滚镀工艺在火花塞生产中的应用效果分析

罗 铸

（株洲湘火炬火花塞有限责任公司，湖南株洲 412000）

随着汽车行业的不断发展，市场对火花塞的需求量激增，对火花塞产品的质量要求越来越严格，火花塞挂镀工艺因生产效率低、人工插挂的不可靠性、挂具的不稳定以及镀层的不均匀性的缺点，严重制约着火花塞的发展，火花塞滚镀工艺成为市场发展的主流，也是火花塞发展的必然之路。

1 火花塞的结构与作用

火花塞是支持汽油发动机工作的重要电器元件，它安装在发动机一侧，作为发动机点火系统的终端部件。火花塞的结构主要有接线螺母、绝缘体（陶瓷体）、接线螺杆、中心电极、侧电极以及金属壳体组成，侧电极焊接在外壳上[1-2]。火花塞的作用是把高压导线、顶置式点火圈送来的脉冲高压电放电，击穿火花塞两电极间空气，产生电火花，以此引燃气缸内的混合气体，混合气体燃烧做功。除此之外，火花塞还能保证可靠的冷启动，确保车辆在加速时不出现失火[3-4]，如果说发动机是汽车的心脏，那么火花塞便是“心脏”的“起博器”。

2 火花塞壳体表面处理工艺

火花塞壳体材质为低碳钢，其表面处理的目的是通过电镀在金属表面覆盖一层致密的保护层，起到防止金属壳体部分锈蚀及外表美观的作用。

2.1 按表面处理膜层种类分类

火花塞壳体表面处理工艺，按照表面处理膜层种类的不同，可分为镀镍、镀锌、发黑等工艺。镀镍火花塞，是在火花塞壳体材质表面进行电镀沉积一层镍金属层，该镀镍层为阴极性镀层，电镀完成后，火花塞必须加以辅助的涂油或者钝化，达到封闭镍层孔隙的作用，才能真正发挥出防腐的作用[5]；镀锌火花塞，是在火花塞壳体材质表面进行电镀沉积一层锌金属层，该镀锌层为阳极性镀层，因锌比铁活泼，故该镀锌层能先与外界的物质反应，当锌腐蚀完后，才腐蚀里面的铁基体。镀锌完成后，火花塞需进行钝化及封闭处理，达到提升耐腐蚀的目的[6]；发黑火花塞，是在火花塞壳体材质表面经过高温及强氧化剂处理，在金属表面产生一层Fe3O4的氧化膜，再经过皂化及浸油处理，以达到防腐目的。

2.2 按电镀方式分类

火花塞壳体表面处理工艺，按照电镀方式的不同，分为挂镀和滚镀工艺。挂镀也叫吊镀，是将工件悬挂于用导电性能良好的材料制成的挂具上，然后浸没于欲镀金属的电镀溶液中作为阴极，在两边适当的距离放置阳极，通电后使金属离子在零件表面沉积。挂镀的特点是：挂镀适合面积大，数量少，形状复杂，对镀层厚度有较高要求的零件，镀层厚度在10μm以上；电镀时单件电流密度较高且不会随时间而变化，槽电压低，镀液温升慢，带出量小，镀件的均匀性好；但生产率低，设备和辅助用具维修量大[7]；滚镀是将欲镀零件置于多角形的滚筒中，依靠工件自身的重量来接通阴极，在滚筒转动的过程中实现金属电沉积的方法。滚镀的特点是适合批量生产且面积较小的零件，镀层厚度在10μm以下；单件电流密度小，电流效率低，槽电压高，槽液温升快，镀液带出量大。与挂镀相比，滚镀最大的优点是节省劳动力，提高生产率，设备维修费用少且占地面积小，镀件镀层的均匀性好。但是，滚镀的使用范围受到限制，镀件不宜太大和太轻[8]。

3 滚镀工艺在火花塞生产中的应用效果

3.1 产品质量改善

3.1.1 产品镀层均匀性改善

采用挂镀镍工艺，产品镀层厚度均匀性在12μm±8μm；挂镀生产过程中为保证低电流区域镀层控制在3μm以上，挂具四个角（高电流区）镀层厚度可达到20μm，存在极大的镀层极差，镍材有效利用率低下；采用滚镀镍工艺后，产品镀层厚度均匀性可控制在5.5μm±1.5μm；镀层区波动区间小，可调整性大，能根据不同客户的要求，提供灵活的镀层控制区间，镍材利用率高。

3.1.2 产品侧电极起皮改善

挂镀镍工艺因电流存在高低区，导致侧电极镀层上镀厚度不均匀，同时因为侧电极的高区尖端放电效应，镀层厚度极差更加明显，导致侧电极弯曲后容易起皮；侧电极酸洗活化过程同样存在类似问题，导致侧电极表面酸洗活化不充分，起皮风险大，无法从根本上解决侧电极镀层起皮问题；采用滚镀镍工艺后，因为镀层均匀性得到极大的提升，消除了侧电极尖端放电效应，侧电极镀层厚度均匀，酸洗活化因滚镀过程的转动变得更加均匀，侧电极表面活化充分，从根本上解决了侧电极起皮的问题。

3.1.3 产品铆边口起皮改善

挂镀工艺采用挂具导电，一槽有6附挂具，每附挂具上有144个铜导电端，任何一挂具出现导电不良或者144只导电端接触不良，都将导致电镀电解除油或者电镀过程断电，且不易建立断电电流检测；挂镀除油采用静止除油，壳体无法转动，除油不充分彻底；挂镀酸洗过程存在高低区，酸洗不均匀不充分；采用滚镀镍工艺后，滚筒转动，提升壳体除油效果；导电采用单一的导电线与工件接触，可通过电镀电解整流机和电镀整流机，直接监控电流通断，可有效地监控壳体导电情况，酸洗活化因滚镀过程的转动变得更加均匀，壳体表面活化充分，从根本上解决铆边起皮的问题。

3.1.4 产品螺纹尺寸改善

挂镀工艺镀层均匀性差，螺纹尺寸随之变化，极差位置的壳体存在螺纹牙型角电镀后变化，导致壳体螺纹通、止规不合格；采用滚镀工艺，因镀层均匀性的极大提升，壳体螺纹尺寸稳定可靠。电镀后QH216壳体螺纹尺寸CPK达到2.0以上。

3.1.5 产品外观一致性改善

挂镀工艺因导电过程的挂具不可靠，壳体存在外观差异，因存在电流高低区，壳体外观亮度存在明显的差异，高区壳体亮度好，低区壳体外观亮度差；电镀过程阴阳两极可能存在的温度差异，壳体存在阴阳面缺陷，即半边光亮半边昏暗；滚镀工艺由于滚筒转动，提升了壳体一致性，电流密度均匀，无高低区差异，阴阳极间因滚筒的转动，温度均匀，外观一致性良好。

3.2 劳动效率提高

3.2.1 生产工人减少

挂镀工艺，壳体电镀前需要人工上挂具，效率低，一条500万只/月产能的挂镀工艺生产线，需配备插挂工9人才能保证正常生产进行；滚镀工艺，取消插挂工序，壳体直接进滚筒生产，无须插挂人员。采用滚镀工艺后，电镀车间3条电镀生产线共节约插挂工27人，生产工人由原来的45人减少至18人。

3.2.2 生产效率提高

挂镀工艺生产线，生产节拍为430s，每周期生产产品数量144×6=864只；产品节拍2只/s，需生产工人15人；滚镀工艺生产线，生产节拍为450s，每周期生产产品数量2 250只；产品节拍5只/s，只需生产工人6人，与挂镀工艺相比，滚镀工艺生产线生产效率提高2.5倍，生产工人减少60%。

3.3 经济效益提高

3.3.1 镍材消耗降低滚镀工艺，镀层镍材不同系列镀层平均消耗基本一致，镀层平均消耗约为0.02g/μm，按5.5μm镀层厚度控制，镍材消耗约1.1kg/万只，挂镀工艺镍材消耗达到1.7kg/万只，采用滚镀工艺，每万只可节约镍材0.6kg，镍的价格为110元/kg；按公司年产15 000万只镀镍火花塞计算，每年可节约镍材成本为0.6kg×110元/kg×15 000=99万元。

3.3.2 挂具消耗节约

滚镀工艺无须消耗挂具，挂镀工艺每年挂具成本约32元/万只，按公司年产15 000万只镀镍火花塞计算，采用滚镀工艺，每年可节约挂具成本为32元/万只×15 000万只=48万元。

3.3.3 人工成本节约

挂镀工艺，插挂工人人均人力成本约4.5万元/a，按公司年产15 000万只镀镍火花塞计算，采用滚镀工艺，每年可节约插挂工人27人，每年节约人工成本：4.5×27=121.5万元。

3.3.4 燃动消耗降低

滚镀工艺替代挂镀工艺后，火花塞生产线槽液总体积缩小60%，自来水消耗由14t/万只下降至5.5t/万只，蒸汽消耗由45m3/万只下降至32m3/万只，电消耗由75kW·h/万只下降至40kW·h/万只，综合燃动成本下降约98元/万只，按公司年产15 000万只镀镍火花塞计算，每年节约燃动成本为98× 15 000=147万元。

3.3.5 产品废损下降

滚镀工艺替代挂镀工艺后，火花塞壳体废损由15元/万只下降至4元/万只，按公司年产15 000万只镀镍火花塞计算，采用滚镀工艺，每年产品废损下降为11×15 000=16.5万元。

按公司年产15 000万只镀镍火花塞计算，采用滚镀工艺后，年经济效益提高：99+48+121.5+147+16.5=432万元。火花塞电镀成本，挂镀工艺为0.113元/只，滚镀工艺为0.07元/只，因此，采用滚镀工艺，火花塞成本下降了38%左右。

4 结论

火花塞壳体表面处理工艺，按照表面处理膜层种类的不同，可分为镀镍、镀锌、发黑等工艺；按照电镀方式的不同，分为挂镀和滚镀工艺。火花塞挂镀工艺因生产效率低，人工插挂的不可靠性，挂具的不稳定以及镀层的不均匀性的缺点，严重制约着火花塞的发展，火花塞滚镀工艺成为市场发展的主流。滚镀工艺在火花塞生产中的应用效果很好，主要表现为产品质量大为改善，劳动效率大幅提高，经济效益显著提高。