自動車組立におけるアルミニウムの接着

May 08, 2023

過去 10 年間で、乗用車に使用されるアルミニウムの平均量は 2 倍になりました。 最新のデザインに基づいて、この傾向は今後数年間も続くでしょう。

しかし、スチールからアルミニウムへの切り替えは簡単ではありません。 たとえば、アルミニウムは鋼鉄より 50% 軽いですが、平均弾性率は 70 ギガパスカルであるのに対し、鋼鉄の平均弾性率は 207 ギガパスカルです。 その結果、アルミニウム部品は通常、スチール製部品よりも 40% 厚くなります。

アルミニウム合金はスポット溶接が困難です。 これらは電気抵抗が低く、安定した非導電性の酸化物層を持ち、電極と相互作用する傾向があります。 さらに、溶接プロセスからの熱により、部品、特に疲労強度が弱くなる可能性があります。

自動車メーカーは、溶接の代わりに、組み立てに構造用接着剤を単独で、または機械的締結具と組み合わせて使用​​することが増えています。 たとえば、メルセデス S クラス クーペの白のボディには 100 メートルを超える構造接着剤が使用されており、BMW 7 シリーズには 10 キログラムを超える構造接着剤が含まれています。

自動車メーカーは、構造用途以外にも、他の白ボディ用途にも接着剤を使用しています。 「フラッター防止」接着剤により、ボディパネルの外側と内側の間の振動が軽減されます。 このような接着剤は、ボンネット、トランクリッド、ルーフなどの水平パネルに通常使用されます。 接着剤は、ドア、ボンネット、テールゲートのヘム フランジ領域を接合してシールするためにも使用されます。

接着剤には、他の接合技術に比べて大きな利点があります。 接着剤による接合はアルミニウムの冶金に干渉したり、熱的または機械的に脆弱な領域を生成したりしません。 応力は接着領域全体に均一に分散され、車両構造の静的および動的剛性が向上します。 ボディ構造がより剛性が高いため、共振周波数モードが高くなり、構造的な減衰が速くなります。 その結果、車両の騒音、振動、ハーシュネス特性が向上します。 接着剤を他の接合技術と組み合わせて使用​​すると、衝突性能と疲労強度が向上します。 接着剤を使用すると、異種材料の接合も可能になり、異なる金属を隔離することで電気腐食を防ぐことができます。

見た目の美しさも接着剤による接着のもう 1 つの利点です。 目に見える溶接継ぎ目やリベットの頭がないため、接着により研削や研磨などの二次作業を最小限に抑えるか排除できます。 さらにもう 1 つの利点は、ギャップを埋めることです。 接着剤はパネル間の大きな隙間を埋め、アセンブリの全体的な外観を向上させることができます。 多くの場合、接合とシールの操作は組み合わせることができます。

接着剤による接合にはいくつかの欠点もあります。 最も重要なのは、過酷な環境条件にさらされたときの接着接合部の耐久性です。 もう 1 つの問題は、特にアルミニウム合金との強力で耐久性のある接合を実現するために、基板の前処理が必要な場合があることです。 溶接接合部と同様に、接合構造も修理のために簡単に分解することはできません。 また、多くの場合、接着剤が硬化するまで接合部をサポートする必要があるため、生産が遅くなる可能性があります。 これが、構造用接着剤が通常、リベット留めなどの別の接合方法と組み合わせて使用​​される理由の 1 つです。

接着剤はアルミニウムシート、押出成形品、鋳物に使用できます。 形状に関係なく、アルミニウムの表面は次のように処理する必要があります。

弱い境界層を除去することが特に重要です。 この層は接着接合の界面領域に形成され、予想よりも低い応力で接合が破損する原因となります。 この層には、さまざまな製造プロセスからの酸化物や潤滑剤などの汚染物質が含まれています。 表面処理によってこの汚染が完全に除去されることはほとんどありませんが、粘着力の弱さの影響を受けにくい表面が生成されます。

アルミニウムシートを製造するには、アルミニウムは熱間または冷間で圧延プロセスを受けます。 ローラーとワークピースを分離するために潤滑剤が塗布されます。 これにより摩擦が最小限に抑えられ、シートの表面が損傷するリスクが軽減されます。 潤滑剤は通常パラフィンベースであり、アニーリング中または自然蒸発によって揮発します。 ただし、圧延された表面には依然としてある程度の汚染が存在する可能性があるため、脱脂によって除去する必要があります。

アルミニウムは非常に反応性が高く、酸素との親和性が高くなります。 空気にさらされると、表面に酸化物の薄い層が瞬時に形成されます。

酸化物層が 375 ℃ 未満の温度で形成される場合、それは水和した表面酸化物と水酸化物で覆われた厚さ 1 ～ 2 ナノメートルの薄い非晶質 Al2O3 層で構成されます。 すべてを合計すると、酸化物層の厚さは 2 ナノメートルと 60 ナノメートルになります。 酸化と水和は、表面または金属-金属酸化物の界面に偏在するリチウム、ナトリウム、マグネシウムなどのアルカリ元素およびアルカリ土類元素の存在によって促進されます。 特にマグネシウムは、熱処理中に表面に移動する可能性があります。 水酸化アルミニウムは実際、ポリマーの酸極性部位との相互作用に優れています。 ただし、水和により上面に弱い塩基性部位が生成されるため、全体的な接着性能が低下する可能性があります。

400℃を超える温度で酸化物層が形成されると、熱膨張によりアモルファス酸化物に亀裂が入り、結晶質のAl2O3が形成される可能性があります。 これは全体的な接着力に悪影響を与える可能性があります。 マグネシウムの存在も結晶酸化物の成長を促進します。

圧延後のアルミニウムのもう 1 つの特徴は、いわゆる表面近傍変形層 (NSDL) です。 ローラーが金属の表面に食い込むと、酸化層に亀裂が入る可能性があります。 シートがローラーから出るときに、ミルメタルまたは金属間化合物がローラーの表面に付着する可能性があります。 連続的な圧延サイクルでは、これらの粒子がシートの表面に再堆積し、酸化層にさらに多くの欠陥や亀裂が生じます。 このプロセスでは、アルミニウムの表面に、下の金属とは異なる層が作成されます。 この層は NSDL です。

NSDL の厚さは、圧延機に応じて 1.5 ～ 8 ミクロンの間で変化します。 NSDL は、熱間圧延と冷間圧延の両方で形成される可能性があります。 NSDL の存在と 3xxx および 5xxx アルミニウム合金の糸状腐食の受けやすさの間には強い相関関係があります。

前処理の前に、アルミニウム基板から残留油、汚れ、表面酸化物を除去する必要があります。 5xxx 合金の場合、洗浄の主な要件は、有機残留物の除去に加えて、コーティングの接着に悪影響を与える可能性があるマグネシウムに富んだ酸化物を確実に除去することです。

自動車業界でアルミニウム シートに最もよく使用されている洗浄方法は、混合酸プロセスです。 アルミニウムは、硫酸、リン酸、フッ化水素酸の混合液に 50 ～ 70 ℃ の温度で浸漬されます。これにより NSDL が除去され、金属の耐腐食性が高まります。

洗浄後、アルミニウムには前処理が施され、表面の化学的性質が変化し、接着性が向上し、耐食性が向上します。 前処理には次の 3 種類があります。

自動車産業で最も広く使用されている金属イオン処理は、フッ化チタン、またはフッ化チタンとフッ化ジルコニウムの混合物をベースにした化成皮膜です。 処理は浸漬、スプレー、またはリンスなしのプロセスで適用できます。 これらのコーティングの利点は、その速度と簡単さです。 それらはその場で乾燥することができ、低温で塗布することができます。

さらに優れた接着性を実現し、均一なコーティングを実現するために、有機添加剤を化成浴に添加することができます。 これらの添加剤には、ポリアクリル酸、フェノールリン酸、シラン、およびアミノトリメチレンホスホン酸などのキレート剤が含まれます。

カップリング剤の中でシランが最も多く使われます。 カップリング剤の役割は、界面領域の架橋度を改善して化学結合を増加させることです。 シランは、基材と接着剤の両方と化学結合を形成できます。 シランの利点は、共有結合架橋構造により単純で安定していることです。 また、表面の濡れ性も向上します。 シランの 1 つの欠点は、保存寿命が比較的短いことです。

有機ホスホン酸ベースのコーティングもカップリング剤として使用されます。 有機ホスホン酸は、薄い酸化膜で覆われたアルミニウム合金上に非常に安定した単層を形成します。 ホスホン酸塩単層の存在により、酸化アルミニウムとの接着が強化されます。 これらの酸は、浸漬コーティングまたはスプレーによって適用できます。

もう一つの前処理は陽極酸化です。 陽極酸化は、金属表面を耐久性と耐腐食性の陽極酸化仕上げに変える電気化学プロセスです。 また、多孔質の表面により、接着剤やプライマーに対する接着力が得られます。 陽極酸化は、アルミニウムを酸性電解質浴に浸し、その媒体に電流を流すことによって行われます。

陽極酸化の利点は、純粋な酸化アルミニウム表面を作成できることです。 他の前処理よりも環境に優しく、完成した酸化物の厚さと形態を簡単に制御できます。 一方で、コストも高く、大量生産に適用するのは困難です。

メルセデスは CLS クラスセダンに陽極酸化処理を採用しています。 ロータス エリートやオペル スピードスターのスポーツカーにも使用されています。

前処理の後、通常、成形性を向上させ、接合前に基板を保護するために、スタンピング潤滑剤が金属に塗布されます。 塗布するオイルの量は1平方メートルあたり約0.9グラムです。 ただし、オイルが乾膜潤滑剤ではない場合、流出により表面に不均一な分布が生じます。

これらの潤滑剤はプレス工場で必ずしも除去されるわけではないため、接着剤が潤滑剤と適合することが重要です。 強力な接着を形成するには、接着剤が潤滑剤を移動または吸収できなければなりません。 たとえば、特定のエポキシは油を置き換えて吸収する可能性があります。

いくつかの研究により、スタンピング潤滑剤が接合強度に悪影響を与える可能性があることが示されています。 たとえば、ある研究では、6111 アルミニウム合金を高強度鋼に接合する場合、潤滑剤の量が増加すると接合強度が低下することが示されました。 別の研究では、1平方メートルあたり2.21グラムの疎水性潤滑剤が接着強度に悪影響を与えるのに十分であることがわかりました。

接着接合の主な欠点の 1 つは、環境条件にさらされた場合の長期耐久性です。

水は、接着剤を通したバルク拡散、接着剤と基材の間の界面に沿った界面拡散、接着剤や化成層の亀裂や欠陥を通る毛細管現象によって接着接合部に侵入する可能性があります。 接着特性が変化したり、界面で接着剤が移動したりすることにより、システムに悪影響を及ぼす可能性があります。

水が接合部に到達すると、接着剤にさまざまな影響を与える可能性があります。 これらには次のものが含まれます。

場合によっては、この損傷は接合部が乾燥すると回復します。 他の場合には、損害は回復不可能になります。

だからこそ前処理がとても重要なのです。 接着剤と基材の間に一次結合を形成すると、接合強度が大幅に向上します。

湿気は水と同じくらい接着剤の結合に悪影響を及ぼす可能性があります。 たとえば、ある研究では、さまざまな構造用接着剤で接着されたアルミニウムの接合部を、温度 50 ℃、相対湿度 100% にさらしました。研究者らは、接合部の強度が大幅に低下するものの、湿度が下がると部分的に回復することを発見しました。

腐食防止は、コーティング層の基材への密着性に依存します。 コーティングと基材の間の結合が強い場合、水が界面まで浸透することができず、腐食が急速に進行することはありません。 ただし、結合が弱い場合、界面で腐食が容易に伝播する可能性があります。

ある研究では、ヘムフランジシーラントで接着された重ね剪断アルミニウム接合部の強度に対する長期の塩水噴霧の影響を調べました。 1 セットのジョイントはジルコニウム - チタン コーティングで処理されました。 もう1つは裸のアルミニウムでした。 研究では、当初、ジルコニウムチタンコーティングは裸のアルミニウムよりも優れた腐食保護を提供することがわかりました。 ただし、1,400 時間を超える長期にわたっては、コーティングの保護は地金よりも劣っていました。

糸状腐食は、有機コーティングの下で​​相互につながった細い糸状のフィラメントの形で発生する大気腐食の一種です。 この現象は、1960 年代後半に初めて観察され、攻撃的な熱帯環境にさらされた航空機のリベット頭の周囲とアルミニウム外板の端で発生しました。

アルミニウム合金などの非導電性酸化物表面上のポリマー層の場合、陽極剥離が原因で糸状腐食が発生します。 接着力の損失は、基板の陽極溶解によって引き起こされます。 この形態の腐食の開始と進行に重要な主な環境要因は、80% を超える相対湿度、塩素などの攻撃的なイオンの存在、および保護コーティングの欠陥です。

接着の主な利点は、応力を広い範囲に分散させることです。 ただし、エンジニアがストレスの問題を無視できるわけではありません。 応力を加えると、特に接着部が長期間にわたって高荷重にさらされる場合、接着部は応力を受けていない接着部よりも速い速度で劣化します。

接着されたジョイントは、静的応力と動的応力の両方にさらされる可能性があります。 これらのストレスは外部負荷だけが原因ではありません。 これらは、硬化後の接着剤の収縮、水分の吸着による接着剤の膨張、または接着剤と基材の間の熱の不一致に起因する可能性があります。 さらに、応力は、接合部内の水分の拡散速度など、他のプロセスも加速する可能性があります。

接合部の設計と接着剤の選択の性能を検証するには、応力耐久性試験を行うことをお勧めします。 たとえば、ある研究では、さまざまな接着剤で接着された軟鋼接合部の疲労強度に対する環境曝露の影響を調べました。 二重重ねせん断継手は、さまざまな荷重および環境条件下で 8 年間維持されました。 研究者らは、使用された接着剤が大きな影響を及ぼしていることを発見しました。 いくつかの配合物は優れた耐久性を示しましたが、他の配合物は環境によって悪影響を受けました。 より優れた性能を示した接着剤は、ポリアミド硬化剤で硬化した接着剤、および初期強度とヤング率が高い接着剤でした。

編集者注: この記事には次の人物も貢献しました: Matthieu Boehm、研究科学者、Constellium Technology Center、Voreppe、フランス。 ハーマン・テリン博士、ブリュッセル自由大学表面科学工学教授。 ブリュッセル自由大学化学准教授のトム・ハウフマン博士。

この記事は、より長い研究論文の要約です。 論文全文を読むには、ここをクリックしてください: https://bit.ly/36hNpRv。