鍍層結(jié)合強(qiáng)度裝置設(shè)計(jì)及可行性分析

楊冬冬 李 飛 顧健愷 趙 輝 鄭思維 陳魯鐵

（中汽研汽車零部件檢驗(yàn)中心（寧波）有限公司，浙江 寧波315104）

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展和人們生活水平的不斷提高，鍍層類產(chǎn)品已經(jīng)成為了人們生活中不可缺少的一部分，并且使用率也越來(lái)越高。汽車工業(yè)的蓬勃發(fā)展造就了大量的鍍層類產(chǎn)品的需求，行業(yè)門檻越來(lái)越低，各類鍍層類產(chǎn)品質(zhì)量良莠不齊，有時(shí)難以滿足汽車行業(yè)嚴(yán)苛的使用環(huán)境要求。而鍍層類材料的失效，對(duì)整車的內(nèi)飾感官造成了很大影響，嚴(yán)重降低了整車的質(zhì)感和乘坐舒適性。

鍍層結(jié)合強(qiáng)度是鍍層類產(chǎn)品質(zhì)量的重要基礎(chǔ)指標(biāo)之一，鍍層類產(chǎn)品在使用過(guò)程中，若沒(méi)有良好的結(jié)合強(qiáng)度，就會(huì)出現(xiàn)裂紋（開(kāi)裂和裂面）等質(zhì)量問(wèn)題，進(jìn)而影響鍍層類產(chǎn)品的使用壽命。介于消費(fèi)者消費(fèi)意識(shí)的提升和廠家對(duì)于自身品控要求的強(qiáng)度提升，各大主機(jī)廠對(duì)于鍍層類試驗(yàn)項(xiàng)目都增加了鍍層結(jié)合強(qiáng)度試驗(yàn)。但是現(xiàn)有的針對(duì)該測(cè)試項(xiàng)目的設(shè)備比較少，各類設(shè)備設(shè)計(jì)也沒(méi)有通用的標(biāo)準(zhǔn)，可替代性大打折扣。

本文結(jié)合塑料電鍍的特點(diǎn)，講述了塑料電鍍的工藝流程，并參照目前國(guó)際上各大整車廠的鍍層結(jié)合強(qiáng)度檢測(cè)方法，設(shè)計(jì)了一套鍍層結(jié)合強(qiáng)度測(cè)試裝置，通過(guò)實(shí)際操作對(duì)比，驗(yàn)證其可行性。

1 汽車塑料飾件電鍍工藝

1.1 汽車塑料飾件電鍍的工藝流程

塑料電鍍工藝，即選取一定的加工方法，先在塑料表面覆蓋一層導(dǎo)電膜，使塑料表面披覆上金屬，然后用電鍍的方法進(jìn)行加厚的過(guò)程。整體工藝流程可簡(jiǎn)單地分為兩大步：第一步為電鍍前的處理，包括除油、粗化、中和、催化、解膠、化學(xué)鎳這些流程；第二步為電鍍加厚處理，包括預(yù)鍍鎳、光亮銅、半光亮鎳、光亮鎳、鎳封、光亮鉻。如圖1 簡(jiǎn)單的規(guī)劃出了塑料電鍍工藝的基本流程。

1.2 工藝流程的闡述

1.2.1 塑料電鍍的前處理工藝流程闡述

圖1 塑料電鍍工藝流程示意圖

1.2.1.1 除油：除油清洗是電鍍前處理的重要環(huán)節(jié)，主要是去除塑件表面的油脂、灰塵、汗?jié)n等物質(zhì)。除油不僅關(guān)系到鍍層的外觀，還會(huì)影響鍍層結(jié)合強(qiáng)度及其他性能。

1.2.1.2 粗化：用機(jī)械法或化學(xué)方法對(duì)工件表面進(jìn)行處理，在表面形成小于1μm 的凹陷，從而在工件表面得到一種微觀粗糙的結(jié)構(gòu), 增加電鍍面與注塑件的接觸面積。優(yōu)質(zhì)的粗化有利于提高鍍層與塑料表面的結(jié)合力。

1.2.1.3 中和：中和的目的是中和掉工件上的殘酸，使清洗更加干凈，以防這些藏留鉻酸對(duì)后面的工序產(chǎn)生不利影響。

1.2.1.4 催化：溶液中的催化物質(zhì)被均勻吸附在零件表面燕尾狀的小孔中，在塑料表面沉積催化劑，使化學(xué)鎳順利完成沉積；為后面化學(xué)鎳反應(yīng)的發(fā)生提供了催化中心。

1.2.1.5 解膠：塑料零件表面在催化液中所吸附的膠體鈀并不具有催化活性, 解膠即把鈀活化劑濃度適當(dāng)降低, 有利于得到均一的化學(xué)鎳鍍層，有效減少掛具接觸點(diǎn)的不良品率。

1.2.1.6 化學(xué)鎳：當(dāng)前面所有工序完成后，即可進(jìn)行化學(xué)鎳準(zhǔn)備，經(jīng)過(guò)化學(xué)反應(yīng)后，零件表面被覆蓋了一層能夠?qū)щ姷逆?磷合金層，使原先并不導(dǎo)電的塑料變成了導(dǎo)體，為后續(xù)一系列的電鍍（銅、鎳、鉻）過(guò)程提供堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。[1]

1.2.2 塑料電鍍的工藝流程闡述

此工藝流程主要講訴現(xiàn)在汽車行業(yè)運(yùn)用最為廣泛的鉻、鎳（三層鎳）、銅的工藝流程。如圖2 所示。

圖2 鉻、鎳、銅基本分層圖

1.2.2.1 預(yù)鍍鎳：又指暗鎳，目的是保證基體金屬化的電性能，確保后續(xù)電鍍的流暢性和時(shí)效性，此步驟一般在解膠之后進(jìn)行。

1.2.2.2 光亮銅：銅在電鍍件上是一個(gè)必不可少的物質(zhì)，起到很好的保護(hù)零件的表面作用，提高它的結(jié)合力和耐腐蝕能力。由于催化的作用，使得塑料件在化學(xué)鍍銅的時(shí)候能夠加速銅的還原，在塑料表面能夠快速的形成一層均勻、細(xì)微的銅層，來(lái)減少零件表面的損傷。

1.2.2.3 半光亮鎳：半光亮鎳有著無(wú)硫，延展性和整平性較好的特點(diǎn)，通常情況下會(huì)將它的鍍層稱為半光亮。通常情況下，半光亮鎳的電位要高于光亮鎳100～200 mV。

1.2.2.4 光亮鎳：光亮鎳有很多優(yōu)點(diǎn)，不僅可以省去繁重的拋光工序，改善操作條件，節(jié)約電鍍和拋光材料；還能提高鍍層的硬度，便于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化生產(chǎn)。但是光亮鍍鎳層中含硫，內(nèi)應(yīng)力和脆性較大，耐蝕性不如鍍暗鎳層，為了克服這些缺點(diǎn)，可采用多層鍍鎳工藝，使鍍層的機(jī)械性能和耐蝕性得到顯著的改善。

1.2.2.5 鎳封：鎳封是在一般光亮鎳液中加入直徑在0.01～1um 之間的不溶性固體微粒(Sio2 等)，在適當(dāng)?shù)墓渤练e促進(jìn)劑幫助下，使這些微粒與鎳共沉積而形成復(fù)合鍍鎳層。當(dāng)在這種復(fù)合鍍鎳層表上沉積鉻層時(shí)，由于復(fù)合鍍鎳層表面上的固體微粒不導(dǎo)電，鉻不能沉積在微粒表面上，因而在整個(gè)鍍鉻層上的形成大量微孔，即形成微孔鉻層。表面存大的大量微孔，可在很大程度上消除普通鉻層中存的巨大內(nèi)應(yīng)力，將鉻層下面的鎳層大面積地暴露出來(lái)，在腐蝕介質(zhì)的作用下，鉻與鎳組成腐蝕電池，鉻層為陰極，微孔處暴露的鎳層為陽(yáng)極而遭腐蝕，從而改變了大陰極小陽(yáng)極的腐蝕模式，使得腐蝕電流幾乎被分散到整個(gè)鍍鎳層上，從而防止了產(chǎn)生大而深的直貫基體金屬的少量腐蝕溝紋和凹坑，并使鍍層的腐蝕速度減小，且向橫向發(fā)展，因而保護(hù)了基體金屬，顯著的提高了鍍層的耐腐蝕性能。

1.2.2.6 光亮鉻：鍍層呈耀眼的銀白色，主要起裝飾作用。在環(huán)保日益嚴(yán)格的大環(huán)境下，電鍍黑鉻及三價(jià)鉻應(yīng)用也多了起來(lái)。三價(jià)鉻具有環(huán)保、毒性低、廢水處理簡(jiǎn)單、分散性能高于六價(jià)鉻等特點(diǎn)。[2]

2 鍍層結(jié)合強(qiáng)度檢測(cè)方法

2.1 剝離法

在塑料電鍍的樣片上切取1cm～2cm 寬的鍍層，撬起一頭，用垂直于基體的力拉鍍層，測(cè)定剝離層所用的力，試驗(yàn)速度為50mm/min，試驗(yàn)長(zhǎng)度大于50 mm。粘附強(qiáng)度是試驗(yàn)長(zhǎng)度5mm 到50mm 之間的載荷除以試樣寬度的算術(shù)平均值，單位以kg/cm計(jì)，試驗(yàn)示例如圖3 所示。

圖3 剝離法示意圖(圖片引用于MS 612-15-2014 標(biāo)準(zhǔn))

2.2 冷熱循環(huán)測(cè)試法

通過(guò)冷熱循環(huán)測(cè)試，試驗(yàn)后通過(guò)檢查鍍層是否出現(xiàn)起泡、斑點(diǎn)、開(kāi)裂等現(xiàn)象來(lái)驗(yàn)證鍍層結(jié)合強(qiáng)度性能。一般采用如下所示的測(cè)試條件：

2.2.1 在-40℃±2℃的環(huán)境箱中存放60 分鐘；

2.2.2 在20℃±5℃的環(huán)境箱中存放60 分鐘；

2.2.3 在75℃±2℃的環(huán)境箱中存放60 分鐘；

2.2.4 在20℃±5℃的環(huán)境箱中存放60 分鐘。

1→2→3→4 為1 個(gè)循環(huán)周期測(cè)試，每個(gè)周期結(jié)束后都應(yīng)該取出試樣進(jìn)行檢查。一共進(jìn)行5 個(gè)循環(huán)，觀察鍍層是否出現(xiàn)起泡、斑點(diǎn)、開(kāi)裂、變色、變形或其他影響外觀的缺陷。[3]

2.3 割據(jù)法

鋸條規(guī)格：24 齒/英寸；鋸切速度：約每秒鋸一下；鋸切深度：≥5cm（除非零件形狀不允許）；鋸割方向：從基材切割到鍍層；鋸割數(shù)量和間距：至少4 條（如圖4 所示），平行間距3mm～4mm；膠帶：Tesa 4657 或同等性能；鋸條使用壽命：50 次。

在鋸口位置粘貼10～20 厘米寬的壓力敏感膠布（膠布應(yīng)留下足夠的長(zhǎng)度便于手指間抓握及快速扯起），與工件平面以90度角快速扯起整個(gè)膠布, 觀察鍍層與鍍層之間以及鍍層與素材之間是否有鍍層翹起或剝離現(xiàn)象發(fā)生。

3 割據(jù)法鍍層結(jié)合強(qiáng)度測(cè)試裝置

3.1 鍍層結(jié)合強(qiáng)度測(cè)試裝置結(jié)構(gòu)

3.1.1 底座：底座上分別固定一個(gè)切割工具臺(tái)和豎直固定臺(tái)。

3.1.2 豎直滑軌：豎直滑軌固定在豎直固定臺(tái)上，另一端通過(guò)豎直滑塊與水平固定臺(tái)進(jìn)行連接。

3.1.3 水平滑軌：水平滑軌固定在水平固定臺(tái)上，另一端通過(guò)水平滑塊與方形安裝塊進(jìn)行連接；

3.1.4 方形固定塊：方形固定塊固定在方形安裝塊上。

3.1.5 夾片：夾片固定在切割工具臺(tái)上。

方形安裝塊和方形固定塊中間的夾縫用于安裝鋸子，并且可以使鋸子完全固定，通過(guò)對(duì)鋸子施加力帶動(dòng)方形安裝塊，在水平滑軌上進(jìn)行左右移動(dòng)，安裝在方形安裝塊上的鋸子中的鋸條可以正好進(jìn)入切割工臺(tái)的夾縫中?？梢酝ㄟ^(guò)帶動(dòng)水平固定臺(tái)通過(guò)豎直滑軌在豎直方向上進(jìn)行移動(dòng)。夾片用于固定樣品，切割工具臺(tái)斜面與水平夾角為45°，可以保證樣品與水平夾角為45°（如圖5 所示）。

圖5 鍍層結(jié)合強(qiáng)度測(cè)試裝置示意圖

3.2 裝置工作過(guò)程

底座上分別固定一個(gè)切割工具臺(tái)和豎直固定臺(tái)；豎直滑軌，豎直滑軌固定在豎直固定臺(tái)上，另一端通過(guò)豎直滑塊與水平固定臺(tái)進(jìn)行連接；水平滑軌，水平滑軌固定在水平固定臺(tái)上，另一端通過(guò)水平滑塊與方形安裝塊進(jìn)行連接；方形固定塊，方形固定塊固定在方形安裝塊上；夾片，夾片固定在切割工具臺(tái)上。方形安裝塊和方形固定塊中間的夾縫用于安裝鋸子，并且可以使鋸子完全固定，通過(guò)對(duì)鋸子施加力帶動(dòng)方形安裝塊，在水平滑軌上進(jìn)行左右移動(dòng)。

在靜止?fàn)顟B(tài)下，將鋸子安裝在方形安裝塊上的夾縫處，并將樣品夾持固定在切割工具臺(tái)上的兩個(gè)夾片之間，通過(guò)豎直滑軌下降鋸子，是鋸條剛好可以進(jìn)入切割工具臺(tái)的夾縫中，然后通過(guò)施加力給鋸子帶動(dòng)方形安裝塊可以通過(guò)水平滑軌在水平方向上進(jìn)行移動(dòng)，從而可以對(duì)樣品進(jìn)行切割，并且樣品和鋸子在切割過(guò)程中的夾角一直保持為45°（如圖6 所示）。

3.3 裝置可行性分析

割據(jù)法鍍層結(jié)合強(qiáng)度測(cè)試裝置，包括底座、切割工具臺(tái)、夾片、豎直固定臺(tái)、水平固定臺(tái)、方形固定塊、方形安裝塊、豎直滑軌、豎直滑塊、水平滑軌和水平滑塊組成，適用于進(jìn)行45°角鍍層結(jié)合強(qiáng)度切割試驗(yàn)。通過(guò)水平滑軌和豎直滑軌，可方便進(jìn)行上下移動(dòng)和左右切割，切割工具臺(tái)固定角度，可以保證在整個(gè)切割過(guò)程中切割角保持為45°，滿足標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試要求。所有零部件都是通過(guò)螺栓固定，裝配簡(jiǎn)單、調(diào)整靈活、成本較低、規(guī)范性更高。

圖6 試驗(yàn)過(guò)程示意圖

4 結(jié)論

鍍層性能直接影響產(chǎn)品的使用壽命，試驗(yàn)是檢驗(yàn)鍍層性能最有效的方法之一。鍍層結(jié)合強(qiáng)度優(yōu)良可以有效防止產(chǎn)品使用后期出現(xiàn)起皺、開(kāi)裂、剝落等現(xiàn)象，提升主機(jī)廠的品控質(zhì)量。本次設(shè)計(jì)的割據(jù)法鍍層結(jié)合強(qiáng)度測(cè)試裝置，所有零部件都是通過(guò)螺栓固定，裝配簡(jiǎn)單、調(diào)整靈活、成本較低、規(guī)范性更高；通過(guò)水平方向上方形安裝塊上固定的鋸子進(jìn)行切割，可以使整個(gè)切割過(guò)程中都保持45°角，滿足各大標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試要求。