱風乾燥機に投入して１時間放置し（アニールし）、取り出した。
【００４３】
この１０個全てを引っ張り破断試験機で破断したところ、３４０〜３６０Ｋｇｆで破断した。せん断破断ではなく全てが樹脂部が折れて破断したので、接合力は非常に高いことが分かった。これらの実施例によって製造した複合体は、アルマイト化アルミニウム合金と熱可塑性樹脂組成物とが容易に剥がれることなく一体に接合されている。
即ち、アルミニウム側のスタート物質として着色アルマイトが使え、得た製品の外観は綺麗な着色アルマイトのままである。したがって、アルマイト化アルミニウム合金に、綺麗かつ軽量で、形状の自由度が高い樹脂部が接合しており、その接合強度上でも問題がなく、各種電子機器の筐体、部品、構造物等を作ることができる。また、本実施例によって製造した複合体は、筐体、部品、構造物を綺麗かつ軽量に製造しうるばかりでなく、機器製造工程の簡素化にも役立つものである。
【図面の簡単な説明】
【００４４】
【図１】実施例に用いるアルマイト化アルミニウム合金片を示す斜視図である。
【図２】アルマイト化アルミニウム合金片と合成樹脂板とを射出接合した引張試験片の形状を示す斜視図である。
【符号の説明】
【００４５】
１ アルマイト化アルミニウム合金片
２ 合成樹脂板
３ 射出口
【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくとも、陽極酸化処理工程、被接合部分の酸化物層皮膜を機械的方法により破壊する工程、酸性水溶液に接触させるエッチング工程、並びに
アンモニア、ヒドラジン、及び水溶性アミン化合物から選択される１種以上と接触させる工程を経たアルマイト化アルミニウム合金形状物と、
ポリアルキレンテレフタレート、ポリアリレンサルファイド、及びこれらの共重合体を主成分として含む熱可塑性樹脂組成物から選択される１種以上の熱可塑性樹脂組成物とが、前記酸化物層皮膜を破壊した被接合部分において一体に接合していることを特徴とするアルマイト化アルミニウム合金と樹脂の複合体。
【請求項２】
少なくとも、陽極酸化処理工程、被接合部分の酸化物層皮膜をレーザー加工法により破壊する工程、酸性水溶液に接触させるエッチング工程、並びに
アンモニア、ヒドラジン、及び水溶性アミン化合物から選択される１種以上と接触させる工程を経たアルマイト化アルミニウム合金形状物と、
ポリアルキレンテレフタレート、ポリアリレンサルファイド、及びこれらの共重合体を主成分として含む熱可塑性樹脂組成物から選択される１種以上の熱可塑性樹脂組成物とが、前記酸化物層皮膜を破壊した被接合部分において一体に接合していることを特徴とするアルマイト化アルミニウム合金と樹脂の複合体。
【請求項３】
前記レーザー加工法に用いるレーザーがＹＡＧレーザーであることを特徴とする請求項２に記載のアルマイト化アルミニウム合金と樹脂の複合体。
【請求項４】
アルミニウム合金形状物を陽極酸化処理するアルマイト化工程と、
アルマイト化アルミニウム合金形状物の被接合部分に形成された酸化物層皮膜を破壊する工程と、
酸性水溶液に接触させてエッチング処理する工程と、
アンモニア、ヒドラジン、及び水溶性アミン化合物から選択される１種以上と接触させる工程と、
成形金型内に前記接触工程を経たアルマイト化アルミニウム合金形状物を収容し、熱可塑性樹脂組成物を射出して、前記酸化物層皮膜を破壊した被接合部分に樹脂成形物を接合して一体化する工程とを有する
ことを特徴とするアルマイト化アルミニウム合金と樹脂の複合体の製造方法。
【請求項５】
前記酸化物層皮膜を破壊する工程が機械的方法により行われることを特徴とする請求項４に記載のアルマイト化アルミニウム合金と樹脂の複合体の製造方法。
【請求項６】
前記酸化物層皮膜を破壊する工程がレーザー加工法により行われることを特徴とする請求項４に記載のアルマイト化アルミニウム合金と樹脂の複合体の製造方法。
【請求項７】
前記レーザー加工法に用いるレーザーがＹＡＧレーザーであることを特徴とする請求項６に記載のアルマイト化アルミニウム合金と樹脂の複合体の製造方法。
【請求項８】
前記熱可塑性樹脂組成物が、ポリアルキレンテレフタレート、ポリアリレンサルファイド、及びこれらの共重合体を成分として含む熱可塑性樹脂組成物から選択される１種以上の熱可塑性樹脂組成物であることを特徴とする請求項４ないし請求項７から選択される１項に記載のアルマイト化アルミニウム合金と樹脂の複合体の製造方法。
【請求項９】
前記アルマイト化工程は封孔工程を有し、該封孔工程はアルミニウム合金形状物を８５℃以上の水溶液に３０分以上浸漬するようにしたことを特徴とする請求項４ないし請求項８から選択される１項に記載のアルマイト化アルミニウム合金と樹脂の複合体の製造方法。
【請求項１０】
前記アルマイト化工程は封孔工程を有し、該封孔工程はアルミニウム合金形状物を１００℃以上の水蒸気中で５分以上放置するようにしたことを特徴とする請求項４ないし請求項８から選択される１項に記載のアルマイト化アルミニウム合金と樹脂の複合体の製造方法。
【請求項１】
少なくとも、陽極酸化処理工程、被接合部分の酸化物層皮膜を機械的方法により破壊する工程、酸性水溶液に接触させるエッチング工程、並びに
アンモニア、ヒドラジン、及び水溶性アミン化合物から選択される１種以上と接触させる工程を経たアルマイト化アルミニウム合金形状物と、
ポリアルキレンテレフタレート、ポリアリレンサルファイド、及びこれらの共重合体を主成分として含む熱可塑性樹脂組成物から選択される１種以上の熱可塑性樹脂組成物とが、前記酸化物層皮膜を破壊した被接合部分において一体に接合していることを特徴とするアルマイト化アルミニウム合金と樹脂の複合体。
【請求項２】
少なくとも、陽極酸化処理工程、被接合部分の酸化物層皮膜をレーザー加工法により破壊する工程、酸性水溶液に接触させるエッチング工程、並びに
アンモニア、ヒドラジン、及び水溶性アミン化合物から選択される１種以上と接触させる工程を経たアルマイト化アルミニウム合金形状物と、
ポリアルキレンテレフタレート、ポリアリレンサルファイド、及びこれらの共重合体を主成分として含む熱可塑性樹脂組成物から選択される１種以上の熱可塑性樹脂組成物とが、前記酸化物層皮膜を破壊した被接合部分において一体に接合していることを特徴とするアルマイト化アルミニウム合金と樹脂の複合体。
【請求項３】
前記レーザー加工法に用いるレーザーがＹＡＧレーザーであることを特徴とする請求項２に記載のアルマイト化アルミニウム合金と樹脂の複合体。
【請求項４】
アルミニウム合金形状物を陽極酸化処理するアルマイト化工程と、
アルマイト化アルミニウム合金形状物の被接合部分に形成された酸化物層皮膜を破壊する工程と、
酸性水溶液に接触させてエッチング処理する工程と、
アンモニア、ヒドラジン、及び水溶性アミン化合物から選択される１種以上と接触させる工程と、
成形金型内に前記接触工程を経たアルマイト化アルミニウム合金形状物を収容し、熱可塑性樹脂組成物を射出して、前記酸化物層皮膜を破壊した被接合部分に樹脂成形物を接合して一体化する工程とを有する
ことを特徴とするアルマイト化アルミニウム合金と樹脂の複合体の製造方法。
【請求項５】
前記酸化物層皮膜を破壊する工程が機械的方法により行われることを特徴とする請求項４に記載のアルマイト化アルミニウム合金と樹脂の複合体の製造方法。
【請求項６】
前記酸化物層皮膜を破壊する工程がレーザー加工法により行われることを特徴とする請求項４に記載のアルマイト化アルミニウム合金と樹脂の複合体の製造方法。
【請求項７】
前記レーザー加工法に用いるレーザーがＹＡＧレーザーであることを特徴とする請求項６に記載のアルマイト化アルミニウム合金と樹脂の複合体の製造方法。
【請求項８】
前記熱可塑性樹脂組成物が、ポリアルキレンテレフタレート、ポリアリレンサルファイド、及びこれらの共重合体を成分として含む熱可塑性樹脂組成物から選択される１種以上の熱可塑性樹脂組成物であることを特徴とする請求項４ないし請求項７から選択される１項に記載のアルマイト化アルミニウム合金と樹脂の複合体の製造方法。
【請求項９】
前記アルマイト化工程は封孔工程を有し、該封孔工程はアルミニウム合金形状物を８５℃以上の水溶液に３０分以上浸漬するようにしたことを特徴とする請求項４ないし請求項８から選択される１項に記載のアルマイト化アルミニウム合金と樹脂の複合体の製造方法。
【請求項１０】
前記アルマイト化工程は封孔工程を有し、該封孔工程はアルミニウム合金形状物を１００℃以上の水蒸気中で５分以上放置するようにしたことを特徴とする請求項４ないし請求項８から選択される１項に記載のアルマイト化アルミニウム合金と樹脂の複合体の製造方法。
【図１】
【図２】
【図２】
【公開番号】特開２００６−１２１６（Ｐ２００６−１２１６Ａ）
【公開日】平成１８年１月５日（２００６．１．５）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００４−１８２００２（Ｐ２００４−１８２００２）
【出願日】平成１６年６月２１日（２００４．６．２１）
【出願人】（０００２０６１４１）大成プラス株式会社 (87)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成１８年１月５日（２００６．１．５）
【国際特許分類】
【出願日】平成１６年６月２１日（２００４．６．２１）
【出願人】（０００２０６１４１）大成プラス株式会社 (87)
【Ｆターム（参考）】
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