亮晶晶的装饰性电镀零件是怎么造出来的

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说起装饰性电镀零件,大家都不陌生,因为几乎每辆车的前格栅、车身亮条、空调出风口、仪表板、门板装饰条、LOGO、字标等等都是这种类型的零件。

外饰常见的电镀零件
内饰常见的电镀零件

许多品牌都会在新车型项目前期的开发阶段,邀请不同背景不同职业的普通消费者,对竞品进行体验,然后收集信息指导产品或造型设计。绝大多数消费者其实对车都不太了解,但是他们中的大部分对于高级感的评价取向却出奇的一致,那就是镀铬零件的多少。可见,装饰性电镀零件对于高级感以及消费者购买欲望的提升还是比较显著的,这也是众多车企在不断开发花样翻新的电镀零件的主要原因。

本文就将向大家介绍这种零件的制造工艺和一部分质量标准。

传统的金属电镀工艺是一种常见的表面处理方案,可以起到抗腐蚀、防护、装饰等作用。在汽车装饰性电镀领域,绝大多数零件都是采用塑料电镀这种最近十几年才开始逐渐大规模采用的工艺。那么有的童鞋可能要问了,塑料本身是不导电的,是怎么镀上金属的呢?

这就要从塑料电镀的原材料说起了。塑料电镀领域最常用的原材料是ABS。

这种塑料有三种成分构成,分别是A聚丙烯腈,B聚丁二烯,S聚苯乙烯。这三种成分各有各的特性,比如A相提供硬度、耐化学品及耐热性和机械强度 ,使零件具备一定的机械性能;B相含有双键,可提供耐冲击性和弹性,并且C=C键的π键键能较低,容易发生化学反应;S相提供熔融流动性,提高注塑性能。所以可以通过调整这三相的比例,来使ABS这种塑料适应不同的需求,比如喷漆级的ABS,A相的比例就会通常高一些;如果仅是用于注塑,那么提高S相比例会更有利于成型;如果用于电镀,那么B相的比例就会比其他类型的ABS要高。因为我们刚才提到了,B相含有C=C键,较易受酸腐蚀进行粗化,能够在微观表面形成坑穴结构,使金属能够沉积,与塑料基材形成机械铆接,进而形成金属表层,能够导电,以便进行后续的电镀。电镀级的ABS中的B相比例一般控制在18-22%之间。

其他的原材料也有可用于电镀的,比如PC,但是单从性能上讲,都不如ABS,使得ABS成为了塑料电镀的最主要原材料。我们在介绍塑料电镀工艺时,也将以ABS作为原材料进行讲解。

下面以龙门线这种主流电镀线使用的电镀工艺来介绍一下塑料电镀的工艺过程:

一般来讲,塑料电镀共分15步:

前六步为化学过程,不需要通电,

后面步骤因表面已经形成金属层,可以导电,故为电化学步骤,与传统电镀区别已经不大了。

第一步的注塑及上挂简单来说就是把塑料零件生产出来,然后通过电镀挂点将塑料零件挂到电镀挂具上。

第二步的前处理,就是通过酸或碱性洗液将零件表面的油污、灰尘等杂志清洗干净,这些都很好理解。

第三步粗化,是塑料电镀的重中之重。我们前面提到了,聚丁二烯的C=C键容易发生化学反应,这里就利用了这一点。通过铬酸(CrO3水溶液)、浓硫酸的强氧化性破坏掉双键,在表面形成坑洼状的结构。

这是示意图。

在高倍显微镜下是这样的:

粗化后的横切面是这样的:

这些“小坑”对下一步金属钯的沉积至关重要,如果粗化不足会使“小坑”的数目不够,沉积效果不好;如果粗化过度,可能会使“小坑”变成“大坑”,虽然看似面积变大,但实际上比表面积要小很多,也不利于沉积,甚至会导致表层塑料在电镀后更易被剥离,产生严重的性能缺陷。所以粗化良好与否,是后续电镀步骤是否能达到技术要求的关键。

第四步活化和第五步加速可以结合来看。这两步的核心思路就是采用金属钯——这种在化学领域的还原反应中常用的催化剂,利用其胶体在一定的化学环境中,在绝缘材料表面形成催化层,为后续形成导电表层打下基础。

在溶液中的胶体钯是这个形态,利用Cl-保持溶液稳定性,利用亚锡离子(Sn2+)的还原性确保核心不被氧化剂(O2或残留的CrO3)氧化。通过加速剂破坏胶体的稳定,使金属钯得到活化,沉积于塑料零件表面,如下图所示:

形成这样的表面,就可以开始构建表面导电的金属层了。

第六步化学镍,就是利用金属钯能催化还原反应的特性,使镍离子在塑料表面发生自催化还原,让塑料表面金属化,能够导电,进而可以进行后续的电镀步骤。由于这一步需要加入氨水,通过络合作用来控制镍的沉积速度,所以在电镀生产线上的这一段,味道会比较难以形容。

经过化学镍,塑料零件的表面终于沉积上了一层薄薄的金属镍(一般只有0.3-0.5μm厚)。

第七步瓦特镍(闪镀镍),从这一步开始就需要通电了,才真正进入了电镀工序。这一步实际上是为下一步镀铜服务的。因为镀铜时的电流非常高,而化学镍层太薄,容易在局部(比如挂点)造成镀层被击穿,使零件报废。

经过加厚的金属层,能够承受更大的电流,使后续的电镀过程更加稳定,合格率更高。有些电镀厂会加入铜置换工艺,让零件表面沉积一层金属铜,也可以起到增加零件对电流承受能力的作用,但是这一步会有相当一部分金属镍被铜置换掉,所以需要控制好电导率,否则可能会产生结合力不良的缺陷。

第八步镀铜,则是电镀步骤中最重要的一步,这一步由于也是在强酸环境下进行,所以经常被称为“酸铜”。为什么说镀铜重要,因为铜的导电性仅次于银,位居所有金属的第二位,又有非常优异的延展性,可以提升整个电镀零件的耐候性,能够承受剧烈的环境变化。另外,铜自带平整功能,在整平助剂的帮助下可以无视小坑洼,形成平整的表面,使后续的镀层能够生成光亮平整的外观。正因为如此,铜也是要重点保护的镀层,后续镀层的构建,除了为外观服务,就是要保护铜层。

镀铜之后,零件已经有相当强的金属感了。

由于铜层对于整个电镀零件的性能起到了至关重要的作用,有些品牌会对于铜的厚度有一定的要求,有的通过规定铜镍层厚度比来间接要求,有些则会直接要求铜层的厚度。

第九步镀半光镍开始,就进入了镀镍的阶段。这里虽然也是镀镍,但是和化学镍、瓦特镍这些的作用完全不同,而是我们上面提到的为了保护铜层的保护性电镀。由于半光镍层最靠近铜层,相当于是防腐蚀的最后一道屏障,所以其抗腐蚀性能也最强,至于如何实现的,我们下面会详细展开。这一步没有什么特殊的地方,就是在铜之上镀上一层不那么光亮的镍层。

接下来的第十步是镀光亮镍或珍珠镍,如果选择前者就是最常见的高光电镀,平整的表面类似镜面反射,非常光亮;后者则是金属感更强的哑光电镀,可以通过光亮镍中加入珍珠镍添加剂,添加剂中的有机分子不断吸附、脱附在零件表面,形成漫反射状的表面,呈现出沙哑的外观。

这一层比半光镍更靠近表面,所以被特意设计成了更容易被腐蚀。

第十一步微观不连续镍目前有两种流派,分别是微孔镍和微裂纹镍。这一层的设计思路是通过在人为的在微观制造出小孔或裂纹,使外界能够直达光镍/珍珠镍层,从而使腐蚀按照人为的方式被分散开,而不是某个在某个局部集中发生。这种方式可以极大地延长电镀零件的性能寿命,更不容易发生腐蚀。目前大多数主流品牌都选择了微孔镍,并且规定了微孔数的密度下限,因为这种方式对腐蚀电流的分散更加稳定,也更容易控制。

第十二步也就是最后一步,就是镀铬了。为什么要选择铬?因为铬本身的物理化学性能优异:铬层硬度高、耐磨,并且会在空气中迅速形成致密的氧化膜(类似金属铝),保护内层金属不被腐蚀,不但用于装饰性电镀,在模具等领域也会通过镀铬来保护钢材。另外,高光铬有着光亮且略泛银蓝色的外观,高度防变色,外观状态稳定,高级感很强;而哑光铬有着很强的金属感,许多消费者甚至无法分辨是塑料件还是金属件,能极大提升整车的运动感。所以铬顺理成章地成为了装饰性电镀的表层。

我们上面说到,铬本身是耐腐蚀的,那为什么还要设计这么多电镀层来防腐蚀呢?我们接下来就将简单介绍一下腐蚀以及防腐蚀的机理。

我们知道,在自然状态下,绝大多数化学反应都很缓慢,需要特定条件激发才会加速发生。那么对于金属的腐蚀来说,原电池的构成,就是激发腐蚀的条件。只要有水(空气、雨水),可溶性金属离子(土壤、灰尘、融雪剂等)以及氧化剂(氧气),就可以构成原电池,使原本很缓慢的腐蚀变得更加迅速。因为引发腐蚀的物质都是自然界到处存在的,甚至可以说无处不在,所以根本无法避免。即使是防腐材料,也会因为长时间暴露在电化学环境下而慢慢发生锈蚀。而一旦表层被锈穿,下层金属也无法幸免,会以更快的速度被腐蚀掉。

所以,既然无法避免,那就只好因势利导,利用化学性质的不同,让腐蚀按照人们设计的方式进行,从而保护我们想要保护的金属。

人们通过研究发现,腐蚀发生的顺序与电极电势有关,电极电势越低(或者说越活泼)的金属越容易被腐蚀,腐蚀的速度与电位差和浓度等因素产生的腐蚀电流有关。在了解了原理之后,人们就可以依此特意设计出更易发生腐蚀的部分,让这部分“李代桃僵”,代替受保护的部分被腐蚀。比如在船舶行业,一般是用锌来代替钢铁被腐蚀。在塑料电镀行业,则是利用镍来代替铜被腐蚀。我们上面提到的半光镍、光镍(珍珠镍)和镍封都是为这一目的服务的。

通过上图我们可以看到,光镍/珍珠镍层的电极电势是整个镍层中最低的,所以腐蚀会透过镍封层直接到达光镍层(铬电极电势非常高,不易被腐蚀),而到达此处的腐蚀,无论向上还是向下都将“遇到”电极电势更高的金属层,所以腐蚀将被控制在光镍层横向扩展,而不是向下腐蚀半光镍层进而锈穿铜层,使整个镀层发生脱落。除此之外,经过微孔镍对腐蚀电流的分散,会使腐蚀发生的整体速度再次被降低几个数量级,使整个电镀零件的防腐性能得到更大的提升。

通过这样的保护手段,理论上可以有效的保护铜层不会被轻易腐蚀,也会使表层的铬除了一些极端环境或意外情况外,几乎不会被腐蚀,能够让这些装饰性的电镀零件,长久地保持光亮,提供漂亮的外观。

那么为了能够让理论变为现实,各大车企都根据自己长期的实验和售后数据,以及品牌的定位、目标用户群体、成本承受能力等因素,制定了相应的技术标准。

比如奥迪,在技术标准方面,不但详细的规定了铜层和镍层的厚度下限,使各个镀层的厚度和比例都达到一个比较理想的水平,并且还根据电镀零件位置进行了不同的要求(低位零件更容易腐蚀),同时还规定了铬层的上限,一定程度上避免了供应商单纯追求试验通过率,无脑堆叠铬层厚度而使镀层在交付用户后容易发生开裂的问题;而且为了确保腐蚀能够按照设计的方式进行,对于半光镍与光镍、光镍与微孔镍的电位差都做了详细的要求,确保不会因为添加剂或工艺的波动导致防腐性能打折扣;为了能够保证腐蚀电流被分散得足够小,还规定了较高的微孔数下限。

除此之外,奥迪对于CASS(酸性盐雾试验)和NSS(中性盐雾试验)后的零件评价也提出了极高的要求,可以达到防腐十级,外观十级,为行业最高,可使零件的防腐周期保持在10年以上。所以我们经常能够看到,许多路上跑了好多年的老A6,洗完车之后仍然保持着闪亮的外观,就是源于对于电镀性能的严格要求。


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