汽車PC開關(guān)應(yīng)力開裂改善與表征

吳旭 陳超 高祥達(dá)

（東風(fēng)汽車集團股份有限公司技術(shù)中心，武漢 430056）

1 前言

聚碳酸酯(Polycarbonate，PC)是分子鏈中含有碳酸酯基的高分子聚合物，是一種綜合性能優(yōu)良的無毒透明無定型熱塑性工程塑料[1]。PC在-60~120℃環(huán)境下具有穩(wěn)定的力學(xué)性能而且尺寸穩(wěn)定性、電性能和阻燃性能均優(yōu)異，因此被廣泛應(yīng)用于汽車車燈和開關(guān)類零件。

PC零件的應(yīng)力來源分為內(nèi)應(yīng)力和外應(yīng)力。內(nèi)應(yīng)力是由于PC分子鏈剛性較大，且材料熔體黏度較高，因而注塑時極易取向和結(jié)晶，冷卻后內(nèi)應(yīng)力被凍結(jié)在制品當(dāng)中[2-4]。外應(yīng)力主要是由于過盈裝配或零件變形擠壓導(dǎo)致的外部應(yīng)力。

一般在某些環(huán)境條件的誘導(dǎo)下應(yīng)力較大的PC零件會出現(xiàn)應(yīng)力開裂或翹曲變形等問題。誘導(dǎo)PC零件應(yīng)力開裂的因素主要有交變溫度、高能射線、特定油脂、溶劑等[5-7]。

溶劑環(huán)境下的開裂失效類似于蠕變失效。化學(xué)溶劑的存在使聚合物材料容易發(fā)生塑化，降低屈服強度。微觀角度上看溶劑的滲透作用降低了分子間作用力，造成了銀紋/裂紋的萌生且增加擴展速度，從而極大地縮短了失效時間[8-10]。冷熱交變誘導(dǎo)開裂則是因為零件各部位熱脹冷縮不一產(chǎn)生的熱應(yīng)力與塑料件本身的內(nèi)應(yīng)力協(xié)同作用，加速了塑料件缺陷的擴展，并最終開裂失效。

汽車PC開關(guān)作為外觀件而廣泛分布于啟停換擋系統(tǒng)、照明系統(tǒng)以及娛樂系統(tǒng)等，與乘客的駕乘體驗緊密相關(guān)。PC開關(guān)失效會顯著降低乘客體驗感，嚴(yán)重還會危及乘客生命安全并對品牌形象產(chǎn)生嚴(yán)重?fù)p壞。

針對PC開關(guān)的應(yīng)力開裂問題，調(diào)撥售后失效同批次零件并采用不同條件的退火工藝進行改善，運用溶劑浸泡以及氣候交變循環(huán)等方法嘗試地進行了應(yīng)力表征。

2 試驗部分

2.1 主要原料

溶劑1：四氯化碳CCl4，分析純，南京化學(xué)試劑股份有限公司；

溶劑2：丙酮C3H6O,分析純，南京化學(xué)試劑股份有限公司；

溶劑3：冰乙酸CH3COOH，無錫市亞泰聯(lián)合化工有限公司；

溶劑4：乙酸乙酯C4H8O2，分析純，國藥集團化學(xué)試劑有限公司；正丁醇C4H10O，分析純，國藥集團化學(xué)試劑有限公司；按照2∶1比例組成混合溶劑。

2.2 試驗設(shè)備

氣候循環(huán)設(shè)備：偉思富奇T/C4-180氣候模擬試驗箱；

烘箱：愛斯佩克/ESPEC烘箱LC-213；

通風(fēng)櫥、秒表、燒杯、玻璃棒若干。

2.3 試驗樣品

為了更好地改善PC開關(guān)產(chǎn)品，選取產(chǎn)線出現(xiàn)開裂失效的兩種開關(guān)的同批次零件各180個進行試驗研究。樣品如圖1所示。

圖1 Sport鍵與Phone鍵

開關(guān)材料牌號為科思創(chuàng)PC2407；表面油漆牌號為616-9068浙江威寶涂料有限公司。開關(guān)表面按照現(xiàn)生產(chǎn)狀態(tài)噴漆，卡接處和按鈕背面均無噴漆。

2.4 開關(guān)前處理

為了更好地驗證開關(guān)應(yīng)力改善的方法，將開關(guān)面板與底座裝配好進行退火處理的零件稱為部品。開關(guān)面蓋與底座分開同條件退火處理再進行裝配的稱為單品。

退火條件共有6種。

a.部品80℃，0.5 h;

b.部品80℃，1 h;

c.部品90℃，0.5 h

d.部品90℃，1 h;

e.單品90℃，0.5 h退火后裝配;

f.單品90℃，1 h退火后裝配。

2.5 溶劑誘導(dǎo)開裂測試

在23℃，50%RH條件下的通風(fēng)櫥內(nèi)將不同條件處理后的開關(guān)樣件置于裝有適量溶劑的燒杯中浸沒，同時按下秒表，在規(guī)定的時間點迅速取出脫脂棉擦干。進行1次開關(guān)按鈕和底座拆解裝配，記錄開裂數(shù)量和比例。

2.6 氣候循環(huán)測試

將不同退火條件處理的開關(guān)置于氣候循環(huán)箱內(nèi)，經(jīng)設(shè)定的50個循環(huán)（80℃,4 h→-40℃,4 h）后取出，在23℃,50%RH條件下調(diào)節(jié)24 h。進行1次開關(guān)按鈕和底座拆解裝配，記錄開裂數(shù)量和比例。

3 試驗結(jié)果與討論

3.1 CCl4應(yīng)力檢測

從表1和圖2可以看到未經(jīng)過退火處理的開關(guān)面蓋浸沒在CCl4中20 s并未發(fā)生開裂，而未經(jīng)過退火處理的部品零件卻全部開裂。由圖3可見部品開裂的位置集中在面蓋與底座卡接的位置，由此可見造成樣品開裂的主要原因在于裝配過盈的外應(yīng)力。隨著部品退火處理的溫度提高以及時間延長可以發(fā)現(xiàn)開裂的數(shù)量和比例在呈現(xiàn)下降的趨勢。嘗試對開關(guān)面蓋和底座分開同條件進行退火處理，裝配后進行CCl4應(yīng)力檢測，發(fā)現(xiàn)應(yīng)力開裂的情況并沒有顯著的改善?？梢姡嘶鹛幚響?yīng)當(dāng)在裝配后進行才能取得良好的應(yīng)力改善效果。同時根據(jù)表中數(shù)據(jù)也可以發(fā)現(xiàn)部品90℃，1 h退火處理后的應(yīng)力改善效果最好。

表1 PC開關(guān)耐CCl4應(yīng)力檢測數(shù)據(jù)(開裂數(shù)/試樣數(shù)，失效比)

圖2 Sport鍵面蓋無前處理（無裝配CCl4浸泡20 s）

圖3 Sport鍵部品無前處理（CCl4浸泡20 s）

從表中數(shù)據(jù)也可見CCl4是檢測PC零件應(yīng)力的有效手段，但是由于其毒性較大、采購困難且誘導(dǎo)開裂時間短、難以把控等缺點將逐漸被淘汰。

3.2 丙酮應(yīng)力檢測

從表2和表1對比可以看出丙酮誘導(dǎo)PC開裂的效果較CCl4弱，退火處理的效果上看部品90℃，1 h處理的條件是最好的。另外，從圖4和圖5可以看到丙酮誘導(dǎo)開關(guān)開裂也是集中在面蓋和底座的卡接處，并且與開關(guān)的基材發(fā)生了反應(yīng)，形成了白色粉狀物質(zhì)。鑒于丙酮屬于管制類溶劑且與開關(guān)油漆和PC開關(guān)基材發(fā)生反應(yīng)，不適宜作為PC開關(guān)的應(yīng)力檢測溶劑。

表2 PC開關(guān)耐丙酮應(yīng)力檢測數(shù)據(jù)(開裂數(shù)/試樣數(shù)，失效比)

圖4 Phone鍵單品90℃，0.5 h退火后裝配（丙酮浸泡3 min）

圖5 Phone鍵單品90℃，1 h退火后裝配（丙酮浸泡3 min）

3.3 乙酸應(yīng)力檢測

從表3可以看出冰乙酸對誘導(dǎo)PC開關(guān)應(yīng)力開裂的作用很弱，無法有效判斷開關(guān)的應(yīng)力開裂情況以及退火的規(guī)律。從圖6中還可以看到冰乙酸對開關(guān)表面油漆的侵蝕較為嚴(yán)重，不適合作為本PC開關(guān)的應(yīng)力檢測溶劑。

圖6 Sport鍵單品90℃，0.5 h退火后裝配（冰乙酸浸泡5 min）

表3 PC開關(guān)耐乙酸應(yīng)力檢測數(shù)據(jù)(開裂數(shù)/試樣數(shù)，失效比)

3.4 混合溶劑應(yīng)力檢測

試驗試劑為乙酸乙酯:正丁醇=2:1的混合溶劑。從表4可以看到混合溶劑對未進行退火處理的兩種部品開關(guān)浸泡5 min后均有開裂的情況出現(xiàn)。經(jīng)過退火處理后的兩種部品開關(guān)應(yīng)力開裂檢測情況均有明顯的改善，其中90℃，1 h退火處理后的兩種部品開關(guān)均沒有出現(xiàn)開裂。另外，兩種開關(guān)單品90℃，1 h退火后裝配的應(yīng)力檢測開裂數(shù)量明顯高于90℃，0.5 h退火后的。這說明面蓋和底座分開進行退火處理，隨著時間的延長反而可能造成變形量加大進而導(dǎo)致組裝后的裝配應(yīng)力增大。由圖7和圖8可見混合溶劑并沒有與開關(guān)表面油漆以及基材發(fā)生明顯的反應(yīng)。由于乙酸乙酯和正丁醇均為低毒易購買的非管制溶劑且混合溶劑應(yīng)力檢測效果較好，具備替代CCL4作為應(yīng)力檢測溶劑的潛力。

表4 PC開關(guān)耐混合溶劑應(yīng)力檢測數(shù)據(jù)(開裂數(shù)/試樣數(shù)，失效比)

圖7 Sport鍵部品無前處理（混合溶劑浸泡5 min）

圖8 Sport鍵單品90℃，0.5 h退火后裝配（混合溶劑浸泡5 min）

3.5 耐氣候循環(huán)應(yīng)力檢測

根據(jù)乘客艙的極限溫度工況設(shè)置的溫度范圍為-40～80℃，其中80℃環(huán)境的濕度為95%RH。循環(huán)條件為80℃,4 h→-40℃,4 h,共計50個循環(huán)。從表5可見沒有開關(guān)發(fā)生冷熱交變誘導(dǎo)應(yīng)力開裂的情況出現(xiàn)，證明冷熱交變氣候循環(huán)沖擊不適合PC開關(guān)的應(yīng)力檢測。

表5 PC開關(guān)耐氣候循環(huán)應(yīng)力檢測數(shù)據(jù)(開裂數(shù)/試樣數(shù)，失效比)

圖9 Sport鍵單品90℃,1 h退火后裝配（80℃,4h→-40℃,4 h,50個循環(huán)）

圖10 Phone鍵單品90℃,1 h退火后裝配（80℃,4 h→-40℃,4 h,50個循環(huán)）

4 結(jié)論

a.體積較小的PC開關(guān)以裝配應(yīng)力為主導(dǎo)，內(nèi)應(yīng)力的影響較??；

b.PC開關(guān)應(yīng)力檢測溶劑的選取原則是能夠誘導(dǎo)再現(xiàn)失效件同批次零件的應(yīng)力開裂，且能較好地表征出各種退火條件的優(yōu)劣差異；

c.CCl4由于腐蝕性較強且毒性較大，將逐漸被環(huán)保型的應(yīng)力表征溶劑替代。丙酮由于與PC開關(guān)發(fā)生反應(yīng)且屬于管制類溶劑等缺點也不適合作為應(yīng)力表征溶劑。冰醋酸由于應(yīng)力誘導(dǎo)作用甚微且與開關(guān)油漆發(fā)生反應(yīng)也不宜選擇；

d.乙酸乙酯:正丁醇=2:1的混合溶劑能夠很好地表征PC開關(guān)的應(yīng)力情況，適合作為應(yīng)力表征溶劑提前識別PC開關(guān)零件的應(yīng)力開裂風(fēng)險；

e.冷熱氣候循環(huán)沖擊對誘導(dǎo)小型PC開關(guān)應(yīng)力開裂的作用很小，無法作為PC開關(guān)應(yīng)力開裂風(fēng)險的識別手段；

f.PC開關(guān)需面板和底座裝配后再進行退火處理才有效果，經(jīng)驗證面板和底座分別退火再裝配幾乎沒有應(yīng)力改善效果甚至?xí)又貞?yīng)力開裂的失效風(fēng)險；

g.采用90℃，1 h退火條件對裝配好的PC開關(guān)部品進行退火處理能夠顯著降低開關(guān)應(yīng)力，大大降低應(yīng)力失效風(fēng)險。