塑料電鍍在汽車中的應用及發展

張菊香

(上海大眾汽車有限公司質保實驗室)

塑料電鍍POP（Plating On Plastic）開發于20世紀60年代，并逐步實現工業化[1]。與金屬相比，塑料不僅質量輕，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、耐磨性及機械強度等[2-4]，因此塑料電鍍越來越多地受到汽車工程師的青睞。文章結合塑料電鍍的特點，介紹了塑料電鍍Cu/Ni/Cr在汽車中的應用以及市場上的常見缺陷，并從汽車工業和社會發展需要的角度，分析了汽車塑料電鍍Cu/Ni/Cr未來的發展趨勢。

1 塑料電鍍Cu/Ni/Cr在汽車中的應用

隨著現代汽車不斷追求豪華美觀以及輕量化，塑料電鍍Cu/Ni/Cr以其金屬光澤的外觀、易加工、減重、性能優異及成本較低等眾多優點，越來越多地代替金屬應用于汽車的制造和設計中[5]。

1.1 在汽車外飾件上的應用

塑料電鍍Cu/Ni/Cr不僅增添了汽車外飾的時尚感，而且可以使汽車整體富有高級感，因此被廣泛用于汽車標徽、車門拉手、后視鏡、車輪殼罩、牌照板、保險杠飾條、散熱器格柵、防擦條、后視鏡、車頂行李架及門把手飾條等外飾件上。汽車外飾件通常都是暴露在室外，要經歷嚴寒、暴曬、酷熱、腐蝕、酸雨、泥濘、石擊及刮擦等各種環境的考驗，所以汽車外飾塑料電鍍件有很嚴格的質量要求。世界很多汽車公司，如大眾、福特、通用及本田等都針對汽車內外飾的使用環境對塑料電鍍Cu/Ni/Cr制定了不同的工藝要求和評價標準，例如大眾TL528，通用的GMW14668。

1.2 在汽車內飾件上的應用

汽車內飾與駕乘者關系最為密切，不僅影響顧客舒適度和視覺，更直接影響品牌形象和顧客的購買意愿[6]。與外飾相比，汽車內飾零件數量更多，形狀和功能也相對復雜，因此汽車內飾件不僅外觀和性能要求高，而且在裝配及尺寸控制等方面也尤為重要。塑料電鍍Cu/Ni/Cr不僅容易成型，尺寸容易控制，可以做成形狀較為復雜多樣的零件，而且表面可以呈現各種高級的金屬質感，因此越來越多的汽車內飾件，如出風口飾框、儀表板裝飾條、門內開把手、方向盤裝飾、換擋手球、換擋蓋板及門板飾條等都采用了塑料電鍍Cu/Ni/Cr工藝。

1.3 在汽車電子零部件上的應用

塑料電鍍Cu/Ni/Cr的小型化和輕量化非常適合電子類產品，其鍍鉻表面非常光滑，具有非常好的可視性和手感，在汽車電子零部件上的應用也日益廣泛，目前主要應用于按鈕、開關、燈具以及表盤裝飾等電子零部件上。

1.4 在汽車發動機艙零件上的應用

塑料由于其耐溫性比較差，一般不能直接用于發動機艙，通過電鍍，可以提高塑料零件的耐溫性，抗蠕變性，耐化學品及機械強度等性能。發動機艙也是顧客經常打開的汽車部位，因此很多發動機艙的零件也要求具有可視性，塑料電鍍Cu/Ni/Cr穩定的閃亮外觀使汽車顯得更豪華，深受顧客喜愛，目前已經成功應用于發動機罩蓋、徽章及字牌等發動機艙零件上。

2 塑料電鍍Cu/Ni/Cr在汽車應用中的常見缺陷

塑料電鍍零件生產過程比較復雜，涉及設計、原材料、注塑、電鍍工藝及裝配等過程，而且汽車的使用環境也比較苛刻，因此比較容易出現缺陷，市場上常見缺陷可以歸納如下。

2.1 鍍層脫落氣泡裂紋

鍍層脫落、氣泡和裂紋是塑料電鍍Cu/Ni/Cr最常見的失效方式，典型的表現有2種：鍍層與基材的分離和鍍層與鍍層的分離。產生鍍層與基材分離的主要原因有：1）基材內應力太大，零件在溫度變化時，內應力釋放，導致鍍層和基材分離。目前可以通過冰醋酸浸泡實驗和紅色染料實驗評估注塑產生的殘余應力[7]。此類缺陷主要通過改進注塑工藝（如注塑溫度、注塑壓力、保壓時間及冷卻速度等）以降低或消除基材的內應力。2）粗化不足或粗化過度。粗化不足導致表面不能被有效咬蝕，粗化過度導致不能正常吸附足夠的鈀，均不能為后續化學鍍層提供良好的錨合點，造成金屬鍍層和塑料基體的結合力差。3）銅層偏薄。銅層具有良好的延展性，可以改善鍍層的耐熱沖擊及機械沖擊性能，對殘余應力、基材熱脹冷縮及裝配受力等破壞都有一定的緩沖作用，但太薄的銅層就起不到相關作用，最終導致鍍層易脫落，產生氣泡，甚至產生裂紋。

鍍層與鍍層分離的主要原因有：1）槽液污染；2）水洗或活化不充分；3）中途斷電或生產線太長導致零件露空時間過長；4）鍍液成分不當使鍍層內應力過大。鍍層與鍍層分離的缺陷可以通過優化電鍍和生產控制過程加以解決。為了防止市場上出現鍍層脫落、氣泡和裂紋的缺陷，很多汽車公司都設計了高低溫沖擊實驗、高溫存放實驗、劃格實驗、鍍層剝離實驗及鋸磨測試等嚴格的測試標準進行驗證。

2.2 鍍層腐蝕

目前市場出現的腐蝕形態主要為麻點和黃色腐蝕斑，而麻點經過進一步腐蝕往往也演變成黃色腐蝕物堆積。腐蝕過程一般是先沿微孔開始，腐蝕鎳層，產生的腐蝕物便在鉻層下逐漸堆積，當堆積到一定程度便會導致鉻層開裂并脫落。產生腐蝕的主要原因有：1）微孔數過少，一般要求≥8 000孔/cm2；2）鉻層偏薄或偏厚，一般要求 0.3～0.5 μm；3）電位差太高或太低，鎳封和光亮鎳之間控制在20～40 mV；光亮鎳和半光亮鎳控制在100～200 mV耐腐蝕性能比較好。不同汽車公司也制定了各自的腐蝕檢測標準，主要通過CASS實驗和中性鹽霧實驗進行評價。

2.3 鍍層表面凹陷

塑料電鍍Cu/Ni/Cr以其鏡面的金屬質感深受顧客喜愛，市場上評價鍍鉻質量的一個最直觀的方法就是表面鏡面成像效果，在塑料基材或者電鍍工藝存在缺陷時，零件在陽光暴曬和溫度沖擊下，表面容易出現凹陷，破壞鏡面效果，影響汽車美觀。產生這類缺陷的主要原因有：1）基材耐溫性差，在高溫下基材軟化，導致表面變形凹陷；2）基材存在應力，在溫度發生變化時，應力釋放，導致凹陷；3）設計缺陷，例如工件主面厚度太低，骨架寬度太大，都容易產生凹陷；4）注塑工藝參數不當，注塑不飽滿。隨著顧客對汽車細節的關注度越來越高，很多汽車公司對這類缺陷也越來越重視，也都制定了嚴格的外觀檢查標準，對環境存放試驗進行控制。

3 發展趨勢

3.1 三價鉻電鍍的開發

鍍鉻液的主要成分是含氧鉻酸，六價鉻以其性能穩定，成本較低等優勢在汽車行業被廣泛應用。但六價鉻毒性強，有致癌性，雖然大多數六價鉻在電鍍后都被還原成了金屬鉻，但仍有極少量六價鉻殘留在鍍層表面，而且電鍍過程中采用的六價鉻鍍液對環境也造成很大的污染。在這種背景下，各國汽車公司和電鍍廠商在六價鉻電鍍技術的基礎上，致力于研制開發三價鉻電鍍，目前研究的主要方向是氯化型和硫酸型。雖然國外已經取得了一些研究成果，并在部分車型上小范圍內推廣使用，但是由于三價鉻不如六價鉻穩定，顏色不易控制，CASS實驗容易失效等因素，目前還沒有全面推廣。三價鉻電鍍的推廣應用將是汽車塑料件電鍍Cu/Ni/Cr技術中的一次環保革命。

3.2 無鉻粗化工藝

塑料電鍍Cu/Ni/Cr除了六價鉻電鍍液，六價鉻粗化也是電鍍線上最大的危害之一，無鉻粗化的研究和開發一直是塑料電鍍Cu/Ni/Cr的研究熱點。無鉻粗化具有污染小，與環境友好，廢水處理成本低，員工操作安全等優點，而且可以減少由于鉻霧產生的不良品，提高產品合格率，降低生產成本。目前研究較多的是高錳酸鉀技術[8]，但是還存在粗化時間較長（一般是六價鉻粗化的2～3倍），化學性質不穩定，產品可燃等局限性。

3.3 環保替代工藝

目前塑料電鍍Cu/Ni/Cr均為水電鍍，屬于高污染行業，尋找替代水電鍍也是今后的研究方向之一。現在研究較多的有真空濺射鍍、納米鏡面噴鍍和熱燙印膜技術。真空濺射鍍將金屬鉻或鋁蒸發為原子或分子，在零件表面凝聚形成鍍層，產生類似塑料電鍍Cu/Ni/Cr的裝飾效果。納米鏡面噴鍍技術主要應用化學反應原理，采用直接噴涂的方式使零件表面可呈現鍍鉻鏡面金屬效果。熱燙印膜技術通過加熱、加壓的方式將燙印膜轉移到塑料上，熱燙印技術由于加工方便，成本低等優點已經在寶馬、大眾的一些零件上得到了應用[9]，但是熱燙印膜不能完全達到電鍍Cu/Ni/Cr的鏡面金屬質感，限制了其大規模推廣。替代工藝環保操作安全，性能穩定，色彩更為多樣，不受體積限制，但由于汽車零件使用環境多樣性和功能復雜性，一些環保替代工藝存在性能，顏色，外觀等一些問題，要想完全替代塑料電鍍Cu/Ni/Cr還有一段很長的路要走。

3.4 后處理及復合涂鍍層工藝

為了進一步豐富塑料電鍍Cu/Ni/Cr的外觀和功能，使之在汽車上的應用更為廣泛，電鍍與噴漆、印刷、鐳射及雷雕等工藝的結合也是汽車塑料電鍍的研究重點之一，有些研究已經取得了成功應用，如電鍍加噴漆的裝飾格柵和字牌等既具有金屬的外觀又豐富了零件的色彩，對電鍍零件進行雷雕處理既滿足了裝飾性，又滿足了透光等功能要求，已經在一鍵啟動開關上得到了成功應用，但是電鍍光滑的表面容易導致油漆結合力差，造成油漆脫落，雷雕工藝使金屬鍍層不連續，導致鍍層起殼等缺陷都是這些復合工藝需要解決的問題。

4 結語

塑料電鍍Cu/Ni/Cr結合了塑料和金屬的優點，經過多年的研究和發展，已經成為一項成熟的汽車技術[10]，隨著汽車工業的發展和社會的進步，塑料電鍍Cu/Ni/Cr的應用還將大幅度發展，一些新技術也會應運而生，因此塑料電鍍技術是值得汽車行業關注的技術，前景廣闊。目前塑料件電鍍由于其生產過程復雜，廢水處理困難，因此電鍍液和設備成本高。隨著建設經濟環保型社會的要求越來越迫切，如何降低塑料電鍍成本，開發環保塑料電鍍Cu/Ni/Cr工藝對汽車工業的發展有著重要的意義。