汽車用塑料電鍍工藝及產(chǎn)品結(jié)構(gòu)對電鍍質(zhì)量的影響

李巍

（一汽-大眾汽車有限公司，長春130000）

1 前言

隨著我國汽車及相關(guān)裝飾工業(yè)的發(fā)展，人們消費(fèi)水平的提高，人們對汽車零部件的外觀越來越重視，美觀性和時尚性已經(jīng)成為重點(diǎn)考慮的內(nèi)容[1-2]。電鍍作為一門重要的基礎(chǔ)工藝，可以提高被鍍件的導(dǎo)電性、導(dǎo)熱性，增強(qiáng)鍍件的硬度、抗腐蝕性及耐用性[3]。電鍍工藝不僅可以顯著改善汽車零部件的抗腐蝕能力和抗沖擊能力，還能起到美化外觀的作用，滿足消費(fèi)者的需求[4]。

電鍍作為生產(chǎn)加工中較為基礎(chǔ)的環(huán)節(jié)，電鍍的效率和質(zhì)量直接影響著電鍍件的質(zhì)量和使用，電鍍件的質(zhì)量又直接影響產(chǎn)品的整體效果。嚴(yán)控及改善不良因素對電鍍工藝的影響可有效提高電鍍質(zhì)量及產(chǎn)品的綜合性能。影響電鍍質(zhì)量的因素可以分為2個方面，即內(nèi)部因素和外部因素[5]。內(nèi)部因素主要指在電鍍內(nèi)部環(huán)節(jié)中存在的影響因素，如預(yù)處理、電鍍藥液的使用及各種工藝條件。外部因素則是指產(chǎn)品設(shè)計過程中的各種因素，例如零件的形狀、尺寸及零件表面的質(zhì)量，都會直接影響電鍍的質(zhì)量。

基于上述背景，本文從電鍍工藝的基本流程出發(fā)，分別從鍍前處理、電鍍及鍍后處理3個階段，分析了電鍍設(shè)計中各個步驟的原理及作用。針對影響電鍍質(zhì)量的外部因素，分別從壁厚、盲孔及出模方向方面分析了產(chǎn)品結(jié)構(gòu)對電鍍質(zhì)量的影響，并介紹了相應(yīng)的改善措施，以提高電鍍工藝的質(zhì)量。

2 電鍍工藝流程

電鍍流程一般包括預(yù)處理、電鍍及鍍后處理3個階段。預(yù)處理流程主要針對塑料材料的零器件進(jìn)行處理，使塑料零件具有導(dǎo)電性便于進(jìn)行電鍍。電鍍過程主要包括各種電鍍液的使用和電化學(xué)的基礎(chǔ)應(yīng)用。鍍后處理則包括水洗、鈍化、干燥對半成品或成品鍍件的后期處理。

2.1 預(yù)處理流程

預(yù)處理流程如圖1所示[6]。

圖1 預(yù)處理流程[6]

粗化是塑料電鍍最關(guān)鍵的工序之一，其目的是對塑料鍍件的表面進(jìn)行氧化和蝕刻，使材料表面呈現(xiàn)微觀粗糙。粗化過程是使用包含鉻酸、硫酸等強(qiáng)性酸的粗化液對待鍍器件進(jìn)行處理，溶解ABS塑料中的丁二烯成分，并使零件表面具有親水性，達(dá)到粗化的目的。粗化可以大大增加鍍層與基體材料的接觸面積，提高鍍件表面與鍍層的結(jié)合能力，以便于在后續(xù)工序中電鍍各種金屬鍍層。

因?yàn)锳BS塑料制品表面所吸附的膠體鈀不具有催化性，所以在進(jìn)行化學(xué)鍍鎳前，需要對基體材料進(jìn)行解膠，即利用解膠劑清除塑膠表面的亞錫離子，使金屬鈀裸露出來。金屬鈀在化學(xué)鍍鎳中起到催化劑的作用，促進(jìn)化學(xué)鎳層的形成。解膠的時間不宜過長或過短，防止造成漏鍍、上鍍等現(xiàn)象。

解膠后，在金屬鈀的催化作用下，使鎳離子與亞磷酸鈉進(jìn)行氧化還原反應(yīng)，并在零件表面形成一層金屬鎳層，使非導(dǎo)體材料變成導(dǎo)體，即化學(xué)鍍鎳。經(jīng)過化學(xué)鍍鎳處理后，塑料材料具有了導(dǎo)電性，以便于接下來電鍍各種金屬。無電化學(xué)鍍層比一般的電鍍速度慢，其成本也相對高于電鍍。因此，化學(xué)鍍層達(dá)到一定厚度后，立即使用電鍍（預(yù)鍍）來繼續(xù)增加鍍層厚度，進(jìn)而增加鍍層的耐腐蝕性。

2.2 電鍍流程

電鍍流程如圖2所示[7]。

圖2 電鍍流程[7]

預(yù)鍍是指預(yù)鍍鎳（瓦特鎳），其作用是在材料表面形成致密的金屬鎳層，起到平整材料表面、加厚化學(xué)鍍后材料表面所生成的鎳層、增加材料的導(dǎo)電性的作用。預(yù)鍍后繼續(xù)進(jìn)行電鍍鍍銅，銅鍍層具有很好的延伸性，可有效防止鍍層斷裂，提高鍍層韌性。其中銅含量在99.95%以上的電鍍液稱為光亮銅，與普通鍍銅相比，光亮銅電鍍所得到的顏色更紅且?guī)в泄鉂?，可以提高零件表面的光亮度和平整度，為零件提供較好的外觀。

鍍銅后繼續(xù)進(jìn)行多層鎳鍍，主要包括光亮鎳鍍、半光亮鎳鍍及鎳封。鍍鎳的作用是為了整平鍍層，并通過增加光亮鎳與半光亮鎳層間電勢差，進(jìn)一步提高零件耐腐蝕性。其中光亮鍍鎳及半光亮鍍鎳的穩(wěn)定電勢如表1所示。鎳封也稱復(fù)合鍍鎳，是在光亮鎳電解液中加入有機(jī)物固體小顆粒，顆粒為非金屬，不具有導(dǎo)電性，可在制品表面形成由金屬鎳和非金屬固體顆粒組成的致密鍍層，從而起到降低鍍鎳層的孔隙率和內(nèi)應(yīng)力的作用。

表1 穩(wěn)定電勢比較

鍍鉻即在鎳封層上進(jìn)行鉻沉積，形成金屬鉻層。由于鎳封層上的非金屬微粒不導(dǎo)電，所以金屬鉻無法在這些微粒上沉積，最終得到的鉻層會呈現(xiàn)出許多微孔，即微孔型鉻層，簡稱微孔鉻。與常規(guī)鉻相比，微孔鉻層具有良好的化學(xué)穩(wěn)定性和更強(qiáng)的硬度，進(jìn)一步起到防護(hù)和修飾零件外觀的作用，兩者性能比較如表2所示。

表2 常規(guī)鉻與微孔鉻性能比較

經(jīng)過鍍前處理、化學(xué)鍍及多層電鍍后，在原有零件表面上沉積出不同材質(zhì)的鍍層，最終達(dá)到防護(hù)、裝飾或修復(fù)零件的目的[8]。根據(jù)材料、電鍍液及電鍍時間的不同，鍍層的厚度大約在0.06~0.10 mm之間，電鍍各個鍍層如圖3所示。

圖3 各金屬鍍層示意

2.3 鍍后處理

電鍍后處理主要包括水洗、干燥、出光、鈍化、抗變色處理、防銹處理。水洗主要是為了徹底清洗鍍件表面殘留的鍍液，防止鍍液腐蝕鍍層或污染其它鍍槽中的鍍液。出光是對鍍層進(jìn)行進(jìn)一步處理，使鍍層更加光亮。鈍化是使鍍層表面生成致密的氧化膜，提高鍍層的耐蝕性。抗變色和防銹處理是使鍍層在以后的長期使用和儲存過程中不變色、不生銹。干燥則是在清洗鍍件后立刻進(jìn)行的工作，同樣是為了防止殘留的電解質(zhì)或鍍液腐蝕鍍層。

3 產(chǎn)品結(jié)構(gòu)對電鍍質(zhì)量的影響

汽車零部件中塑料產(chǎn)品能否順利完成電鍍及鍍件的質(zhì)量好壞，首先取決于產(chǎn)品本身結(jié)構(gòu)的設(shè)計及基材的選用。為了更高效地電鍍每個金屬鍍層，提高電鍍層及鍍件的質(zhì)量，應(yīng)確保待鍍零件表面無缺陷、無明顯的內(nèi)應(yīng)力及定向組織結(jié)構(gòu)。分析和嚴(yán)控產(chǎn)品本身結(jié)構(gòu)設(shè)計對電鍍質(zhì)量的影響并采取相應(yīng)措施，才可以確保各個電鍍步驟的順利進(jìn)行。

3.1 銳邊及尖角結(jié)構(gòu)

由于邊際效應(yīng)，零件的尖端部位會產(chǎn)生較大的內(nèi)應(yīng)力，導(dǎo)致鍍件在電鍍過程中開裂。且在零件的棱角、尖端部分更容易聚集電荷，電流較其他地方更大，容易產(chǎn)生毛刺、燒焦、結(jié)瘤現(xiàn)象[3]。為了減少上述現(xiàn)象對電鍍質(zhì)量的影響，在進(jìn)行零件設(shè)計時，應(yīng)使用一定的圓角代替銳角或直角棱邊，且圓角的弦長L≥0.3 mm，如圖4所示。

圖4 尖端圓角化

3.2 壁厚

在產(chǎn)品設(shè)計過程中，鍍件應(yīng)具有較為適中的壁厚。如果壁厚過薄，其在加工或使用過程中容易發(fā)生形變，導(dǎo)致鍍層脫落；如果壁厚過厚則浪費(fèi)原材料。同時零件需要具有一定的強(qiáng)度，產(chǎn)品壁厚應(yīng)介于1.5~3.5 mm之間，且應(yīng)盡量保持產(chǎn)品壁厚的均勻，不同位置的厚度差應(yīng)不超過2 mm，避免壁厚突變引起的收縮現(xiàn)象。如圖5所示，可使用斜面過渡防止壁厚突變，過渡長度控制在20~30 mm。

圖5 壁厚過渡

3.3 盲孔結(jié)構(gòu)

電鍍零件表面應(yīng)避免存在盲孔結(jié)構(gòu)。在使用鍍液進(jìn)行電鍍的過程中，盲孔中會遺留未洗干凈的電鍍?nèi)芤?，造成溶液間的互相污染，嚴(yán)重影響電鍍質(zhì)量[9]。為避免出現(xiàn)盲孔，可在化學(xué)鍍、預(yù)鍍過程中填補(bǔ)盲孔，使零件表面平整后再進(jìn)行電鍍，如圖6所示。

圖6 填補(bǔ)盲孔

3.4 相鄰結(jié)構(gòu)

當(dāng)零件結(jié)構(gòu)存在2個或多個相鄰部位時，因?yàn)殡婂兗际菍?dǎo)電的，需要注意2個相鄰結(jié)構(gòu)間的安全距離，防止電鍍時出現(xiàn)鍍層不均勻等現(xiàn)象。為避免上述現(xiàn)象出現(xiàn)，應(yīng)保證2個互相影響的結(jié)構(gòu)的寬高比＞2∶1，如圖7所示。

圖7 相鄰結(jié)構(gòu)

3.5 內(nèi)角結(jié)構(gòu)

若零件存在角度較小的內(nèi)角，其在電鍍過程中，由于凹陷區(qū)域電流密度相差較大，影響鍍層的結(jié)合力，導(dǎo)致鍍層不均勻，甚至分裂。因此，鍍件在設(shè)計時，應(yīng)使鍍件內(nèi)角＞45°，且圓角半徑R＞5 mm，如圖8所示。

圖8 內(nèi)角結(jié)構(gòu)

3.6 脫模角度

塑件的設(shè)計要使塑件在沉陷時易于脫模，否則強(qiáng)行脫模時會拉傷或扭傷鍍件表面或造成塑件內(nèi)應(yīng)力而影響鍍層結(jié)合力。因此在鍍件進(jìn)行脫模時，應(yīng)使分型線與出模方向的夾角≥60°，即可有效避免上述現(xiàn)象。

4 結(jié)束語

電鍍作為機(jī)械制造行業(yè)中不可或缺的加工環(huán)節(jié)，在我國的電子領(lǐng)域具有極其重要的作用。但一些影響電鍍質(zhì)量的因素往往在加工過程中被忽略，導(dǎo)致電鍍質(zhì)量的下降。當(dāng)電鍍質(zhì)量出現(xiàn)問題時，多數(shù)情況下會在工序中尋找出現(xiàn)問題的原因，反而忽視了外在因素及產(chǎn)品本身對電鍍的影響。為了更好地保證電鍍工序的高效進(jìn)行，不僅需要嚴(yán)格把控電鍍工序中的各個環(huán)節(jié)，還要分析和改善產(chǎn)品結(jié)構(gòu)對電鍍質(zhì)量的影響。隨著電鍍技術(shù)的越加完善，其在各種工業(yè)的生產(chǎn)加工中占據(jù)著舉足輕重的位置，嚴(yán)格把控影響電鍍質(zhì)量的各種因素，對提高電鍍產(chǎn)品質(zhì)量具有重要意義。