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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(shí)尚感和高級(jí)感。與金屬相比，塑料不僅質(zhì)量輕，而且容易加工成型。通過(guò)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，因此，塑料電鍍?cè)絹?lái)越多地受到汽車工程師的青睞。
電鍍零件在整車的使用過(guò)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(yàn)，如對(duì)電鍍零件開(kāi)發(fā)不充分，在實(shí)際應(yīng)用中容易出現(xiàn)鍍層裂紋、鼓泡等品質(zhì)風(fēng)險(xiǎn)。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。
在汽車行業(yè)，塑料電鍍零件的開(kāi)發(fā)是一個(gè)系統(tǒng)工程。需要綜合材料開(kāi)發(fā)，制造工藝，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，實(shí)驗(yàn)評(píng)價(jià)四大方面的開(kāi)發(fā)評(píng)價(jià)工作。通過(guò)全面系統(tǒng)的對(duì)電鍍零件開(kāi)發(fā)進(jìn)行研究，為電鍍零件的量產(chǎn)品質(zhì)提供保障。
材料開(kāi)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(AcrylonitrilebutadieneStyrene,ABS)電鍍應(yīng)用最廣，電鍍效果最好。本文以ABS材料作為主要研究對(duì)象，對(duì)其開(kāi)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)(MeltFlowRate,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(HeatDeflectionTemperature,HDT)決定了零件的耐熱性能;線性膨脹系數(shù)(CoefficientofLinearThermalExpansion,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(jì)尺寸。但是材料的各個(gè)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(huì)有降低的風(fēng)險(xiǎn)。材料開(kāi)發(fā)講究剛韌平衡，對(duì)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(gè)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(jí)ABS。電鍍級(jí)ABS主要由丁二烯(1,3-Butadiene)和苯乙烯-丙烯腈(Acrylonitrile-styreneCopolymer,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(jì)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(kāi)發(fā)中，對(duì)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(duì)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(diǎn)，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(diǎn)，從而提高鍍層結(jié)合力。
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(duì)這兩大工藝中的關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行研究分析，為實(shí)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(duì)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(guò)高會(huì)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(shí)材料中的橡膠的變形越嚴(yán)重，會(huì)導(dǎo)致電鍍不良。
在注塑成型參數(shù)中，對(duì)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(guò)慢，模具溫度過(guò)低，導(dǎo)致注塑機(jī)中熔體填充型腔時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，熔體前端料溫降低，需要較大的保壓壓力推動(dòng)熔體流動(dòng)，零件內(nèi)應(yīng)力大;注塑速度過(guò)快，熔體流動(dòng)過(guò)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(duì)零件的成型有重要影響。在實(shí)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?cái)?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(lái)，以填充時(shí)間、保壓切換壓力、緩沖量等結(jié)果類參數(shù)作為監(jiān)控?cái)?shù)值，通過(guò)觀察監(jiān)控?cái)?shù)值是否在規(guī)定范圍內(nèi)來(lái)判斷零件一致性是否良好。
2.2 電鍍工藝
電鍍工藝對(duì)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(kāi)發(fā)階段已經(jīng)說(shuō)明粗化是整個(gè)電鍍工藝中非常關(guān)鍵的工序。以粗化溫度和粗化時(shí)間的設(shè)定為例，說(shuō)明各個(gè)工藝參數(shù)設(shè)定對(duì)電鍍的影響。
針對(duì)ABS材料，在粗化溫度一定的前提下，當(dāng)粗化時(shí)間過(guò)短時(shí)，粗化液對(duì)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(shí)間過(guò)長(zhǎng)，粗化液在刻蝕完橡膠的同時(shí)，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(shí)間一定的前提下，當(dāng)粗化溫度過(guò)低時(shí)，粗化液刻蝕速度降低，橡膠刻蝕只有表面被刻蝕，無(wú)法形成深的孔洞，鍍層與基材結(jié)合力低;當(dāng)粗化溫度過(guò)高時(shí)，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。
結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
電鍍是利用電解原理在零件表面鍍上金屬的過(guò)程。電鍍液中的金屬離子，在電位差的作用下移動(dòng)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(jì)對(duì)于獲得良好的電鍍外觀非常重要。
3.1 共通要求
對(duì)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(jì)要點(diǎn)，對(duì)于大平面的零件，為了保證表面鍍層厚度均勻，應(yīng)設(shè)計(jì)成輕微的凸起弧面;產(chǎn)品內(nèi)外轉(zhuǎn)角應(yīng)設(shè)計(jì)為圓角，防止轉(zhuǎn)角處局部電流密度過(guò)大，鍍層過(guò)厚;對(duì)于深孔或圓柱形深腔底部應(yīng)設(shè)計(jì)為球形，中部開(kāi)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(shí)際的零件設(shè)計(jì)過(guò)程中，產(chǎn)品設(shè)計(jì)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(huì)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(duì)于凸臺(tái)類零件，凸臺(tái)之間寬/深≥2cm。如果凸臺(tái)深度太深，兩個(gè)凸臺(tái)之間底部容易發(fā)黃(無(wú)Cr電鍍層)，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)保證角度θ≥135。。
對(duì)于電鍍格柵，零件的開(kāi)口深度小于1/2的開(kāi)口寬度的區(qū)域，電鍍膜厚能滿足要求;零件開(kāi)口深度超過(guò)1/2的開(kāi)口寬度的區(qū)域，電鍍膜厚無(wú)法滿足要求。
對(duì)于刻字類電鍍零件，翻邊角度A≥75。;電鍍面凹槽文字深度B≤0.8mm;電鍍面凸起文字深度≤1.5mm。
3.3 固定結(jié)構(gòu)要求
電鍍后，固定結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度會(huì)有一定程度增強(qiáng)。為了防止在安裝過(guò)程中，電鍍卡爪插入力過(guò)大，安裝困難的情況，需要進(jìn)行減薄處理。
實(shí)驗(yàn)評(píng)價(jià)
實(shí)驗(yàn)評(píng)價(jià)是零件開(kāi)發(fā)中的重要一環(huán)，是零件開(kāi)發(fā)好壞的試金石。粗化觀察和結(jié)合力測(cè)試能夠在開(kāi)發(fā)初期對(duì)鍍層質(zhì)量進(jìn)行預(yù)估，提前把握風(fēng)險(xiǎn);冷熱沖擊測(cè)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(wú)數(shù)細(xì)微的孔洞的過(guò)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(shí)，鍍層依然能夠緊密的貼合在基材上。
粗化過(guò)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(guò)度，ABS樹(shù)脂中的SAN基體也會(huì)被刻蝕，導(dǎo)致表面嚴(yán)重粗糙，反而影響了ABS樹(shù)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(ScanningElectronMicroscope,SEM)進(jìn)行測(cè)試，設(shè)備可選用日本電子JSM-6380LA。SEM主要通過(guò)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(guò)SEM可以觀察出零件表面的粗化情況，從而評(píng)價(jià)基材的電鍍性能的好壞。
4.2 結(jié)合力測(cè)試
電鍍零件鍍層與樹(shù)脂基體本體的結(jié)合力越大，電鍍零件在實(shí)際工況中出現(xiàn)外觀不良的風(fēng)險(xiǎn)就越低。所以對(duì)鍍層結(jié)合力進(jìn)行評(píng)價(jià)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(shí)施90。剝離實(shí)驗(yàn)鍍層容易脆斷，所以選擇銅層進(jìn)行剝離試驗(yàn)。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(cè)試
結(jié)合力測(cè)試將鍍銅樣片劃分為9個(gè)區(qū)域，并選取不同的剝離方向。切出10mm寬銅層進(jìn)行剝離，剝離速度20mm/min，剝離角度實(shí)時(shí)保持90°，如圖1所示。
圖1 剝離區(qū)域及方向示意圖
在實(shí)際的實(shí)驗(yàn)評(píng)價(jià)中，選取三款不同的電鍍零件進(jìn)行附著力測(cè)試。不同的基材附著力存在較大的差異。試樣1附著力為6.3N，電鍍性能較差;試樣2附著力為10.8N，電鍍性能中等;試樣3附著力為14.0N，電鍍性能優(yōu)異。
4.3 冷熱沖擊測(cè)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(shù)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(shù)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(guò)各自材料的極限拉伸應(yīng)力，就會(huì)導(dǎo)致鍍層與樹(shù)脂龜剝離等系列問(wèn)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(yàn)是測(cè)試電鍍產(chǎn)品在面對(duì)極高溫、極低溫、極高溫極低溫切換的抵抗力的一種試驗(yàn)方法，主要目的是檢測(cè)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(cè)試采用高溫90℃,低溫−40℃的條件實(shí)施，冷熱沖擊循環(huán)10次。
選取與結(jié)合力測(cè)試同樣的三款的電鍍零件，進(jìn)行冷熱沖擊測(cè)試。試樣1結(jié)合力最低，試驗(yàn)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(yàn)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(yàn)后未出現(xiàn)鍍層鼓泡等缺陷，電鍍性能良好。試驗(yàn)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)。
總 結(jié)
本文敘述了針對(duì)汽車電鍍零件的的全流程的開(kāi)發(fā)方法，從材料開(kāi)發(fā)、制造工藝、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、實(shí)驗(yàn)評(píng)價(jià)四大方面進(jìn)行描述，總結(jié)如下：
(1)在材料開(kāi)發(fā)中，需要對(duì)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(duì)零件的內(nèi)應(yīng)力影響很大;在電鍍工藝中，粗化的時(shí)間和溫度對(duì)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(jì)中，對(duì)于具有深度的零件，需要保證開(kāi)口寬度大于開(kāi)口深度的兩倍。在角度及外觀平面設(shè)計(jì)中需要考慮保證鍍層厚度均勻。
(4)在實(shí)驗(yàn)評(píng)價(jià)中，鍍層結(jié)合力對(duì)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(xiǎn)較低。
通過(guò)建立全面汽車電鍍零件的開(kāi)發(fā)方法，為零件的可靠性提供了保證。
來(lái)源：國(guó)際表面處理展
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