燕平

(上汽大眾汽車有限公司質(zhì)保實驗室,上海 201805)

【經(jīng)驗交流】

汽車電子手剎按鍵鍍鉻堆鍍現(xiàn)象的分析與解決

燕平

(上汽大眾汽車有限公司質(zhì)保實驗室,上海 201805)

電子手剎按鍵表面鍍層呈中部薄、端部和邊緣厚,不僅影響外觀和觸感,甚至存在鍍層起殼的風(fēng)險.采用金相顯微鏡、二次元投影儀和X射線熒光測厚儀對汽車手剎按鍵鍍鉻端部堆鍍現(xiàn)象進行研究.在設(shè)計初期,適當(dāng)增大倒圓角可從根本上改善上述堆鍍現(xiàn)象;而在造型設(shè)計凍結(jié)后,施鍍時在端部增加陰極保護框可有效屏蔽部分陰極電場,調(diào)節(jié)不同區(qū)域的電流密度分布,使鍍層厚度均勻分布.

電子手剎按鍵;鍍鉻;堆鍍;倒圓角;輔助陰極

在現(xiàn)代汽車輕量化、降低成本、追求設(shè)計美學(xué)的趨勢下,塑料基材電鍍鉻工藝起到了至關(guān)重要的作用[1-4].塑料鍍鉻由于兼具塑料和金屬材料的優(yōu)點,即塑料的質(zhì)輕、耐沖擊、易加工成型、價格低廉,金屬材料的耐有機溶劑、耐熱,具有金屬光澤和觸感,力學(xué)性能好的特點,因而受到越來越多的關(guān)注.塑料電鍍鉻在汽車手剎按鍵上的成功引入,不僅提升了塑料基材的力學(xué)性能和耐有機溶劑腐蝕性能,保證了其安全性,而且很好地提高了塑料基材的光澤度和觸感舒適性.但在電鍍產(chǎn)品的生產(chǎn)中發(fā)現(xiàn),按鍵鍍鉻端部容易出現(xiàn)堆鍍,即端部鍍層的厚度較大,影響了外觀和觸感.鍍層的異常堆積破壞了鍍層分布的連續(xù)性,堆鍍處易產(chǎn)生較大的內(nèi)應(yīng)力,在受到較大的外界作用力時,會有變形甚至鍍層脫落的風(fēng)險[5].本文擬對電子手剎鍍鉻按鍵的堆鍍現(xiàn)象進行研究,以避免出現(xiàn)上述問題,提高整車質(zhì)量和客戶滿意度.

1 問題描述

汽車電子駐車系統(tǒng)(EPB)電子手剎按鍵電鍍鉻的主要工藝流程為:上掛→除油→親和→粗化→還原(中和)→預(yù)浸→鈀活化→加速→解膠→化學(xué)鍍鎳→酸洗→預(yù)電鍍鎳或銅→電鍍酸銅→電鍍半光亮鎳→電鍍光亮鎳→電鍍鉻→鉻還原.

1.1 宏觀特征

如圖1所示,某車型的EPB電子手剎按鍵在試制階段其端部存在堆鍍,影響美觀.具體表現(xiàn)為:可視鍍鉻端部較中部平面更厚甚至翹曲,且尖端觸摸有明顯的硬物割手感,快速、用力觸摸易引起手指疼痛甚至劃傷.

圖1 端部鍍層堆鍍的EPB電子手剎按鍵照片F(xiàn)igure 1 Photos of EPB electronic handbrake button with over-electrodeposition phenomenon at the tip

1.2 微觀特征

塑料表面的鍍層自外向內(nèi)依次為 Cr(0.3 ～ 1.0 μm)、Ni(≥10 μm)和 Cu(≥20 μm),總厚度≥30.3 μm.按照某整車廠的質(zhì)量要求,鍍層厚度測量可采用電解腐蝕法或X射線熒光與金相測試相結(jié)合的方法.為了直觀反映表面鍍層厚度分布情況,選擇后一種方法來測量厚度.

先使用Fischer X射線熒光測厚儀測量圖1所示中部和端部的Cr層厚度,分別為0.577 μm和0.678 μm,中部和端部鍍層厚度之比約為1.0∶1.2,即中間薄端部厚.而后按圖1中虛線所示區(qū)域?qū)PB電子手剎按鍵的截面進行剖切,再使用二次元投影儀對截面進行成像,結(jié)果如圖2所示,可見鍍層總厚度在端部厚,中間薄.

圖2 EPB按鍵端部(左)和中部(右)鍍層的二次元投影圖(X40)Figure 2 Binary optical projects of the coatings at the tip (left) and center (right) of EPB button (X40)

為進一步定量表征截面鍍層厚度的分布情況,把該剖切零件截面向下放置于斯特爾鑲嵌模中央.同時將ClaroCit粉末樹脂與液體固化劑按照質(zhì)量比5∶3置于混合杯中,充分?jǐn)嚢?.5 min后緩慢倒入鑲嵌模中,室溫下固化20 min即得固態(tài)鑲樣,研磨拋光后在200倍的金相顯微鏡下測量厚度,結(jié)果如圖3所示.可以看出,Cu層和Ni層的總厚度在鍍鉻件端部約為122 μm,而在鍍鉻件中部為70 μm左右,端部的鍍層厚度約為中部的1.8倍.

圖3 EPB按鍵端部(左)和中部(右)鍍層的截面金相照片(X200)Figure 3 Cross-sectional metallographic images of the coatings at the tip (left) and center (right) of EPB button (X200)

2 原因分析和制定解決措施

2.1 原因分析

鍍層厚度分布不均勻是由電鍍的基本原理決定的.如圖4所示,在EPB電子手剎按鍵鍍鉻飾條靠近棱邊的端部和邊緣,由于尖端放電效應(yīng),電場線分布密集(紅線),屬于整個電鍍面的高電流密度區(qū),在電鍍時,單位時間內(nèi)這部分塑料基材表面沉積的金屬較多,因而鍍層較厚;相反,在電鍍面的中部,由于電場線(灰線)的分布較稀疏,屬于電鍍的低電流密度區(qū)域,故鍍層偏薄.

圖4 無陰極保護框的EPB按鍵電鍍時的電場分布示意圖Figure 4 Schematic diagram showing the electric field distribution during electroplating of EPB button without protective cathodic frame

2.2 解決措施

根據(jù)零件的設(shè)計制造流程,調(diào)整產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設(shè)計、模具設(shè)計和掛具設(shè)計,如適當(dāng)增大 R角(指與兩條相交直線相切的圓弧所對應(yīng)的圓角)、增加陰極保護框和調(diào)整掛具結(jié)構(gòu),都是改善鍍層分布均勻性的有效方法.在選擇相應(yīng)措施時,可從問題產(chǎn)生時間(是否可以更改結(jié)構(gòu)設(shè)計)、工藝難度、成本、零件結(jié)構(gòu)、外觀和裝配要求等方面進行分析和比較.

2.2.1 增大R角

倒圓角(R角)設(shè)計可實現(xiàn)兩個平面之間的圓滑過渡,有利于減輕尖角結(jié)構(gòu)導(dǎo)致的應(yīng)力集中,還可改善后續(xù)電鍍過程中電場線的聚集.R角過小會產(chǎn)生堆鍍、鍍層燒焦等電鍍?nèi)毕?且尖角處容易出現(xiàn)鍍層開裂.因此,在設(shè)計初期,應(yīng)避免尖角、銳邊和鋸齒形的結(jié)構(gòu)設(shè)計,用圓弧面過渡代替相交平面,即適當(dāng)增大R角,通常圓角半徑不小于0.3 mm,最好大于0.5 mm.適當(dāng)增大R角適用于所有電鍍零件,可以從設(shè)計之初緩解由電鍍原理帶來的堆鍍問題,工藝難度和裝配要求低,可有效降低重新開模的成本,有助于控制批量質(zhì)量風(fēng)險.但對造型設(shè)計汽車工程師來說,R角的調(diào)整會對外觀產(chǎn)生一定的影響.

2.2.2 增加陰極保護框

增加陰極保護框?qū)儆诟碾婂兡＞咴O(shè)計,是零件造型設(shè)計凍結(jié)后,產(chǎn)品造型設(shè)計已無法更改時的補救措施.由于陰極框相對于零件而言位置固定,因此對掛具設(shè)計和上掛操作要求低,適用于開關(guān)類、飾條類的小零件.但增加陰極保護框需要修模甚至重新開模,故工藝復(fù)雜且成本高.

2.2.3 調(diào)整掛具結(jié)構(gòu)

掛具設(shè)計作為產(chǎn)品造型設(shè)計的另一個質(zhì)量補救措施,主要包括調(diào)整零件分布、掛件方向,采用電場遮蔽等輔具和阻鍍設(shè)計,具有工藝難度小、易操作、成本低的特點,適合于結(jié)構(gòu)簡單、掛具排布規(guī)則的大型零件,如長飾條.

2.3 本例的解決措施和效果

在本例中,由于EPB電子手剎造型已凍結(jié),且零件尺寸小,因此選擇增加陰極保護框的方法來改善鍍層堆鍍問題.具體方法是在原有注塑模具上平行于電鍍件分型線新開流道(半框與工件的距離不超過1 cm),直徑約為3 mm.注塑后,產(chǎn)品自帶半框型結(jié)構(gòu),圖5中的紅色半框就是電鍍陰極保護框.在后續(xù)電鍍過程中,該保護框具有電流屏蔽的作用,即端部和邊緣的部分電場線被分散到保護框上,使端部和邊緣的電場線減少,因此鍍層厚度的分布變得均勻(見圖6).

增加電鍍保護框后,使用Fischer X射線熒光測厚儀測得中部和端部的Cr層厚度分別為0.655 μm和0.670 μm,厚度比接近 1∶1,鍍 Cr層的厚度分布均勻性得到改善.金相顯微鏡下測得的厚度結(jié)果(見圖7)也進一步表明,端部和中部的鍍Ni層和Cu層的平均總厚度為81 μm和64 μm,其厚度比約為1.2∶1.0.改善后零件的鍍鉻性能符合某汽車廠的質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)要求.

圖5 有陰極保護框的EPB按鍵電鍍時的電場分布示意圖Figure 5 Schematic diagram showing the electric field distribution during electroplating of EPB button with protective cathodic frame

圖6 增加陰極保護框后EPB按鍵端部(左)和中部(右)鍍層的二次元投影圖(X40)Figure 6 Binary optical projects of the coatings at the tip (left) and center (right) of EPB button with protective cathodic frame (X40)

圖7 增加陰極保護框后EPB按鍵端部(左)和中部(右)鍍層的截面金相照片(X200)Figure 7 Cross-sectional metallographic images of the coatings at the tip (left) and center (right) of EPB button with protective cathodic frame (X200)

3 結(jié)語

調(diào)整產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設(shè)計、模具設(shè)計和掛具設(shè)計,都是改善鍍層分布均勻性的有效方法.對于整車廠,在設(shè)計初期應(yīng)避免產(chǎn)品上出現(xiàn)尖端或銳角,適當(dāng)增大R角可減輕由"尖端放電"效應(yīng)引起的堆鍍現(xiàn)象.就電鍍廠而言,對于那些無法更改造型設(shè)計的小尺寸和大尺寸零件,可分別通過增加電鍍保護框和調(diào)整掛具的方式來改善堆鍍現(xiàn)象.本文對如何降低整車廠和零件生產(chǎn)廠商因堆鍍問題帶來的質(zhì)量風(fēng)險,具有指導(dǎo)意義.

本例中,筆者借助X射線熒光測厚儀、二次元投影和金相顯微鏡對汽車電子手剎開關(guān)的厚度分布進行了宏觀和微觀分析.綜合對比鍍層厚度的分布情況后發(fā)現(xiàn),增加電鍍陰極保護框可有效改善鍍層在端部堆積的現(xiàn)象,提高鍍層分布的均勻性.該方法生產(chǎn)的帶有鍍鉻裝飾的電子手剎開關(guān),可以滿足汽車質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)和用戶對質(zhì)量的要求.

[1] MIDDEKE H J.Plating on plastics: Part I-History, application of metal plated plastics, kinds of plastics [J].電鍍與涂飾, 2005, 24 (1): 35-39.

[2] 齊桂馥.影響塑料電鍍的塑料工藝因素分析[J].工業(yè)技術(shù), 2013 (7): 109.

[3] 郭偉榮, 曾鑫.ABS塑料電鍍自動線生產(chǎn)工藝[C] // 第十二屆全國表面工程.電鍍與精飾年會暨2014(重慶)國際表面工程論壇論文集.[出版地不詳:出版者不詳], 2014.

[4] 張菊香.塑料電鍍在汽車中的應(yīng)用及發(fā)展[J].汽車工程師, 2014 (9): 16-18.

[5] 張菊香, 盧振光, 燕平.汽車手剎按鍵鍍鉻表面起殼的缺陷研究[J].材料保護, 2017, 50 (8): 93-95.

Analysis on over-electrodeposition phenomenon at the tip of chromium-electroplated automotive electronic handbrake button and its solutions

YAN Ping

The coating on surface of electronic handbrake button is thin at the center while thick at the tip and on the edge,which not only influences the appearance and tactility, but also has a peeling risk of coating.The over-electrodeposition phenomenon at the tip of chromium-electroplated automotive handbrake button was studied using metallographic microscope, binary optical projector and X-ray fluorescence coating thickness tester.The over-electrodeposition phenomenon mentioned above can be improved fundamentally by enlarging the rounded corner at the early design stage.After the modeling design is determined, the coating with a uniform thickness distribution can be obtained by adding an auxiliary cathodic frame near the tip during the electroplating process, which plays a role in adjusting the current density distribution at different parts of the substrate due to its efficient shielding to partial electric field around the cathode.

electronic handbrake button; chromium electroplating; over-electrodeposition; corner rounding; auxiliary cathode

TQ153.11

B

1004 - 227X (2017) 19 - 1047 - 04

10.19289/j.1004-227x.2017.19.006

Author's address:Laboratory of Quality Assurance, SAIC Volkswagen Co., Ltd., Shanghai 201805, China

2017-08-03

2017-09-11

燕平(1989-),男,山東淄博人,碩士,工程師,主要研究方向為汽車零部件表面處理和汽車防腐.

作者聯(lián)系方式:(E-mail) yanping@csvw.com.

[ 編輯:周新莉 ]