塑料電鍍飾件工藝及膜厚測試方法

潘建飛 錢雪偉 顧煒 沈加峰 屠燁鋒

（嘉興威凱檢測技術(shù)有限公司 嘉興 314050）

引言

隨著塑料在不同年代的不斷發(fā)展，慢慢的形成了可電鍍的塑料，現(xiàn)投入到市場上比較廣泛的是塑料電鍍和金屬電鍍了，塑料電鍍外觀要求比金屬制品的電鍍面更光潔。該文章主要講述汽車上的塑料電鍍的簡易工藝及庫倫法測量常見的電鍍層鉻、鎳、銅的測量方法和過程及問題分析。

1 塑料電鍍工藝過程概述

塑料電鍍通常情況是在塑料的基體上通過金屬化處理的方法沉積一層相對比較單薄的金屬層，并在這層薄的導(dǎo)電層上在進(jìn)行電鍍處理和加工的方法。目前廣泛應(yīng)用在汽車塑料電鍍上的材料一般是ABS/PC+ABS，由于現(xiàn)在塑料電鍍工藝的日新月異、技術(shù)不斷的成熟，不同的企業(yè)會在各方面的情況下選擇電鍍的要求及如何掌握當(dāng)下的技術(shù)，市面上有不同的工藝流程，此文章主要采集了ABS/PC+ABS這兩種材料一部分的工藝流程作為簡單的介紹。一般此類的塑膠電鍍工藝分為三部分：前處理工藝、金屬化工藝、電鍍工藝。如圖1簡單的規(guī)劃出了塑料電鍍工藝的基本流程。

1.1 前處理工藝

1）表面整理：由于在注塑成型的過程中產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力，容易在電鍍的過程中起泡。一般采用20 %的丙酮溶液，在其溶液中浸泡5～10 s。

2）內(nèi)應(yīng)力的檢查：一般會采用兩種處理方法來消除應(yīng)力；

① 溫度在 60～75 ℃下加熱 2～4 h；

② 體積占比在25 %的丙酮中浸泡30 min。

3）除蠟和除油：為了提高汽車上外露塑件的質(zhì)量要求，這兩種方法是一個雙保險的工藝。零部件在注塑、整理等前處理工作中會留下一些油污等，會造成一定的污染，所以在粗化前必須清洗干凈，才能夠保證粗化的效果。

4）酸中和：通常情況下堿性物質(zhì)的水洗性是比較差的，為了減少堿性物質(zhì)對粗化這一工序的影響，采用了酸中和的方法來中和前工序所帶入的堿性物質(zhì)，提高粗化的效果和粗化液的使用壽命。

1.2 金屬化工藝

1）粗化：由于塑料件是一個非極性、疏水性質(zhì)的物質(zhì)，粗化是必不可少的一步。本工藝主要講訴的是ABS/PC+ABS的粗化液，采用的是一個化學(xué)粗化工藝（鉻酸和硫酸型的粗化液）。主要是化學(xué)粗化的除污能力強(qiáng)、速度快、能夠形成均勻細(xì)致的微觀粗糙面。粗化的主要目的是來增大零件表面的微觀粗糙度和接觸面積和親水能力，來提高零件和鍍層之間的結(jié)合力和濕潤性，才能更好的電鍍。

2）敏化：零件在經(jīng)過敏化處理后，其表面會形成一層疑似凝膠狀的物質(zhì)，作為一個還原劑。這對于化學(xué)鍍有著一定的影響，比如：鍍層的結(jié)合力和均勻性。

3）鈀活化：又可意為催化。此處理工藝是為了在零件表面形成一層有催化性的金屬層。為化學(xué)鍍起到一個催化的作用，主要用于化學(xué)鍍銅。目的是將原子鈀均勻的吸附在零件的表面，是化學(xué)沉鎳液的催化核心。

4）還原或解膠：零件表面吸附的原子鈀周圍有一層膠體，為了能夠很好的起到催化作用，必須去除這層膠體。第一步要先進(jìn)行還原，不然表面上的活化性會帶入化學(xué)鍍的溶液中去；第二步是解膠，能夠提高化學(xué)鍍銅下的催化作用。

1.3 電鍍工藝（化學(xué)鍍）

此工藝流程主要講訴現(xiàn)在汽車行業(yè)運(yùn)用最為廣泛的鉻、鎳（三層鎳）、銅的工藝流程。如圖2所示。

1）化學(xué)鍍鎳（預(yù)鍍鎳）：又指暗鎳。此步驟在解膠之后，為了保證基體金屬化的電性能，確保后續(xù)電鍍的流暢性和時效性。

2）化學(xué)鍍銅：銅在電鍍件上是一個必不可少的物質(zhì)，它的延展性和柔韌性相比較其它的金屬都要好的多，以及它的鍍層的性質(zhì)更接近塑料，能夠很好的保護(hù)零件的表面，提高它的結(jié)合力和耐腐蝕能力，能夠很好的融入外界。由于催化的作用，使得塑料件在化學(xué)鍍銅的時候能夠加速銅的還原，在塑料表面能夠快速的形成一層均勻、細(xì)微的銅層，來減少零件表面的損傷。如圖3所示。

圖1 塑料電鍍的主要工藝流程

圖2 鉻、鎳、銅基本分層圖

3）化學(xué)鍍鎳（三層鎳為例，微孔鎳）

①鍍半光亮鎳：半光亮鎳有著無硫，延展性和整平性較好的特點，通常情況下會將它的鍍層稱為半光亮。半光亮鎳的電位差是三層鎳中最高的，通常情況下要高于光亮鎳100～200 mV。如圖4所示；

②鍍光亮鎳：光亮鎳通常是最為裝飾的外觀層。目前國內(nèi)為了改善鍍層的柔韌性會使用一些添加劑。此鍍層能夠緩解腐蝕的速率，從而大大的保護(hù)了零件表面的腐蝕性。如圖5所示；

③ 鎳封（微孔鎳）：鎳封是在半光亮鎳和光亮鎳鍍完之后再在塑料表面鍍的一層非金屬的固體物質(zhì)，其的厚度很小，大致在1.5～3.0 μm之間。在鍍鉻的時候，由于鎳封是非金屬固體物質(zhì)，鉻無法在其表面沉積，形成了所謂的微孔鉻。這些細(xì)小的微粒在其表面分布比較均勻、數(shù)量多，腐蝕的電池能夠?qū)⒏g電流均勻的分布在整個鍍層的表面。分配下來到每個孔的電流都相當(dāng)?shù)男。沟么┩父g速度減緩，提高了抗腐蝕能力。通常情況下會通過CASS試驗來驗證其抗腐蝕的能力。

4）鍍鉻（鍍鉻工藝）：一般鍍鉻有兩種類型，一種的裝飾鉻，一種是工業(yè)鉻或硬鉻。通常情況下是裝飾鉻應(yīng)用的比較廣泛。為了提高電鍍件的抗腐蝕能力，一般商家會提高鉻層的厚度來改善。如圖6所示。

1.4 電鍍的原理

電鍍是一種通過電解反應(yīng)，將導(dǎo)電體的表面通過直流電的作用，將一些金屬或合金沉積在其上面的方法，這種方法稱為電鍍。如圖7所示。

1.5 常見電鍍效果的介紹

依據(jù)以上的電鍍原理及工藝流程，以下幾點效果在生活和日常的產(chǎn)品上出現(xiàn)的越來越廣泛。以下簡單的概述了幾點電鍍種類：

1）仿金電鍍：作為外觀裝飾，將塑料件表面鍍上一層疑似真金的金黃色，具有色澤美觀、光彩奪目的特點。主要是一些合金組成。

2）彩色電鍍：此過程主要是用直接電鍍或?qū)﹀儗舆M(jìn)行化學(xué)處理。主要采用三種方法進(jìn)行：單金屬、合金鍍層、鍍層化學(xué)著色。

3）亞光電鍍：亞光電鍍不同于常見的鍍層那么的光亮，主要成暗色，采用的是亞鉻的工藝處理得到的效果。

1.6 塑料電鍍件的不良缺陷及解決對策

圖3 鍍銅

圖4 鍍半光亮鎳

圖5 鍍光亮鎳

圖6 鍍鉻

圖7 電鍍原理簡易圖

通過上述的電鍍工藝流程，不免會在生產(chǎn)中產(chǎn)生瑕疵，以下是幾點常見的缺陷：顆粒、針孔、泛黃、剝離、起泡、腐蝕斑等。

1）顆粒：鍍銅或鍍鎳的時候表面有粉末，過程中變大；退鉻不到位，在移動過程中有顆粒附在表面。如圖8所示。

對策：化學(xué)鍍的時候盡量不要產(chǎn)生粉末；夾具鉻要退凈、絕緣性要好。

2）針孔：鍍液中濕潤劑少、有油或雜質(zhì)。如圖9所示。

對策：補(bǔ)加濕潤劑；加入消針孔劑（根據(jù)針孔的多少配置）；雙氧水-活性炭處理。

3）泛黃：鍍前處理不良、預(yù)鍍層太薄、鍍液中的添加劑分解產(chǎn)物過多。如圖10所示。

對策：合理設(shè)置電流和時間；更換鍍液。

4）剝離：鍍層結(jié)合力差，鍍層之間會剝離以及鍍層也基體之間也產(chǎn)生脫落現(xiàn)象。如圖11所示。

對策：前處理不當(dāng)，需重新檢測一遍；加強(qiáng)現(xiàn)場管理；

5）起泡：過度粗化或粗化不到位引起的結(jié)合力降低；鎳層的應(yīng)力過大。如圖12所示。

對策：改善粗化條件使其適當(dāng)；盡量去除鎳層的應(yīng)力。

6）腐蝕斑：經(jīng)過CASS試驗，電鍍表面被腐蝕化、變色以及失去光澤，由于抗腐蝕能力弱引起的。如圖13所示。

對策：改善電鍍工藝，在電鍍鉻層和微孔鎳的時候需要注意鍍層的膜厚和微孔數(shù)。

2 電鍍層膜厚測試方法及判定對比（庫倫法/顯微鏡法/X-Ray射線法）

2.1 電鍍層厚度檢測方法

塑料電鍍層厚度檢測的方法，現(xiàn)在常用的方法有顯微鏡法、庫倫法和X-Ray射線法。顯微鏡法和庫倫法是破壞性檢測，X-Ray射線法是非破壞性檢測，當(dāng)今世界比較有影響力的汽車公司對塑料電鍍件鍍層厚度采用以上的方法。

1）庫倫法

庫倫法又稱電量法。在被測鍍層表面的已知面積上，以恒定電流密度在相應(yīng)試驗中鍍件作為陽極來溶解鍍層，當(dāng)鍍層金屬溶解完畢，裸露出基體或中間鍍層時，電解池電壓發(fā)生突變，以此作為測量終點。根據(jù)庫倫定律，以溶解鍍層金屬消耗的電量、溶解鍍層面積、鍍層金屬的電化當(dāng)量、密度以及陽極溶解的電流效率計算鍍層的局部厚度。

主要應(yīng)用在測定各種金屬鍍層的厚度和多層金屬鎳之間的電位差，如圖14所示為簡易測試槽。

下面主要介紹汽車行業(yè)上基本的鍍層測量過程（鉻、多層鎳、銅的測量），如圖15鍍層分布結(jié)構(gòu)圖。

①鉻的測量

在進(jìn)行試驗時，需要對產(chǎn)品表面進(jìn)行清理（去除表面氧化膜），使用指定的電解鉻/鎳藥水，不需要攪拌管。

圖8 顆粒

圖9 針孔

圖10 泛黃

圖11 剝離

圖12 起泡

圖13 腐蝕斑

②鎳的測量（膜厚及電位差）

通常情況下，電鍍件的鎳鍍層都是多層鎳組成，本文主要介紹三層鎳（微孔鎳、光亮鎳、半光亮鎳），考慮產(chǎn)品鎳層是否達(dá)標(biāo)，主要依據(jù)三層鎳的膜厚和電位差，如圖16所示三層鎳膜厚及電位差曲線。

鎳層下方是銅層，當(dāng)多層鎳完全被電解完之后，產(chǎn)品的測試區(qū)域能夠清晰的看到銅層表面一片銅黃色區(qū)域，該層就是銅層。

③銅的測量

銅層的厚度相對于上述兩層要厚一點，所需要的指定試劑相對會提高，電解廢液能夠明顯的看出有銅綠產(chǎn)生。通常情況下，電解完銅層之后會看到基材（白色），但是有些情況會看到黑色的一層，這一般是預(yù)鍍鎳，起到更好的導(dǎo)電作用（前文工藝流程中有提及）。

2）顯微鏡法

利用光學(xué)原理，對物體進(jìn)行放大，可以觀察到物體表面或斷面的金相顯微結(jié)構(gòu)。主要流程步驟：取樣→清洗鑄?！袒心ァ鷴伖狻⑽g→清洗測量。

主要應(yīng)用在通過對電鍍用的底材、電鍍層的橫截面和表面的結(jié)構(gòu)放大觀察，可分析電鍍品的品質(zhì)和找出缺陷（如氣孔、裂紋、夾雜物、剝皮等）產(chǎn)生的原因及測量鍍層厚度。

顯微鏡法（金相法）測量覆蓋層厚度簡單而且直觀?；驹恚涸诖郎y件上選取有代表性的試樣，經(jīng)過適當(dāng)工序制作成符合要求的橫截面，通過顯微鏡將圖像放大，用校正的目鏡測微尺或精密較高的標(biāo)尺測量膜厚。此方法步驟復(fù)雜費時，鍍層厚度＜1um時不能精準(zhǔn)測量但是直觀可靠，可同時觀察鍍層和基材的狀況。如圖17。

3）X-Ray法

X射線是一種能量形態(tài)，是電磁波譜中特定一段區(qū)域。

此方法是將X射線基本都射在塑料電鍍層的表面，由此會產(chǎn)生一種熒光，稱為X射線熒光，根據(jù)熒光譜線出現(xiàn)的能量位置，根據(jù)其強(qiáng)度可以得到鍍層由哪些成份組成以及各層的厚度。

此方法目前運(yùn)用最為廣泛的是在各種金屬鍍層厚度的測量和成份的分析。

圖14 簡易測試槽（原理圖）

圖15 鍍層分布結(jié)構(gòu)圖

圖16 三層鎳電位差及膜厚

圖17 ABS塑料電鍍件鍍層厚度測量

3 結(jié)束語

隨著現(xiàn)代科技技術(shù)的發(fā)展，汽車走向先進(jìn)、環(huán)保、輕量化發(fā)展，汽車上的塑料件品種也越來也多，應(yīng)用的更加廣泛。內(nèi)外飾件的質(zhì)量和外觀在不斷的改善。希望國內(nèi)的技術(shù)和汽車制造商能夠根據(jù)國內(nèi)外的先進(jìn)技術(shù)，提高自己的汽車質(zhì)量，使得產(chǎn)品工藝先進(jìn)和環(huán)保。