JP2012193448A - ステンレス鋼と樹脂の複合体及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】接合強度及び操作性を向上でき、且つステンレス鋼基材の外観を損なわないステンレス鋼と樹脂の複合体及びその製造方法を提供すること。
【解決手段】本発明に係るステンレス鋼と樹脂の複合体は、陽極酸化処理によって、平均内径が１００〜５００ｎｍである無数の微細孔を有する膜層により表面が被覆されている形状化されたステンレス鋼基材と、結晶型熱可塑性樹脂を主成分とし、且つ射出成形によって前記表面の微細孔内に嵌め込まれて、前記ステンレス鋼基材と一体に接合される樹脂部材と、を備える。
【選択図】図２

Description

本発明は、ステンレス鋼と樹脂の複合体及びその製造方法に関し、特に強い接合力を有するステンレス鋼と樹脂の複合体及びこの複合体の製造方法に関するものである。

ステンレス鋼は、優れた耐食性、耐摩耗性及び機械加工性を有し、また、表面の光沢がよく、且つ無毒無害であるため、電子製品のケース体或いは内部部品として広く用いられている。

金属と合成樹脂を一体化する技術の発展は、自動車、家庭電化製品、通信装置等の部品製造業等の幅広い産業分野で期待されている。現在、金属の高強度性及び樹脂の成形性を利用した金属と合成樹脂の接合技術には、接着剤を利用する粘着法或いはインモールド射出成形法等がある。しかし、従来の技術には、接合強度が低い問題がある。従って、より合理的な接合方法が従来から研究されて来た。

例えば、特許文献１には、所定の形状に加工された後に表面が化学エッチングされ、直径２０〜７０ｎｍの粒径物又は不定多角形状物が積み重なったような超微細凹凸面である前記表面で、実質的に全面が覆われているステンレス鋼製の鋼材部品と、前記超微細凹凸面に、ポリフェニレンサルファイド樹脂を主成分とする第１樹脂組成物、ポリブチレンテレフタレート樹脂を主成分とする第２樹脂組成物、及び、芳香族ポリアミド樹脂を主成分とする第３樹脂組成物から選択される１種とが射出成形により直接的に接合されたものと、からなる金属と樹脂の複合体が記載されている。

多くの研究の結果、ステンレス鋼を一定の条件下で化学エッチングすることにより、適度な表面粗度を形成した後、インモールド射出成形法を介して、ステンレス鋼を樹脂部材と強固に一体化接合することができるということがわかったが、従来の化学エッチング法の反応温度は８０℃以上にも達するので、操作性が悪く、且つエッチング処理された後のステンレス鋼の表面が黒くなることもあり、製品の外観を損なう。

国際公開第２００８／０８１９３３号

本発明は、上記従来の問題点に鑑みてなされたものであって、接合強度及び操作性を向上でき、且つステンレス鋼基材の外観を損なわないステンレス鋼と樹脂の複合体及びその製造方法を提供することである。

上記の目的を達成するために、本発明に係るステンレス鋼と樹脂の複合体は、陽極酸化処理によって、平均内径が１００〜５００ｎｍである無数の微細孔を有する膜層により表面が被覆された、形状化されたステンレス鋼基材と、結晶型熱可塑性樹脂を主成分とし、且つ射出成形によって前記表面の微細孔内に嵌め込まれて、前記ステンレス鋼基材と一体に接合される樹脂部材と、を備える。

また、上記の目的を達成するために、本発明に係るステンレス鋼と樹脂の複合体の製造方法は、形状化されたステンレス鋼基材を用意する工程と、前記ステンレス鋼基材を活性化処理して、その表面に形成された自然酸化物皮膜を除く工程と、活性化処理を経た前記ステンレス鋼基材に対して、陽極酸化処理を行うことによって、前記ステンレス鋼基材の表面に平均内径が１００〜５００ｎｍである無数の微細孔を有する膜層を形成する工程と、陽極酸化処理を経た前記ステンレス鋼基材を射出成形金型内に嵌め込んで、前記ステンレス鋼基材の膜層に、溶融した結晶型熱可塑性樹脂を注入し、且つ溶融樹脂を前記ステンレス鋼基材の表面に形成された微細孔に侵入させた後、前記溶融樹脂を硬化して樹脂部材を成形する工程と、を備える。

従来の技術と比較して、本発明に係るステンレス鋼と樹脂の複合体は、その表面が陽極酸化処理によって、無数の微細孔を有する膜層により被覆される。前記微細孔が存在することから、射出成形の時に、溶融樹脂が前記微細孔内に侵入するため、ステンレス鋼基材と樹脂部材の接合力が大幅に向上する。また、本発明のステンレス鋼と樹脂の複合体の製造方法は、従来の化学エッチングに比べて、反応システムの温度が低いため、操作性が向上し、且つ電子製品の外観の色にも影響しない。また、本発明の陽極酸化成膜法において、陽極酸化する時に必要な時間は１〜３分のみであるので、製造工程の時間を節約することができる。

本発明の実施形態に係るステンレス鋼と樹脂の複合体の断面図である。 本発明の実施形態に係るステンレス鋼基材が陽極酸化処理を経た後の電子顕微鏡写真である。

図１に示したように、本発明の実施形態に係るステンレス鋼と樹脂の複合体１００は、形状化されたステンレス鋼基材１１及び射出成形により前記ステンレス鋼基材１１に一体に接合される樹脂部材１３を備える。

前記ステンレス鋼基材１１は、Ｃｒ系ステンレス鋼、Ｃｒ−Ｎｉ系ステンレス鋼及び他の公知のステンレス材料である。例えば、日本工業規格（ＪＩＳ）で規定されているＳＵＳ４０５、ＳＵＳ４２９、ＳＵＳ４０３等のＣｒ系ステンレス鋼であり、或いはＳＵＳ３０４Ｌ、ＳＵＳＬ、ＳＵＳ３０６Ｌ等のＣｒ−Ｎｉ系ステンレス鋼であることができる。

図２に示したように、前記ステンレス鋼基材１１の表面には、孔だらけの膜層１１２が形成されている。前記膜層１１２は、輪郭曲線の算術平均高さ（Ｒａ）が０．２〜１．０μｍであり、輪郭曲線の最大高さ（Ｒｚ）が２．５〜５．０μｍであり、且つ輪郭曲線要素の平均長さ（ＲＳｍ）が３０〜５０μｍである粗度を有する。さらに、前記膜層１１２には、形状が不規則である複数の微細孔１１４が形成されており、前記微細孔１１４の平均直径は、１００〜５００ｎｍである。

前記膜層１１２は、主に大量の鉄（Ｆｅ）、クロム（Ｃｒ）、ニッケル（Ｎｉ）、酸素（Ｏ）元素及び少量の塩素（Ｃｌ）、窒素（Ｎ）元素により構成され、これらの元素は、酸化鉄、酸化ニッケル、塩化クロム及び塩化ニッケル等の化合物の形式で存在する。前記膜層１１２の厚さは、約０．７〜１．５μｍであり、且つ前記ステンレス鋼基材１１に対して陽極酸化処理を行うことにより形成される。

前記樹脂部材１３は、射出成形の方式で前記微細孔１１４内に侵入することによって、前記ステンレス鋼基材１１に接合される。前記樹脂部材１３の材料は、ポリフェニレンスルフィド（ＰＰＳ）、ポリアミド（ＰＡ）或いはポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）等の高流動性を有する結晶型熱可塑性樹脂を主成分とする。また、ポリフェニレンスルフィド樹脂を採用する場合、その中に重量比が２５重量％〜３５重量％のガラス繊維を添加して副成分とすることができる。

本発明の実施形態に係るステンレス鋼と樹脂の複合体の製造方法は、以下の工程を備える。

第１の工程では、機械加工により所望の形状に成形されたステンレス鋼基材１１を用意する。

第２の工程では、前記ステンレス鋼基材１１に対して脱脂処理を行って、その表面を清潔にする。この工程は、通例の方法を採用する。例えば、市販のステンレス鋼専用の脱脂剤或いは常用の中性洗剤を水溶液に混ぜた後、前記ステンレス鋼基材１１を前記水溶液に入れて数分或いは十数分浸漬する。それから、前記ステンレス鋼基材１１を精製水で洗う。

第３の工程では、脱脂処理を経た前記ステンレス鋼基材１１に、さらに活性化処理を行って、その表面に形成された酸化物皮膜を除く。前記活性化処理は、具体的に、前記ステンレス鋼基材１１を室温下で酸性溶液に約１〜２分浸漬してから、前記ステンレス鋼基材１１を取り出して洗浄する。前記酸性溶液は、硫酸或いは塩酸の水溶液であることができる。塩酸は揮発し易いので、本発明の実施形態においては、硫酸溶液を選択して使用する。前記硫酸溶液の中の硫酸の質量濃度は、１５％〜３５％である。本発明の実施形態においては、質量濃度が１５％の硫酸溶液を採用し、浸漬時間を１分とする。前記活性化処理は、前記ステンレス鋼基材１１の表面を被覆する自然酸化物皮膜を取り除くだけであり、前記ステンレス鋼基材１１自体をエッチングするのではない。即ち、活性化処理された前記ステンレス鋼基材１１の表面には、孔は形成されない。活性化処理が終わった後、前記ステンレス鋼基材１１を精製水で洗う。

第４の工程では、活性化処理を経た前記ステンレス鋼基材１１に対して、陽極酸化成膜処理を行う。具体的には、前記ステンレス鋼基材１１を陽極、チタン板を陰極とし、硝酸、三価の塩化鉄及び添加剤を含有する酸性電解液を通電して行う。前記酸性電解液において、硝酸の質量濃度は１％〜１０％であり、三価の塩化鉄の質量濃度は１０％〜１００％である。前記添加剤は、体積濃度が１〜１０ｇ／Ｌのチオカルバミド（ｔｈｉｏｃａｒｂａｍｉｄｅ）或いは体積濃度が４〜４０ｇ／Ｌの酒石酸カリウムナトリウム（Ｐｏｔａｓｓｉｕｍ ｓｏｄｉｕｍ ｔａｒｔｒａｔｅ）を採用することができる。陽極酸化する時に必要とする通電時間は１〜３分であり、前記電解液、前記ステンレス鋼基材１１及び前記陰極を通過する電流の密度は１〜１０Ａ／ｄｍ^２である。また、陽極酸化している間の前記酸性電解液の温度は、１５〜６０℃に保つようにする。最後に、前記ステンレス鋼基材１１をよく水洗した後、乾燥させる。

図２に示したように、走査型電子顕微鏡で陽極酸化された前記ステンレス鋼基材１１を観察すると、その表面には膜層１１２が形成されている。前記膜層１１２には、形状が不規則である微細孔１１４が無数に存在している。前記微細孔１１４の平均直径は、１００〜５００ｎｍである。本発明の実施形態においては、日本電子株式会社（ＪＥＯＬ）製造の製品名ＪＳＭ−６７００Ｆの走査型電子顕微鏡を使用する。

第５の工程では、射出成形金型を用意して、陽極酸化処理された後の前記ステンレス鋼基材１１を前記射出成形金型内にインサートして、前記射出成形金型のキャビティーに、溶融した結晶型熱可塑性樹脂を注入し、且つ溶融樹脂を前記ステンレス鋼基材１１の表面に形成された微細孔１１４内に侵入させた状態で、前記溶融樹脂を硬化して、樹脂部材１３を成形する。この際、前記樹脂部材１３と前記ステンレス鋼基材１１は、一体に接合されて所望の複合体１００になる。前記射出接合工程で採用する熱可塑性樹脂は、ポリフェニレンスルフィド（ＰＰＳ）、ポリアミド（ＰＡ）或いはポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）等の高流動性を有する結晶型熱可塑性樹脂を主成分とする。また、ポリフェニレンスルフィド樹脂を選択した場合、その中に重量比が２５重量％〜３５重量％のガラス繊維を添加して副成分とすることができる。また射出する時は、前記射出成形金型の温度を１２０〜１４０℃の範囲内にコントロールする。

製造工程が終わった後、インストロン（ＩＮＳＴＯＲＯＮ）社製造の万能材料試験機を利用して、前記ステンレス鋼と樹脂の複合体１００に対して、抗張力及びせん断強度試験を行ったところ、その抗張力は１５ＭＰａに達し、せん断強度は２０〜３０ＭＰａになった。また、前記ステンレス鋼と樹脂の複合体１００を、温度が８５℃、相対湿度が８５％という条件下で７２時間保存しても、その抗張力及びせん断強度の明らかな低下はなかった。さらに、前記ステンレス鋼と樹脂の複合体１００に対して、冷熱衝撃試験（４８時間、−４０〜８５℃、４時間／サイクル、１２サイクル）を行った結果においても、その抗張力及びせん断強度も明らかな低下は見られなかった。

本発明に係るステンレス鋼と樹脂の複合体１００は、陽極酸化成膜処理を介して、前記ステンレス鋼基材１１の表面に平均内径が１００〜５００ｎｍであり且つ形状が不規則である無数の微細孔１１４を形成する。これにより、射出接合する際に、前記樹脂部材１３を構成する溶融樹脂が無数の前記微細孔１１４内に嵌め込まれて、前記ステンレス鋼基材１１と前記樹脂部材１３との接合力が大幅に向上する。また、本発明のステンレス鋼と樹脂の複合体の製造方法は、従来の化学エッチングに比べて、反応システムの温度が低いため、操作性が向上し、且つ電子製品の外観の色にも影響しない。また、本発明の陽極酸化成膜法において、陽極酸化する時に必要な時間は１〜３分のみであるので、製造工程の時間を節約することができる。

以上、本発明の好適な実施形態について詳細に説明したが、本発明は前記実施形態に限定されるものではなく、本発明の範囲内で種々の変形、又は修正が可能であり、該変形、又は修正も本発明の特許請求の範囲内に含まれるものであることはいうまでもない。

１１ ステンレス鋼基材
１３ 樹脂部材
１００ ステンレス鋼と樹脂の複合体
１１２ 膜層
１１４ 微細孔

Claims (9)

1. 陽極酸化処理によって、平均内径が１００〜５００ｎｍである無数の微細孔を有する膜層により表面が被覆されている、形状化されたステンレス鋼基材と、
   結晶型熱可塑性樹脂を主成分とし、且つ射出成形によって前記表面の微細孔内に嵌め込まれて前記ステンレス鋼基材と一体に接合される樹脂部材と、
   を備えることを特徴とするステンレス鋼と樹脂の複合体。
2. 前記膜層の輪郭曲線の算術の平均高さ（Ｒａ）は０．２〜１．０μｍで、輪郭曲線の最大高さ（Ｒｚ）は２．５〜５．０μｍで、且つ前記膜層が輪郭曲線要素の平均長さ（ＲＳｍ）が３０〜５０μｍである粗度を有することを特徴とする請求項１に記載のステンレス鋼と樹脂の複合体。
3. 前記樹脂部材は、ポリフェニレンスルフィドを主成分とし、且つその中には重量比が２５重量％〜３５重量％のガラス繊維が添加されていることを特徴とする請求項１から２の何れか一項に記載のステンレス鋼と樹脂の複合体。
4. ステンレス鋼基材の表面に形成された前記膜層は、主に鉄（Ｆｅ）、クロム（Ｃｒ）、ニッケル（Ｎｉ）及び酸素（Ｏ）元素により構成されることを特徴とする請求項１から３の何れか一項に記載のステンレス鋼と樹脂の複合体。
5. 形状化されたステンレス鋼基材を用意する工程と、
   前記ステンレス鋼基材を活性化処理して、その表面に形成された自然酸化物皮膜を除く工程と、
   活性化処理を経た前記ステンレス鋼基材に対して、陽極酸化処理を行うことによって、前記ステンレス鋼基材の表面に平均内径が１００〜５００ｎｍである無数の微細孔を有する膜層を形成する工程と、
   陽極酸化処理を経た前記ステンレス鋼基材を射出成形金型内にインサートして、前記ステンレス鋼基材の膜層に向かって溶融した結晶型熱可塑性樹脂を注入し、且つ前記溶融樹脂を前記ステンレス鋼基材の表面に形成された微細孔に侵入させた状態で、前記溶融樹脂を硬化して樹脂部材を成形する工程と、
   を備えることを特徴とするステンレス鋼と樹脂の複合体の製造方法。
6. 前記活性化処理は、前記ステンレス鋼基材を室温下で硫酸或いは塩酸を含有する水溶液に１〜２分浸漬することであり、硫酸溶液の場合、前記硫酸の質量濃度が１５％〜３５％であることを特徴とする請求項５に記載のステンレス鋼と樹脂の複合体の製造方法。
7. 前記陽極酸化処理は、前記ステンレス鋼基材を陽極とし、チタン板を陰極とし、硝酸、三価の塩化鉄及び添加剤を含有する酸性電解液を通電して行うことを特徴とする請求項５に記載のステンレス鋼と樹脂の複合体の製造方法。
8. 前記酸性電解液において、硝酸の質量濃度が１％〜１０％であり、三価の塩化鉄の質量濃度が１０％〜１００％であり、前記ステンレス鋼基材を通過する電流の密度は１〜１０Ａ／ｄｍ^２であり、陽極酸化する時に必要とする通電時間は１〜３分であり、且つ陽極酸化している間の前記酸性電解液の温度は１５〜６０℃に保たれることを特徴とする請求項７に記載のステンレス鋼と樹脂の複合体の製造方法。
9. 前記添加剤は、体積濃度が１〜１０ｇ／Ｌのチオカルバミド或いは体積濃度が４〜４０ｇ／Ｌの酒石酸カリウムナトリウムであることを特徴とする請求項７に記載のステンレス鋼と樹脂の複合体の製造方法。