特開 2022-187439 接合方法、それに用いる金属粉末、および、接合体

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2022187439

(43)【公開日】2022-12-19

(54)【発明の名称】接合方法、それに用いる金属粉末、および、接合体

(51)【国際特許分類】

   B23K 26/342 20140101AFI20221212BHJP

   B29C 65/44 20060101ALI20221212BHJP

【ＦＩ】

B23K26/342

B29C65/44

【審査請求】未請求

【請求項の数】7

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2021095484

(22)【出願日】2021-06-07

(71)【出願人】

【識別番号】514173744

【氏名又は名称】輝創株式会社

(71)【出願人】

【識別番号】504139662

【氏名又は名称】国立大学法人東海国立大学機構

(74)【代理人】

【識別番号】100165331

【弁理士】

【氏名又は名称】森岡 智昭

(72)【発明者】

【氏名】前田 知宏

(72)【発明者】

【氏名】小橋 眞

【テーマコード（参考）】

4E168

4F211

【Ｆターム（参考）】

4E168BA33

4E168BA83

4E168BA85

4E168BA87

4E168BA89

4E168BA90

4E168CB03

4E168DA02

4E168DA03

4E168DA23

4E168DA24

4E168DA26

4E168DA28

4E168DA32

4E168DA43

4F211AA04

4F211AA11

4F211AA13

4F211AA15

4F211AA23

4F211AA29

4F211AD03

4F211AD24

4F211AD28

4F211AD32

4F211AG03

4F211TA01

4F211TC03

4F211TD02

4F211TD11

4F211TH17

4F211TH24

4F211TN07

4F211TQ04

(57)【要約】

【課題】鋼材と樹脂基材との接合強度を高めることができる技術を提供する。
【解決手段】鋼材と樹脂基材の接合方法であって、前記鋼材の表面に、少なくとも、チタンと、炭素と、ニッケルと、スズと、を含む金属粉末を配置する工程と、前記金属粉末にレーザーを照射して、前記金属粉末を溶融させることにより、前記鋼材の表面に、微細な凹凸構造が形成された接合層を形成する工程と、前記接合層の上に前記樹脂基材を積層して加熱押圧することにより軟化した前記樹脂基材の一部を前記接合層の前記凹凸構造に入り込ませる工程と、を備える接合方法。
【選択図】図２

【特許請求の範囲】

【請求項1】

鋼材と樹脂基材の接合方法であって、
前記鋼材の表面に、少なくとも、チタンと、炭素と、ニッケルと、スズと、を含む金属粉末を配置する工程と、
前記金属粉末にレーザーを照射して、前記金属粉末を溶融させることにより、前記鋼材の表面に、微細な凹凸構造が形成された接合層を形成する工程と、
前記接合層の上に前記樹脂基材を積層して加熱押圧することにより軟化した前記樹脂基材の一部を前記接合層の前記凹凸構造に入り込ませる工程と、
を備える、接合方法。

【請求項2】

請求項１記載の接合方法であって、
前記金属粉末には、前記炭素が炭化ホウ素として混合されている、接合方法。

【請求項3】

請求項１または請求項２記載の接合方法であって、
前記金属粉末は、さらに、銅を含む、接合方法。

【請求項4】

請求項１から請求項３のいずれか一項に記載の接合方法であって、
前記金属粉末における前記チタンと、前記炭素と、前記ニッケルのモル比は、３：１：１である、接合方法。

【請求項5】

請求項１から請求項４のいずれか一項に記載の接合方法であって、
Ｘを１より小さい任意の実数とするとき、
前記金属粉末における前記チタンと、前記炭素と、前記ニッケルと、前記スズのモル比は、３：１：１：Ｘである、接合方法。

【請求項6】

鋼材と樹脂基材との接合の際に、前記鋼材の表面に配置され、レーザーが照射されることにより、前記鋼材の表面に微細な凹凸構造が形成された接合層を構成するために用いられる金属粉末であって、少なくとも、チタンと、炭素と、ニッケルと、スズと、を含む、金属粉末。

【請求項7】

鋼材と、樹脂基材と、前記鋼材と前記樹脂基材とを接合する接合層と、を備え、
前記接合層は、少なくとも、チタンと、炭素と、ニッケルと、スズと、を含む金属によって構成されるとともに、前記樹脂基材との間に、前記樹脂基材の一部が入り込んでいる微細な凹凸構造を有する、接合体。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、鋼材と樹脂基材の接合方法に関する。

【背景技術】

【0002】

金属基材と樹脂基材とを接合する方法としては、例えば、本願発明の発明者によって提案された下記の特許文献１，２の技術がある。特許文献１，２の技術は、いわゆるレーザークラッディングの技術を利用して、アルミニウム等の金属の表面に微細な凹凸構造を有する層を肉盛りし、その凹凸構造に対するアンカー効果を利用して、プラスチック等の樹脂基材を接合している。この技術によれば、金属基材の表面に対するブラスト処理やエッチング処理等の時間や手間を要する表面処理を施すまでもなく、金属基材と樹脂基材との機械的接合強度を簡易かつ低コストで高めることができる。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【特許文献1】特開２０１６－１３０００３号公報

【特許文献2】特開２０１７－１９０５２１号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

例えば、自動車やその部品等の製造技術では、金属基材として鋼材が多く用いられ、鋼材に対して樹脂基材が接合される場合も多い。従来から、鋼材が多く用いられる製品の製造技術においては、鋼材と樹脂基材とを、より簡易に、高い強度で接合できることが望まれてきた。本願発明の発明者は、上記の接合技術の研究を重ねるうちに、鋼材と樹脂基材との接合技術については、さらなる工夫により、その接合強度をさらに高めることが可能であることを見出した。本発明は、鋼材と樹脂基材との接合強度を高めることを目的としてなされたものである。

【課題を解決するための手段】

【0005】

本発明は、以下の形態として実現することが可能である。

【0006】

（１）本発明の一形態は、鋼材と樹脂基材の接合方法として提供される。この形態の接合方法は、前記鋼材の表面に、少なくとも、チタンと、炭素と、ニッケルと、スズと、を含む金属粉末を配置する工程と、前記金属粉末にレーザーを照射して、前記金属粉末を溶融させることにより、前記鋼材の表面に、微細な凹凸構造が形成された接合層を形成する工程と、前記接合層の上に前記樹脂基材を積層して加熱押圧することにより軟化した前記樹脂基材の一部を前記接合層の前記凹凸構造に入り込ませる工程と、を備える。
この形態の接合方法によれば、複数の金属を混合した金属粉末を鋼材の表面に配置してレーザーを照射する簡易な処理により、鋼材と樹脂基材との接合を媒介し、接合強度を高めることができる接合層を形成することができる。チタンと炭素とニッケルとスズとを含む金属粉末を用いて接合層を形成することにより、接合層と鋼材との間の高い一体性を実現でき、かつ、樹脂基材に対するアンカー効果を発揮できる凹凸構造を接合層の表面に形成することができる。よって、この接合方法によれば、鋼材と樹脂基材との間の接合強度を、さらに高めることが容易にできる。

【0007】

（２）上記形態の接合方法において、前記金属粉末には、前記炭素が炭化ホウ素として混合されてよい。
この形態の接合方法によれば、金属粉末中への炭素の混合を、比較的扱いやすい炭化ホウ素によって行うため、作業効率が高められる。

【0008】

（３）上記の形態の接合方法において、前記金属粉末は、さらに、銅を含んでよい。
この形態の接合方法によれば、金属粉末に含まれる銅の作用により、鋼材と樹脂基材との間の接合強度を、さらに高めることが可能な接合層を得ることができる。

【0009】

（４）上記の形態の接合方法において、前記金属粉末における前記チタンと、前記炭素と、前記ニッケルのモル比は、３：１：１であることが望ましい。
この形態の接合方法により、炭素の含有比率を一定程度に抑え、接合層にクラックが生じることを防止できる。

【0010】

（５）上記形態の接合方法において、Ｘを１より小さい任意の実数とするとき、前記金属粉末における前記チタンと、前記炭素と、前記ニッケルと、前記スズのモル比は、３：１：１：Ｘであってよい。
この形態の接合方法によれば、スズの使用量を抑えることにより、接合層の凹凸構造を、より緻密に形成することができる。よって、金属粉末の鋼材と樹脂基材との間の接合強度を、さらに高めることができる接合層の形成が可能である。

【0011】

（６）本発明の一形態は、鋼材と樹脂基材との接合の際に、前記鋼材の表面に配置され、レーザーが照射されることにより、前記鋼材の表面に微細な凹凸構造が形成された接合層を構成するために用いられる金属粉末として提供される。この形態の金属粉末は、少なくとも、チタンと、炭素と、ニッケルと、スズと、を含む。
この形態の金属粉末を用いれば、鋼材との一体性が高く、かつ、樹脂基材に対するアンカー効果を発揮できる凹凸構造を有する接合層を鋼材の表面に簡易に形成することができる。

【0012】

（７）本発明の一形態は、接合体として提供される。この形態の接合体は、
鋼材と、樹脂基材と、前記鋼材と前記樹脂基材とを接合する接合層とを備え、前記接合層は、少なくとも、チタンと、炭素と、ニッケルと、スズと、を含む金属によって構成されるとともに、前記樹脂基材との間に、前記樹脂基材の一部が入り込んでいる微細な凹凸構造を有する。
この形態の接合体によれば、鋼材と樹脂基材との間に、鋼材との一体性が高く、樹脂基材との間にアンカー効果が得られる凹凸構造が形成されている接合層を有しているため、鋼材と樹脂基材との間の高い接合強度を実現できる。

【0013】

本発明は、鋼材と樹脂基材の接合方法や、その接合方法に用いられる金属粉末、鋼材と樹脂基材の接合体以外の種々の形態で実現することも可能である。例えば、鋼材と樹脂基材の接合体の製造方法、樹脂基材を接合するための接合層を鋼材に形成する方法、鋼材と樹脂基材を接合する装置、鋼材に接合層を形成する装置、それら装置の制御ユニットや制御プログラム等の形態で実現することができる。

【図面の簡単な説明】

【0014】

【図1】鋼材と樹脂基材との接合方法の工程を示すフローチャート。

【図2】鋼材に対して接合層を形成する工程の様子を示す模式図。

【図3】接合層の断面構成の一例を示す模式図。

【図4A】ホットプレスによって樹脂基材を接合している様子を示す模式図。

【図4B】レーザー照射装置を用いて樹脂基材を接合する工程を示す模式図。

【図5】接合体の構成を示す概略断面図。

【図6】金属粉末の製造例の組成をまとめた表を示す説明図。

【図7】接合層の表面の凹凸構造を撮影した顕微鏡画像の一覧を示す説明図。

【図8】比較例としての接合層の顕微鏡画像を示す説明図。

【図9A】試験対象として作成した接合体の構成を示す概略平面図。

【図9B】接合体の製造例の材料と接合強度の評価結果とをまとめた表を示す説明図。

【図9C】製造例の接合強度の測定結果のグラフを示す説明図。

【発明を実施するための形態】

【0015】

以下、本発明の好適な実施形態を、図面を参照しながら説明する。

【0016】

図１は、鋼材と樹脂基材との接合方法の工程を示すフローチャートである。図２は、鋼材に対して接合層を形成する工程の様子を示す模式図である。図２を参照図として、図１に示す工程Ｐ１～Ｐ３の処理工程を説明する。

【0017】

工程Ｐ１では、樹脂基材３０が接合される鋼材１０を準備する。鋼材１０としては、例えば、冷間圧延鋼板や、亜鉛めっき鋼板、炭素工具鋼、炭素鋼、ステンレス鋼、一般軟鋼材、超高張力鋼等を用いることができる。鋼材１０は、前述のものに限定されることはなく、種々の鋼によって構成された部材でよい。

【0018】

工程Ｐ２では、工程Ｐ１で準備した鋼材１０の表面に金属粉末２０を配置する。金属粉末２０には、少なくとも、チタン（Ｔｉ）と、炭素（Ｃ）と、ニッケル（Ｎｉ）と、スズ（Ｓｎ）と、が含まれている。金属粉末２０に含まれる金属は、それぞれ単体の金属の粉末として混合されていてもよいし、前述の金属原子を含む化合物や合金の粉末として混合されていてもよい。例えば、炭素は、金属粉末２０に、カーボンブラックや、カーボンナノチューブとして混合されていてもよい。前記のカーボンブラックは、ケッチェンブラックとしてもよい。また、炭素は、金属粉末２０に、炭化ホウ素（Ｂ_４Ｃ）や、炭化タングステン（ＷＣ）等の炭素化合物として混合されてもよい。なお、炭化ホウ素であれば扱いやすく、作業効率を高めることが可能である。チタンやニッケル、スズについても同様に、金属粉末２０中に化合物や合金の状態で混合されていてもよい。金属粉末２０を構成する各粒子は、１μｍ以上１００μｍ以下の粒子径を有していることが好ましい。金属粉末２０は、粒径の分布の状態が概ね同一になるように混合されていることが好ましい。金属粉末２０に含まれる各金属の量の好適な比については後述する。

【0019】

金属粉末２０には、前記の金属以外に、銅（Ｃｕ）が含まれていてもよいし、マンガン（Ｍｎ）や、亜鉛（Ｚｎ）が含まれていてもよい。金属粉末２０には、その他に、シリコン（Ｓｉ）や、バナジウム（Ｖ）、ステライト（登録商標）等が含まれていてもよい。

【0020】

本実施形態では、金属粉末２０は、各材料が事前に混合され、粉末の状態のままで鋼材１０の表面に配置される。他の実施形態としては、金属粉末２０は、従来からレーザークラッディングで用いられているようなクラッディング用粉体送給装置等による吹き付けによって鋼材１０の表面に配置されてもよい。金属粉末２０を構成する複数種類の金属の粉体は、予め混合されていなくてもよく、鋼材１０の表面に配置されるときに鋼材１０の表面上で混合されてもよい。

【0021】

工程Ｐ３は、レーザークラッディングの技術を利用して接合層２１を形成する工程に相当する。工程Ｐ３では、レーザー照射装置ＬＳによって、鋼材１０の表面に配置された金属粉末２０にレーザーを照射して金属粉末２０を溶融させることにより、鋼材１０の表面に肉盛りされた接合層２１を形成する。工程Ｐ３において金属粉末２０を照射するレーザーとしては、例えば、半導体レーザーを用いることができる。工程Ｐ３で用いられるレーザーは、半導体レーザーに限定されることはなく、レーザークラッディングの技術において一般に用いられるものでよい。工程Ｐ３では、例えば、ファイバーレーザーや、Ｎｄ：ＹＡＧレーザー、炭酸ガスレーザー等を用いることが可能である。

【0022】

レーザー照射装置ＬＳは、光学系素子により、レーザーを、例えば、直径０．５～５ｍｍのスポットビームに成形して照射する。レーザー照射装置ＬＳは、例えば、２００～５００Ｗ程度のレーザー出力でレーザーを照射する。また、レーザー照射装置ＬＳは、例えば、１０～７０ｍｍ／ｓの走査速度でレーザーを走査する。レーザーの繰り返し周波数は、例えば、８００～１５００Ｈｚとしてよい。また、レーザーの波長は、例えば、４００～１２００ｎｍとしてよい。

【0023】

なお、工程Ｐ２で説明した、クラッディング用粉体送給装置等による吹き付けによって金属粉末２０を鋼材１０の表面に配置する構成の場合には、金属粉末２０を鋼材１０の表面に吹き付けながら、レーザー照射装置ＬＳによってレーザーを照射してもよい。つまり、工程Ｐ２と工程Ｐ３とは平行して実行されてもよい。

【0024】

図３は、工程Ｐ３で形成される接合層２１の断面構成の一例を示す模式図である。接合層２１は、鋼材１０の表面に肉盛りされて隆起している基層２２を有し、基層２２の表面には、微細な凹凸構造２３が形成されている。基層２２は、鋼材１０と一体化するように形成されており、基層２２の下端部には、溶融した鋼材１０の一部が混在している。凹凸構造２３は、後述する工程において接合される樹脂基材に対してアンカー効果を発揮することが可能な構成を有する。凹凸構造２３を構成する凹部２４または凸部２５のそれぞれの基層２２の表面に沿った方向における幅の最大値は、例えば、１０～２００μｍ程度であることが好ましい。

【0025】

凹凸構造２３は、凹部２４の内壁面に、さらに微細な微小凹部２４ａや微小凸部２４ｂが形成されている構造や、凸部２５の表面に、さらに微細な微小凹部２５ａや微小凸部２５ｂが形成されている構造を含むことが好ましい。このように、凹部２４や凸部２５に、微小凹部２４ａ，２５ａや微小凸２４ｂ，２５ｂが重畳的に形成されている構造を「重畳的微細粒子構造」とも呼ぶ。接合層２１の表面に、重畳的微細粒子構造を含む凹凸構造２３が形成されていれば、樹脂基材に対して、より高いアンカー効果を発揮することができる。なお、接合層２１の凹凸構造２３では、全ての凹部２４や凸部２５が重畳的微細粒子構造になっていなくてもよく、一部の凹部２４や凸部２５が重畳的微細粒子構造になっている構成であってもよい。

【0026】

他の実施形態では、凹凸構造２３は、重畳的微細粒子構造を含んでいなくてもよい。凹凸構造２３は、種々の方向に突起する微小な凸部や種々の方向に窪む凹部がランダムに密に配列された構造や、種々の方向に三次元的に絡み合う細孔が密に形成された多孔質構造によって構成されていてもよい。

【0027】

本願発明の発明者が独自の実験によって得た知見によれば、チタンと炭素とニッケルとスズを組み合わせた金属粉末２０を用いた鋼材１０に対するレーザークラッディングによれば、上述したような凹凸構造２３を有する接合層２１を容易に形成できる。また、金属粉末２０に銅を混ぜられていれば、その銅の作用によって、より緻密で好適な凹凸構造２３を簡易に形成することも可能である。

【0028】

また、金属粉末２０は、チタンと、炭素と、ニッケルのモル比が、３：１：１であることが好ましい。チタンやニッケルに対する炭素の量が多くなりすぎると、接合層２１にクラックが生じやすくなる可能性があるためである。また、金属粉末２０では、チタンと、炭素と、ニッケルと、スズのモル比が、３：１：１：Ｘであることが好ましい。ここで、Ｘは、１より小さい任意の実数である。このモル比であれば、原子量が他より大きいスズが金属粉末２０中に含まれる量を抑えることができるため、金属粉末２０の混ざり具合を改善することができ、接合層２１の凹凸構造２３を、より緻密に形成することが容易になる。

【0029】

なお、金属粉末２０に含まれる各金属の量の比は、上記のモル比に限定されることはない。金属粉末２０に含まれる各金属の量の比は、鋼材１０の種類や、工程Ｐ３でのレーザーの照射条件、接合層２１の狙いとする構造等に応じて適宜、調整されればよい。

【0030】

図４Ａを参照して、工程Ｐ４，Ｐ５を説明する。図４Ａは、ホットプレスによって樹脂基材３０を接合している様子を示す模式図である。工程Ｐ４では、鋼材１０に形成された接合層２１の上に樹脂基材３０を積層する。樹脂基材３０は、例えば、プラスチック基材など、熱可塑性樹脂や、その他の加熱によって軟化する合成樹脂材料によって構成される。樹脂基材３０は、例えば、ＡＢＳ樹脂や、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリアミド、ポリアセタール、塩化ビニール等によって構成することができる。

【0031】

工程Ｐ５では、加熱によって軟化させた樹脂基材３０の一部を、押圧することで接合層２１の凹凸構造２３に入り込ませることにより、樹脂基材３０を鋼材１０に接合する。工程Ｐ５において、樹脂基材３０の一部が接合層２１の凹凸構造２３に入り込むことによって、樹脂基材３０と接合層２１との間の接合強度を高めるアンカー効果が得られる。

【0032】

本実施形態では、樹脂基材３０の接合は、図示しないヒータによって昇温されるプレートＰＬによって樹脂基材３０を加熱しながら鋼材１０の接合層２１に向かって押圧するホットプレスによって行われる。プレートＰＬによる加熱温度は、例えば、１２０～２８０℃としてよい。加熱温度は、樹脂基材３０の融点に応じて適宜定められればよい。プレートＰＬによる押圧力は、例えば、０．１～５．０ＭＰａ程度でよい。なお、工程Ｐ５における加熱による樹脂基材３０の接合は、上述したホットプレスによる方法には限定されない。樹脂基材３０の接合は、例えば、以下の方法により実現することも可能である。

【0033】

図４Ｂは、レーザー照射装置ＬＳを用いて樹脂基材３０を接合する工程を示す模式図である。この方法では、レーザー照射装置ＬＳを用いて、樹脂基材３０を透過する波長のレーザーを照射する。樹脂基材３０を透過したレーザーは、接合層２１の表層を昇温させて樹脂基材３０を軟化させる。この軟化した樹脂基材３０の一部を凹凸構造２３に入り込ませる。レーザーとしては、例えば、半導体レーザーや、ファイバーレーザー、Ｎｄ：ＹＡＧレーザー、炭酸ガスレーザー等を用いることが可能である。

【0034】

工程Ｐ５での樹脂基材３０の接合は、複数の加熱方法を組み合わせて実行されてもよい。例えば、工程Ｐ５では、図４Ａに示すホットプレスの後に、さらに、図４Ｂに示すレーザーの照射を実行してもよい。また、工程Ｐ５では、ホットプレスやレーザーによる加熱の代わりに、例えば、鋼材１０の裏面の摩擦により鋼材１０を加熱して樹脂基材３０を軟化させる摩擦攪拌接合によって樹脂基材３０を鋼材１０に接合してもよい。

【0035】

以上のように、本実施形態の接合方法によれば、鋼材１０の表面に配置した金属粉末２０をレーザーで照射する簡易な処理により、接合層２１を容易に形成できる。チタンと炭素とニッケルとスズとを含む金属粉末２０を用いて接合層２１を形成することにより、接合層２１と鋼材１０との間の高い一体性を実現でき、かつ、樹脂基材３０に対するアンカー効果を発揮できる凹凸構造２３を接合層２１に形成することができる。よって、この接合方法によれば、鋼材１０と樹脂基材３０との間の接合強度を、さらに高めることが容易にできる。

【0036】

図５は、上記の接合方法によって得られる鋼材１０と樹脂基材３０との接合体４０の構成を示す概略断面図である。接合体４０は、鋼材１０と、樹脂基材３０と、鋼材１０と樹脂基材３０とを接合する接合層２１と、を有する。接合層２１は、少なくとも、チタンと、炭素と、ニッケルと、スズと、を含む金属によって構成される。また、接合層２１は、樹脂基材３０との間に、樹脂基材３０の一部が入り込んでいる微細な凹凸構造２３を有する。接合体４０によれば、鋼材１０と樹脂基材３０との間に、鋼材１０との一体性が高く、樹脂基材３０との間にアンカー効果が得られる凹凸構造２３が形成されている接合層２１を有しているため、鋼材１０と樹脂基材３０との間の高い接合強度が実現されている。

【実施例0037】

以下、本願発明の発明者が行った具体的な実施例を詳細に説明する。

【0038】

＜金属粉末の製造例＞
図６の表には、接合層の形成に用いる金属粉末の製造例Ｔ１～Ｔ６の組成を示してある。製造例Ｔ１～Ｔ５は、チタンの粉末と、炭素原料としての炭化ホウ素の粉末と、ニッケルの粉末と、スズの粉末と、を混合して作製した。製造例Ｔ４は、さらに、銅の粉末を混合して作製した。製造例Ｔ６は、比較例として作製したものであり、チタンの粉末と、炭化ホウ素の粉末と、アルミニウムの粉末と、を混合して作製した。

【0039】

製造例Ｔ１～Ｔ５では、チタン、炭化ホウ素つまり炭素、ニッケルのモル比を、３：１：１とした。また、製造例Ｔ１～Ｔ５では、前記のチタン、炭素、ニッケルのモル比に対して、スズのモル比をそれぞれ、０．５、０．３、０．７、０．３、０．１とした。製造例Ｔ４では、さらに、前記のチタン、炭素、ニッケル、スズのモル比に対して、銅のモル比を、０．５とした。製造例Ｔ６では、チタン、炭素、アルミニウムのモル比を、３：１：１とした。製造例Ｔ１～Ｔ６のいずれについても、粒子径は、１μｍ以上１００μｍ以下に調整した。

【0040】

＜接合層の実施例＞
図７は、製造例Ｔ１～Ｔ４の金属粉末を用いて各種の鋼材に形成した接合層の表面の凹凸構造を撮影した顕微鏡画像の一覧である。図８は、製造例Ｔ６の金属粉末を用いて、鋼材に、レーザーの走査速度を変えて形成した接合層の表面の凹凸構造を撮影した顕微鏡画像の一覧である。

【0041】

＜図７の接合層の形成条件＞
鋼材としては、冷間圧延鋼板であるＳＰＣＣ、溶融亜鉛メッキ鋼板であるＳＧＣＣ、炭素工具鋼であるＳＫ、炭素鋼であるＳ４５Ｃ、ステンレス鋼であるＳＵＳ３０４、２７０ＭＰａ級の一般軟鋼板、９８０ＭＰａ級の超高張力鋼板（超ハイテン材）を用いた。２７０ＭＰａ級の一般軟鋼板、および、９８０ＭＰａ級の超高張力鋼板については、それぞれ表中において、「２７０」、「９８０」と表記してある。

【0042】

製造例Ｔ１～Ｔ４を、上述した各種の鋼材で構成された板材の表面に塗布し、膜厚１００μｍの層を形成した。その塗布膜に対して、以下の条件でレーザーを照射して接合層を形成した。
・ビームスポットのサイズ：直径１．２［ｍｍ］
・レーザー出力：３００［Ｗ］
・繰り返し周波数：１０００［ＭＨｚ］
・走査速度：５０［ｍｍ／ｓ］

【0043】

＜図８の接合層の形成条件＞
製造例Ｔ６を高張力鋼（ハイテン鋼）で構成された板材の表面に塗布し、膜厚１００μｍの３つの層を形成した。各塗布膜に対して、走査速度を変えてレーザーを照射し、図８に示す３つの接合層を形成した。レーザーの照射条件は、レーザー出力を３５０Ｗとした。走査速度はそれぞれ、３０［ｍｍ／ｓ］、５０［ｍｍ／ｓ］、８０［ｍｍ／ｓ］とした。それ以外のレーザーの照射条件は、上述の条件と同じとした。

【0044】

図７および図８の各写真に写っている粒状の影は、接合層表面の凹凸構造を示している。図７の写真が示す通り、チタン、炭素、ニッケル、スズを含む製造例Ｔ１～Ｔ４を用いることによって、種々の鋼材に対して、接合層表面の全体にわたって緻密な凹凸構造が形成された。この凹凸構造を構成する凸部と凹部はいずれも、接合層の表面に沿った方向の幅の最大値が、１０～２００μｍ程度であった。製造例Ｔ１～Ｔ４によって形成されたいずれの接合層も、図８に示す製造例Ｔ６によって形成された接合層よりも、凹凸構造が明らかに密に形成されている。これは、樹脂基材を接合したときに、より高いアンカー効果が得られることを示している。

【0045】

＜接合体の実施例＞
図９Ａ～図９Ｃを参照して、図６の製造例Ｔ１～Ｔ５の金属粉末を用いて接合した接合体の製造例Ｓ１～Ｓ５、および、接合層を設けなかった比較例としての接合体の製造例Ｓ６の接合強度の試験結果を説明する。図９Ａは、試験対象として作成した接合体４０の構成を示す概略平面図である。図９Ｂは、接合体４０の製造例Ｓ１～Ｓ６を作製するのに用いた材料と、接合強度の評価結果と、をまとめた表である。図９Ｃは、図９Ｂに示した製造例Ｓ１～Ｓ４の接合強度の測定結果のグラフを示す説明図である。

【0046】

製造例Ｓ１～Ｓ６の接合体４０は、長方形形状の板状部材として構成された鋼材１０と樹脂基材３０とを接合層２１を介して接合した構成を有している。鋼材１０と樹脂基材３０とはそれぞれの長手方向が揃うように配置した。また、樹脂基材３０を、一方の端部が、鋼材１０の短辺の中央から鋼材１０の外方に延び出る状態で鋼材１０の上に配置した。

【0047】

製造例Ｓ１～Ｓ６の鋼材１０は、ＳＰＣＣによって構成され、その寸法を、長辺５０ｍｍ、短辺２０ｍｍ、厚さ１ｍｍとした。製造例Ｓ１～Ｓ４，Ｓ６の樹脂基材３０は、ＭＸＤナイロン（ＧＦ３０％）によって構成し、製造例Ｓ５の樹脂基材３０は、ＰＰＳ樹脂（ＧＦ３０％）によって構成した。

【0048】

製造例Ｓ１～Ｓ５では、接合層２１はそれぞれ、製造例Ｔ１～Ｔ５の金属粉末を用いて、図７で示したのと同様な条件で形成した。製造例Ｓ１～Ｓ４では、接合層２１は、鋼材１０の表面において、１．２ｍｍ×１６ｍｍの長方形形状の領域に形成した。製造例Ｓ５では、１ｍｍ×６ｍｍの長方形形状の領域に形成した。なお、接合層２１の長手方向を、鋼材および樹脂基材３０の短手方向に一致させた。製造例Ｓ６では、接合層２１を形成することなく、鋼材１０と樹脂基材３０とを接合した。製造例Ｓ１～Ｓ６では、鋼材１０と樹脂基材３０との接合は、ホットプレスにより行った。製造例Ｓ１～Ｓ５では、ホットプレスの開始温度を２３０℃とし、終了温度を１８０℃とした。

【0049】

接合強度の評価は、引張試験によって行った。引張試験では、樹脂基材３０を、固定された鋼材１０に対して、矢印ＴＤで示すせん断方向に引っ張り、鋼材１０と樹脂基材３０とが分離するのに要する力を接合力として測定した。各製造例Ｓ１～Ｓ６に対して複数回の引張試験を実施し、接合力の平均値を求めた。

【0050】

図９Ｂの表、および、図９Ｃのグラフにおける「接合力」の「差分」の値は、接合層２１を設けなかった製造例Ｓ６の接合力の平均値との差である。「接合強度」は、接合力の平均値を接合面積で除した値に相当する。接合面積は、接合層２１の面積に相当し、製造例Ｓ１～Ｓ４では１９ｍｍ^２であり、製造例Ｓ５では６ｍｍ^２であった。接合層２１を設けなかった製造例Ｓ６での接合面積は、鋼材１０と樹脂基材３０とが重なり合っていた面積に相当し、４００ｍｍ^２であった。図９Ｂの表の「評価」の項目では、接合強度の値が１０ＭＰａ未満を「Ｄ」、１０ＭＰａ以上２０ＭＰａ未満を「Ｃ」、２０ＭＰａ以上３０ＭＰａ未満を「Ｂ」、３０ＭＰａ以上５０ＭＰａ未満を「Ａ」、５０ＭＰａ以上を「ＡＡ」とした。

【0051】

チタン、炭素、ニッケル、スズを含む金属粉末によって形成された接合層２１を有する製造例Ｓ１～Ｓ５はいずれも、接合層２１を有していない製造例Ｓ６よりも高い接合力を示した。製造例Ｓ１～Ｓ５で用いられた金属粉末ではいずれも、チタン、炭素、ニッケルのモル比が３：１：１であり、そのモル比に対するスズのモル比は１未満の値であった。特に、チタン、炭素、ニッケル、スズのモル比が３：１：１：０．１の金属粉末を使用した製造例Ｓ５では、評価が「ＡＡ」となる著しく高い接合力が実現された。また、金属粉末に銅を混合させた製造例Ｓ４においても、接合力の評価が「Ａ」となり、非常に高い接合力が得られた。

【0052】

以上のように、本発明によれば、少なくともチタンと炭素とニッケルとスズを含む金属粉末を用いて鋼材表面に接合層を形成することにより、鋼材と樹脂基材との接合強度を、従来よりもさらに高めることが可能である。

【符号の説明】

【0053】

１０…鋼材
２０…金属粉末
２１…接合層
２２…基層
２３…凹凸構造
２４…凹部
２４ａ…微小凹部
２４ｂ…微小凸部
２５…凸部
２５ａ…微小凹部
２５ｂ…微小凸部
３０…樹脂基材
４０…接合体
ＬＳ…レーザー照射装置
ＰＬ…プレート

【図1】

【図2】

【図3】

【図4A】

【図4B】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9A】

【図9B】

【図9C】