汽車塑料電鍍零件開發(fā)的分析

劉 劍

（廣州汽車集團(tuán)股份有限公司汽車工程研究院，廣東 廣州 510800）

汽車的塑料電鍍零件，因其金屬質(zhì)感，被應(yīng)用在汽車內(nèi)外部裝飾中，提升整車的時尚感和高級感。與金屬相比，塑料不僅質(zhì)量輕，而且容易加工成型。通過電鍍不僅改善了塑料的外觀及裝飾性，而且提高了其表面耐沖擊性、耐熱性、耐磨性及機(jī)械強(qiáng)度等[1-3]，因此，塑料電鍍越來越多地受到汽車工程師的青睞。

電鍍零件在整車的使用過程中，要經(jīng)歷嚴(yán)寒、暴曬、酷熱、腐蝕、酸雨、石擊等各種環(huán)境的考驗，如對電鍍零件開發(fā)不充分，在實際應(yīng)用中容易出現(xiàn)鍍層裂紋、鼓泡等品質(zhì)風(fēng)險。電鍍件的質(zhì)量性能包括厚度、微孔（或微裂紋）數(shù)、附著力、耐高低溫濕熱交變性能、耐腐蝕性能等方面[4]。

在汽車行業(yè)，塑料電鍍零件的開發(fā)是一個系統(tǒng)工程。需要綜合材料開發(fā)，制造工藝，結(jié)構(gòu)設(shè)計，實驗評價四大方面的開發(fā)評價工作。通過全面系統(tǒng)的對電鍍零件開發(fā)進(jìn)行研究，為電鍍零件的量產(chǎn)品質(zhì)提供保障。

1 材料開發(fā)

汽車塑料電鍍零件材料的選擇有很多，其中尤以丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物（Acrylonitrile butadiene Styrene, ABS）電鍍應(yīng)用最廣，電鍍效果最好[5]。本文以ABS材料作為主要研究對象，對其開發(fā)方法進(jìn)行研究分析。

1.1 基本物性

材料的基本物性是零件性能的基礎(chǔ)。材料的熔融指數(shù)（Melt Flow Rate, MFR）決定了零件的生產(chǎn)制造性能；材料的彎曲模量決定了零件的剛性；材料的缺口沖擊強(qiáng)度（Charpy）與多軸沖擊決定了零件的韌性；材料的熱變形溫度（Heat Deflection Temperature, HDT）決定了零件的耐熱性能；線性膨脹系數(shù)（Coefficient of Linear Thermal Expansion, CLTE）決定了零件的熱脹冷縮性能；收縮率決定了零件模具的設(shè)計尺寸。但是材料的各個物性又有相互沖突的地方，提升材料的剛性，材料的韌性可能會有降低的風(fēng)險。材料開發(fā)講究剛韌平衡，對于材料的選擇應(yīng)該在充分掌握零件性能的基材上，綜合考量材料的各個物性。

1.2 橡膠含量及形態(tài)

ABS材料有多種分類，例如阻燃ABS，耐熱ABS，擠出ABS等等。作為電鍍零件的材料需使用電鍍級ABS。電鍍級ABS主要由丁二烯（1,3-Butadiene）和苯乙烯-丙烯腈（Acrylonitrilestyrene Copolymer, SAN）組成，材料表面的橡膠（丁二烯）在電鍍液中被腐蝕掉，從而形成鍍層與基材之間的錨合結(jié)構(gòu)，讓鍍層與基材緊密的貼合在一起。

電鍍ABS材料作為一種特殊用途的材料，材料的配方設(shè)計上不僅需要考慮成型零件的機(jī)械性能的要求，還需要考慮材料的電鍍性能。在電鍍材料的開發(fā)中，對ABS中的橡膠的含量及形態(tài)進(jìn)行觀察可以判斷材料是否具備良好的電鍍性能。

除橡膠含量對電鍍性能至關(guān)重要之外，橡膠的形態(tài)分布同樣重要。小粒徑橡膠均勻分散在PC/ABS中，能夠提供足夠數(shù)量的鉚合點，為材料提供良好的電鍍性能；增加少量大粒徑橡膠、粗化后，能夠提供更深的鉚合點，從而提高鍍層結(jié)合力[6]。

2 制造工藝

電鍍零件制造工藝主要包括注塑成型工藝和電鍍工藝兩大方面。下面對這兩大工藝中的關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行研究分析，為實際量產(chǎn)中的參數(shù)設(shè)定提供參考。

2.1 注塑成型工藝

零件基材的注塑成型對電鍍的影響主要為內(nèi)應(yīng)力，內(nèi)應(yīng)力越大，零件電鍍后尺寸變形越嚴(yán)重。內(nèi)應(yīng)力過高會造成表面粗化不足，難于敏化、活化和金屬化，最終影響電鍍產(chǎn)品的性能。同時材料中的橡膠的變形越嚴(yán)重，會導(dǎo)致電鍍不良。

在注塑成型參數(shù)中，對內(nèi)應(yīng)力影響最大的為注塑速度和模具溫度。注塑速度過慢，模具溫度過低，導(dǎo)致注塑機(jī)中熔體填充型腔時間過長，熔體前端料溫降低，需要較大的保壓壓力推動熔體流動，零件內(nèi)應(yīng)力大；注塑速度過快，熔體流動過程中受剪切影響大，材料中的分子受拉伸，零件內(nèi)應(yīng)力大。

注塑工藝參數(shù)的設(shè)置對零件的成型有重要影響。在實際量產(chǎn)中，為了保證批次的穩(wěn)定性，需要固定注塑工藝參數(shù)，并且設(shè)定監(jiān)控數(shù)值，以此判斷零件生產(chǎn)的穩(wěn)定性。為了保證零件之間保持一致性，以螺桿溫度、注塑速度、保壓壓力、保壓切換位置等控制類參數(shù)作為常數(shù)固定下來，以填充時間、保壓切換壓力、緩沖量等結(jié)果類參數(shù)作為監(jiān)控數(shù)值，通過觀察監(jiān)控數(shù)值是否在規(guī)定范圍內(nèi)來判斷零件一致性是否良好。

2.2 電鍍工藝

電鍍工藝對零件的鍍層性能有重要作用。合適的電鍍工藝能夠使鍍層具備指定的厚度，與基材之間具有緊密的結(jié)合力，從而讓零件耐候等性能優(yōu)異。在材料開發(fā)階段已經(jīng)說明粗化是整個電鍍工藝中非常關(guān)鍵的工序。以粗化溫度和粗化時間的設(shè)定為例，說明各個工藝參數(shù)設(shè)定對電鍍的影響。

針對ABS材料，在粗化溫度一定的前提下，當(dāng)粗化時間過短時，粗化液對材料表層橡膠刻蝕不足，孔洞的尺寸較小，深度較淺，鍍層與基材結(jié)合力低；當(dāng)粗化時間過長，粗化液在刻蝕完橡膠的同時，SAN基材也被刻蝕，導(dǎo)致孔洞錨結(jié)構(gòu)坍塌，鍍層與基材結(jié)合力低。

在粗化時間一定的前提下，當(dāng)粗化溫度過低時，粗化液刻蝕速度降低，橡膠刻蝕只有表面被刻蝕，無法形成深的孔洞，鍍層與基材結(jié)合力低；當(dāng)粗化溫度過高時，粗化液刻蝕速度很快，橡膠在被完全刻蝕后，SAN基材的錨結(jié)構(gòu)也被刻蝕，鍍層與基材結(jié)合力低。

3 結(jié)構(gòu)設(shè)計

電鍍是利用電解原理在零件表面鍍上金屬的過程。電鍍液中的金屬離子，在電位差的作用下移動到陰極（電鍍零件），形成鍍層，形成電流。零件表面不同的位置電流密度也不同。電流密度直接影響鍍層沉積速度，電流密度大，沉積速度快，反之則慢。電流密度分布受電鍍零件形狀的影響，零件的結(jié)構(gòu)設(shè)計對于獲得良好的電鍍外觀非常重要。

3.1 共通要求

對于一般的電鍍零件，為了使電鍍鍍層厚度均勻，應(yīng)注意以下設(shè)計要點，對于大平面的零件，為了保證表面鍍層厚度均勻，應(yīng)設(shè)計成輕微的凸起弧面；產(chǎn)品內(nèi)外轉(zhuǎn)角應(yīng)設(shè)計為圓角，防止轉(zhuǎn)角處局部電流密度過大，鍍層過厚；對于深孔或圓柱形深腔底部應(yīng)設(shè)計為球形，中部開流通小孔，使電鍍液流通，有利于鍍層厚度均勻。

3.2 外形要求

在實際的零件設(shè)計過程中，產(chǎn)品設(shè)計工程師應(yīng)與零件制造供應(yīng)商進(jìn)行充分的溝通。不同的類型零件，電鍍的要求會有所不同，應(yīng)該具體情況具體分析?？偨Y(jié)汽車上電鍍零件主要的幾種類型零件要求如下：

對于凸臺類零件，凸臺之間寬/深≥2 cm。如果凸臺深度太深，兩個凸臺之間底部容易發(fā)黃（無Cr電鍍層），設(shè)計時應(yīng)保證角度θ ≥135°。

對于電鍍格柵，零件的開口深度小于1/2的開口寬度的區(qū)域，電鍍膜厚能滿足要求；零件開口深度超過1/2的開口寬度的區(qū)域，電鍍膜厚無法滿足要求。

對于刻字類電鍍零件，翻邊角度A ≥75°；電鍍面凹槽文字深度B≤0.8 mm；電鍍面凸起文字深度≤1.5 mm。

3.3 固定結(jié)構(gòu)要求

電鍍后，固定結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度會有一定程度增強(qiáng)。為了防止在安裝過程中，電鍍卡爪插入力過大，安裝困難的情況，需要進(jìn)行減薄處理。

4 實驗評價

實驗評價是零件開發(fā)中的重要一環(huán)，是零件開發(fā)好壞的試金石。粗化觀察和結(jié)合力測試能夠在開發(fā)初期對鍍層質(zhì)量進(jìn)行預(yù)估，提前把握風(fēng)險；冷熱沖擊測試則是作為判斷零件是否合格的標(biāo)準(zhǔn)。

4.1 粗化觀察

在電鍍工藝中，粗化是利用鉻酸選擇性地去除零件表面的丁二稀橡膠，使零件表面形成無數(shù)細(xì)微的孔洞的過程。粗化的孔洞供膠體鈀附著和金屬沉積，使金屬鍍層與基材之間形成錨合結(jié)構(gòu)。由于錨合結(jié)構(gòu)的存在，鍍層與基材之間的結(jié)合力較大，在零件受熱膨脹或者受冷收縮時，鍍層依然能夠緊密的貼合在基材上。

粗化過程是決定鍍層附著力大小的最關(guān)鍵的工序。若是粗化不足，制品表面與金屬鍍層充分的接觸面積不足；相反，若粗化過度，ABS樹脂中的SAN基體也會被刻蝕，導(dǎo)致表面嚴(yán)重粗糙，反而影響了ABS樹脂與金屬鍍層的結(jié)合力。

為了觀察零件表面的微觀形貌，可以使用掃描電鏡（Scanning Electron Microscope, SEM）進(jìn)行測試，設(shè)備可選用日本電子JSM-6380LA。SEM主要通過電子束與樣品表面的相互作用產(chǎn)生二次電子，生成樣品表面放大的形貌。通過SEM可以觀察出零件表面的粗化情況，從而評價基材的電鍍性能的好壞。

4.2 結(jié)合力測試

電鍍零件鍍層與樹脂基體本體的結(jié)合力越大，電鍍零件在實際工況中出現(xiàn)外觀不良的風(fēng)險就越低。所以對鍍層結(jié)合力進(jìn)行評價可以判斷零件電鍍性能的好壞。鍍層主要由銅層（里層）、鎳層（中間層）、鉻層（外層）組成。鍍層與基材的結(jié)合力由最里層的銅層決定。并且由于鉻層和鎳層，延展性較差，實施90°剝離實驗鍍層容易脆斷，所以選擇銅層進(jìn)行剝離試驗。選擇在電鍍銅工序之后的鍍銅樣片進(jìn)行鍍層附著力的測試。

結(jié)合力測試將鍍銅樣片劃分為9個區(qū)域，并選取不同的剝離方向。切出10 mm寬銅層進(jìn)行剝離，剝離速度20 mm/min，剝離角度實時保持90°，如圖1所示。

圖1 剝離區(qū)域及方向示意圖

在實際的實驗評價中，選取三款不同的電鍍零件進(jìn)行附著力測試。不同的基材附著力存在較大的差異。試樣1附著力為6.3 N，電鍍性能較差；試樣2附著力為10.8 N，電鍍性能中等；試樣3附著力為14.0 N，電鍍性能優(yōu)異。

4.3 冷熱沖擊測試

金屬鍍層與塑料基材之間的熱膨脹系數(shù)差異較大，ABS樹脂的線性熱膨脹系數(shù)是金屬鍍層的5倍以上。這意味著一旦存在溫度變化，ABS樹脂與金屬鍍層之間由于線性熱膨脹系數(shù)的顯著差異將產(chǎn)生巨大的熱應(yīng)力，一旦超過各自材料的極限拉伸應(yīng)力，就會導(dǎo)致鍍層與樹脂龜剝離等系列問題，嚴(yán)重影響電鍍ABS在有溫差存在的環(huán)境中使用。冷熱沖擊試驗是測試電鍍產(chǎn)品在面對極高溫、極低溫、極高溫極低溫切換的抵抗力的一種試驗方法，主要目的是檢測電鍍產(chǎn)品在日常不同的環(huán)境中的使用壽命。

電鍍零件冷熱沖擊測試采用高溫90 ℃，低溫-40 ℃的條件實施，冷熱沖擊循環(huán)10次。

選取與結(jié)合力測試同樣的三款的電鍍零件，進(jìn)行冷熱沖擊測試。試樣1結(jié)合力最低，試驗后出現(xiàn)明顯的鍍層鼓泡，電鍍性能較差；試樣2結(jié)合力中等，試驗后出現(xiàn)輕微的鍍層鼓泡電鍍性能中等；試樣3結(jié)合力優(yōu)異，試驗后未出現(xiàn)鍍層鼓泡等缺陷，電鍍性能良好。試驗結(jié)果表明，鍍層結(jié)合力與零件的抗冷熱沖擊性能密切相關(guān)。結(jié)合力越好，鍍層的抗冷熱沖擊能力越強(qiáng)。

5 總結(jié)

本文敘述了針對汽車電鍍零件的的全流程的開發(fā)方法，從材料開發(fā)、制造工藝、結(jié)構(gòu)設(shè)計、實驗評價四大方面進(jìn)行描述，總結(jié)如下：

（1）在材料開發(fā)中，需要對材料的基本物性和橡膠含量及形態(tài)進(jìn)行確認(rèn)。材料物性需要保證剛韌平衡，橡膠含量需要保證充足，橡膠形態(tài)需大小粒徑分布。

（2）在制造工藝中，注塑成型工藝中注塑速度和模具溫度的設(shè)定對零件的內(nèi)應(yīng)力影響很大；在電鍍工藝中，粗化的時間和溫度對鍍層與基材之間的結(jié)合力影響很大。

（3）在結(jié)構(gòu)設(shè)計中，對于具有深度的零件，需要保證開口寬度大于開口深度的兩倍。在角度及外觀平面設(shè)計中需要考慮保證鍍層厚度均勻。

（4）在實驗評價中，鍍層結(jié)合力對于零件的電鍍性能起著至關(guān)重要的作用。鍍層結(jié)合力越好，電鍍零件抗冷熱沖擊性能越好，出現(xiàn)鍍層剝離或鼓泡等缺陷風(fēng)險較低。

通過建立全面汽車電鍍零件的開發(fā)方法，為零件的可靠性提供了保證。