铝合金复合体及其接合方法技术

本发明专利技术的目的在于，牢固地接合铝合金部件和FRP预浸料坯。对铝合金实施合适的液体处理，制成具有微米级大小的凹凸且有数十nm周期的微细凹凸的表面，且表面没有钠离子存在，进而形成厚度比自然氧化层还厚的氧化铝的表面被膜，由此得到物件可见到在其与环氧系粘合剂之间产生强烈的接合力。通过与将相同环氧系粘合剂用于基质的FRP预浸料坯同时固化，从而制作以以往没有的坚固接合力一体化的FRP和铝合金的一体化物复合体、或结构物。

【技术实现步骤摘要】
铝合金复合体及其接合方法本申请是申请号为200880008157.1、国际申请日为2008年3月12日、专利技术名称为“铝合金复合体及其接合方法”的专利技术申请的分案申请。
本专利技术涉及在运输机械、电气设备、医疗设备、一般机械、其他产业机械、或民生设备等中使用的金属和金属、或金属和树脂的接合方法，其复合体及它们的制造方法。更详细而言，涉及在汽车部件、航空器部件等构成要求轻量化的运输机械的部件中，将最合适的铝合金部件和树脂制部件双方一体化而使用的铝合金复合体和其接合方法。
技术介绍
就航空器而言，近来由于能源价格的高涨而要求其有进一步的技术革新。即，在波音公司（美国）、空中客车公司（法国）新发表的新型机、新型机构想中，为了机体的轻量化，超超级杜拉铝（以下，按照日本工业标准（JIS）为“A7075”）、超级杜拉铝（以下，按照日本工业标准（JIS）为“A2024”）等铝合金的使用率在急速减少，根据其减少量，碳纤维强化塑料（以下将Carbon-FiberReinforcedPlastic简称为“CFRP”）的使用率在增加。“A7075”（超超级杜拉铝）是铝合金的一种，其比重为2.7左右，但CFRP的比重为1.6～1.7，其轻量化是无法比拟的。以前，高使用率地将CFRP用作航空器材料，主要是用于战斗机或战斗直升机等军事用途，作为民用航空器用材料的使用，需要开发用于制造大型部件的经验技术，以及成本方面的大小也有影响，不如期待的那样有进展。尽管CFRP具有轻量化、高强度、高耐腐蚀性，但在民需用途方面还未被应用。但是，近来，在上述两家有实力的民营飞机制造公司的研究开发的基础上，由于原油价格高涨且居高不下，从使用材料方面出发，不得不研究机体的轻量化。汽车业界也需要面对原油高涨和环境问题，混合动力车、电力汽车、欧洲的高性能柴油车等的开发在进展，期待将来会普及能量转换效率最高的燃料电池车。燃料电池的开发有飞跃性发展，但用于汽车的最大问题在于，如何安全顺利地进行燃料氢的处理，仍是很费脑筋的问题。在民需用途方面，安全第一，对于将一般人操作搭载有数百气压的氢气的车日常化，障碍过大。因此，现行的液体燃料系统目前还不会改变。基于这种情况，实际上除了动力系统的改进之外，车体结构的轻量化是重要的。实际上，在一部分车型中正在进行铝合金材料的多用途化，预测CFRP化在将来必然成为课题。于是，关于航空器制造，为了提高CFRP材料的使用率，除了因高价CFRP的使用导致的材料费升高之外，还存在技术问题。问题之一是，在已经决定批量生产的最新的空中客车、波音两公司制航空器中，铝合金的使用率以重量比计预测为50％以上，共用CFRP材料和A7075材料两种材料。接近机翼端的部分使用CFRP材料，机体的中心结构部分如以往那样使用A7075材料等。通常在两者的结合中因铆钉或螺栓螺母而需要特殊的物件。这是因为，CFRP材料和金属在其基本物性方面有较大差异。金属材料的伸长（牵拉断裂伸展：Elongation）大，即使是A7075的伸长也为10～16％，但CFRP的伸长仅为数％。当向这些材料施加较强的牵拉力时，金属材料在某种程度的力内发生弹性伸缩（按照杨氏模量进行与力成比例的伸缩），但施加超过该限度的力时，超过杨氏模量而伸长，在A7075材料中，以原始长度为100％，在达到110～116％时断裂。而在CFRP材料中，是沿着与纤维平行的方向牵拉的情况，但碳纤维自身的伸长仅为1～2％，在施加超过基于杨氏模量的伸缩范围的较大牵拉载荷时，碳纤维断开，CFRP被撕裂。总之，就CFRP而言，自身伸长来吸收力的范围小。不仅在牵拉中如此，而且对于压碎力（压缩力）也是一样。即，在用螺栓螺母紧固的情况下，即便是压缩力超过限度的情况，金属自身也能发生变形而免于被破坏，而在使CFRP负载压缩载荷的情况下，该力首先由固化环氧树脂承受，当施加过度的挤压力时，环氧树脂向周边伸长而变形，尽管如此，伸长被碳纤维限制而不动，在无法变形的情况下导致断裂。总之，设置贯通CFRP的贯通孔，向其中插入螺栓，已旋入该螺栓的螺母以过度的扭矩紧固时，该CFRP被压缩而断裂。这两者的物性的较大差异，是由原子的金属键形成的金属部件、碳原子等的共价键形成的环氧树脂或碳纤维的本质差异引起的，所以改进其物性自身的手段基本上不存在。因此，为了用螺栓螺母方式将两者紧固而固定，只有不施加过度的力来防止CFRP侧的断裂，只能为此开发特殊的螺栓螺母来使用。据说，正在进行该螺栓结构开发的企业的成功，会推动近来的民用航空器的开发竞争。关于今后的航空器，无论CFRP的使用率怎样提高，轻金属材料的使用率都不会为零，使CFRP材料和铝合金材料容易结合的技术仍然是非常重要的基本技术。另一个是在CFRP预浸料坯的加热固化后的脱模方面的问题。通过模具且在利用压缩力进行加压的状态下使预浸料坯加热固化，但该过程中，环氧树脂对模具起到粘合剂的作用，所以在模具和预浸料坯之间需要涂布脱模剂。因此，脱模剂（通常为硅油系的油性脱模剂）难免会渗入到作为产品的CFRP内，而无法确保环氧树脂原本具有的最高物性。即便品质稍稍降低，但在用作航空器、汽车等高速移动机械用结构体方面，仍是应该解决的问题。本专利技术基于该点提出一个解决对策。
技术实现思路
本专利技术人等专利技术了使已注射成型的树脂制部件、与预先插入到注射成型模具内的金属部件具体为铝合金部件、镁合金部件、铜合金部件、钛合金部件、不锈钢部件等在注射成型的同时牢固接合的技术（以下称为“注射接合”技术）（参照后述的专利文献1、2、3、4、5）。这成为发现对插入的金属预先实施表面处理法的主要原因，本专利技术人等预测，通过该表面处理得到的金属的表面形状不仅对注射接合有效，而且对通过一般的粘合剂的接合（粘合）也有效。即，就上述的“注射接合”的专利技术而言，如果汇总示出使用的金属合金所要求的表面状态，成为下述的条件（1）～（3）。（1）通过化学蚀刻得到的粗面即以1～10μm周期的凹凸且其凹凸高低差为其周期的一半左右即0.5～5μm的粗面为第一条件。这是因为，对于数百～千气压的高压熔融树脂且流入到比其熔点低百数十℃的模具内而骤冷、边结晶化边固化的树脂而言，能够勉强流入的尺寸的凹部的直径为1～10μm。然而，实际上，在有偏差的化学反应的情况下，该粗面难以100％完全覆盖铝合金表面。实际上，当用表面粗糙度测量仪进行测定时，认为只要描绘出0.2～20μm范围的不规则周期的凹凸且其最大高低差为0.2～10μm的范围的粗度曲线，或者，用扫描型探针显微镜进行分析，是JIS标准（JISB0601：2001）所说的峰谷平均间隔（RSm）为0.8～10μm、最大高度（Rz）为0.2～10μm的粗面，就认为满足上述的表面粗糙度的条件。本专利技术人等认为理想的粗面的凹凸周期如上所述为1～10μm，并以此进行判断，所以作为易懂的技术用语，本专利技术中将具有该表面粗糙度的粗面定义为“具有微米级粗度的表面”。另外，进而要求（2）当用电子显微镜水平放大观察该粗面时，具有10～500nm周期的微细凹凸面，最优选具有40～50nm周期的微细凹凸面，且（3）其表面比该金属合金的通常的自然氧化层厚，或者用更结实的金属氧化物层的薄层来覆盖。关于该金属合金侧所必需的上述三个条件，如上所述镁合金、钛本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种铝合金复合体的制造方法，其特征在于，包括如下工序：由铸造物或中间件通过机械加工而将铝合金部件形状化的工序；将所述已形状化的铝合金部件浸渍于强碱性水溶液中的化学蚀刻工序；在所述化学蚀刻工序之后，将所述铝合金部件浸渍于酸水溶液中的中和工序；在所述中和工序之后，将所述铝合金部件浸渍于含有选自水合肼、氨、及水溶性胺化合物中一种以上的水溶液中，在表面形成超微细凹凸面的超微细蚀刻工序；在所述超微细蚀刻工序之后，将所述铝合金部件浸渍于过氧化氢水溶液中的氧化工序；在所述氧化工序之后，在所述铝合金部件的所述超微细凹凸面上涂布环氧系粘合剂的工序；将含有环氧性树脂成分的纤维强化塑料的预浸料坯形成必要形状的工序；使所述已形状化的预浸料坯附着在所述铝合金部件的涂布有所述环氧系粘合剂的面上的工序；和对所述预浸料坯和所述铝合金部件进行定位，且边加压边加热，而使所述环氧系粘合剂和所述环氧性树脂成分固化的工序。

【技术特征摘要】
2007.03.12 JP 2007-0623761.一种铝合金复合体的制造方法，其特征在于，包括如下工序：由铸造物或中间件通过机械加工而将铝合金部件形状化的工序；将所述已形状化的铝合金部件浸渍于强碱性水溶液中的化学蚀刻工序；在所述化学蚀刻工序之后，将所述铝合金部件浸渍于酸水溶液中的中和工序；在所述中和工序之后，将所述铝合金部件浸渍于含有选自水合肼、氨、及水溶性胺化合物中一种以上的水溶液中，在表面形成超微细凹凸面的超微细蚀刻工序；在所述超微细蚀刻工序之后，将所述铝合金部件浸渍于过氧化氢水溶液中的氧化工序；在所述氧化工序之后，在所述铝合金部件的所述超微细凹凸面上涂布环氧系粘合剂的工序；将含有环氧性树脂成分的纤维强化塑料的预浸料坯形成必要形状的工序；使所述已形状化的预浸料坯附着在所述铝合金部件的涂布有所述环氧系粘合剂的面上的工序；和对所述预浸料坯和所述铝合金部件进行定位，且边加压边加热，而使所述环氧系粘合剂和所述环氧性树脂成分固化的工序，通过所述化学蚀刻工序、中和工序以及超微细蚀刻工序而在所述铝合金部件的表面形成如下表面形状：具有峰谷平均间隔Rsm为0.8-10μm、最大高度Rz为0.2-5μm的表面粗糙度，在所述表面粗糙度内形成有直径为10-100nm且高度或深度相同的凹部或凸起的超微细凹凸面，并且，通过所述超微细蚀刻工序而在所述氧化铝合金部件的表面形成不含有钠离子的厚度为2nm以上的氧化铝的薄层。2.一种铝合金复合体的制造方法，其特征在于，包括如下工序：由铸造物或中间件通过机械加工而将铝合金部件形状化的工序；将所述已形状化的铝合金部件浸渍于强碱性水溶液中的化学蚀刻工序；在所述化学蚀刻工序之后，将所述铝合金部件浸渍于酸水溶液中的中和工序；在所述中和工序之后，将所述铝合金部件浸渍于含有选自水合肼、氨、及水溶性胺化合物中一种以上的水溶液中，在表面形成超微细凹凸面的超微细蚀刻工序；在所述铝合金部件的所述超微细凹凸面上涂布环氧系粘合剂的工序；将涂布有所述环氧系粘合剂的所述铝合金部件收纳于密闭容器内，减压，接着加压，由此将所述环氧系粘合剂压入到铝合金的所述超微细凹凸面的固化前处理工序；将含有环氧性树脂成分的纤维强化塑料的预浸料坯形成必要形状的工序；使所述已形状化的预浸料坯附着在经过所述固化前处理工序后的铝合金部件的涂布有所述环氧系粘合剂的面上的工序；和对所述预浸料坯和所述铝合金部件进行定位，且边加压边加热，而使所述环氧系粘合剂和所述环氧性树脂成分固化的工序，通过所述化学蚀刻工序、中和工序以及超微细蚀刻工序而在所述铝合金部件的表面形成如下表面形状：具有峰谷平均间隔Rsm为0...

【专利技术属性】
技术研发人员：成富正德，安藤直树，
申请(专利权)人：大成普拉斯株式会社，
类型：发明
国别省市：日本;JP