汽車塑料電鍍零件開發的分析

劉 劍

（廣州汽車集團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，因其金屬質感，被應用在汽車內外部裝飾中，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[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，要經歷嚴寒、暴曬、酷熱、腐蝕、酸雨、石擊等各種環境的考驗，如對電鍍零件開發不充分，在實際應用中容易出現鍍層裂紋、鼓泡等品質風險。電鍍件的質量性能包括厚度、微孔（或微裂紋）數、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，塑料電鍍零件的開發是一個系統工程。需要綜合材料開發，制造工藝，結構設計，實驗評價四大方面的開發評價工作。通過全面系統的對電鍍零件開發進行研究，為電鍍零件的量產品質提供保障。

1 材料開發

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，對其開發方法進行研究分析。

1.1 基本物性

材料的基本物性是零件性能的基礎。材料的熔融指數（Melt Flow Rate, MFR）決定了零件的生產制造性能；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（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險。材料開發講究剛韌平衡，對于材料的選擇應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

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構，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，材料的配方設計上不僅需要考慮成型零件的機械性能的要求，還需要考慮材料的電鍍性能。在電鍍材料的開發中，對ABS中的橡膠的含量及形態進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重要之外，橡膠的形態分布同樣重要。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鍵參數進行研究分析，為實際量產中的參數設定提供參考。

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應力，內應力越大，零件電鍍后尺寸變形越嚴重。內應力過高會造成表面粗化不足，難于敏化、活化和金屬化，最終影響電鍍產品的性能。同時材料中的橡膠的變形越嚴重，會導致電鍍不良。

在注塑成型參數中，對內應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，導致注塑機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，零件內應力大；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，零件內應力大。

注塑工藝參數的設置對零件的成型有重要影響。在實際量產中，為了保證批次的穩定性，需要固定注塑工藝參數，并且設定監控數值，以此判斷零件生產的穩定性。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作為常數固定下來，以填充時間、保壓切換壓力、緩沖量等結果類參數作為監控數值，通過觀察監控數值是否在規定范圍內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合力，從而讓零件耐候等性能優異。在材料開發階段已經說明粗化是整個電鍍工藝中非常關鍵的工序。以粗化溫度和粗化時間的設定為例，說明各個工藝參數設定對電鍍的影響。

針對ABS材料，在粗化溫度一定的前提下，當粗化時間過短時，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，鍍層與基材結合力低；當粗化時間過長，粗化液在刻蝕完橡膠的同時，SAN基材也被刻蝕，導致孔洞錨結構坍塌，鍍層與基材結合力低。

在粗化時間一定的前提下，當粗化溫度過低時，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，鍍層與基材結合力低；當粗化溫度過高時，粗化液刻蝕速度很快，橡膠在被完全刻蝕后，SAN基材的錨結構也被刻蝕，鍍層與基材結合力低。

3 結構設計

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，零件的結構設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，應注意以下設計要點，對于大平面的零件，為了保證表面鍍層厚度均勻，應設計成輕微的凸起弧面；產品內外轉角應設計為圓角，防止轉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設計為球形，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

在實際的零件設計過程中，產品設計工程師應與零件制造供應商進行充分的溝通。不同的類型零件，電鍍的要求會有所不同，應該具體情況具體分析。總結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黃（無Cr電鍍層），設計時應保證角度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 固定結構要求

電鍍后，固定結構的強度會有一定程度增強。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，需要進行減薄處理。

4 實驗評價

實驗評價是零件開發中的重要一環，是零件開發好壞的試金石。粗化觀察和結合力測試能夠在開發初期對鍍層質量進行預估，提前把握風險；冷熱沖擊測試則是作為判斷零件是否合格的標準。

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細微的孔洞的過程。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構。由于錨合結構的存在，鍍層與基材之間的結合力較大，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，導致表面嚴重粗糙，反而影響了ABS樹脂與金屬鍍層的結合力。

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）進行測試，設備可選用日本電子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 結合力測試

電鍍零件鍍層與樹脂基體本體的結合力越大，電鍍零件在實際工況中出現外觀不良的風險就越低。所以對鍍層結合力進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，所以選擇銅層進行剝離試驗。選擇在電鍍銅工序之后的鍍銅樣片進行鍍層附著力的測試。

結合力測試將鍍銅樣片劃分為9個區域，并選取不同的剝離方向。切出10 mm寬銅層進行剝離，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差異較大，ABS樹脂的線性熱膨脹系數是金屬鍍層的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的顯著差異將產生巨大的熱應力，一旦超過各自材料的極限拉伸應力，就會導致鍍層與樹脂龜剝離等系列問題，嚴重影響電鍍ABS在有溫差存在的環境中使用。冷熱沖擊試驗是測試電鍍產品在面對極高溫、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品在日常不同的環境中的使用壽命。

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10次。

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

5 總結

本文敘述了針對汽車電鍍零件的的全流程的開發方法，從材料開發、制造工藝、結構設計、實驗評價四大方面進行描述，總結如下：

（1）在材料開發中，需要對材料的基本物性和橡膠含量及形態進行確認。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定對零件的內應力影響很大；在電鍍工藝中，粗化的時間和溫度對鍍層與基材之間的結合力影響很大。

（3）在結構設計中，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計中需要考慮保證鍍層厚度均勻。

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

通過建立全面汽車電鍍零件的開發方法，為零件的可靠性提供了保證。