塑料電鍍排擋面板鍍層鼓泡失效的研究

虞蓮雯

（上海汽車集團股份有限公司乘用車公司，上海 201804）

塑料電鍍制品具有優良的表面裝飾性、耐沖擊性、耐熱性、耐磨性及力學性能，在汽車內外裝飾件中得到了較大范圍的應用，大大提升了客戶的感知質量。但塑料電鍍制品在使用過程中會發生鍍層鼓泡、開裂、腐蝕等問題，嚴重影響客戶感知。因此，主機廠對此類失效案例非常重視，會對失效件進行材料和工藝的分析。本工作運用了計算機斷層掃描(CT)、顯微鏡、冰醋酸測試應力法以及掃描電鏡(SEM)對失效零件進行宏觀和微觀的分析，找到了失效原因，制定了有效的解決措施并積極加以改善，減小了質量風險[1-5]。

1 失效件分析

客訴短公里某車型的排擋面板電鍍飾框發生鼓泡，售后質量將失效件委托給實驗室分析。經初步觀察(見圖1)，該失效件鍍層表面產生了明顯鼓泡，未發現人為破壞痕跡。因此，零件本身的問題為主因，需要進一步分析。

圖1 失效件來樣及起泡部位的照片Figure 1 Photos of as-received failure part and the bubbling position

1.1 對失效區域進行CT分析

為確認失效件的鍍層鼓泡是鍍層與鍍層之間分離，還是鍍層與基材之間分離，采用CT對該零件進行掃描分析。CT的優勢是無損檢測，且成像清晰，可在不破壞鍍層的情況下，不僅確認鍍層的分層情況，還可確認基材本身有無開裂等異常。

如圖2所示，鼓泡為鍍層和基材之間分離所致，且基材本身無開裂等異常。

圖2 失效部分的CT掃描成像圖Figure 2 CT scan image of the failure area

1.2 鍍層厚度

在確認了此案例為基材與鍍層分離之后，進一步將鍍層厚度分析集中在銅層，因為銅層具有良好的延展性和柔韌性，與其他金屬相比，銅的熱膨脹系數更接近于塑料，這也是塑料電鍍以銅層打底的原因。在受到環境高低溫變化的影響時，銅層可以在塑料和鎳層之間起到良好的緩沖作用，因此銅層的厚度非常重要，是衡量鍍層耐環境性能的指標之一。對本失效件的銅層厚度進行檢測(如圖3所示)，其中3處的測量結果為19.3、19.0和18.6 μm，雖然略低于標準規定的20 μm，但也很接近，足以為該零件提供環境變化的緩沖。因此，銅層厚度不足并非本次失效的原因。

圖3 膜厚金相圖Figure 3 Metallograph for measuring the thickness of coating

1.3 SEM進一步分析基材的微觀狀態

對失效件的失效位置進行鍍層剝離，發現基材在鍍層結合力良好的位置和結合力不良的位置呈現不同顏色(見圖4a)，在圖4b中分別標記為A區域和B區域。剝離鍍層的過程中，在A區域可以明顯感覺到阻力，說明鍍層和基材結合力強，此處的基材為無光澤的白色(表明該區域已經粗化到位)，而在B區域剝離鍍層時無阻力，說明基材和鍍層結合力弱，且基材光滑(表明該區域粗化不足)。

圖4 失效件鍍層剝離后的基材外觀(a)及其放大照片(b)Figure 4 Appearance of substrate of the failure part (a) and its enlarged view (b) after stripping the coating thereon

在圖5中，通過掃描電鏡可以清晰看到A區域和B區域在鍍層被剝離后的形貌不同。在A區域，基材表面已看不到微孔，僅看到基材表面明顯的撕裂層(由基材與基材分離所致)，說明被粗化的微孔層基材已經粘附在鍍層背面而被剝離，這說明了在A區域，鍍層和基材的結合力非常好。而在B區域，可以看到明顯的基材表面微孔，說明在剝離鍍層時，鍍層和基材微孔層分離。

從B區域的放大圖(圖6)中可以發現表面有較大面積的未被粗化的塑料基材。

圖6 圖5中B區域的放大SEM圖像Figure 6 SEM image of area B shown in Figure 5 at high magnification

1.4 根本原因

從1.3節可知附著力不良的基材表面有較大面積的未粗化區域。因此，基本可以判定本案有兩個可能的誘發因素：一是基材偶然沾染了前處理液無法洗凈的油污；二是開機后的冷料(未達模溫就注塑出的零件)未按控制計劃被丟棄，而是流轉到了后道電鍍工序。

首先，在現場工藝排查中，未發現有員工操作不當可能引起的污染。

其次，模擬了未達模溫注塑出的冷料基材混入正常基材后流轉到電鍍工序的可能性。該零件控制計劃中的注塑模溫為80 °C，模擬了當模溫升到40 °C時注塑出的零件并對其進行電鍍，高溫試驗后在與失效件相同的位置重現了鼓泡問題(如圖7所示)。于是可以肯定該問題發生的根本原因是：注塑的充模過程中，由于模壁對熔體的冷卻效應，近壁層的熔體黏度增高，流速低于內層。熔體受到剪切作用，造成分子順一個方向整齊排列，擠壓ABS材料中的丁二烯組分至內層，最終導致在粗化過程中，粗化液無法令局部的丁二烯溶出而形成具有投鉚作用的孔洞，最終造成該處的鍍層與基材的結合強度較差。

圖7 失效模式復現Figure 7 Recurrence of failure mode

2 裝飾性電鍍件鍍層鼓泡的分析思路

鍍層鼓泡是塑料電鍍件最常見的失效模式之一，且其誘發因素眾多，需要逐步排查才可能找到根本原因。根據筆者從事塑料電鍍件的材料認可和失效分析工作的經驗，從工程師實用的角度整理了以下分析思路。

在初步拿到失效件時，需要觀察并依次獲得以下判斷信息：

(1) 判定是批量案例還是個案；如果是批量案例，有無批次或發生地區的規律性。

(2) 判定零件是局部鼓泡還是整體鼓泡。

(3) 判定鼓泡位置是隨機，還是具有特征性(是否是模流分析的應力集中區域，是否是分型線區域，是否是兩股流道的匯集處，是否是客戶經常觸摸的區域)。

(4) 判定鼓泡的分離層也很關鍵，要確定是基材與鍍層間分離，還是某一鍍層與另一鍍層間分離。

(5) 除了鼓泡之外，還有無其他特征，例如飛邊、毛刺等。

通過紅外確認基材，通過能譜確認鍍層和可能存在的異物，通過掃描電鏡確認表面形貌，通過金相顯微鏡測量膜厚，在不破壞表層的情況下用CT進行分析。

分析問題時應盡可能獲得注塑工藝文件、電鍍工藝文件以及該批次的生產記錄、有無異常生產記錄、出貨報告等。

根據對失效件的觀察及獲得的信息，利用各種儀器設備對失效件作出深入分析，以及追溯該批次零件的生產過程。絕大多數情況下都可以綜合分析出失效原因。如果能夠做到對失效模式復現，則整個分析過程就更加完整，基本完成PDCA(計劃→執行→檢查→處理)的閉環。

表1從失效分析角度歸納如何對鍍層鼓泡的失效件進行觀察分析，確定排查方向，進而確定根本原因，最終通過對應的改善措施來完成對產品的改善。

表1 裝飾性塑料件電鍍層鼓泡原因分析一覽表Table 1 List of reasons for blistering of decorative plastic parts after being electroplated

3 結語

鍍層鼓泡是常見的裝飾性電鍍件失效現象之一。其生成的原因眾多，通常需要借助CT、SEM、顯微鏡、內應力測試等多種測試手段才能鎖定根本原因。本案例即通過以上分析手段，并結合工藝追溯和再現，確定本案失效的根本原因是使用了冷?；摹Ｍ瑫r，在多年工作積累的基礎上總結了鼓泡失效模式及其可能原因、排查方向與改善措施，可供實際工作中參考。