一種用于輪轂裝飾蓋的聚丙烯材料

石海琳，謝 晶，陶 昊

(泛亞汽車技術(shù)中心有限公司，上海 201201)

0 前言

隨著汽車工業(yè)的不斷發(fā)展，以塑代鋼、輕量化逐漸成為汽車材料發(fā)展的主題。作為汽車的重要組成部分——汽車輪轂，其制作材料經(jīng)歷了鋼材到鋁合金的轉(zhuǎn)變。鋁合金輪轂由于質(zhì)量輕、美觀、彈性好等特點(diǎn)被越來越多的高檔車使用，而鋼輪轂則由于其成本低、結(jié)實(shí)、耐用等特點(diǎn)仍然在低端車中廣泛使用[1]。對性能要求相對較低的輪轂裝飾蓋，也可由塑料代替鋼材進(jìn)行制備[2]，通過塑料卡扣固定在鋼輪轂上，經(jīng)過噴漆、烘烤固化成型，既降低車身質(zhì)量又可滿足對外觀的要求。

目前輪轂裝飾蓋材料主要為質(zhì)量分?jǐn)?shù)為25%～30%的礦物填充的尼龍(PA)材料。該類材料剛韌平衡，應(yīng)用成熟，材料密度約為1.35 g/cm3,與鋼(密度約為7.9 g/cm3) 相比質(zhì)量得到大幅度降低。但是，由于PA吸水性較強(qiáng)，在長期使用過程中性能變化較大[3]。聚丙烯(PP)樹脂與PA相比，具有相對密度更小、價格更低、加工性能好等優(yōu)點(diǎn)。通過加入填料來改善PP的綜合性能，可有效提高材料剛性和尺寸穩(wěn)定性[4]。因此，采用PP替代PA實(shí)現(xiàn)汽車輪轂裝飾蓋輕量化是一個非常有價值的課題。

1 性能要求

出于安全、美觀、便于裝配等因素考慮，塑料直接注塑成型的車輪轂零件必須滿足表1中的工況以及試驗(yàn)級要求。

表1 車輪轂零件的工況和試驗(yàn)級要求

根據(jù)零件的性能要求并參考實(shí)際工況，在對比現(xiàn)有材料標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上，考慮減重和降本雙重目的，將零件性能要求轉(zhuǎn)換為輪轂裝飾蓋用PP材料的一系列關(guān)鍵性能指標(biāo)。另外，材料在注塑成制件后，要求其具有一定的低溫沖擊強(qiáng)度、良好的外觀和較小的變形翹曲。筆者選擇密度為1.0 g/cm3左右的礦物纖維復(fù)合礦粉改性PP材料替代密度為1.35 g/cm3的PA材料，能夠?qū)崿F(xiàn)零件減重30%。同時,由于PP材料的價格低于PA材料，在零件的輕量化和降低成本方面具有雙重意義。

鑒于目前現(xiàn)有車型已有用礦粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)為30%的尼龍6(PA6-M30)做塑料輪轂裝飾蓋的嘗試，筆者后續(xù)均參照這種材料進(jìn)行對比討論。根據(jù)物性要求，初步選定材料的體系為20%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))礦物纖維填充增強(qiáng)PP材料。由于擔(dān)心材料中礦物纖維含量過高會導(dǎo)致制件翹曲變形，該材料采用自制礦物纖維加礦粉復(fù)合進(jìn)行改性，并加入彈性體保證材料滿足沖擊性能要求。材料的體系初定為PP-MF10-M10(礦物纖維質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10%、礦粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10%，下同)。用于輪轂裝飾蓋的材料性能要求以及初期配方設(shè)計材料物性見表2。

由表2可以看出，PP-MF10-M10能夠滿足用于輪轂裝飾蓋的材料性能要求。PP-MF10-M10比PA6-M30體系具有更高的沖擊強(qiáng)度，這使得前者比后者更容易滿足表1中的工況和試驗(yàn)級測試要求。另外，在路試測試中，汽車輪轂的極限使用溫度一般為120 ℃，具有熱變形溫度為140 ℃的PP-MF10-M10比熱變形溫度為120 ℃的PA6-M30具備使用上的優(yōu)勢。

表2 用于輪轂裝飾蓋的材料性能要求以及初期配方設(shè)計材料物性

從試模的情況看，雖然初始開發(fā)的配方基本滿足材料性能，但材料存在熔接痕強(qiáng)度不夠以及熔接痕凸出的問題。熔接痕的產(chǎn)生原因[5]是：在輪轂裝飾蓋一般采用的“中心一點(diǎn)式”進(jìn)膠方式下，熱料流在經(jīng)過輻條后兩股熱流對沖，會導(dǎo)致形成若干個熔接痕(見圖1)。為此筆者展開了影響材料熔接痕性能的研究。另外，在考慮到輪轂裝飾蓋在實(shí)際的使用工況中常常會遇到飛濺物沖擊的情況，故需要具有一定的耐沖擊性，尤其在低溫情況下，故輪轂裝飾蓋還要通過-30 ℃情況下的較高能量的落球沖擊實(shí)驗(yàn)，為此同時開展了材料和零件的低溫落球性能研究。零件的翹曲變形情況通過Moldflow軟件分析和現(xiàn)場實(shí)際生產(chǎn)進(jìn)行驗(yàn)證。

圖1 注塑成型汽車輪轂裝飾蓋上的熔接痕

2 實(shí)驗(yàn)部分

2.1 主要原料

PP1、PP2：新加坡聚烯烴私營有限公司；

聚烯烴類增韌劑:三井化學(xué)公司；

滑石粉：廣西桂林桂廣滑石粉有限公司；

偶聯(lián)劑：以色列普利朗有限公司；

國產(chǎn)高嶺土：天津麥迪遜高嶺土有限公司；

進(jìn)口高嶺土：巴斯夫有限公司；

碳酸鈣：廣西桂林金山有限公司；

礦物纖維：自制。

2.2 主要設(shè)備及儀器

雙螺桿擠出機(jī)：SHJ-30型，南京瑞亞高聚物裝備有限公司；

注塑機(jī)：B-920型，浙江海天注塑機(jī)有限公司；

熔體流動速率儀：MF-003型，德國Zwick公司；

萬能材料試驗(yàn)機(jī)： ZWICK/Z0.5型，德國Zwick/Roell公司；

擺錘沖擊試驗(yàn)： ZWICK-5113.300型，德國Zwick/Roell公司；

高低溫交變濕熱箱：GSJ-100B型，石家莊市盛泰源機(jī)電設(shè)備有限公司；

低溫落球測試儀：自制。

2.3 試樣制備

原材料按一定比例稱量后，在高速混合機(jī)中混合均勻，然后利用雙螺桿擠出機(jī)在190～200 ℃下擠出造粒，粒料在80 ℃烘箱中干燥2 h，最后在200～220 ℃下注塑成標(biāo)準(zhǔn)測試樣件。

2.4 性能測試以及測試標(biāo)準(zhǔn)

拉伸強(qiáng)度：按照ISO 527-2—2018 《塑料 拉伸性能的測定》進(jìn)行測試。

彎曲強(qiáng)度和彎曲模量:按照ISO 178—2016 《塑料 彎曲模量的測定》進(jìn)行測試。

沖擊強(qiáng)度:按照ISO 179—2010 《塑料 簡支梁沖擊強(qiáng)度的測定》進(jìn)行測試。

熔融指數(shù):按照ISO 1133—2012 《塑料 熱塑性塑料材料熔體質(zhì)量流動速率和熔體體積流動速率測定》進(jìn)行測試。

密度:按照ISO 1183—2012《塑料 非泡沫塑料密度和相對密度的測定方法》進(jìn)行測試。

熔接痕強(qiáng)度:參照ISO 527-2—2018、ISO 178—2016進(jìn)行測試，制件制備使用自制的熔接痕模具。

熔接痕外觀評估：由于目前還沒有公認(rèn)的、客觀的熔接痕外觀的評價方法，故采用5個實(shí)驗(yàn)人員用手觸摸評估熔接痕表面凸起程度并進(jìn)行排序，去掉感官差異最大和最小的數(shù)值，然后取其余感官結(jié)果的平均值作為最終評估結(jié)果。

低溫落球沖擊：實(shí)驗(yàn)前，零件需在-30 ℃下存放4 h以上；進(jìn)行實(shí)驗(yàn)時，先將零件從低溫箱中取出，然后立即將500 g的落球，分別從1.0 m、2.0 m的高度落下砸向零件上指定位置(500 g落球分別從1.0 m、2.0 m高度落下對應(yīng)的能量為5 J、10 J)，整個過程不超過3 s；實(shí)驗(yàn)后,結(jié)果的評判以零件外表噴漆面沒有明顯的裂紋為標(biāo)準(zhǔn)。

3 結(jié)果與討論

3.1 礦粉種類、增韌劑以及PP種類對熔接痕強(qiáng)度的影響

基于材料初定體系PP-MF10-M10，筆者考察了不同類型礦粉對熔接痕強(qiáng)度的影響[6-7]。表3和表4為PP材料配方中不同類型礦粉復(fù)配礦物纖維的比例對PP材料性能的影響。

表3 PP配方體系中不同類型礦粉復(fù)配礦物纖維的質(zhì)量分?jǐn)?shù) %

表4 PP配方體系中不同類型礦粉復(fù)配礦物纖維對材料性能的影響

表4(續(xù))

在所考察的填料中，添加滑石粉的體系展現(xiàn)出最低的熔接痕彎曲強(qiáng)度和彎曲撓度；國產(chǎn)高嶺土雖然使材料具備了最高的熔接痕彎曲強(qiáng)度，但是彎曲撓度與滑石粉表現(xiàn)相當(dāng)；碳酸鈣和進(jìn)口高嶺土使材料展現(xiàn)了最好的熔接痕彎曲強(qiáng)度和彎曲撓度，但碳酸鈣在綜合性能上表現(xiàn)最好，且具備價格上的優(yōu)勢。在實(shí)際應(yīng)用中，較高的熔接痕彎曲強(qiáng)度和彎曲撓度能避免輪轂裝飾蓋在受到外力壓迫時 (如安裝拆卸)，更不容易從熔接痕的位置破裂。

在體系中，加入烯烴類增韌劑是為了使材料具備較好的韌性以承受外力的沖擊;但增韌劑中較高含量的橡膠可能會出現(xiàn)與PP相容性變差的問題，對熔接痕強(qiáng)度造成不利的影響[8]。筆者考察了添加增韌劑以及不同類型PP對材料的熔接痕強(qiáng)度的影響(見表5和表6)。PP2與PP1相比，組成上橡膠相的含量略低，在性能上表現(xiàn)更硬。

表5 PP配方體系中橡膠質(zhì)量分?jǐn)?shù) %

表6 PP配方體系中橡膠比例對材料性能的影響

表6(續(xù))

由表6可見:去除配方中的烯烴類增韌劑(2#和5#)，雖使材料的沖擊強(qiáng)度下降，但是材料具備了更高的剛性和流動性;更重要的是，材料的熔接痕強(qiáng)度由30 MPa提升到40.5 MPa?？梢姡コ鲰g劑對材料在熔接痕處的性能影響極大。添加PP2的體系(6#)，具備最高的熔接痕強(qiáng)度和撓度。由此看來，一定程度地降低整個體系中橡膠含量能有效提升熔接痕處的綜合性能。

3.2 礦物纖維與礦粉復(fù)配比例對熔接痕外觀的影響

熔接痕是由兩股料流對沖而成，礦粉、礦物纖維容易在此處堆積，形成凸起。在噴漆后，熔接痕處會變得更加明顯，形成目視可見甚至有觸感的外觀瑕疵。筆者研究了碳酸鈣與礦物纖維不同復(fù)配比例對材料熔接痕外觀的影響(見表7、表8)。

表7 PP配方體系中碳酸鈣與礦物纖維不同復(fù)配比例

表8 PP配方體系中碳酸鈣與礦物纖維不同復(fù)配比例對材料熔接痕外觀的影響

由表8可以看出：熔接痕凸起程度由大至小排列順序?yàn)?#、9#、8#、10#；體系中礦物纖維含量越低，熔接痕凸起得越不明顯，即外觀越好。這主要是因?yàn)槌拾魻罱Y(jié)構(gòu)的礦物纖維在模具中流動時相遇發(fā)生對沖打亂了分散相態(tài)。礦物纖維隨料流動時，會沿著流動方向取向。當(dāng)遇到對沖而來的另一股料流時，礦物纖維在相匯的地方打亂取向，形成無規(guī)則的排布，從而形成了熔接痕。由于10#配方熔接痕外觀表現(xiàn)最優(yōu)，熔接痕處性能也能滿足要求，所以采用該配方用于制作輪轂裝飾蓋并進(jìn)行零件級別的測試。

3.3 車輪轂零件的低溫落球?qū)嶒?yàn)性能評估

考慮到輪轂裝飾蓋材料在實(shí)際使用中的工況條件，對輪轂裝飾蓋零件提出了低溫沖擊性能的要求，通過-30 ℃的低溫沖擊實(shí)驗(yàn)?zāi)M實(shí)際使用過程中車輛在極低溫下，輪轂裝飾蓋受沖擊力的工況。低溫沖擊點(diǎn)主要選擇了整個零件上最薄弱位置,即熔接痕處(見圖2、圖3)。

圖2 輪轂裝飾蓋零件上的5 J低溫落球位置選擇點(diǎn)

圖3 輪轂裝飾蓋零件上的10 J低溫落球位置選擇點(diǎn)

5 J低溫落球測試的實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表9。由表9可以看出:PA6-M30材料的通過率只有40%左右，而PP-MF10-M10材料的通過率達(dá)到了90%左右。PP-MF10-M10材料的輪轂裝飾蓋面上的結(jié)構(gòu)沒有出現(xiàn)整塊碎落的問題,其中未通過的點(diǎn)出現(xiàn)破裂的原因是輪轂裝飾蓋面下面的卡扣出現(xiàn)了斷裂，由此可推斷出在低溫落球測試時能量要求為5 J的條件下，PP-MF10-M10材料遠(yuǎn)優(yōu)于PA6-M30材料。

表9 5 J的零件低溫落球?qū)嶒?yàn)結(jié)果

10 J低溫落球測試的實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表10。由表10可以看出：PA6-M30材料的通過率僅有20%左右，在實(shí)驗(yàn)過程中輪轂裝飾蓋出現(xiàn)了整塊碎落的現(xiàn)象;而PP-MF10-M10材料的通過率為50%左右，輪轂裝飾蓋面上的結(jié)構(gòu)沒有出現(xiàn)整塊碎落的現(xiàn)象，只在局部出現(xiàn)了破裂。整體而言，在低溫落球測試時能量要求為10 J的條件下,PP-MF10-M10材料的表現(xiàn)是優(yōu)于PA6-M30材料的。

表10 10 J的零件低溫落球?qū)嶒?yàn)結(jié)果

3.4 輪轂裝飾蓋翹曲分析

翹曲變形一直是礦物纖維增強(qiáng)材料不可忽視的問題。材料成型冷卻后，礦物纖維的取向不均勻、材料的冷卻不均和收縮不均都會造成不同材料的翹曲程度不同[9]。在實(shí)際應(yīng)用中，零件的翹曲變形會給裝配帶來極大的困難，且在日后的使用，有變形破裂的風(fēng)險。筆者通過Moldflow軟件分析和現(xiàn)場實(shí)際生產(chǎn)結(jié)果，對比分析了原使用的PA6-M30與PP-MF10-M10的翹曲變形情況。在適合材料的注塑工藝下(見表11)，兩種材料的填充時間、注塑壓力和變形程度都通過計算機(jī)輔助模擬工程(CAE)分析進(jìn)行對比(見圖4、圖5、圖6)。

表11 不同材料輪轂裝飾蓋零件注塑工藝

(a) PP-MF10-M10

(b) PA6-M30圖4 兩種材料的填充時間分析

(a) PP-MF10-M10

(b) PA6-M30圖5 兩種材料的注塑壓力分析

(a) PP-MF10-M10

(b) PA6-M30圖6 兩種材料在Z方向上翹曲變形分析

由圖6可以看出:PA6-M30的翹曲程度比PP-MF10-M10大，前者產(chǎn)品變形后外圈的最大平面距離約為0.6 mm，而后者只有約0.17 mm。從CAE的分析結(jié)果可以與注塑壓力和填充時間結(jié)合解釋：PA6-M30的注塑壓力遠(yuǎn)大于PP-MF10-M10，且填充時間更短，隨料股流動的礦物纖維在沒能更好地分散開就被迫開始冷卻，材料中存在很多應(yīng)力集中點(diǎn)，在后續(xù)的收縮結(jié)晶過程中，這些應(yīng)力集中點(diǎn)使材料的變形更加嚴(yán)重。

根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際生產(chǎn)反饋的結(jié)果，PP-MF10-M10在注塑完成剛?cè)〕鰰r翹曲變形確實(shí)比PA6-M30的程度小，這與Moldflow軟件的分析結(jié)果一致。但是材料在不平穩(wěn)放置和裝箱存儲后，PP-MF10-M10的翹曲變形程度比PA6-M30更大，分析其原因可能與PP的后冷卻收縮的程度、收縮時間以及材料在該過程中的剛性有關(guān)，需進(jìn)一步研究分析。

4 結(jié)語

礦物纖維與礦粉復(fù)配增強(qiáng)PP材料作為一種新型的、質(zhì)量更輕、價格更低廉的材料，可以有效替代目前應(yīng)用相對廣泛的礦物填充PA材料應(yīng)用于汽車輪轂裝飾蓋上。筆者從材料配方上分析并改善了材料在零件使用時的熔接痕強(qiáng)度、熔接痕外觀。研究發(fā)現(xiàn):在礦粉中，添加碳酸鈣比滑石粉、高嶺土能使材料具有更優(yōu)的熔接痕強(qiáng)度，從材料整體性能和成本上考慮是最適宜的。在體系中添加增韌劑會導(dǎo)致熔接痕強(qiáng)度下降。在材料能滿足零件實(shí)際使用性能要求的前提下，應(yīng)該盡量減小體系中的橡膠含量。熔接痕的產(chǎn)生是由于夾帶礦物纖維和礦粉的兩股料流的對沖，在滿足材料性能要求的情況下，盡量減小體系中的礦物纖維含量能有效減輕熔接痕。另外，筆者還對比了PP-MF10-M110和PA6-M30兩種材料在能量要求為5 J和10 J條件下的低溫落球沖擊測試結(jié)果，驗(yàn)證說明PP材料制備的汽車輪轂裝飾蓋在低溫情況下具備更優(yōu)異的抗沖擊性能。通過Moldflow軟件分析和現(xiàn)場實(shí)際生產(chǎn)反饋結(jié)果發(fā)現(xiàn)，PP-MF10-M10的翹曲變形程度更小，但在不平整放置和后期儲存中會發(fā)生較大程度的翹曲變形，其原因需進(jìn)一步探究。