電鑄技術的研究與發展

黃 超, 李洪友, 江開勇

(華僑大學機電及自動化學院,福建泉州 362021）

電鑄技術的研究與發展

黃 超, 李洪友, 江開勇

(華僑大學機電及自動化學院,福建泉州 362021）

簡述了電鑄的基本原理及工藝方法。隨著材料、工藝、設備的進步,電鑄技術也得到了長足的發展,越來越多地和其它技術相結合,如組合電鑄、微器械制造、噴涂電鑄等;同時,也指出了現階段我國電鑄技術的缺陷。但是作為一門交叉性的學科,隨著技術的發展,電鑄的發展空間和應用前景是很廣闊的。

電鑄;精密加工;LIGA;快速成型

0 前言

電鑄工藝從發明至今已有上百年的歷史。早在1838年,俄國的耶可夫教授就發明了電鑄銅,1842年德國的Bottger教授發明了電鑄鎳,1869年在俄國財政部印刷所里又誕生了電鑄鐵。電鑄工藝誕生的早期,主要被應用在復制藝術品和印刷制版。后來,由于塑料母型材料的問世以及電鍍水平的提高,電鑄技術開始廣泛應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品。到了現代,電鑄已成為一種尖端加工技術而為人們所矚目。電鑄主要應用領域有以下幾個方面:

(1）制造復制品

包括原版錄音片及其壓模和印模、粗糙度標準片、美術工藝品、金屬五金類等。

(2）制造模具

包括塑料成型模具、沖壓模具、鎳-鈷-鎢硬質合金電鑄模具等。

(3）制造金屬箔與金屬網

包括印刷線路板用銅箔、金屬網、平板、旋轉過濾網等。

(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、波導管、貯藏液態氫的球型真空容器、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能集熱板等[1]。

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

由于電鑄技術工藝簡單,且在微小、異型零部件的生產中有著其他制造技術所不能比擬的優勢,使得它被人們所重視。近年來我國對電鑄技術的研究主要集中在兩個方面:一方面,通過細化晶粒以改善電鑄沉積層的表面質量和微觀組織;另一方面,就是電鑄與其它先進制造技術的結合[2]。

1 電鑄的基本原理

構成電鑄的基本要素包括陽極、電解液、待鍍工件模具(陰極）和電源。它是基于電沉積原理,在電場力的作用下使來自金屬鹽溶液的金屬陽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,從而進行產品制取的制造技術。沉積過程中,離子與芯模表面不存在間隙,并且對芯模的表面不造成損傷。

電鑄技術是以電鍍原理為基礎發展起來的,即:將各類金屬(或合金）沉積于母模上,待累積到相當厚度后再與母模脫離,即可產生電鑄工件。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體;而電鑄用模具的選用則具多樣化,導體、非導體及光阻制作的母模都能采用。電鑄品主要是強調功能性,因此,鑄品的硬度、拉伸強度等機械特性受到重視;電鍍層則側重在光澤性、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程是由一個個原子堆積,因此,可完整復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計精度,只要模具設計得當,其復制精度可達到次微米級,此時可將其定義為精密電鑄技術。然而,由于電鑄層較厚,易產生內應力、變形及針孔等問題,必須在電鑄程序中控制電鑄工藝參數(如鍍液成分、p H值、溫度、添加劑及雜質等）。電鑄有很好的復制精度和重復精度,可通過改變工藝參數控制電鑄制品的性能,便于大規模生產,因此使用范圍廣。

2 電鑄與其他技術的結合

電鑄技術雖然有很多優點,但是它也有自身的缺陷,并制約了它的廣泛應用。例如:加工時間長、鍍層的厚度不均勻、鍍層容易出現缺陷等。因此,如何既能利用電鑄的優點又能克服它的缺點,就成了人們研究的一個熱門課題。

2.1 組合電鑄

電鑄技術雖然是門精密的制造技術,可以加工很多常規機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,由于此時芯模表面的電力線分布不均,故電鑄的質量和效果都極差,特別是在進行深槽電鑄時,電流密度的分布極不均勻,槽底的電流密度遠小于槽頂的,導致鑄層金屬分布嚴重不均勻,甚至不連續。而組合式電鑄技術的出現則有效地解決了這類問題。組合電鑄是將一個零件分為幾個部件,而這些部件作為獨立件用常規的機加工方法制造出來后,和芯模組合起來進行電鑄,通過金屬沉積的方式將它們與鑄層結合為一體,從而成為一個完整的零件。

2.2 電鑄連接

在一些場合,某些零件的形狀很復雜,而精度要求很高,用傳統的加工方法幾乎不可能加工出來。這時可以參照組合電鑄而采用電鑄連接,用電鑄的方法在兩個相同或不同材料的零件結合部位進行金屬沉積,從而將兩個零件連接起來。這樣可避免高溫連接(如焊接）或膠合等常規機械連接不能滿足產品要求的特殊場合,實現了真正意義上的連接。常用于微波器件、波導、傳感器等的制造中。它的缺點是其工藝復雜、周期較長。Dini J W等[3]用此方法成功地將一直徑約為1 m的6061-T6鋁金屬環與AM 363不銹鋼環連接成一整體,其界面處強度可達467～520 MPa,而鋁基體本身的強度僅約 267 MPa。

2.3 微機械的制造

LIGA技術最先是由Ehrfeld W等人發展起來的,并于1986年首次進行了公開報道[4]。LIGA包括同步輻射光刻蝕、電鑄和塑鑄3個主要工藝環節,是一項新的微細加工技術。其實就是利用X射線的線寬控制和穿透能力,通過對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構;通過電鑄來填充該高深寬比光刻膠微結構的空隙,實現精細結構金屬化成型,并可以進一步制作成為微型模具,實現微機械的制造。

文獻[5]中介紹了可用于大位移制動裝置的高深寬比梳狀制動器。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彈簧結構通過UV-LIGA制得,尺寸為寬15μm、高14μm、長500 μm。另外,結合犧牲層技術,UV-LIGA還可以制作可移動的三維高深寬比微細結構。Tsao和Sachs等人制作了厚度達150μm的感光模具[6]。

雖然LIGA技術具有很突出的優點,但是它的工藝較復雜、費用昂貴。為了獲得 X光源,需要復雜而又昂貴的同步加速器,而這只能在一些大的研究機構里才能得到;而用于 X光光刻的掩膜板自身就是3D微結構,它需要先用LIGA技術制備出來,費時又復雜,而可用的光刻膠種類也少,這使得LIGA技術的發展和推廣在一定程度上受到限制。因此,人們開展了一系列準LIGA技術(又稱為LIGA技術的變體）的研究,即:在取代昂貴的 X光源和特制掩膜板的基礎上開發新的三維微加工技術。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）技術是一項在上世紀80年代后期迅速發展起來的制造新技術。它采用黏結、熔結、聚合作用或化學作用等手段,有選擇地固化(或黏結）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技術的關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;然后采用多種手段,將這些材料按離散的面、線和點堆積形成零件的整體形狀,可稱之為“自由成型制造(SFF）”。它具有快速性、準確性及擅長制造復雜實體的特性,為個性化制造和生物制造提供了有力的技術手段。利用激光快速成型機上制造出來的快速原型件,以其作為母模,利用電鑄模具制造技術,可以很容易地制造出極其復雜的普通模具或精密模具。它的出現極大地縮短了產品研制、開發的周期,有著良好的經濟效益和社會效益[7]。

2.5 射噴電鑄

噴射電鑄[8]是將電解液以一定的壓力經陽極腔通過噴嘴高速射向陰極,并在陰極上噴射作用的區域內實現金屬電沉積。噴射時,電解液將高濃度的金屬離子以強制的方式高速噴向陰極表面,能夠迅速補充陰極表面金屬離子的數量,從而大大提高了物質遷移速率;同時,電解液的沖擊不僅對鑄層表面進行了機械活化,還極大減小了擴散層的厚度,有效降低了濃差極化,改善了電沉積過程,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,能細化晶粒,提高電鑄層質量與電鑄速率。噴射電沉積鎳時,鑄速高達常規電鑄鎳的90倍左右[8],而且所得鑄層組織致密、晶粒細小。

早在1982年,Kunieda等就開展了選擇性噴射電沉積的實驗研究。結果表明:噴射電沉積能以高于常規電沉積的電流密度進行局部電沉積,但當實驗中采用掃描的方式進行電沉積時,僅能獲得點狀的沉積薄層。1997年,Kunieda等[9]的實驗表明:在噴射電沉積的過程中,有規則地插入整平過程可提高沉積層的均勻性和穩定性。我國在這方面的研究起步較晚。有學者[10]采用數控噴射電鑄方法,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,并開展了這項技術在快速成型領域中的應用研究。

2.6 加工納米晶粒

納米材料是目前國內外科學家競相研究的一個熱點。當金屬材料晶粒細化至納米量級(1～100 nm）時,其本身便具有量子尺寸效應、小尺寸效應、表面效應和宏觀量子隧道效應,因而展現出許多特有的性質。由于電鑄技術是依靠離子堆砌成形制造產品,因而在適當的條件下可以得到納米晶粒的鑄層結構,這方面的研究目前尚處于起步階段[11-12]。國內外很多學者對這種技術經行了研究,Natter和El-Sherik等[13]通過大量的實驗發現:在脈沖電沉積鎳納米晶時,隨添加劑的質量濃度的增加,晶粒尺寸近似按雙曲線形減小;當添加劑的質量濃度增加到一定量后,晶粒的尺寸便趨于穩定值。Clark等[14]采用脈沖電沉積或加有機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,并對其微觀結構與性能進行了研究。國內這項技術的研究開展較晚,雷衛寧等[15]采用高頻脈沖電流、高速沖液及加入有機添加劑等細化晶粒方法,開展了納米晶精密電鑄技術的實驗研究;并分析研究了工藝參數及添加劑對沉積層的晶粒尺寸及微觀硬度和耐蝕性能的影響。結果表明:采用上述晶粒細化方法,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。

這項技術的應用前景很廣,還被用于現場修復因晶間腐蝕應力腐蝕開裂和其他局部剝蝕而受到損壞的核能發電機管道。這種納米晶結構的電沉積層由鎳和微量的合金元素組成,強度高、塑性好、成本較低、修復效果好于其他方法。納米材料科學研究的興起,為提高電鑄技術水平帶來了新的方法。納米晶粒的精密電鑄技術是納米材料制備與精密制造技術相結合的新嘗試[10]。

2.7 加工復合金屬材料

電鑄合金和復合電鑄是目前電鑄技術的一個重要發展方向。在電鑄合金方面,研究人員已經開展了電鑄鎳-鈷、鎳-鐵、鎳-錳等二元合金的研究。金屬基復合材料具有一系列的優點,它們在硬度和耐磨性方面具有一般金屬所不具備的優勢,因而被認為是對宇航、航空等部門的發展帶來重大變革的新型材料。復合電鑄是制備這類材料的一種重要手段。目前電鑄復合材料有兩種類型: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度、硬度和耐磨性,這類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化復合電鑄層。第二種電鑄復合材料是交替沉積兩種不同金屬形成層狀材料。當交替沉積銅和鎳至總厚度1 mm時,復合層的強度隨復合層數的增加而升高,但其塑性并未降低。當然,這種強化不是簡單的混合強化,要根據Koehler提出的強化理論來選擇搭配的金屬和解釋強化的機制。

3 電鑄技術的缺陷

電鑄技術雖然具有制造精度高等許多優點,但是和其他制造技術一樣,也存在著缺點和一定的局限性,主要表現為:

(1）電沉積速率低

電鑄過程中,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。對于復雜型面的陰極芯模,電沉積層微觀表面總是不平的,導致了電場的分布不均勻。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,最后也會使鑄件產生畸形。

(3）鑄層易出現缺陷

由于在電鑄過程中析出氫氣以及電流密度低,造成鑄層易出現麻點、針孔、結晶粗大及內應力,使鑄層的物理特性下降,過大的內應力可能會引起鑄層變形,甚至開裂。

(4）高深寬比的鑄件加工困難

我國在提高電鑄質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入;另一方面,液相傳質困難,析出的金屬離子不能及時得到補充,這些因素使得此類電鑄存在一定的技術難度[10]。

4 結語

隨著工業的發展,可以預見電鑄技術在現代制造業中的作用越來越重要。電鑄技術在制造具有復雜型面、高尺寸精度、微細形貌的零件時,具有無可取代的優勢,加上材料、設備、工藝等方面的進步,工程技術人員可以使這門工藝在電子、微機械、航空、航天、醫療、生物等領域大放異彩。

[1] 肖日松.微電鑄工藝參數對模具質量影響研究[D].大連:大連理工大學,2006.

[2] 胡美些,王寧.我國電鑄技術的研究進展[J].電鍍與涂飾,2006,25(11）:38-41.

[3] 呂益艷,王幫峰,吳安德,等.發展中的電鑄技術[J].電加工與模具,2000(4）:44-46.

[4] 張永華,丁桂甫,彭軍,等.LIGA相關技術及其應用[J].傳感器技術,2003,22(3）:60-64.

[5] 吳福生,丁玉成,王立勇.基于快速原型的精密模具的電鑄工藝研究[J].2003,20(4）:33-35.

[6] Tsao C C,Sachs E.Photo-electroforming:3-D geometry and materials flexibility in a MEMS fabrication process[J].Journal of Microelectromechanical Systems,1999,8(2）:161-171.

[7] He Z,Zhou J,Tseng A.Feasibility study of chemical liquid deposition based solid freeform fabrication[J].Materials and Design,2000,21(2）:83-92.

[8] 熊毅,荊天輔,張春江,等.噴射電沉積納米晶鎳的研究[J].電鍍與精飾,2000,22(5）:1-4.

[9] Kunieda M,Katoh R,Mori Y.Rapid prototyping by selective electrodeposition using electrolyte jet[J].Annals of the CIRP,1999,47(1）:161-164.

[10] 杜愛華,龍晉明,裴和中.電鑄納米晶材料的研究現狀[J].電鍍與涂飾,2008,27(4）:16-19.

[11] 朱保國,王振龍.電鑄技術的發展及應用[J].電加工與模具,2006(5）:1-6.

[12] Natter H,Schmelzer M,Hempelmann R.Nanocrystalline nickel and nickel-copper alloys:Synthesis,characterization,and thermal stability[J].Journal of Materials Research,1998,13(5）:1 186-1 197.

[13] El-Sherik A M,Erb U.Synthesis of bulk nanocrystalline nickel by pulsed electrodeposition[J].Journal of Materials Science,1995,30(22）:5 743-5 749.

[14] Clark D,Wood D,Erb U. Industrialapplicationsof electrodeposited nanocrystals[J].Nanostruct Mater,1997,9(1）:755-758.

[15] 雷衛寧,朱荻.納米晶精密電鑄技術的研究[J].中國機械工程,2003,14(12）:1 065-1 068.

[16] Takeuchi H,Tsunekawa Y,OkumiyaM.Formation of compositionally graded Ni-P deposits containing SiC particles by jet electroplating [J].MaterialsTransactions,1997,38(1）:43-48.

[17] 王幫峰,吳安德,呂益艷,等.一種解決傳統電鑄缺陷的新方法[J].機械設計與制造工程,2001,30(3）:66-68.

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

·化學鍍·