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(yōu)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(nèi)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(zhì)量。但塑料電鍍制品在使用過程中會發(fā)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(zhì)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(fā)生鼓泡，售后質(zhì)量將失效件委托給實驗室分析。經(jīng)初步觀察(見圖1)，該失效件鍍層表面產(chǎn)生了明顯鼓泡，未發(fā)現(xiàn)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F(xiàn)igure 1 Photos of as-received failure part and the bubbling position

1.1 對失效區(qū)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(yōu)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(shù)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(huán)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(huán)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(jié)果為19.3、19.0和18.6 μm，雖然略低于標準規(guī)定的20 μm，但也很接近，足以為該零件提供環(huán)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(tài)

對失效件的失效位置進行鍍層剝離，發(fā)現(xiàn)基材在鍍層結(jié)合力良好的位置和結(jié)合力不良的位置呈現(xiàn)不同顏色(見圖4a)，在圖4b中分別標記為A區(qū)域和B區(qū)域。剝離鍍層的過程中，在A區(qū)域可以明顯感覺到阻力，說明鍍層和基材結(jié)合力強，此處的基材為無光澤的白色(表明該區(qū)域已經(jīng)粗化到位)，而在B區(qū)域剝離鍍層時無阻力，說明基材和鍍層結(jié)合力弱，且基材光滑(表明該區(qū)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(qū)域和B區(qū)域在鍍層被剝離后的形貌不同。在A區(qū)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(jīng)粘附在鍍層背面而被剝離，這說明了在A區(qū)域，鍍層和基材的結(jié)合力非常好。而在B區(qū)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(qū)域的放大圖(圖6)中可以發(fā)現(xiàn)表面有較大面積的未被粗化的塑料基材。

圖6 圖5中B區(qū)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(jié)可知附著力不良的基材表面有較大面積的未粗化區(qū)域。因此，基本可以判定本案有兩個可能的誘發(fā)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(zhuǎn)到了后道電鍍工序。

首先，在現(xiàn)場工藝排查中，未發(fā)現(xiàn)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(zhuǎn)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(xiàn)了鼓泡問題(如圖7所示)。于是可以肯定該問題發(fā)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(nèi)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(nèi)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(jié)合強度較差。

圖7 失效模式復現(xiàn)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(fā)因素眾多，需要逐步排查才可能找到根本原因。根據(jù)筆者從事塑料電鍍件的材料認可和失效分析工作的經(jīng)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(fā)生地區(qū)的規(guī)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(qū)域，是否是分型線區(qū)域，是否是兩股流道的匯集處，是否是客戶經(jīng)常觸摸的區(qū)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(chǎn)記錄、有無異常生產(chǎn)記錄、出貨報告等。

根據(jù)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(chǎn)過程。絕大多數(shù)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(xiàn)，則整個分析過程就更加完整，基本完成PDCA(計劃→執(zhí)行→檢查→處理)的閉環(huán)。

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(chǎn)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(jié)語

鍍層鼓泡是常見的裝飾性電鍍件失效現(xiàn)象之一。其生成的原因眾多，通常需要借助CT、SEM、顯微鏡、內(nèi)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(jié)合工藝追溯和再現(xiàn)，確定本案失效的根本原因是使用了冷?；?。同時，在多年工作積累的基礎上總結(jié)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。