电铸技术的研究与发展

黄 超, 李洪友, 江开勇

(华侨大学机电及自动化学院,福建泉州 362021）

电铸技术的研究与发展

黄 超, 李洪友, 江开勇

(华侨大学机电及自动化学院,福建泉州 362021）

简述了电铸的基本原理及工艺方法。随着材料、工艺、设备的进步,电铸技术也得到了长足的发展,越来越多地和其它技术相结合,如组合电铸、微器械制造、喷涂电铸等;同时,也指出了现阶段我国电铸技术的缺陷。但是作为一门交叉性的学科,随着技术的发展,电铸的发展空间和应用前景是很广阔的。

电铸;精密加工;LIGA;快速成型

0 前言

电铸工艺从发明至今已有上百年的历史。早在1838年,俄国的耶可夫教授就发明了电铸铜,1842年德国的Bottger教授发明了电铸镍,1869年在俄国财政部印刷所里又诞生了电铸铁。电铸工艺诞生的早期,主要被应用在复制艺术品和印刷制版。后来,由于塑料母型材料的问世以及电镀水平的提高,电铸技术开始广泛应用于制造那些采用其它方法不能制造的或加工有困难的产品。到了现代,电铸已成为一种尖端加工技术而为人们所瞩目。电铸主要应用领域有以下几个方面:

(1）制造复制品

包括原版录音片及其压模和印模、粗糙度标准片、美术工艺品、金属五金类等。

(2）制造模具

包括塑料成型模具、冲压模具、镍-钴-钨硬质合金电铸模具等。

(3）制造金属箔与金属网

包括印刷线路板用铜箔、金属网、平板、旋转过滤网等。

(4）其它

用于制造电火花加工电极、防涂装遮蔽板、金刚石锉刀、钻头、波导管、贮藏液态氢的球型真空容器、熔融盐电解制造钨等耐热金属的透平叶片、从非水溶液中制造铝太阳能集热板等[1]。

电铸技术具有高复制精度、高重复精度等特点,其工艺特点决定了它能用于制造一些难以用传统机械加工方法制得的或是加工成本很高的、具有复杂形状的零件。电铸可以用一个唯一的零件(芯模）复制得到一批零件。用可能是很贵重的芯模得到一定数量的拷贝;同样,该拷贝还可以再用来制造新的芯模,这样就能够大大提高生产效率。由于生产的需要,人们对使用具有特殊性能的金属和合金制品产生了兴趣,而在很多情况下,这些金属与合金只能通过电铸的方法来制造。

由于电铸技术工艺简单,且在微小、异型零部件的生产中有着其他制造技术所不能比拟的优势,使得它被人们所重视。近年来我国对电铸技术的研究主要集中在两个方面:一方面,通过细化晶粒以改善电铸沉积层的表面质量和微观组织;另一方面,就是电铸与其它先进制造技术的结合[2]。

1 电铸的基本原理

构成电铸的基本要素包括阳极、电解液、待镀工件模具(阴极）和电源。它是基于电沉积原理,在电场力的作用下使来自金属盐溶液的金属阳离子迁移到阴极获得电子还原成原子,并沉积于阴极母模表面,从而进行产品制取的制造技术。沉积过程中,离子与芯模表面不存在间隙,并且对芯模的表面不造成损伤。

电铸技术是以电镀原理为基础发展起来的,即:将各类金属(或合金）沉积于母模上,待累积到相当厚度后再与母模脱离,即可产生电铸工件。电镀与电铸的基本差异为:电镀沉积层较薄且与基材紧密结合,镀层将成为工件的一部分;而电铸层较厚且与母模完全脱离成一独立成品,故所用的母模的前处理方式不同。一般而言,电镀用模具材料必为导体;而电铸用模具的选用则具多样化,导体、非导体及光阻制作的母模都能采用。电铸品主要是强调功能性,因此,铸品的硬度、拉伸强度等机械特性受到重视;电镀层则侧重在光泽性、平滑性、耐磨性与耐蚀性等,故两者的镀液组成及操作条件均不同。理论上电铸的沉积过程是由一个个原子堆积,因此,可完整复制原母模的所有信息。电铸成品的精确度完全取决于母模的设计精度,只要模具设计得当,其复制精度可达到次微米级,此时可将其定义为精密电铸技术。然而,由于电铸层较厚,易产生内应力、变形及针孔等问题,必须在电铸程序中控制电铸工艺参数(如镀液成分、p H值、温度、添加剂及杂质等）。电铸有很好的复制精度和重复精度,可通过改变工艺参数控制电铸制品的性能,便于大规模生产,因此使用范围广。

2 电铸与其他技术的结合

电铸技术虽然有很多优点,但是它也有自身的缺陷,并制约了它的广泛应用。例如:加工时间长、镀层的厚度不均匀、镀层容易出现缺陷等。因此,如何既能利用电铸的优点又能克服它的缺点,就成了人们研究的一个热门课题。

2.1 组合电铸

电铸技术虽然是门精密的制造技术,可以加工很多常规机加工难以加工的零件。但是如果电铸制品上有诸如突起、筋片、深槽等,由于此时芯模表面的电力线分布不均,故电铸的质量和效果都极差,特别是在进行深槽电铸时,电流密度的分布极不均匀,槽底的电流密度远小于槽顶的,导致铸层金属分布严重不均匀,甚至不连续。而组合式电铸技术的出现则有效地解决了这类问题。组合电铸是将一个零件分为几个部件,而这些部件作为独立件用常规的机加工方法制造出来后,和芯模组合起来进行电铸,通过金属沉积的方式将它们与铸层结合为一体,从而成为一个完整的零件。

2.2 电铸连接

在一些场合,某些零件的形状很复杂,而精度要求很高,用传统的加工方法几乎不可能加工出来。这时可以参照组合电铸而采用电铸连接,用电铸的方法在两个相同或不同材料的零件结合部位进行金属沉积,从而将两个零件连接起来。这样可避免高温连接(如焊接）或胶合等常规机械连接不能满足产品要求的特殊场合,实现了真正意义上的连接。常用于微波器件、波导、传感器等的制造中。它的缺点是其工艺复杂、周期较长。Dini J W等[3]用此方法成功地将一直径约为1 m的6061-T6铝金属环与AM 363不锈钢环连接成一整体,其界面处强度可达467～520 MPa,而铝基体本身的强度仅约 267 MPa。

2.3 微机械的制造

LIGA技术最先是由Ehrfeld W等人发展起来的,并于1986年首次进行了公开报道[4]。LIGA包括同步辐射光刻蚀、电铸和塑铸3个主要工艺环节,是一项新的微细加工技术。其实就是利用X射线的线宽控制和穿透能力,通过对厚膜光刻胶的深度曝光和显影,得到高深宽比的光刻胶微结构;通过电铸来填充该高深宽比光刻胶微结构的空隙,实现精细结构金属化成型,并可以进一步制作成为微型模具,实现微机械的制造。

文献[5]中介绍了可用于大位移制动装置的高深宽比梳状制动器。其中,梳状电极采用(110）硅各向异性腐蚀得到,梳齿宽度为18μm,电极深宽比约为57;振荡块两端的金属 Au弹簧结构通过UV-LIGA制得,尺寸为宽15μm、高14μm、长500 μm。另外,结合牺牲层技术,UV-LIGA还可以制作可移动的三维高深宽比微细结构。Tsao和Sachs等人制作了厚度达150μm的感光模具[6]。

虽然LIGA技术具有很突出的优点,但是它的工艺较复杂、费用昂贵。为了获得 X光源,需要复杂而又昂贵的同步加速器,而这只能在一些大的研究机构里才能得到;而用于 X光光刻的掩膜板自身就是3D微结构,它需要先用LIGA技术制备出来,费时又复杂,而可用的光刻胶种类也少,这使得LIGA技术的发展和推广在一定程度上受到限制。因此,人们开展了一系列准LIGA技术(又称为LIGA技术的变体）的研究,即:在取代昂贵的 X光源和特制掩膜板的基础上开发新的三维微加工技术。其中有紫外光LIGA、深等离子体刻蚀、激光LIGA等[6]。

2.4 快速成型

快速成型(RP）技术是一项在上世纪80年代后期迅速发展起来的制造新技术。它采用黏结、熔结、聚合作用或化学作用等手段,有选择地固化(或黏结）液体(或固体）材料,从而不断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状的零部件。RP技术的关键是将零件的电子模型按一定的方式离散成为可加工的离散面、离散线和离散点;然后采用多种手段,将这些材料按离散的面、线和点堆积形成零件的整体形状,可称之为“自由成型制造(SFF）”。它具有快速性、准确性及擅长制造复杂实体的特性,为个性化制造和生物制造提供了有力的技术手段。利用激光快速成型机上制造出来的快速原型件,以其作为母模,利用电铸模具制造技术,可以很容易地制造出极其复杂的普通模具或精密模具。它的出现极大地缩短了产品研制、开发的周期,有着良好的经济效益和社会效益[7]。

2.5 射喷电铸

喷射电铸[8]是将电解液以一定的压力经阳极腔通过喷嘴高速射向阴极,并在阴极上喷射作用的区域内实现金属电沉积。喷射时,电解液将高浓度的金属离子以强制的方式高速喷向阴极表面,能够迅速补充阴极表面金属离子的数量,从而大大提高了物质迁移速率;同时,电解液的冲击不仅对铸层表面进行了机械活化,还极大减小了扩散层的厚度,有效降低了浓差极化,改善了电沉积过程,因而可大大提高极限电流密度。由电沉积理论可知:提高阴极电流密度,能细化晶粒,提高电铸层质量与电铸速率。喷射电沉积镍时,铸速高达常规电铸镍的90倍左右[8],而且所得铸层组织致密、晶粒细小。

早在1982年,Kunieda等就开展了选择性喷射电沉积的实验研究。结果表明:喷射电沉积能以高于常规电沉积的电流密度进行局部电沉积,但当实验中采用扫描的方式进行电沉积时,仅能获得点状的沉积薄层。1997年,Kunieda等[9]的实验表明:在喷射电沉积的过程中,有规则地插入整平过程可提高沉积层的均匀性和稳定性。我国在这方面的研究起步较晚。有学者[10]采用数控喷射电铸方法,在高电流密度条件下成功制备了晶粒尺寸在15 nm左右的高纯度纳米铜电铸层,并开展了这项技术在快速成型领域中的应用研究。

2.6 加工纳米晶粒

纳米材料是目前国内外科学家竞相研究的一个热点。当金属材料晶粒细化至纳米量级(1～100 nm）时,其本身便具有量子尺寸效应、小尺寸效应、表面效应和宏观量子隧道效应,因而展现出许多特有的性质。由于电铸技术是依靠离子堆砌成形制造产品,因而在适当的条件下可以得到纳米晶粒的铸层结构,这方面的研究目前尚处于起步阶段[11-12]。国内外很多学者对这种技术经行了研究,Natter和El-Sherik等[13]通过大量的实验发现:在脉冲电沉积镍纳米晶时,随添加剂的质量浓度的增加,晶粒尺寸近似按双曲线形减小;当添加剂的质量浓度增加到一定量后,晶粒的尺寸便趋于稳定值。Clark等[14]采用脉冲电沉积或加有机添加剂等方法在瓦特电解液中先后制备了纳米镍、镍基合金材料,并对其微观结构与性能进行了研究。国内这项技术的研究开展较晚,雷卫宁等[15]采用高频脉冲电流、高速冲液及加入有机添加剂等细化晶粒方法,开展了纳米晶精密电铸技术的实验研究;并分析研究了工艺参数及添加剂对沉积层的晶粒尺寸及微观硬度和耐蚀性能的影响。结果表明:采用上述晶粒细化方法,可制备出最小晶粒尺寸为20 nm的电铸沉积层;随着晶粒尺寸的减小,沉积层微观硬度和耐蚀性能得到了明显提高。

这项技术的应用前景很广,还被用于现场修复因晶间腐蚀应力腐蚀开裂和其他局部剥蚀而受到损坏的核能发电机管道。这种纳米晶结构的电沉积层由镍和微量的合金元素组成,强度高、塑性好、成本较低、修复效果好于其他方法。纳米材料科学研究的兴起,为提高电铸技术水平带来了新的方法。纳米晶粒的精密电铸技术是纳米材料制备与精密制造技术相结合的新尝试[10]。

2.7 加工复合金属材料

电铸合金和复合电铸是目前电铸技术的一个重要发展方向。在电铸合金方面,研究人员已经开展了电铸镍-钴、镍-铁、镍-锰等二元合金的研究。金属基复合材料具有一系列的优点,它们在硬度和耐磨性方面具有一般金属所不具备的优势,因而被认为是对宇航、航空等部门的发展带来重大变革的新型材料。复合电铸是制备这类材料的一种重要手段。目前电铸复合材料有两种类型:一种是在电铸溶液中加入弥散的固体微粒,与金属离子共沉积而形成含有固体微粒的金属层,可提高其强度、硬度和耐磨性,如在Ni-P的沉积中加入SiC微粒[16];或在芯模表面缠绕高强度纤维丝而获得镶嵌着纤维的金属电铸层,其目的是提高电铸金属的强度、硬度和耐磨性,这类电铸主要是以镍为基,用碳化物、金刚石、氧化物、氮化物等高硬度微粒强化复合电铸层。第二种电铸复合材料是交替沉积两种不同金属形成层状材料。当交替沉积铜和镍至总厚度1 mm时,复合层的强度随复合层数的增加而升高,但其塑性并未降低。当然,这种强化不是简单的混合强化,要根据Koehler提出的强化理论来选择搭配的金属和解释强化的机制。

3 电铸技术的缺陷

电铸技术虽然具有制造精度高等许多优点,但是和其他制造技术一样,也存在着缺点和一定的局限性,主要表现为:

(1）电沉积速率低

电铸过程中,金属离子沉积速率受到浓差极化、阴极工作电流密度低等因素的影响,所以该工艺的电沉积速率还是较低[17]。

(2）铸层均匀性差

金属电沉积速率一般正比于阴极电流密度,电流密度的分布也就是电沉积速率的分布。对于复杂型面的阴极芯模,电沉积层微观表面总是不平的,导致了电场的分布不均匀。虽然采用脉冲电源可以使这种情况有所改善,但如果铸件有些部位的尺寸变化急剧,则效果也不好,最后也会使铸件产生畸形。

(3）铸层易出现缺陷

由于在电铸过程中析出氢气以及电流密度低,造成铸层易出现麻点、针孔、结晶粗大及内应力,使铸层的物理特性下降,过大的内应力可能会引起铸层变形,甚至开裂。

(4）高深宽比的铸件加工困难

我国在提高电铸质量和电镀速率方面的研究很多,但是在深孔电铸以及微米尺寸电铸方面的研究较少。深孔电铸及微米尺寸电铸中,一方面,由于表面张力的存在使电解液很难进入;另一方面,液相传质困难,析出的金属离子不能及时得到补充,这些因素使得此类电铸存在一定的技术难度[10]。

4 结语

随着工业的发展,可以预见电铸技术在现代制造业中的作用越来越重要。电铸技术在制造具有复杂型面、高尺寸精度、微细形貌的零件时,具有无可取代的优势,加上材料、设备、工艺等方面的进步,工程技术人员可以使这门工艺在电子、微机械、航空、航天、医疗、生物等领域大放异彩。

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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

·化学镀·