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        塑料電鍍排擋面板鍍層鼓泡失效的研究

        2021-09-17 06:04:44虞蓮雯
        電鍍與涂飾 2021年15期
        關(guān)鍵詞:銅層粗化根本原因

        虞蓮雯

        (上海汽車集團(tuán)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(xué)性能,在汽車內(nèi)外裝飾件中得到了較大范圍的應(yīng)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(yán)重影響客戶感知。因此,主機(jī)廠對此類失效案例非常重視,會對失效件進(jìn)行材料和工藝的分析。本工作運(yùn)用了計算機(jī)斷層掃描(CT)、顯微鏡、冰醋酸測試應(yīng)力法以及掃描電鏡(SEM)對失效零件進(jìn)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(fēng)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(jìn)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(jìn)行CT分析

        為確認(rèn)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(jìn)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(rèn)鍍層的分層情況,還可確認(rèn)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(rèn)了此案例為基材與鍍層分離之后,進(jìn)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(biāo)之一。對本失效件的銅層厚度進(jìn)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(biāo)準(zhǔn)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(jìn)一步分析基材的微觀狀態(tài)

        對失效件的失效位置進(jìn)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(biāo)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(qiáng),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(jī)后的冷料(未達(dá)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(dāng)可能引起的污染。

        其次,模擬了未達(dá)模溫注塑出的冷料基材混入正?;暮罅鬓D(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(dāng)模溫升到40 °C時注塑出的零件并對其進(jìn)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(yīng),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(dǎo)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(qiáng)度較差。

        圖7 失效模式復(fù)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(rèn)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(jī),還是具有特征性(是否是模流分析的應(yīng)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(guān)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(rèn)基材,通過能譜確認(rèn)鍍層和可能存在的異物,通過掃描電鏡確認(rèn)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(jìn)行分析。

        分析問題時應(yīng)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(shè)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(fù)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(jìn)行觀察分析,確定排查方向,進(jìn)而確定根本原因,最終通過對應(yīng)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(yīng)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?;摹M瑫r,在多年工作積累的基礎(chǔ)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。

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