搪塑模具制备及搪塑工艺技术研究

摘 要

　　搪塑模具是采用电铸成型的方法加工的一种模具，其主要用于汽车内饰件及搪塑玩具生产制造中。搪塑模具具有加工简单、形状多样、成本低及生产周期短等特点，而被广泛应用于塑料制品的生产中，尤其是在高档汽车仪表板表皮的生产中。搪塑过程属于无应力加工，搪塑制品不易开裂，尺寸稳定，厚度均匀，表皮纹理清晰，手感好，更接近天然皮革；产品的外观、质地及手感是其它成型工艺无法比拟的；在耐老化方面，搪塑制品更显示了明显的优势，在耐热、起雾、光稳定性、抗渗出、抗刮伤等方面性能也比较突出。搪塑模具在汽车行业被广泛应用，但汽车内饰件搪塑模具制备及搪塑工艺的核心技术却被外国企业垄断。

　　本文结合相关文献对电铸技术、搪塑工艺、搪塑设备进行了介绍，通过实验对搪塑模具的制备及搪塑工艺参数进行了研究。利用氨基磺酸镍电解液体系成功地在铜、环氧树脂基底上电沉积出厚度为 3~4mm 的镍壳，对影响电铸的关键因素（氨基磺酸镍、氯化镍、糖精、十二烷基硫酸钠、电流密度）进行研究，对试样进行 XRD、内应力、拉伸、维氏硬度测试，对沉积速度及电流效率等进行了计算，利用方差分析对电沉积层性能的影响因素进行了研究，得到适合制备搪塑模具的电解液体系。利用研究确定的电解液体系制备出微型搪塑模具，并用进行了搪塑工艺参数的研究。通过对搪塑温度、搪塑模具转动周数及速度等工艺参数的改变，最终确定最佳的搪塑工艺，同时验证了制备的微型搪塑模具的可使用性。

　　研究结果表明：（1）氨基磺酸镍、电流密度、氯化镍及添加剂的浓度改变对电铸层性能影响显着，样品内应力随着氨基磺酸镍的含量增加先下降后升高，而随着电流密度升高而降低，内应力的产生与电铸层的缺陷、畸变的密切相关；（2）通过实验及数据分析，确定了最佳的电铸液组份及电流密度，即氨基磺酸镍 350~400g/L、氯化镍 15g/L、十二烷基硫酸钠 0.8g/L、糖精 0.4g/L；（3）电铸件缺陷(针孔、结瘤、毛刺)与液体流动情况、阴极结构及副盐（NiCl2）有关，可通过改变工艺条件减轻或避免缺陷；（4）搪塑工艺最佳的工艺参数为搪塑温度为 250℃，模具转动速度为 6RPM左右，转动周数为 4 左右。

　　关键字：电铸镍，搪塑模具，搪塑工艺，正交试验

ABSTRACT

　　Slush mould is the mold that is producted by method of electroforming molding.Which is mainly used in car dashboard , car inner decoration and slush plastic toys . The slush molding tool has the advantages of simple processing,a variety of shapes, low cost and short production cycle.it is widely used in plastic products, especially in high-end car dashboard production.Slush process is no stress processing. Slush products are not easy to crack. Additionally,the size is stable and the thickness is uniform.The skin texture is clear, good hand feeling and closer to natural leather.The appearance texture and feel of products are beyond comparison.Slush products show obvious advantage in the performance of anti-aging,The performance of heat-resistant, light stability, anti-exudative, anti-scratch is more prominent.Slush molding tools are widely used in the automotive industry, but the core technology of preparation process of the slush and slush mold was monopolized by foreign companies and seldom reported in this regard.

　　Based on the related literature, in this paper electroforming technology, slush technology, the slush equipment were introduced. Through experiments, manufacture of slush molding tool and process parameters of slush technology were studied. Using sulfamic acid nickel electrolysis system successfully electroforming nickel shell for 3 ~4 mm thick. In this paper, the key factor that affect electroforming(Ni(NH2SO3)2.4H2O/NiCl2 /lauryl sodium sulfate/saccharin Current density) was study by the orthogonal test. The samples were characterized by XRD detection, internal stress ,Vickers hardness,Deposition rate and current efficiency of samples were calculated. variance analysis is used for analyzing factors affecting of electrodeposition layer, get a suitable electrolyte system for preparing of slush molding tool and process operation. a micro slush mould was prepared by the the electrolyte system,and it was used to study on the slush technology. By changing of the temperature of the slush, rotational speed and rounds of slush mould, slush time, to get the effects of these parameters on the melting slush powder compact thickness, and ultimately determine the best slush technology. The experimental results: (1) Studies have shown that nickel sulfamate, the current density concentration, nickel chloride, and additives significantly affect electroformed layer.

　　Internal stress with the content of sulfamic acid nickel first increased, and then decreased ,with the increase of current density decreased, the generation of stress is closely related to defects of the electroformed layer. (2) through experiments and data analysis, we determined the best electroforming solution component and anode current density , namely nickel sulfamate 350 ~ 400 g/L, nickel chloride 15g/L, sodium dodecyl sulfate 0.8g/L, saccharin 0.4g/L. (3) Electric casting defects (pinhole, nodules, burr) is related to fluid flow situation liquid flow situation, the cathode structure and the secondary salt (NiCl2),. Can reduce or avoid the defect by changing conditions. (4) the optimal process parameters of slush is as follows :slush temperature is 250 ℃, the rotational speed of the mold is about 6RPM, rotating weeks is 4 rounds.

　　Key word:The electroformed, Ni Slush molding tool, Slush forming technology, Orthogonal test

　　塑料制品成型方法有很多种，如挤出、注塑、吹塑、热成型、真空吸附、滚塑以及搪塑等。其中搪塑成型是利用自身重力和加热的作用制得塑料制品，搪塑成型技术可用于制造形状较为复杂的制品。早期报道的搪塑成型工艺实际是滚塑成型工艺，源于二十世纪三、四十年代产以聚氯乙烯糊为原料，硬质或软质聚氯乙烯塑料球之类玩具，通过二十几年的发展，到七、八十年代此技术的应用已颇具规模。搪塑成型与其他成型方法相比有很多优点，如搪塑过程属于无应力加工，搪塑制品不易开裂，尺寸稳定，厚度均匀，表皮纹理清晰，接近天然皮革等诸多优点。因此搪塑成型工艺在汽车仪表板制造中被广泛应用。搪塑成型的载体即搪塑模具，搪塑模具是采用电铸成型的方法加工而成的一种模具，其主要用于汽车仪表板表皮、汽车内饰件及搪塑玩具生产制造当中。搪塑模具具有加工简单、形状多样、成本低及生产周期短等特点，而被广泛应用塑料制品的生产加工中，尤其是在高档汽车仪表板表皮的生产中。

　　电铸技术诞生于 1838 年，俄国科学家雅柯比（Якоби）教授把刻有花纹铜印刷版置于硫酸铜溶液中，在其表面进行电沉积，当他把镀层从印刷版上剥离下来时发现，剥离下来的沉积层把原有刻在印刷版表面的花纹精准地复制了下来，其纹理与印刷版上的正好相反，Якоби 教授进一步研究得出研究结论“用具有纹理的样板做实验，可以得到纹路极高的精准重现的另一个铜板”[1]。正是这一发现，打开了电铸技术发展的大门[2]。

　　1842 年德国 R.博爱特格尔(R.Boettger)教授用硫酸镍铵溶液沉积出镍，发明了电铸镍。1869 年俄国财政部印刷所发明了电铸铁，并将此技术应用到印钞制版中[3,4]。至此，到十九世纪中期电沉积铜、镍、铁三种金属的技术形成，并用于电铸产品的生产中。科研人员除对雕刻品、塑像等艺术品及印钞制版进行复制外，还利用其能对芯模表面形貌做出精准复制的这一特点，逐步扩大了它的应用范围，从而使金属电沉积领域演变出一个分支——电铸技术[2]。

　　电铸技术早在 1838 年被俄国科学家雅柯比(Якоби)教授发现，直到 20 世纪后期，美国材料试验协会才在 ASTM 标准中给电铸下了定义——“电铸是通过在芯模上进行电沉积，再将电沉积层剥离下来而得到复制品的方法”[5]。从电铸的工作原理来说，电铸技术是电镀技术的一种形式，构成电铸的主要要素有阴极（待铸工件芯模）、阳极、电铸液、电源（电压为 6-12 V，电流密度为 1-30A/dm2）和电铸槽。阳极金属在电势作用下失去电子变成离子进入到溶液中，电铸液则响阴极运送电子和金属离子，并维持溶液成分的平衡，阴极表面金属离子得到电子、还原成金属粒子并沉积到阴极表面，当沉积层达到一点厚度时取出阴极，并将沉积层与芯模分离得到工件（零件、模具等）。常用的电铸金属材料有铁、钴、镍、银和铜等，其电铸液为相应的金属盐溶液。

　　模具是制造业的重要基础工艺装备[20]。它以其特定的形状，通过一定的方式使原料成型。利用模具来成型的产品的方法，实质上是一种少切削、无切削、多工序组合的生产方法。采用模具成型的工艺代替传统的切削加工工艺，可以大大提高生产效率、保证产品质量、节约材料及降低生产成本，从而取得很高的经济效益[21]。由于用模具生产的制品所达到的高精度、高一之性、高生产率和低能耗、低材耗，使得模具工业在制造业中的地位越来越重要。国内将模具行业称之为永不衰亡的工业；日本称模具行业为“进入富裕社会的原动力”；德国则称模具行业为“金属加工业的帝王”；美国工界则认为“模具是美国工业的基石”[20]。可见，模具工业在世界各国经济发展中所具有的重要地位，因此模具技术的发展水平体现了一个国家的制造业的发展情况，影响着工业的发展，同时也标志一个国家的工业发展情况水平[20,22]。

　　模具主要类型有：冲模、锻模、塑料模、压铸模、粉末冶金模、玻璃模、橡胶模、陶瓷模等。冲模是对金属板材进行冲压加工获得合格产品的工具冲压模具站模具总数一半以上。塑料模具是塑料成型的工艺装备，站模具总量的百分之三十以上并有上升的趋势。其他模具虽然在模具总量中占有量少，但是他们在工业制造中具有不可或缺的地位。

　　目前制造模具的主要材料是金属材料。将金属材料加工成模具的方法，主要有机械加工、特种加工、铸造加工、以及塑性加工等等。由于模具具有使用和制造要求高以及模具制造大多是单件生产等特点，所以模具的主要加工方法还是以机械加工和特种加工为主[23]，并朝着设备精密、高效和多功能的发展方向发展。

　　由于电铸加工可以对原模的精准复制，加之其与快速成型（RP）技术的结合，使电铸技术在模具制造行业中广泛应用[24,25]。电铸技术成为快速成形技术的重要后续加工工艺，快速原型制造的可有效的缩短了产品研发、生产周期。快速原型制造技术在近年逐渐地应用到快速模具的生产制造当中，产生了良好的社会及经济效益。电铸技术在模具中的应用的典型是搪塑模具、阴模真空吸附成型模具的制备。

　　搪塑模具制备及搪塑工艺技术：

FET 整体搪塑模具

试验用成品仪表板

硅胶模与环氧芯模

未脱模搪塑模具

脱摸处理后搪塑模具

PVC 粉料扫描电镜照片

化学镀银：漏镀无全镀

目录

　　摘 要
　　ABSTRACT
　　第一章 绪论
　　　　1.1 引言
　　　　1.2 电铸技术简介
　　　　　　1.2.1 电铸技术的诞生
　　　　　　1.2.2 电铸原理
　　　　　　1.2.3 镍沉积的基本条件
　　　　　　1.2.4 电铸结晶过程
　　　　　　1.2.5 法拉第定律
　　　　1.3 电铸技术的产生及发展现状
　　　　　　1.3.1 电铸技术的发展
　　　　　　1.3.2 电铸技术的研究方向
　　　　　　1.3.3 电铸工艺的大体流程
　　　　1.4 电铸技术在搪塑模具上的应用
　　　　　　1.4.1 模具及其制造技术简介
　　　　　　1.4.2 电铸模具
　　　　　　1.4.3 搪塑模具简介
　　　　1.5 搪塑工艺的发展及特点
　　　　　　1.5.1 搪塑工艺的发展
　　　　　　1.5.2 搪塑工艺过程
　　　　　　1.5.3 搪塑成型工艺的优缺点
　　　　1.6 搪塑工艺设备
　　　　1.7 本文研究内容
　　第二章 实验材料与研究方法
　　　　2.1 电铸液体系的选择
　　　　　　2.1.1 氨基磺酸盐溶液的确定
　　　　　　2.1.2 硫酸盐溶液
　　　　　　2.1.3 全氯化物溶液
　　　　　　2.1.4 氟硼酸盐溶液
　　　　2.2 电铸工艺的影响因素
　　　　　　2.2.1 电铸液组份对电铸工艺的影响
　　　　　　2.2.2 电铸工艺条件对电铸工艺的影响
　　　　　　2.2.3 其他因素对电铸工艺的影响
　　　　2.3 芯模的选择
　　　　　　2.3.1 芯模的分类
　　　　　　2.3.2 芯模材料的选择
　　　　　　2.3.3 本实验芯模的选择与设计
　　　　2.4 实验药品及仪器
　　　　　　2.4.1 实验仪器
　　　　　　2.4.2 实验药品
　　　　2.5 性能的测试
　　　　　　2.5.1 显微硬度及拉伸的测试
　　　　　　2.5.2 内应力测试
　　　　　　2.5.3 X 射线傅氏分析法计算微观应变、晶粒尺寸及位错密度
　　　　　　2.5.4 沉积速率的计算
　　　　　　2.5.5 电流效率
　　第三章 电铸层性能研究
　　　　3.1 前言
　　　　3.2 试验部分
　　　　　　3.2.1 药品与设备
　　　　　　3.2.2 芯模的制作
　　　　3.3 主盐验证试样电铸层性能检测与分析
　　　　　　3.3.1 样品形貌分析
　　　　　　3.3.2 样品性能检测
　　　　3.4 正交试验制得试样件性能测试分析
　　　　　　3.4.1 试样件形貌分析
　　　　　　3.4.2 性能测试结果
　　　　　　3.4.3 XRD 分析
　　　　　　3.4.4 试样的拉伸分析
　　　　　　3.4.3 方差分析
　　　　3.5 结果讨论
　　　　　　3.5.1 主盐的确定
　　　　　　3.5.2 氯化镍
　　　　　　3.5.3 添加剂
　　　　　　3.5.4 阴极区电流密度
　　　　　　3.5.5 针孔、结瘤、边缘柱状及毛刺问题
　　　　3.6 本章小结
　　第四章 微型搪塑模具制备及搪塑工艺研究
　　　　4.1 前言
　　　　4.2 实验部分
　　　　　　4.2.1 实验药品
　　　　　　4.2.2 实验设备
　　　　　　4.2.3 微型搪塑模具制备
　　　　　　4.2.4 搪塑工艺参数研究
　　　　4.3 结果讨论
　　　　　　4.3.1 化学镀对搪塑模具制备的影响
　　　　　　4.3.2 工艺参数的对搪塑模具的影响
　　　　　　4.3.3 PVC 粉料原位跟踪及熔融特性
　　　　　　4.3.4 温度对熔融致密厚度的影响
　　　　　　4.3.5 填料量对熔融致密厚度的影响
　　　　　　4.3.6 转动速度及周数对熔融致密厚度的影响
　　　　4.4 本章小结
　　第五章 结论
　　参考文献
　　致 谢

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