樹脂/金屬一體化成型技術(shù)及其在汽車部件的應(yīng)用


前言
注塑成型是將金屬噴涂在樹脂內(nèi)側(cè)或外側(cè)與樹脂形成一體化部件的加工方法。這種方法只是將金屬與樹脂貼合在一起，并沒有“接合”起來。所以，對要求接合強(qiáng)度的部件和要求密封性的部件，需要使用黏結(jié)劑或螺釘進(jìn)行緊固接合。日本成功開發(fā)出樹脂/金屬一體化成型技術(shù)NMT，利用該技術(shù)將家電部件等許多產(chǎn)品投入市場。本文對NMT接合機(jī)制、NMT制品實例以及ISO化的情況進(jìn)行介紹，并對中小企業(yè)如何應(yīng)對制品全球化進(jìn)行了論述。
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樹脂/金屬一體化成型技術(shù)NMT
樹脂/金屬一體化成形技術(shù)——納米成型技術(shù)（Nano Molding Technology，NMT），是將金屬或合金浸漬在藥品溶液中，使金屬或合金的表面形成納米尺度的微孔，將這種處理后的金屬或合金作為模具的內(nèi)壁，進(jìn)行注塑成形，使樹脂成形物與金屬或合金達(dá)到一體化接合的技術(shù)。NMT的效果是，簡化組裝工藝、減少部件數(shù)量，從而降低制造成本，此外還具有防水防塵作用和提高裝飾性以及使部件輕量化的效果。使用的接合金屬種類，最初是鋁合金，現(xiàn)在已經(jīng)擴(kuò)大到鎂合金、不銹鋼、銅、黃銅、鐵、鈦等多種金屬或合金。使用的樹脂是結(jié)晶性樹脂PPS、PBT、PA等，最近擴(kuò)大到PEEK、環(huán)氧樹脂。
NMT技術(shù)的關(guān)鍵是將金屬或合金浸漬在藥品溶液中形成納米尺度的微孔，將該工序稱為“T處理”。“T處理”針對不同種類的金屬，對藥品種類、濃度、浸漬時間等進(jìn)行不同的控制。對鋁合金的“T處理”流程是：
1）去除油污的脫脂處理；
2）為進(jìn)行酸、堿溶液清洗表面的前處理；
3）利用水溶性胺系化合物水溶液的處理；
4）純水洗凈干燥。經(jīng)過這個流程“T處理”的鋁合金表面形成了直徑20-50nm的微孔（圖1）。這種微孔具有蟻巢狀立體結(jié)構(gòu)，使金屬或合金的表面呈現(xiàn)極薄的多孔層。樹脂填充到微孔的細(xì)部形成了樹脂與金屬或合金的牢固接合。

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NMT的模具和成型
常常被問到NMT的模具和成型是否很特殊。本文的NMT是非常普通的內(nèi)側(cè)成型。模具將內(nèi)側(cè)金屬部件牢固地固定住，然后利用噴氣口將樹脂送到流動末端，并且不使氣體殘留在接合部，因此不需要特殊的成型機(jī)。
成型條件基本上是樹脂適用的條件。但為了使樹脂在微孔內(nèi)流動，樹脂溫度盡量不下降，使樹脂處于壓力容易傳遞的狀態(tài)。此外，對NMT用的結(jié)晶性樹脂的結(jié)晶化速度進(jìn)行控制，使熔融樹脂的冷卻固化有少許延遲，可以流入納米微孔冷卻固化，產(chǎn)生錨固效果，使金屬或合金與樹脂牢固接合為一體化。
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NMT的接合強(qiáng)度
在開發(fā)初期，尚不知道如何測定接合強(qiáng)度，因而制作出可測定單位面積剪切強(qiáng)度的啞鈴狀試樣（圖2），后來該試樣納入ISO標(biāo)準(zhǔn)。通過反復(fù)進(jìn)行金屬或合金T處理-成形-剪切拉伸試驗，確立了各類金屬或合金的處理訣竅。最初使用的拉伸試驗機(jī)是通用的拉伸試驗機(jī)，但由于試樣本身的轉(zhuǎn)動力矩使試樣發(fā)生變形，測定出的接合強(qiáng)度數(shù)值波動很大，不能獲得正確的接合強(qiáng)度值。后來制作出剪切試驗專用的夾具，使接合強(qiáng)度測定值穩(wěn)定下來。NMT制品的接合強(qiáng)度都在40MPa以上，這是傳統(tǒng)接合方式不可能達(dá)到的高強(qiáng)度。

隨著汽車部件制造業(yè)用戶的增加，用戶提出了不同環(huán)境試驗后的接合強(qiáng)度要求。NMT制品在熱沖擊試驗（-55℃?+150℃、各溫度下保持1h、3000個循環(huán)）、高溫高濕度試驗（85℃、85%RH、3000h）、鹽水噴霧試驗等環(huán)境試驗后，仍可保持40MPa以上的接合強(qiáng)度。現(xiàn)在NMT制品已經(jīng)是正式用于汽車部件的制品。
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NMT的ISO化和未來發(fā)展前景
日本進(jìn)行了樹脂/金屬異種材料復(fù)合體特性試驗方法的研究開發(fā)并形成系列化標(biāo)準(zhǔn)，于2015年完成ISO注冊，標(biāo)準(zhǔn)號是ISO19095-1~4。該標(biāo)準(zhǔn)獲得2017年度的經(jīng)濟(jì)產(chǎn)業(yè)大臣獎。NMT試驗方法納入國際標(biāo)準(zhǔn)后，大大加速了NMT技術(shù)的采用。NMT的轉(zhuǎn)向部件和自行車曲軸在展覽會上展出產(chǎn)生了巨大反響。
NMT技術(shù)最初是為注塑成型接合而開發(fā)的技術(shù)，最近又作為金屬表面粗化處理技術(shù)而受到人們的關(guān)注。特別是作為使用黏結(jié)劑粘結(jié)的前處理技術(shù)的納米粘接技術(shù)（Nano Adhesion Technology，NAT），目前正在進(jìn)行生產(chǎn)性研究。例如，鋁合金之間進(jìn)行粘結(jié)接合時，采用普通黏結(jié)劑的接合強(qiáng)度只有15-20MPa。但經(jīng)NAT處理使金屬表面粗化，接合強(qiáng)度可提高到30MPa（ISO4587）。雖然斷裂模式也是界面斷裂，但斷裂是黏結(jié)劑層斷裂，接合強(qiáng)度等于黏結(jié)劑強(qiáng)度。此外，NAT處理還用于金屬與CFRP的粘結(jié)接合。日本已經(jīng)開發(fā)出CFRP等復(fù)合材料與金屬的接合品的特性評價試驗方法，并為納入國際標(biāo)準(zhǔn)做準(zhǔn)備。此外，還開始了金屬與環(huán)氧樹脂的粘結(jié)接合、金屬與液態(tài)EPT樹脂一體成型、金屬涂裝的前處理等各項研究，為真正實現(xiàn)汽車部件材料多元化加快研究速度。