JPH08259900A

JPH08259900A - 金属材料の接着方法

Info

Publication number: JPH08259900A
Application number: JP7002895A
Authority: JP
Inventors: Motohiro Yagi; 元裕八木; Motokazu Yuasa; 基和湯浅
Original assignee: Sekisui Chemical Co Ltd
Current assignee: Sekisui Chemical Co Ltd
Priority date: 1995-03-28
Filing date: 1995-03-28
Publication date: 1996-10-08

Abstract

(57)【要約】【目的】処理工程が簡易で後処理が不要であり、処理
効果が安定して発揮される金属材料の表面処理を行い、
これによる良好な金属材料の接着方法を提供する。【構成】エポキシ系接着剤を金属材料の被着面に塗布
し、その後、金属材料を被着体に接着する金属材料の接
着方法において、前記エポキシ系接着剤を塗布する前
に、低温プラズマ処理容器の内部に、不活性ガス、又
は、酸素含有ガス、酸素含有ガス及びふっ素含有ガス、
若しくは、窒素及び水素からなるガスからなる処理用ガ
スを充満させ、１×１０^-4〜１００Ｔｏｒｒの圧力下
で、電極に電圧を印加し、発生したグロー放電プラズマ
を前記金属材料の被着面に接触させる金属材料の接着方
法。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、金属材料の接着方法に
関する。

【０００２】

【従来の技術】金属材料に対する接着性が優れた接着剤
として、エポキシ系接着剤がよく知られている。しか
し、エポキシ系接着剤を接着剤として用いる場合であっ
ても、金属材料の被着面が無処理の状態であれば、被着
面上の薄い汚染膜や水層等が原因となり、良好な接着性
が得られにくくなる。

【０００３】「表面処理技術総覧：昭和６２年１２月２
１日初版、色材協会誌６６（１０），１９９３」には、
ブラスト処理法、酸・アルカリ洗浄処理法、化成処理
法、シランカップリング剤処理法等が、金属材料の被着
面を良好な状態に改質する方法として報告されている。

【０００４】しかし、ブラスト処理法は、粒状の研磨材
を金属材料表面に高速で衝突させてその表面を粗面化す
る方法であるので、研磨材により作業環境の悪化や金属
部材の汚れが生じ、金属材料の被着面が微細に変形する
場合もある。

【０００５】酸・アルカリ洗浄処理法、化成処理法は、
強酸溶液又は強アルカリ溶液を用いる方法であるので、
作業環境の悪化、処理後の金属部材の洗浄が必要とな
り、これに伴う公害対策に多大な費用が必要になる等の
問題がある。

【０００６】また、シランカップリング剤処理法におい
ては、シランカップリング剤が水と容易に反応してその
活性を失うため、金属材料の被着面を良好な状態に改質
する効果が得られにくい。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】本発明は、上記に鑑
み、処理工程が簡易で後処理が不要であり、処理効果が
安定して発揮される金属材料の表面処理を行い、これに
よる良好な金属材料の接着方法を提供することを目的と
する。

【０００８】

【課題を解決するための手段】本発明の要旨は、エポキ
シ系接着剤を金属材料の被着面に塗布し、その後、金属
材料を被着体に接着する金属材料の接着方法において、
前記エポキシ系接着剤を塗布する前に、低圧プラズマ処
理容器の内部に、不活性ガス、又は、酸素含有ガス、酸
素含有ガス及びふっ素含有ガス、若しくは、窒素及び水
素からなるガスからなる処理用ガスを充満させ、１×１
０^-4〜１００Ｔｏｒｒの圧力下で、電極に電圧を印加
し、発生したグロー放電プラズマを前記金属材料の被着
面に接触させるところに存する。

【０００９】本発明で使用される低圧プラズマ処理容器
としては特に限定されず、例えば、上部電極と下部電極
とからなる一対の金属電極、前記上部電極と前記下部電
極との間に設置された金属材料、前記金属材料の被着面
に対向する前記金属電極に配設された固体誘電体、放電
プラズマ発生部、ガス導入管、ガス排出口、電源等を備
えたもの等が挙げられる。

【００１０】上記不活性ガスとしては特に限定されず、
例えば、ヘリウムガス、ネオンガス、アルゴンガス、キ
セノンガス等が挙げられる。上記不活性ガスとして質量
の大きなガスを使用した場合、被着面での接着性が向上
するが、価格面から、ネオンガス、アルゴンガス等が好
ましい。

【００１１】上記酸素含有ガスとしては特に限定され
ず、例えば、酸素、オゾン、水蒸気、一酸化炭素、二酸
化炭素、一酸化窒素、二酸化窒素等が挙げられる。上記
ふっ素含有ガスとしては特に限定されず、例えば、１塩
素化３ふッ素化炭素ガス等のふっ化炭素ガス；４ふっ化
炭素、６ふっ化炭素、６ふっ化プロピレン等のふっ化炭
化水素ガス等が挙げられる。好ましくは、４ふっ化炭
素、６ふっ化炭素等であり、これらは、安全であり、ふ
っ化水素等の有害なガスが生成しない。上記窒素及び水
素からなるガスとしては特に限定されず、例えば、窒素
ガス、アンモニアガス、窒素ガスと水素ガスとからなる
もの等が挙げられる。

【００１２】上記処理用ガスとしては、上記酸素含有ガ
ス、上記酸素含有ガス及びふっ素含有ガス、又は、上記
窒素及び水素からなるガスを単独で用いてもよく、２種
以上を併用してもよいが、上記不活性ガスと混合して使
用することが好ましい。この場合、上記不活性ガスの混
合比は、使用するガスの種類、金属材料の種類等により
適宜決定されるが、０〜５０体積％が好ましい。

【００１３】上記処理用ガスとして、上記酸素含有ガス
及びふっ素含有ガスを使用する場合、上記ふっ素含有ガ
スは、上記酸素含有ガスに対して０〜５０体積％である
ことが好ましい。５０％未満であれば、被着面での接着
性がより向上する。

【００１４】上記処理用ガスとして、窒素及び水素から
なるガスを使用する場合、その組成は、金属材料、放電
プラズマ等の条件により適宜決定されるが、｛［Ｎ］／
（［Ｎ］＋［Ｈ］）｝の値が、１／４以上であることが
好ましい。１／４以上であれば、充分な接着性が得られ
る。より好ましくは、１／２〜１である。式中、［Ｎ］
は、窒素及び水素からなるガス中の窒素組成比を表す。
［Ｈ］は、窒素及び水素からなるガス中の水素組成比を
表す。

【００１５】本発明において、上記不活性ガス又は上記
処理用ガスは、グロー放電プラズマによって励起され
る。上記励起の方法としては特に限定されず、例えば、
直流電流を印加してプラズマ分解する方法、高周波を印
加してプラズマ分解する方法、マイクロ波放電によって
プラズマ分解する方法、電子サイクロトロン共鳴によっ
てプラズマ分解する方法等が挙げられる。

【００１６】上記グロー放電プラズマは、１×１０^-4〜
１００Ｔｏｒｒの圧力下で、金属材料の被着面に接触さ
せられる。１×１０^-4Ｔｏｒｒ未満であると、高価な真
空チャンバー、真空排気装置等が必要となり、特に、本
発明が大面積の金属材料に適用される場合には、上記低
圧プラズマ処理容器の全体を大きくして真空排気装置を
大出力のものにする必要が生じ、１００Ｔｏｒｒを超え
ると、熱プラズマになり、アーク放電に移行するので、
上記範囲に限定される。上記範囲内での圧力は、採用す
る励起の方法により適宜決定されるが、好ましくは、１
×１０^-2〜１００Ｔｏｒｒであり、装置が簡便になり、
また、比較的圧力が高い状態であっても、上記グロー放
電プラズマの発生が可能となる直流電流の印加、高周波
の印加等が可能である。

【００１７】上記グロー放電プラズマの発生に要する投
入電力は、電極面積、形状等により決定されるが、好ま
しくは、３０〜２００Ｗである。３０Ｗ未満であると、
プラズマ密度、セルフバイアス等が小さくなり、上記グ
ロー放電プラズマを金属材料の被着面に接触させる時間
が長くなり非能率的である。

【００１８】本発明で使用される電極の構造が、例え
ば、平行平板型、同軸円筒型、曲面対向平板型、双曲面
対向平行板型等である場合、直流電流及び高周波電流
は、容量結合形式で印加することができる。また、高周
波印加の場合、外部電極を用いて誘導形式で印加するこ
ともできる。

【００１９】本発明で使用されるグロー放電プラズマを
上記金属材料の被着面に接触する時間は特に限定され
ず、投入電力、印加電圧の大きさ、使用されるガス等に
より適宜選択できる。

【００２０】本発明が適用される金属材料としては特に
限定されず、例えば、鉄、ステンレス、銅、アルミニウ
ム合金、トタン、ブリキ等の通常に使用されている金属
類が挙げられる。これらは、例えば、ブラスト処理法、
酸・アルカリ洗浄処理法、化成処理法等の金属材料の被
着面を良好な状態に改質する公知の方法により前処理を
行った後用いてもよく、前処理を行わずに用いてもよ
い。また、必要に応じて、その他の前処理を行ってもよ
い。

【００２１】本発明で使用されるエポキシ系接着剤とし
ては、エポキシ基含有化合物を各種硬化剤を用いて硬化
するものであれば特に限定されず、エポキシ基含有化合
物を、例えば、アミン系化合物、ポリアミド系化合物等
を用いて硬化するもの；ジシアンジアミド、イミダゾー
ル系化合物等により加熱硬化するもの；２個以上のカル
ボキシル基を有する化合物、無水物等を用いて硬化する
もの等が挙げられる。

【００２２】上記エポキシ系接着剤を金属材料の被着面
に塗布し、金属材料を被着体に接着する方法としては特
に限定されず、使用する上記エポキシ系接着剤に応じて
適宜選択できる。

【００２３】本発明の金属材料の接着方法は、室温で行
うことができ、また、上記金属材料は、加熱されていて
もよく、冷却されていてもよい。本発明の金属材料の接
着方法は、金属材料と金属以外の材料との接着において
も、良好な接着性が得られる。

【００２４】本発明２は、エポキシ系接着剤を金属材料
の被着面に塗布する前に、処理容器の内部に、不活性ガ
ス、並びに、酸素含有ガス、酸素含有ガス及びふっ素含
有ガス、又は、窒素及び水素からなるガスからなる処理
用ガスからなる混合ガスを充満させ、大気圧近傍の圧力
下で、一対の金属電極間に電圧を印加し、発生した放電
プラズマを上記金属材料の被着面に接触させる金属材料
の接着方法である。

【００２５】上記不活性ガスとしては、準安定状態の寿
命が長く、上記処理用ガスを励起するために有利である
ので、ヘリウムガスが好ましい。ヘリウムガス以外の不
活性ガスを使用する場合には、例えば、アセトン、メタ
ノール等の有機物蒸気；メタン、エタン等の炭化水素ガ
ス等を、０〜２体積％混合することが好ましい。

【００２６】上記不活性ガスと上記処理用ガスとの混合
比は、ガスの種類により適宜決定されるが、上記処理用
ガスが、０〜１０体積％であることが好ましくい。１０
体積％を超えると、電圧を印加しても放電プラズマは発
生し難くなる。より好ましくは、０．０１〜５体積％で
ある。

【００２７】本発明２においては、上記不活性ガスと上
記処理ガスとからなる混合ガスは、大気圧近傍の圧力下
で使用される。好ましくは、１００〜８００Ｔｏｒｒで
あり、より好ましくは、７００〜７８０Ｔｏｒｒであ
る。７００〜７８０Ｔｏｒｒであれば、圧力調整が容易
になり、装置が簡便になる。

【００２８】図１は、本発明２で使用される装置の一例
を示す断面模式図である。電源部１は、ｋＨｚ台の周波
数の電圧が印加可能であるものであり、放電プラズマの
発生は、電圧を印加して行う。電圧は適宜決められる
が、好ましくは、上部電源４と下部電源５とからなる電
極に印加して、その電界強度が１〜４０ｋＶ／ｃｍとな
る電圧である。１ｋＶ／ｃｍ未満であると、放電プラズ
マを金属材料８の被着面に接触させる時間が長く非能率
的であり、４０ｋＶ／ｃｍを超えると、アーク放電に移
行する挙動が見られる。

【００２９】低圧プラズマ処理容器２としては、上記電
極と絶縁がとれていれば特に限定されず、例えば、パイ
レックスガラス製のもの；ステンレス、アルミニウム等
の金属製のもの等が挙げられる。放電プラズマ発生部３
は、上部電源４と下部電源５との間の空間にある。

【００３０】上部電極４及び下部電極５は、一対の電極
である。上記一対の電極の構造としては特に限定され
ず、例えば、平行平板型、円筒対向平板型、球対向平板
型、双曲面対向平板型、同軸円筒型、複数の細線と平板
とからなるもの等が挙げられる。

【００３１】上部電極４及び下部電極５に用いられるも
のとしては特に限定されず、例えば、ステンレス、真鍮
等の多成分系の金属；銅、アルミニウム等の純金属等が
挙げられる。

【００３２】固体誘電体６は、上部電極４の下部電極５
に臨む面に、上部電極４を完全に覆うように配設され、
固体誘電体７は、下部電極５の上部電極４を臨む面に、
下部電極５を完全に覆うように配設されている。一部覆
われていない部位があると、そこからアーク放電が生じ
る。

【００３３】本発明においては、固体誘電体は、上部電
極４及び下部電極５のうち、金属材料８の被着面に対向
する少なくともどちらか一方に配設される。金属材料８
の被着面が上部電極４に臨む面のみであれば、下部電極
５に固体誘電体７は必要ないが、例えば、金属材料８の
両面処理を要する場合、金属材料８の厚みが大きい場合
等には、アーク放電防止のために下部電極５にも固体誘
電体７を配設することが好ましい。

【００３４】上記固体誘電体に用いられる化合物として
は特に限定されず、例えば、二酸化けい素、酸化アルミ
ニウム、酸化ジルコニウム、二酸化チタン等の金属酸化
物単体；これらの化合物等が挙げられる。上記固体誘電
体の厚みは特に限定されないが、０．０５〜４ｍｍが好
ましい。０．０５ｍｍ未満であると、電圧印加時に絶縁
破壊が起こりアーク放電が発生しやすくなり、４ｍｍを
超えると、放電プラズマを発生させるために高電圧が必
要となる。固体誘電体６と固体誘電体７とは同種であっ
てもよく、異種であってもよい。

【００３５】上部電極４と下部電極５との間の距離は、
固体誘電体６の厚み、固体誘電体７の厚み、金属材料８
の厚み、印加電圧の大きさ、混合ガスの流量、圧力条件
等により適宜決められるが、１〜３０ｍｍが好ましい。
１ｍｍ未満であると、未使用の混合ガスが多くなり非能
率的になり、３０ｍｍを超えると、放電プラズマ密度が
低下し高電力が必要となり、放電プラズマの均一性が損
なわれやすくなる。

【００３６】金属材料８は、固体誘電体７上に設置され
ており、金属材料８の上部電極４に臨む面のみが改質さ
れるが、金属材料８の両面を改質する場合には、金属材
料８を、放電プラズマ発生部３と下部電極５との間の空
間に設置すればよい。

【００３７】放電プラズマは、処理用ガスと不活性ガス
とをそれぞれ放電プラズマ発生部３に導入して発生させ
る。放電プラズマ発生部３への処理用ガスの導入方法と
しては、均一な導入が可能であれば特に限定されず、例
えば、処理用ガスと不活性ガスとを攪拌した後に導入す
る方法、高速で吹きつける方法等が挙げられる。好まし
くは、処理用ガスを、ガス導入管９を経て多孔構造を有
する上部電極４から放電プラズマ発生部３に供給し、不
活性ガスを、不活性ガス導入管１０を経てガス排出孔を
多数有するガラス製ガス供給管１１から放電プラズマ発
生部３に供給する方法であり、処理用ガスの供給が均一
になり、均一度の優れた被着面の改質が可能になる。

【００３８】図示されていないが、処理用ガス及び不活
性ガスは、マスフローコントローラーにより流量制御さ
れている。過剰の処理用ガス又は過剰の不活性ガスは、
ガス排出口１２から排出される。低圧プラズマ処理容器
２に処理用ガス又は不活性ガスを導入する際には、低圧
プラズマ処理容器２に残存する空気を排気口１３から排
出することが好ましい。

【００３９】

【作用】本発明の金属材料の接着方法は、発生したグロ
ー放電プラズマを金属材料の被着面に接触させることに
より金属材料表面をエッチングし、アンカー効果を向上
させるので、接着性が改善される。また、グロー放電プ
ラズマにより金属材料表面がクリーニングされ、接着性
を悪くする物質が除去されるので、接着性の向上が得ら
れる。

【００４０】本発明２においては、処理用ガスにより金
属材料の被着面が化学的に改質されるので、接着性に優
れた金属材料の接着接合が可能になる。

【００４１】

【実施例】以下に実施例を掲げて本発明を更に詳しく説
明するが、本発明はこれら実施例のみに限定されるもの
ではない。

【００４２】実施例１〜２０、比較例１〜４いずれの実施例、比較例も被着面に所定の処理を施した
後、所定の接着剤によりＪＩＳＫ６８５０に準拠し
て引張剪断接着強度を測定した。測定温度は、２３℃、
引張速度は、５ｍｍ／分とした。各実施例、比較例につ
いて、被着面処理方法、使用した金属材料、使用した接
着剤、接着剤硬化条件、及び、その引張剪断接着強度の
測定結果を表１〜４に示した。表中、エスダイン＃３１
００は、積水化学工業社製エポキシポリアミド系２液混
合型接着剤であり、エスダインＲＹ−２０２１は、積水
化学工業社製エポキシ系１液加熱硬化型接着剤である。

【００４３】（処理１）高周波容量結合型プラズマ処理
装置（金属電極φ８０ｍｍ）を用い、その装置の処理容
器内の電極間距離３０ｍｍの電極空中間に所定の金属材
料を設置し、処理容器内の空気を１×１０^-4Ｔｏｒｒま
で排気し、アルゴンガスを導入し、０．１Ｔｏｒｒに設
定後、７０Ｗの電力を印加して３分間放置した。

【００４４】（処理２）処理１で６０体積％の酸素と残
部がアルゴンである混合ガスを導入したこと以外は処理
１と同様にして行った。

【００４５】（処理３）図１に示した装置（金属電極φ
８０ｍｍ）において、厚み５００μｍの酸化ジルコニウ
ム溶射膜が被覆された両電極の電極間距離５ｍｍの電極
空間中に、下部電極上に所定の金属材料を設置し、１Ｔ
ｏｒｒまで油回転ポンプで排気した。ついで、ヘリウム
ガス流量５００ｓｃｃｍをガス導入管９から処理容器２
内に導入し、７５７Ｔｏｒｒの大気圧とした。その後、
１５ｋＨｚ、４．８ｋＶの電圧を電極に印加し、５分間
放置した。電圧印加に伴って、放電プラズマの発光が観
察された。

【００４６】（処理４）酸素ガス流量７ｓｃｃｍと４ふ
っ化炭素ガス流量３ｓｃｃｍとをガス導入管９から、ヘ
リウムガス流量９９０ｓｃｃｍを不活性ガス導入管１０
から処理容器２内に導入し、７５７Ｔｏｒｒの大気圧と
した後、１５ｋＨｚ、５．５ｋＶの電圧を電極に印加
し、３分間放置したこと以外は、処理３と同様にして処
理を行った。

【００４７】（処理５）下部電極５に２ｍｍ^t×１２０
ｍｍφの二酸化チタン焼結体を配設し、窒素ガス流量６
ｓｃｃｍと水素ガス流量４ｓｃｃｍとからなるガスをガ
ス導入管９から、ヘリウムガス流量９９０ｓｃｃｍを不
活性ガス導入管１０から処理容器２内に導入し、７５７
Ｔｏｒｒの大気圧とした後、１５ｋＨｚ、３．３ｋＶの
電圧を電極に印加し、５分間放置したこと以外は、処理
３と同様にして処理を行った。

【００４８】

【表１】

【００４９】

【表２】

【００５０】

【表３】

【００５１】

【表４】

【００５２】

【発明の効果】本発明の金属材料の接着方法は上述の構
成よりなるので、金属材料の被着面が良好な状態に改質
でき、また、大気圧近傍の圧力下で、簡易な装置により
金属材料や作業環境を悪化させることなく、処理効果が
安定して発揮されるので、各種金属材料の接着に好適で
ある。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明で使用される装置の一例を示す断面模式
図。

【符号の説明】

４上部電源５下部電源６固体誘電体７固体誘電体８金属材料９ガス導入管１０不活性ガス導入管

フロントページの続き (51)Int.Cl.⁶ 識別記号庁内整理番号ＦＩ技術表示箇所Ｃ２３Ｆ 4/00 Ｃ２３Ｆ 4/00 Ｅ

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】エポキシ系接着剤を金属材料の被着面に
塗布し、その後、金属材料を被着体に接着する金属材料
の接着方法において、前記エポキシ系接着剤を塗布する
前に、低圧プラズマ処理容器の内部に、不活性ガス、又
は、酸素含有ガス、酸素含有ガス及びふっ素含有ガス、
若しくは、窒素及び水素からなるガスからなる処理用ガ
スを充満させ、１×１０^-4〜１００Ｔｏｒｒの圧力下
で、電極に電圧を印加し、発生したグロー放電プラズマ
を前記金属材料の被着面に接触させることを特徴とする
金属材料の接着方法。
【請求項２】エポキシ系接着剤を金属材料の被着面に
塗布し、その後、金属材料を被着体に接着する金属材料
の接着方法において、前記エポキシ系接着剤を塗布する
前に、上部電極と下部電極とからなる一対の金属電極、
前記上部電極と前記下部電極との間に設置された金属材
料、前記金属材料の被着面に対向する前記金属電極に配
設された固体誘電体、放電プラズマ発生部、ガス導入
管、ガス排出口、及び、電源からなる処理容器の内部
に、不活性ガス、並びに、酸素含有ガス、酸素含有ガス
及びふっ素含有ガス、又は、窒素及び水素からなるガス
からなる処理用ガスからなる混合ガスを充満させ、大気
圧近傍の圧力下で、前記一対の金属電極間に電圧を印加
し、発生した放電プラズマを前記金属材料の被着面に接
触させることを特徴とする金属材料の接着方法。