塑料电镀在汽车中的应用及发展

张菊香

(上海大众汽车有限公司质保实验室)

塑料电镀POP（Plating On Plastic）开发于20世纪60年代，并逐步实现工业化[1]。与金属相比，塑料不仅质量轻，而且容易加工成型。通过电镀不仅改善了塑料的外观及装饰性，而且提高了其表面耐冲击性、耐热性、耐磨性及机械强度等[2-4]，因此塑料电镀越来越多地受到汽车工程师的青睐。文章结合塑料电镀的特点，介绍了塑料电镀Cu/Ni/Cr在汽车中的应用以及市场上的常见缺陷，并从汽车工业和社会发展需要的角度，分析了汽车塑料电镀Cu/Ni/Cr未来的发展趋势。

1 塑料电镀Cu/Ni/Cr在汽车中的应用

随着现代汽车不断追求豪华美观以及轻量化，塑料电镀Cu/Ni/Cr以其金属光泽的外观、易加工、减重、性能优异及成本较低等众多优点，越来越多地代替金属应用于汽车的制造和设计中[5]。

1.1 在汽车外饰件上的应用

塑料电镀Cu/Ni/Cr不仅增添了汽车外饰的时尚感，而且可以使汽车整体富有高级感，因此被广泛用于汽车标徽、车门拉手、后视镜、车轮壳罩、牌照板、保险杠饰条、散热器格栅、防擦条、后视镜、车顶行李架及门把手饰条等外饰件上。汽车外饰件通常都是暴露在室外，要经历严寒、暴晒、酷热、腐蚀、酸雨、泥泞、石击及刮擦等各种环境的考验，所以汽车外饰塑料电镀件有很严格的质量要求。世界很多汽车公司，如大众、福特、通用及本田等都针对汽车内外饰的使用环境对塑料电镀Cu/Ni/Cr制定了不同的工艺要求和评价标准，例如大众TL528，通用的GMW14668。

1.2 在汽车内饰件上的应用

汽车内饰与驾乘者关系最为密切，不仅影响顾客舒适度和视觉，更直接影响品牌形象和顾客的购买意愿[6]。与外饰相比，汽车内饰零件数量更多，形状和功能也相对复杂，因此汽车内饰件不仅外观和性能要求高，而且在装配及尺寸控制等方面也尤为重要。塑料电镀Cu/Ni/Cr不仅容易成型，尺寸容易控制，可以做成形状较为复杂多样的零件，而且表面可以呈现各种高级的金属质感，因此越来越多的汽车内饰件，如出风口饰框、仪表板装饰条、门内开把手、方向盘装饰、换挡手球、换挡盖板及门板饰条等都采用了塑料电镀Cu/Ni/Cr工艺。

1.3 在汽车电子零部件上的应用

塑料电镀Cu/Ni/Cr的小型化和轻量化非常适合电子类产品，其镀铬表面非常光滑，具有非常好的可视性和手感，在汽车电子零部件上的应用也日益广泛，目前主要应用于按钮、开关、灯具以及表盘装饰等电子零部件上。

1.4 在汽车发动机舱零件上的应用

塑料由于其耐温性比较差，一般不能直接用于发动机舱，通过电镀，可以提高塑料零件的耐温性，抗蠕变性，耐化学品及机械强度等性能。发动机舱也是顾客经常打开的汽车部位，因此很多发动机舱的零件也要求具有可视性，塑料电镀Cu/Ni/Cr稳定的闪亮外观使汽车显得更豪华，深受顾客喜爱，目前已经成功应用于发动机罩盖、徽章及字牌等发动机舱零件上。

2 塑料电镀Cu/Ni/Cr在汽车应用中的常见缺陷

塑料电镀零件生产过程比较复杂，涉及设计、原材料、注塑、电镀工艺及装配等过程，而且汽车的使用环境也比较苛刻，因此比较容易出现缺陷，市场上常见缺陷可以归纳如下。

2.1 镀层脱落气泡裂纹

镀层脱落、气泡和裂纹是塑料电镀Cu/Ni/Cr最常见的失效方式，典型的表现有2种：镀层与基材的分离和镀层与镀层的分离。产生镀层与基材分离的主要原因有：1）基材内应力太大，零件在温度变化时，内应力释放，导致镀层和基材分离。目前可以通过冰醋酸浸泡实验和红色染料实验评估注塑产生的残余应力[7]。此类缺陷主要通过改进注塑工艺（如注塑温度、注塑压力、保压时间及冷却速度等）以降低或消除基材的内应力。2）粗化不足或粗化过度。粗化不足导致表面不能被有效咬蚀，粗化过度导致不能正常吸附足够的钯，均不能为后续化学镀层提供良好的锚合点，造成金属镀层和塑料基体的结合力差。3）铜层偏薄。铜层具有良好的延展性，可以改善镀层的耐热冲击及机械冲击性能，对残余应力、基材热胀冷缩及装配受力等破坏都有一定的缓冲作用，但太薄的铜层就起不到相关作用，最终导致镀层易脱落，产生气泡，甚至产生裂纹。

镀层与镀层分离的主要原因有：1）槽液污染；2）水洗或活化不充分；3）中途断电或生产线太长导致零件露空时间过长；4）镀液成分不当使镀层内应力过大。镀层与镀层分离的缺陷可以通过优化电镀和生产控制过程加以解决。为了防止市场上出现镀层脱落、气泡和裂纹的缺陷，很多汽车公司都设计了高低温冲击实验、高温存放实验、划格实验、镀层剥离实验及锯磨测试等严格的测试标准进行验证。

2.2 镀层腐蚀

目前市场出现的腐蚀形态主要为麻点和黄色腐蚀斑，而麻点经过进一步腐蚀往往也演变成黄色腐蚀物堆积。腐蚀过程一般是先沿微孔开始，腐蚀镍层，产生的腐蚀物便在铬层下逐渐堆积，当堆积到一定程度便会导致铬层开裂并脱落。产生腐蚀的主要原因有：1）微孔数过少，一般要求≥8 000孔/cm2；2）铬层偏薄或偏厚，一般要求 0.3～0.5 μm；3）电位差太高或太低，镍封和光亮镍之间控制在20～40 mV；光亮镍和半光亮镍控制在100～200 mV耐腐蚀性能比较好。不同汽车公司也制定了各自的腐蚀检测标准，主要通过CASS实验和中性盐雾实验进行评价。

2.3 镀层表面凹陷

塑料电镀Cu/Ni/Cr以其镜面的金属质感深受顾客喜爱，市场上评价镀铬质量的一个最直观的方法就是表面镜面成像效果，在塑料基材或者电镀工艺存在缺陷时，零件在阳光暴晒和温度冲击下，表面容易出现凹陷，破坏镜面效果，影响汽车美观。产生这类缺陷的主要原因有：1）基材耐温性差，在高温下基材软化，导致表面变形凹陷；2）基材存在应力，在温度发生变化时，应力释放，导致凹陷；3）设计缺陷，例如工件主面厚度太低，骨架宽度太大，都容易产生凹陷；4）注塑工艺参数不当，注塑不饱满。随着顾客对汽车细节的关注度越来越高，很多汽车公司对这类缺陷也越来越重视，也都制定了严格的外观检查标准，对环境存放试验进行控制。

3 发展趋势

3.1 三价铬电镀的开发

镀铬液的主要成分是含氧铬酸，六价铬以其性能稳定，成本较低等优势在汽车行业被广泛应用。但六价铬毒性强，有致癌性，虽然大多数六价铬在电镀后都被还原成了金属铬，但仍有极少量六价铬残留在镀层表面，而且电镀过程中采用的六价铬镀液对环境也造成很大的污染。在这种背景下，各国汽车公司和电镀厂商在六价铬电镀技术的基础上，致力于研制开发三价铬电镀，目前研究的主要方向是氯化型和硫酸型。虽然国外已经取得了一些研究成果，并在部分车型上小范围内推广使用，但是由于三价铬不如六价铬稳定，颜色不易控制，CASS实验容易失效等因素，目前还没有全面推广。三价铬电镀的推广应用将是汽车塑料件电镀Cu/Ni/Cr技术中的一次环保革命。

3.2 无铬粗化工艺

塑料电镀Cu/Ni/Cr除了六价铬电镀液，六价铬粗化也是电镀线上最大的危害之一，无铬粗化的研究和开发一直是塑料电镀Cu/Ni/Cr的研究热点。无铬粗化具有污染小，与环境友好，废水处理成本低，员工操作安全等优点，而且可以减少由于铬雾产生的不良品，提高产品合格率，降低生产成本。目前研究较多的是高锰酸钾技术[8]，但是还存在粗化时间较长（一般是六价铬粗化的2～3倍），化学性质不稳定，产品可燃等局限性。

3.3 环保替代工艺

目前塑料电镀Cu/Ni/Cr均为水电镀，属于高污染行业，寻找替代水电镀也是今后的研究方向之一。现在研究较多的有真空溅射镀、纳米镜面喷镀和热烫印膜技术。真空溅射镀将金属铬或铝蒸发为原子或分子，在零件表面凝聚形成镀层，产生类似塑料电镀Cu/Ni/Cr的装饰效果。纳米镜面喷镀技术主要应用化学反应原理，采用直接喷涂的方式使零件表面可呈现镀铬镜面金属效果。热烫印膜技术通过加热、加压的方式将烫印膜转移到塑料上，热烫印技术由于加工方便，成本低等优点已经在宝马、大众的一些零件上得到了应用[9]，但是热烫印膜不能完全达到电镀Cu/Ni/Cr的镜面金属质感，限制了其大规模推广。替代工艺环保操作安全，性能稳定，色彩更为多样，不受体积限制，但由于汽车零件使用环境多样性和功能复杂性，一些环保替代工艺存在性能，颜色，外观等一些问题，要想完全替代塑料电镀Cu/Ni/Cr还有一段很长的路要走。

3.4 后处理及复合涂镀层工艺

为了进一步丰富塑料电镀Cu/Ni/Cr的外观和功能，使之在汽车上的应用更为广泛，电镀与喷漆、印刷、镭射及雷雕等工艺的结合也是汽车塑料电镀的研究重点之一，有些研究已经取得了成功应用，如电镀加喷漆的装饰格栅和字牌等既具有金属的外观又丰富了零件的色彩，对电镀零件进行雷雕处理既满足了装饰性，又满足了透光等功能要求，已经在一键启动开关上得到了成功应用，但是电镀光滑的表面容易导致油漆结合力差，造成油漆脱落，雷雕工艺使金属镀层不连续，导致镀层起壳等缺陷都是这些复合工艺需要解决的问题。

4 结语

塑料电镀Cu/Ni/Cr结合了塑料和金属的优点，经过多年的研究和发展，已经成为一项成熟的汽车技术[10]，随着汽车工业的发展和社会的进步，塑料电镀Cu/Ni/Cr的应用还将大幅度发展，一些新技术也会应运而生，因此塑料电镀技术是值得汽车行业关注的技术，前景广阔。目前塑料件电镀由于其生产过程复杂，废水处理困难，因此电镀液和设备成本高。随着建设经济环保型社会的要求越来越迫切，如何降低塑料电镀成本，开发环保塑料电镀Cu/Ni/Cr工艺对汽车工业的发展有着重要的意义。