黃 超, 李洪友, 江開(kāi)勇

(華僑大學(xué)機(jī)電及自動(dòng)化學(xué)院,福建泉州 362021）

電鑄技術(shù)的研究與發(fā)展

黃 超, 李洪友, 江開(kāi)勇

(華僑大學(xué)機(jī)電及自動(dòng)化學(xué)院,福建泉州 362021）

簡(jiǎn)述了電鑄的基本原理及工藝方法。隨著材料、工藝、設(shè)備的進(jìn)步,電鑄技術(shù)也得到了長(zhǎng)足的發(fā)展,越來(lái)越多地和其它技術(shù)相結(jié)合,如組合電鑄、微器械制造、噴涂電鑄等;同時(shí),也指出了現(xiàn)階段我國(guó)電鑄技術(shù)的缺陷。但是作為一門(mén)交叉性的學(xué)科,隨著技術(shù)的發(fā)展,電鑄的發(fā)展空間和應(yīng)用前景是很廣闊的。

電鑄;精密加工;LIGA;快速成型

0 前言

電鑄工藝從發(fā)明至今已有上百年的歷史。早在1838年,俄國(guó)的耶可夫教授就發(fā)明了電鑄銅,1842年德國(guó)的Bottger教授發(fā)明了電鑄鎳,1869年在俄國(guó)財(cái)政部印刷所里又誕生了電鑄鐵。電鑄工藝誕生的早期,主要被應(yīng)用在復(fù)制藝術(shù)品和印刷制版。后來(lái),由于塑料母型材料的問(wèn)世以及電鍍水平的提高,電鑄技術(shù)開(kāi)始廣泛應(yīng)用于制造那些采用其它方法不能制造的或加工有困難的產(chǎn)品。到了現(xiàn)代,電鑄已成為一種尖端加工技術(shù)而為人們所矚目。電鑄主要應(yīng)用領(lǐng)域有以下幾個(gè)方面:

(1）制造復(fù)制品

包括原版錄音片及其壓模和印模、粗糙度標(biāo)準(zhǔn)片、美術(shù)工藝品、金屬五金類(lèi)等。

(2）制造模具

包括塑料成型模具、沖壓模具、鎳-鈷-鎢硬質(zhì)合金電鑄模具等。

(3）制造金屬箔與金屬網(wǎng)

包括印刷線路板用銅箔、金屬網(wǎng)、平板、旋轉(zhuǎn)過(guò)濾網(wǎng)等。

(4）其它

用于制造電火花加工電極、防涂裝遮蔽板、金剛石銼刀、鉆頭、波導(dǎo)管、貯藏液態(tài)氫的球型真空容器、熔融鹽電解制造鎢等耐熱金屬的透平葉片、從非水溶液中制造鋁太陽(yáng)能集熱板等[1]。

電鑄技術(shù)具有高復(fù)制精度、高重復(fù)精度等特點(diǎn),其工藝特點(diǎn)決定了它能用于制造一些難以用傳統(tǒng)機(jī)械加工方法制得的或是加工成本很高的、具有復(fù)雜形狀的零件。電鑄可以用一個(gè)唯一的零件(芯模）復(fù)制得到一批零件。用可能是很貴重的芯模得到一定數(shù)量的拷貝;同樣,該拷貝還可以再用來(lái)制造新的芯模,這樣就能夠大大提高生產(chǎn)效率。由于生產(chǎn)的需要,人們對(duì)使用具有特殊性能的金屬和合金制品產(chǎn)生了興趣,而在很多情況下,這些金屬與合金只能通過(guò)電鑄的方法來(lái)制造。

由于電鑄技術(shù)工藝簡(jiǎn)單,且在微小、異型零部件的生產(chǎn)中有著其他制造技術(shù)所不能比擬的優(yōu)勢(shì),使得它被人們所重視。近年來(lái)我國(guó)對(duì)電鑄技術(shù)的研究主要集中在兩個(gè)方面:一方面,通過(guò)細(xì)化晶粒以改善電鑄沉積層的表面質(zhì)量和微觀組織;另一方面,就是電鑄與其它先進(jìn)制造技術(shù)的結(jié)合[2]。

1 電鑄的基本原理

構(gòu)成電鑄的基本要素包括陽(yáng)極、電解液、待鍍工件模具(陰極）和電源。它是基于電沉積原理,在電場(chǎng)力的作用下使來(lái)自金屬鹽溶液的金屬陽(yáng)離子遷移到陰極獲得電子還原成原子,并沉積于陰極母模表面,從而進(jìn)行產(chǎn)品制取的制造技術(shù)。沉積過(guò)程中,離子與芯模表面不存在間隙,并且對(duì)芯模的表面不造成損傷。

電鑄技術(shù)是以電鍍?cè)頌榛A(chǔ)發(fā)展起來(lái)的,即:將各類(lèi)金屬(或合金）沉積于母模上,待累積到相當(dāng)厚度后再與母模脫離,即可產(chǎn)生電鑄工件。電鍍與電鑄的基本差異為:電鍍沉積層較薄且與基材緊密結(jié)合,鍍層將成為工件的一部分;而電鑄層較厚且與母模完全脫離成一獨(dú)立成品,故所用的母模的前處理方式不同。一般而言,電鍍用模具材料必為導(dǎo)體;而電鑄用模具的選用則具多樣化,導(dǎo)體、非導(dǎo)體及光阻制作的母模都能采用。電鑄品主要是強(qiáng)調(diào)功能性,因此,鑄品的硬度、拉伸強(qiáng)度等機(jī)械特性受到重視;電鍍層則側(cè)重在光澤性、平滑性、耐磨性與耐蝕性等,故兩者的鍍液組成及操作條件均不同。理論上電鑄的沉積過(guò)程是由一個(gè)個(gè)原子堆積,因此,可完整復(fù)制原母模的所有信息。電鑄成品的精確度完全取決于母模的設(shè)計(jì)精度,只要模具設(shè)計(jì)得當(dāng),其復(fù)制精度可達(dá)到次微米級(jí),此時(shí)可將其定義為精密電鑄技術(shù)。然而,由于電鑄層較厚,易產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力、變形及針孔等問(wèn)題,必須在電鑄程序中控制電鑄工藝參數(shù)(如鍍液成分、p H值、溫度、添加劑及雜質(zhì)等）。電鑄有很好的復(fù)制精度和重復(fù)精度,可通過(guò)改變工藝參數(shù)控制電鑄制品的性能,便于大規(guī)模生產(chǎn),因此使用范圍廣。

2 電鑄與其他技術(shù)的結(jié)合

電鑄技術(shù)雖然有很多優(yōu)點(diǎn),但是它也有自身的缺陷,并制約了它的廣泛應(yīng)用。例如:加工時(shí)間長(zhǎng)、鍍層的厚度不均勻、鍍層容易出現(xiàn)缺陷等。因此,如何既能利用電鑄的優(yōu)點(diǎn)又能克服它的缺點(diǎn),就成了人們研究的一個(gè)熱門(mén)課題。

2.1 組合電鑄

電鑄技術(shù)雖然是門(mén)精密的制造技術(shù),可以加工很多常規(guī)機(jī)加工難以加工的零件。但是如果電鑄制品上有諸如突起、筋片、深槽等,由于此時(shí)芯模表面的電力線分布不均,故電鑄的質(zhì)量和效果都極差,特別是在進(jìn)行深槽電鑄時(shí),電流密度的分布極不均勻,槽底的電流密度遠(yuǎn)小于槽頂?shù)?導(dǎo)致鑄層金屬分布嚴(yán)重不均勻,甚至不連續(xù)。而組合式電鑄技術(shù)的出現(xiàn)則有效地解決了這類(lèi)問(wèn)題。組合電鑄是將一個(gè)零件分為幾個(gè)部件,而這些部件作為獨(dú)立件用常規(guī)的機(jī)加工方法制造出來(lái)后,和芯模組合起來(lái)進(jìn)行電鑄,通過(guò)金屬沉積的方式將它們與鑄層結(jié)合為一體,從而成為一個(gè)完整的零件。

2.2 電鑄連接

在一些場(chǎng)合,某些零件的形狀很復(fù)雜,而精度要求很高,用傳統(tǒng)的加工方法幾乎不可能加工出來(lái)。這時(shí)可以參照組合電鑄而采用電鑄連接,用電鑄的方法在兩個(gè)相同或不同材料的零件結(jié)合部位進(jìn)行金屬沉積,從而將兩個(gè)零件連接起來(lái)。這樣可避免高溫連接(如焊接）或膠合等常規(guī)機(jī)械連接不能滿足產(chǎn)品要求的特殊場(chǎng)合,實(shí)現(xiàn)了真正意義上的連接。常用于微波器件、波導(dǎo)、傳感器等的制造中。它的缺點(diǎn)是其工藝復(fù)雜、周期較長(zhǎng)。Dini J W等[3]用此方法成功地將一直徑約為1 m的6061-T6鋁金屬環(huán)與AM 363不銹鋼環(huán)連接成一整體,其界面處強(qiáng)度可達(dá)467～520 MPa,而鋁基體本身的強(qiáng)度僅約 267 MPa。

2.3 微機(jī)械的制造

LIGA技術(shù)最先是由Ehrfeld W等人發(fā)展起來(lái)的,并于1986年首次進(jìn)行了公開(kāi)報(bào)道[4]。LIGA包括同步輻射光刻蝕、電鑄和塑鑄3個(gè)主要工藝環(huán)節(jié),是一項(xiàng)新的微細(xì)加工技術(shù)。其實(shí)就是利用X射線的線寬控制和穿透能力,通過(guò)對(duì)厚膜光刻膠的深度曝光和顯影,得到高深寬比的光刻膠微結(jié)構(gòu);通過(guò)電鑄來(lái)填充該高深寬比光刻膠微結(jié)構(gòu)的空隙,實(shí)現(xiàn)精細(xì)結(jié)構(gòu)金屬化成型,并可以進(jìn)一步制作成為微型模具,實(shí)現(xiàn)微機(jī)械的制造。

文獻(xiàn)[5]中介紹了可用于大位移制動(dòng)裝置的高深寬比梳狀制動(dòng)器。其中,梳狀電極采用(110）硅各向異性腐蝕得到,梳齒寬度為18μm,電極深寬比約為57;振蕩塊兩端的金屬 Au彈簧結(jié)構(gòu)通過(guò)UV-LIGA制得,尺寸為寬15μm、高14μm、長(zhǎng)500 μm。另外,結(jié)合犧牲層技術(shù),UV-LIGA還可以制作可移動(dòng)的三維高深寬比微細(xì)結(jié)構(gòu)。Tsao和Sachs等人制作了厚度達(dá)150μm的感光模具[6]。

雖然LIGA技術(shù)具有很突出的優(yōu)點(diǎn),但是它的工藝較復(fù)雜、費(fèi)用昂貴。為了獲得 X光源,需要復(fù)雜而又昂貴的同步加速器,而這只能在一些大的研究機(jī)構(gòu)里才能得到;而用于 X光光刻的掩膜板自身就是3D微結(jié)構(gòu),它需要先用LIGA技術(shù)制備出來(lái),費(fèi)時(shí)又復(fù)雜,而可用的光刻膠種類(lèi)也少,這使得LIGA技術(shù)的發(fā)展和推廣在一定程度上受到限制。因此,人們開(kāi)展了一系列準(zhǔn)LIGA技術(shù)(又稱(chēng)為L(zhǎng)IGA技術(shù)的變體）的研究,即:在取代昂貴的 X光源和特制掩膜板的基礎(chǔ)上開(kāi)發(fā)新的三維微加工技術(shù)。其中有紫外光LIGA、深等離子體刻蝕、激光LIGA等[6]。

2.4 快速成型

快速成型(RP）技術(shù)是一項(xiàng)在上世紀(jì)80年代后期迅速發(fā)展起來(lái)的制造新技術(shù)。它采用黏結(jié)、熔結(jié)、聚合作用或化學(xué)作用等手段,有選擇地固化(或黏結(jié)）液體(或固體）材料,從而不斷地把材料按需要添加在未完成的零件上,最后累加制作出所要求形狀的零部件。RP技術(shù)的關(guān)鍵是將零件的電子模型按一定的方式離散成為可加工的離散面、離散線和離散點(diǎn);然后采用多種手段,將這些材料按離散的面、線和點(diǎn)堆積形成零件的整體形狀,可稱(chēng)之為“自由成型制造(SFF）”。它具有快速性、準(zhǔn)確性及擅長(zhǎng)制造復(fù)雜實(shí)體的特性,為個(gè)性化制造和生物制造提供了有力的技術(shù)手段。利用激光快速成型機(jī)上制造出來(lái)的快速原型件,以其作為母模,利用電鑄模具制造技術(shù),可以很容易地制造出極其復(fù)雜的普通模具或精密模具。它的出現(xiàn)極大地縮短了產(chǎn)品研制、開(kāi)發(fā)的周期,有著良好的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益[7]。

2.5 射噴電鑄

噴射電鑄[8]是將電解液以一定的壓力經(jīng)陽(yáng)極腔通過(guò)噴嘴高速射向陰極,并在陰極上噴射作用的區(qū)域內(nèi)實(shí)現(xiàn)金屬電沉積。噴射時(shí),電解液將高濃度的金屬離子以強(qiáng)制的方式高速?lài)娤蜿帢O表面,能夠迅速補(bǔ)充陰極表面金屬離子的數(shù)量,從而大大提高了物質(zhì)遷移速率;同時(shí),電解液的沖擊不僅對(duì)鑄層表面進(jìn)行了機(jī)械活化,還極大減小了擴(kuò)散層的厚度,有效降低了濃差極化,改善了電沉積過(guò)程,因而可大大提高極限電流密度。由電沉積理論可知:提高陰極電流密度,能細(xì)化晶粒,提高電鑄層質(zhì)量與電鑄速率。噴射電沉積鎳時(shí),鑄速高達(dá)常規(guī)電鑄鎳的90倍左右[8],而且所得鑄層組織致密、晶粒細(xì)小。

早在1982年,Kunieda等就開(kāi)展了選擇性噴射電沉積的實(shí)驗(yàn)研究。結(jié)果表明:噴射電沉積能以高于常規(guī)電沉積的電流密度進(jìn)行局部電沉積,但當(dāng)實(shí)驗(yàn)中采用掃描的方式進(jìn)行電沉積時(shí),僅能獲得點(diǎn)狀的沉積薄層。1997年,Kunieda等[9]的實(shí)驗(yàn)表明:在噴射電沉積的過(guò)程中,有規(guī)則地插入整平過(guò)程可提高沉積層的均勻性和穩(wěn)定性。我國(guó)在這方面的研究起步較晚。有學(xué)者[10]采用數(shù)控噴射電鑄方法,在高電流密度條件下成功制備了晶粒尺寸在15 nm左右的高純度納米銅電鑄層,并開(kāi)展了這項(xiàng)技術(shù)在快速成型領(lǐng)域中的應(yīng)用研究。

2.6 加工納米晶粒

納米材料是目前國(guó)內(nèi)外科學(xué)家競(jìng)相研究的一個(gè)熱點(diǎn)。當(dāng)金屬材料晶粒細(xì)化至納米量級(jí)(1～100 nm）時(shí),其本身便具有量子尺寸效應(yīng)、小尺寸效應(yīng)、表面效應(yīng)和宏觀量子隧道效應(yīng),因而展現(xiàn)出許多特有的性質(zhì)。由于電鑄技術(shù)是依靠離子堆砌成形制造產(chǎn)品,因而在適當(dāng)?shù)臈l件下可以得到納米晶粒的鑄層結(jié)構(gòu),這方面的研究目前尚處于起步階段[11-12]。國(guó)內(nèi)外很多學(xué)者對(duì)這種技術(shù)經(jīng)行了研究,Natter和El-Sherik等[13]通過(guò)大量的實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn):在脈沖電沉積鎳納米晶時(shí),隨添加劑的質(zhì)量濃度的增加,晶粒尺寸近似按雙曲線形減小;當(dāng)添加劑的質(zhì)量濃度增加到一定量后,晶粒的尺寸便趨于穩(wěn)定值。Clark等[14]采用脈沖電沉積或加有機(jī)添加劑等方法在瓦特電解液中先后制備了納米鎳、鎳基合金材料,并對(duì)其微觀結(jié)構(gòu)與性能進(jìn)行了研究。國(guó)內(nèi)這項(xiàng)技術(shù)的研究開(kāi)展較晚,雷衛(wèi)寧等[15]采用高頻脈沖電流、高速?zèng)_液及加入有機(jī)添加劑等細(xì)化晶粒方法,開(kāi)展了納米晶精密電鑄技術(shù)的實(shí)驗(yàn)研究;并分析研究了工藝參數(shù)及添加劑對(duì)沉積層的晶粒尺寸及微觀硬度和耐蝕性能的影響。結(jié)果表明:采用上述晶粒細(xì)化方法,可制備出最小晶粒尺寸為20 nm的電鑄沉積層;隨著晶粒尺寸的減小,沉積層微觀硬度和耐蝕性能得到了明顯提高。

這項(xiàng)技術(shù)的應(yīng)用前景很廣,還被用于現(xiàn)場(chǎng)修復(fù)因晶間腐蝕應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂和其他局部剝蝕而受到損壞的核能發(fā)電機(jī)管道。這種納米晶結(jié)構(gòu)的電沉積層由鎳和微量的合金元素組成,強(qiáng)度高、塑性好、成本較低、修復(fù)效果好于其他方法。納米材料科學(xué)研究的興起,為提高電鑄技術(shù)水平帶來(lái)了新的方法。納米晶粒的精密電鑄技術(shù)是納米材料制備與精密制造技術(shù)相結(jié)合的新嘗試[10]。

2.7 加工復(fù)合金屬材料

電鑄合金和復(fù)合電鑄是目前電鑄技術(shù)的一個(gè)重要發(fā)展方向。在電鑄合金方面,研究人員已經(jīng)開(kāi)展了電鑄鎳-鈷、鎳-鐵、鎳-錳等二元合金的研究。金屬基復(fù)合材料具有一系列的優(yōu)點(diǎn),它們?cè)谟捕群湍湍バ苑矫婢哂幸话憬饘偎痪邆涞膬?yōu)勢(shì),因而被認(rèn)為是對(duì)宇航、航空等部門(mén)的發(fā)展帶來(lái)重大變革的新型材料。復(fù)合電鑄是制備這類(lèi)材料的一種重要手段。目前電鑄復(fù)合材料有兩種類(lèi)型:一種是在電鑄溶液中加入彌散的固體微粒,與金屬離子共沉積而形成含有固體微粒的金屬層,可提高其強(qiáng)度、硬度和耐磨性,如在Ni-P的沉積中加入SiC微粒[16];或在芯模表面纏繞高強(qiáng)度纖維絲而獲得鑲嵌著纖維的金屬電鑄層,其目的是提高電鑄金屬的強(qiáng)度、硬度和耐磨性,這類(lèi)電鑄主要是以鎳為基,用碳化物、金剛石、氧化物、氮化物等高硬度微粒強(qiáng)化復(fù)合電鑄層。第二種電鑄復(fù)合材料是交替沉積兩種不同金屬形成層狀材料。當(dāng)交替沉積銅和鎳至總厚度1 mm時(shí),復(fù)合層的強(qiáng)度隨復(fù)合層數(shù)的增加而升高,但其塑性并未降低。當(dāng)然,這種強(qiáng)化不是簡(jiǎn)單的混合強(qiáng)化,要根據(jù)Koehler提出的強(qiáng)化理論來(lái)選擇搭配的金屬和解釋強(qiáng)化的機(jī)制。

3 電鑄技術(shù)的缺陷

電鑄技術(shù)雖然具有制造精度高等許多優(yōu)點(diǎn),但是和其他制造技術(shù)一樣,也存在著缺點(diǎn)和一定的局限性,主要表現(xiàn)為:

(1）電沉積速率低

電鑄過(guò)程中,金屬離子沉積速率受到濃差極化、陰極工作電流密度低等因素的影響,所以該工藝的電沉積速率還是較低[17]。

(2）鑄層均勻性差

金屬電沉積速率一般正比于陰極電流密度,電流密度的分布也就是電沉積速率的分布。對(duì)于復(fù)雜型面的陰極芯模,電沉積層微觀表面總是不平的,導(dǎo)致了電場(chǎng)的分布不均勻。雖然采用脈沖電源可以使這種情況有所改善,但如果鑄件有些部位的尺寸變化急劇,則效果也不好,最后也會(huì)使鑄件產(chǎn)生畸形。

(3）鑄層易出現(xiàn)缺陷

由于在電鑄過(guò)程中析出氫氣以及電流密度低,造成鑄層易出現(xiàn)麻點(diǎn)、針孔、結(jié)晶粗大及內(nèi)應(yīng)力,使鑄層的物理特性下降,過(guò)大的內(nèi)應(yīng)力可能會(huì)引起鑄層變形,甚至開(kāi)裂。

(4）高深寬比的鑄件加工困難

我國(guó)在提高電鑄質(zhì)量和電鍍速率方面的研究很多,但是在深孔電鑄以及微米尺寸電鑄方面的研究較少。深孔電鑄及微米尺寸電鑄中,一方面,由于表面張力的存在使電解液很難進(jìn)入;另一方面,液相傳質(zhì)困難,析出的金屬離子不能及時(shí)得到補(bǔ)充,這些因素使得此類(lèi)電鑄存在一定的技術(shù)難度[10]。

4 結(jié)語(yǔ)

隨著工業(yè)的發(fā)展,可以預(yù)見(jiàn)電鑄技術(shù)在現(xiàn)代制造業(yè)中的作用越來(lái)越重要。電鑄技術(shù)在制造具有復(fù)雜型面、高尺寸精度、微細(xì)形貌的零件時(shí),具有無(wú)可取代的優(yōu)勢(shì),加上材料、設(shè)備、工藝等方面的進(jìn)步,工程技術(shù)人員可以使這門(mén)工藝在電子、微機(jī)械、航空、航天、醫(yī)療、生物等領(lǐng)域大放異彩。

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Research and Development of Electroforming Technology

HUANG Chao, LI Hong-you, JIANG K ai-yong
(Machinery-Electricity and Automation College,Chinese Overseas University,Quanzhou 362021,China）

The basic principle and technological methods of electroforming are briefly described.Electroforming has got a considerable development along with the advance of its materials,process and equipment.It is increasingly combined with other technologies,such as combined electroforming,making of micro instruments,spray electroforming,etc.The shortcomings of our country’s electroforming technolgies at present stage are pointed out,but as a cross-discipline subject,electroforming will be widely developed and applied.

electroforming;precise machining;LIGA;rapid prototyping

TQ 153

A

1000-4742(2010）06-0001-04

2010-05-13

·化學(xué)鍍·