掛具球形設計在塑料電鍍中的應用

劉文芬，王志明

（天津科維爾科技有限公司，天津 300160）

汽車行業普遍使用電鍍工藝裝飾產品外觀，增加汽車零部件的硬度及抗腐蝕性［1］。塑料電鍍（POP，Plating on plastic）開發于20 世紀，后逐步實現工業化［2］，我國在20 世紀60年代中期也開始進行塑料電鍍的生產，當時主要用于鈕扣、帶扣等小產品，以不起皮、類金屬即可滿足要求［3］。與金屬制件相比，塑料電鍍制品不僅可以實現很好的金屬質感，而且能減輕制品重量，在有效改善塑料外觀及裝飾性的同時，也改善了其在電、熱及耐蝕等方面的性能［4］。隨著現代汽車對豪華、美觀以及輕量化追求的不斷提高，塑料電鍍Cu/Ni/Cr 以其優美的金屬光澤外觀、易加工、減重、性能優異及成本較低等眾多優點，在汽車制件電鍍中逐漸占據了越來越重要的地位［5］，應用領域涵蓋了車門拉手、汽車商標、標徽、車內飾、反光鏡、表盤裝飾、操作桿頭、方向盤裝飾、高級車輪殼罩、隔柵等。

由于塑料電鍍如此廣泛地在汽車行業中的應用，塑料電鍍的標準和要求也不斷提高，2010年以來，汽車銷量逐年增加，因塑料電鍍件腐蝕而引起的售后索賠也越來越多。車主對汽車外觀質量的重視使生產企業對質量的意識也不斷加強［6］，特別是裝配性要求高的零部件，既要滿足主機廠性能標準，如：厚度、耐蝕性、耐溫性等，也要滿足裝配的功能性，如：不能超出重量的公差，否則就可能造成裝配后間隙不合格，不回彈，甚至裝配不上，即鍍層不能低于厚度標準也不能過厚。這與工藝控制有關，溶液組成不穩定，容易導致鍍層厚度不均勻［7］，在工藝控制穩定的前提下，還與工裝設計有關［8-9］。由于電鍍過程中電流分布的不均勻特性，按照通常的掛具設計，導致了每一個飛巴上多個零件的電鍍層厚度差別較大，能夠同時滿足電鍍標準和裝配性要求的零件很少，這樣合格率低導致電鍍成本太高，不符合精益生產的要求。本篇主要闡述通過電鍍掛具的設計優化，來提高產品的合格率。

1 樣件的試制

實驗樣件名稱：扣手裝飾板，其結構如圖1 所示。素材材質為PC-ABS-CB3110C，試驗數量為150件。

圖1 扣手裝飾板試樣圖Fig.1 Sample diagram of buckle decorative board

電鍍線為：天津科維爾科技有限公司全自動塑膠生產線，產品執行標準：DBL8465：2019-05，此產品工藝設計的難點在于，即規定了產品厚度的標準，又規定了產品鍍后質量的公差，質量的公差決定了產品的裝配性。產品工藝流程見圖2，產品掛具框架設計見圖3。

圖2 產品工藝流程圖Fig.2 Flow chart of product process

圖3 產品掛具框架設計簡圖Fig.3 Schematic design of product hanger frame

產品電流密度設計根據公式（1）進行計算：

其中：δ為膜厚，μm；K為電化學當量，g/（A·h）；D為電流密度，A/dm2；t為電鍍時間，min；η為電流效率；ρ為密度，g/cm3；v為電鍍速率，μm/min；K和ρ從手冊上可以查到，具體設計數值見表1。

表1 試樣電流密度設計Tab.1 Design of sample current density

產品的掛具形式設計優為重要，本研究同時開展了兩種掛具設計的對比實驗，一種為通常的平面設計，另一種為球形設計，其它工藝完全相同。球形設計方案：根據多次實驗數據得出電流強弱分布圖，再根據電流強弱分布位置設計掛具導電鉤長短。圖4 是所設計的兩種掛完零件的掛具的正視圖，兩種設計的正視圖沒有區別，設計為單面75（15×5）件，雙面150件的布局形式。圖5（a）為平面設計的側視圖，圖5（b）為球形設計的側視圖，可以看出球形設計的掛具上下位置掛鉤短，中間位置掛鉤長，第10行掛鉤最長。圖6（a）為平面設計的俯視圖，圖6（b）為球形設計的俯視圖，可以看出，球形設計的掛具左右位置掛鉤短，中間位置掛鉤長，這樣掛具就形成了球形設計的整體外觀。

圖4 平面及球形設計的掛具的正視圖Fig.4 Front view of hanging device for graphic design and spherical design

圖5 掛鉤側視示意圖Fig.5 Side view of the hook

圖6 掛鉤俯視示意圖Fig.6 Overhead view of the hook

產品的工藝參數設置如表2 所示。試樣電鍍完成后，放置24 h，進行各項性能測試。為了方便測量的一一對應，把試樣在掛具上的位置進行編號，試樣分布在掛具的正反兩面，正面記為A，反面記為B，每一側共5 列，記為A1～A5，共15 行，記為A1-1～A15-1，反面記為B1～B5，B1-1～B15-1。另一常規對比掛具的正反面分別記為AA1～AA5，AA1-1～AA15-1，及BB1～BB5，BB1-1～BB15-1。

表2 試樣的工藝參數設計Tab.2 Design of process parameters of the sample

2 性能要求及測試方法

2.1 膜厚

標準要求：銅層≥25 μm；鎳層≥12.5 μm；鉻層≥0.25 μm；銅∶鎳≥2∶1，產品鍍后質量9.5 g±10%。采用德國Fischer STEPP-480 測厚儀，執行標準DBL 8465.22：2019 Table 4＆DIN EN ISO 2177：2004，測定銅、鎳、鉻膜厚，采用JD2000-2 型電子稱測產品質量。

2.2 鹽霧實驗

CASS 測試：采用專用的TC-089 CASS 試驗箱進行24 h 測試，按照標準DBL 8465.22：2019 Table 9＆ MBN 10494-6：2021 測試，測試后樣品表面無變化為合格。

2.3 氣候循環測試

采用HT-HW-1000B 恒溫恒濕實驗箱，按照DBL 8465.22：2019 Table 10 ＆ AK LV 112：2002，測試30個循環，樣品不起泡，涂層不分層，不開裂為合格，凹陷點不進行評估。

2.4 耐溫性實驗

采用專用HT-HW-1000B恒溫恒濕實驗箱，按照DBL 8465.22：2019 Table 13 標準，測試溫度為90 ℃，1 h 無視覺變化為合格；測試溫度為23±5 ℃，24 h無視覺變化為合格。

2.5 耐溫度沖擊實驗

采用HT-HW-1000B 恒溫恒濕實驗箱，按照DBL 8465.22：2019 Table 13 標準，高溫110 ℃，時間1 h，然后于18±3 ℃水浴中速冷，沖擊試驗應連續進行三次，涂層不分層，不開裂為合格，凹陷點不進行評估。

3 實驗結果

3.1 膜厚及質量

首先測量了150 件常規試樣（AABB）的質量，鍍后質量分布如圖7 所示。30%試樣超出了標準范圍，同時測量了150 個AB 試樣的質量，從鍍后的質量分布圖（圖8）可以看出，鍍層分布仍然是掛具中間位置薄，邊緣位置厚的趨勢，但已經可以達到標準要求。然后從正反兩面各取質量最大和最小的5個試樣，編制為4組，進行了厚度測量，測量結果如表3所示，鍍層厚度及銅鎳比均可滿足標準要求。

表3 試樣鍍層厚度記錄表Tab.3 Record for the coating thickness of the samples

圖7 AABB試樣鍍后質量分布圖Fig.7 Mass distribution diagram of the AABB samples after plating

圖8 AB試樣鍍后質量分布圖Fig.8 Mass distribution diagram of the AB samples after plating

3.2 CASS實驗

兩種試樣各取3 件進行CASS 實驗（圖9），表面均未發生腐蝕現象，但AABB 試樣中一件產品在高區出現微的皸裂紋，此件鉻層厚度為0.95 μm，鉻層硬度高，在高溫高濕高鹽環境中會出現微裂紋。鉻層超過1.0 μm 時，耐腐蝕性能明顯下降，CASS 試驗后鉻層之間容易產生搭橋腐蝕引起鉻腐蝕裂紋［10］。

圖9 試樣AB和AABB在CASS測試前后的表面狀態Fig.9 Surface state of samples AB and AABB before and after CASS testing

3.3 氣候循環測試

兩種試樣各取3 件進行氣候循環測試（圖10），測試后外觀均無變化，可見采用兩種掛具設計方案生產出的產品的氣候循環都能滿足標準要求。

圖10 試樣AB和AABB在氣候循環測試前后的表面狀態Fig.10 Surface state of samples AB and AABB before and after climate cycling test

3.4 耐溫性實驗

兩種試樣各取3 件進行耐溫性測試（圖11），測試后外觀均無變化，可見采用兩種掛具設計方案生產出的產品的耐溫性都能滿足標準要求。

圖11 試樣AB和AABB在耐溫性測試前后的表面狀態Fig.11 Surface state of samples AB and AABB before and after temperature resistance test

3.5 耐溫度沖擊實驗

兩種試樣各取3 件進行耐溫度沖擊測試（圖12），測試后外觀均無變化，可見采用兩種掛具設計方案生產出的產品的耐溫度沖擊都能滿足標準要求。

圖12 試樣AB和AABB在耐溫沖擊測試前后的表面狀態Fig.12 Surface state of samples AB and AABB before and after temperature impact test

4 結論

球形掛具設計方案有效地解決了小件產品在高低電位區鍍層不均勻的問題，特別是對鍍層硬度最高的鉻層，其標準范圍很窄，如：大眾標準TL528A，鉻層厚度要求為0.3～0.5 μm。掛具如采用平面設計，經常會有很多產品的厚度在要求的范圍之外，出現高電流區厚、低電流區薄的現象。采用球形掛具設計方案，會增加掛具的設計難度，但可大大提高產品的均勻性，進而提高產品的合格率。