超声波在电镀技术中应用

何 龙， 徐 婷， 谭业发， 谭 华， 尤 峻

(解放军理工大学工程兵工程学院，江苏南京 210007)

超声波在电镀技术中应用

何 龙， 徐 婷， 谭业发， 谭 华， 尤 峻

(解放军理工大学工程兵工程学院，江苏南京 210007)

超声波技术应用于电镀中可以强化电镀过程、改善镀层质量和优化镀层性能，获得优质镀层。介绍了超声波在镀前零件清洗中的机理和应用，概述了超声波在电镀金属镀层和纳米微粒复合镀层中的研究进展及其工程应用，指出了超声波电镀技术中需进一步解决的问题，并展望了其应用前景。

超声波;电镀;空化作用;纳米微粒复合镀层

引 言

随着科学技术的进步，机械设备向着高精度、高可靠性的方向发展，对机械零部件的寿命和可靠性提出了更高的要求。电镀作为表面处理技术的重要分支，在机械零部件表面强化和表面改性方面显示出极大的应用潜力，特别是在机械设备防腐蚀、耐磨损及抗高温氧化等领域得到更广泛的应用。电镀过程中引入超声波技术可利用其空化作用强化离子沉积过程、加快沉积速率、细化晶粒、改善镀层质量和提高镀层性能［1-4］。近年来，随着超声设备使用日益普及，超声波在医疗诊断、零件质量检测等领域应用日益广泛，超声波电镀技术在制备功能镀层、机床刀具以及机械防腐领域得到了快速的发展［5-8］。本文介绍了超声波在电镀零件清洗中的应用，叙述了超声波电镀金属镀层、纳米微粒复合镀层方面的研究进展及其工程应用实例，指出了超声波电镀中有待进一步解决的问题，为超声波电镀技术进一步研究和开发应用提供指导。

1 超声波在电镀技术中的应用

超声波电镀是近年发展起来的一种电镀新工艺，超声波在电镀过程中主要用于电镀前对基体进行超声清洗以及电镀中强化电沉积过程，从而达到加快电镀速度、改善镀层质量和提高镀层性能的目的［9-10］。

1.1 超声波在镀前零件表面清洗中的应用

超声波清洗是近年来发展起来的清洗技术，已经在医疗仪器、电镀工具生产中得到了较为广泛的应用，超声清洗主要是利用超声空化效应产生的冲击波、微射流等冲击表面，形成了剪切作用，使附着在零件表面的污物逐层除去，超声空化在固体与液体界面上产生的高速微射流能增强搅拌作用，加速可溶性污垢的溶解，直到基体完全清洗干净为止。电镀前对基体进行超声清洗，可以去除影响电镀的氧化物和油膜，使得基体与镀层之间结合更好，提高镀件的质量［11-13］。霍宇翔等［14］对超声波清洗在复合电镀金刚石钻头预处理中的作用进行了研究，采用水基清洗液三氯乙烯作为超声波清洗液，用f为22～23kHz的超声波进行超声波浸蚀清洗，实验结果表明，经过超声清洗的钻头表面润湿接触角小，污垢残留最少，采用超声波加酸洗工艺清洗零件的杂质残留物下降了0.2%以下。刘晓东等［15］采用由OP乳化剂、6501清洗剂等组成的水基清洗液，在声强0.03W/cm2，室温条件下对复合电镀金刚石钻头基体超声清洗2min，实验结果表明，复合电镀前经过超声清洗的钻头基体与沉积粒子的结合能力提高，可以提高复合电镀金刚石钻头使用寿命。王洪奎［16］研究成果表明，采用OP乳化剂清洗剂对待镀零件进行超声波清洗后，产品曲线花纹深处的污染物得到彻底清除，同时避免产品表面划伤，镀18K或24K金后，保证了花纹图形的清晰度和一致性。赵立新等［17］研究了超声波清洗的频率、温度和时间对镀锡钝化膜耐蚀性能的影响，实验结果表明，无超声波清洗时，镀层耐腐蚀性最差，超声波清洗工艺参数 f=59kHz，θ=35～45℃，t=10～15s时，镀锡板的微观表面均匀平整，耐蚀性有明显提高，超声清洗效果明显;Bogdan Niemczewski［18］研究了水基二烯烃清洗液浓度对超声空化强度的影响，实验结果表明，在清洗θ为60℃的条件下，采用4% ～10% 的 Na2CO3、Na2SiO3·5H2O 和 Na3PO4·12H2O清洗液空化强度最大，超声清洗效果最好。超声波的功率、频率及声场分布等因素都会对超声清洗效果产生影响，超声清洗中，不同频率的超声波显示出不同的清洗特性，低频有利于大污垢、较高强度的清洗，而高频则有利于缝隙、间隙和深孔的清洗［19-20〛，因此实际应用中根据污染程度和零件精密程度选择超声清洗参数。

1.2 超声波在金属镀层制备中的应用

超声波条件下制备的镀层具有晶粒精细致密、硬度高、耐腐蚀性好和内应力小等优点，已经应用于镍、铜等单质金属镀层和合金镀层的制备，采用超声波可以提高生产效率，改善镀层表面质量，优化镀层性能［21-25〛。

王秀芝等［26-27］分别在超声波和无超声波条件下制备镍镀层和复合电镀金刚石磨具，研究超声波对镍镀层性能和复合电镀金刚石磨具的影响，实验结果表明，电镀镍过程中引入超声波，可以提高镀层硬度，超声波 P为 200W时，硬度最大达到510HV;在超声波作用下，镍镀层的晶粒细小，镀层呈现压应力状态，镍镀层晶粒细化、加工硬化和存在压应力是超声波电镀镍层硬度提高的主要因素;超声波可以提高镀镍层对金刚石颗粒的包裹能力，提高金刚石磨具的加工性能。Vasudevan等［28］在瓦特镀镍过程中引入f为22kHz、P为0～500W的超声波，研究其对镍镀层性能的影响，实验结果表明，采用超声波可以减少析氢从而提高了沉积速度和允许使用的电流密度，并且极大的提高阴极电流效率，降低镍镀层内应力，提高耐磨性能以及抗疲劳强度，显微硬度由350HV提高到450HV，所获得的镀层表面粗糙度由0.96μm降低到0.56μm。Jensen等［29］研究了高频超声波强化镍离子沉积的机理，实验结果表明，瓦特型镀镍液中，采用频率为1MHz的超声波，三维沟槽底部和沟壁上镍镀层厚度均匀，超声射流和驻波对镍镀层形貌有显著的影响。

利用超声波电镀技术在AZ91D镁合金表面电镀铜，观察铜镀层表面质量，无超声波电镀所得铜镀层表面晶粒粗糙，结合力较差;而利用超声波电镀技术所得铜镀层表面晶粒均匀、平整，结合力强，耐蚀性较好;扫描电子显微(SEM)观察显示80W超声功率下得到的镀层表面比40W超声功率镀层表面平整［30］。赵鹏等［31］研究了超声波对泡沫铜结构及性能影响，施加功率为300W的超声波使铜层晶粒细化，组织致密，且表面粗糙度低，避免了电镀铜表面的结瘤现象，抗拉强度可提高2倍以上，可减少机械加工成型时的断裂现象。Hong等［32］在有无超声波作用条件下，以钛合金为基体，比较在水溶液和有机溶液中制备铜镀层的性质，实验结果表明，超声波减少了铜层的内应力。Chen等［33］在超声波条件下分别利用直流电流和脉冲电流在盲孔中电镀铜，实验结果表明，超声波电镀可以减少阴极表面附近液层的扩散层厚度，提高镀层质量。长宽比小于3∶1的盲孔，电镀中无论是否应用超声波，用脉冲电流即可获得完整镀层;长宽比大于3∶1的盲孔，采用超声波搅拌好于机械搅拌，可以提高阴极附近粒子浓度，有利于粒子的沉积，获得完整镀层。

利用酸性氯化物镀液在低碳钢上镀锌的研究结果表明，超声波作用除了可以提高镀层的硬度外，还可显著增强低碳钢表面锌镀层的抗腐蚀性能，主要因为超声空化作用减少了镀层的孔隙率，使得锌镀层更加致密［34］。

Takashi等［35］利用超声波在铜基体上制备了铱镀层，测试镀层表面质量，实验结果表明，在镀液中加入5mmol/L的丙三醇，电镀过程中应用超声波频率为20kHz时制备的镀层比无超声波条件下制备镀层的表面裂纹少，内应力小，而且将阴极电流效率提高了10%。镀层无论是否使用丙三醇作为添加剂，超声波都可以减少镀层的内应力。

超声波作用下制备的锡-铈合金镀层光亮，呈银白色，结晶更均匀细致，以Sn(101)晶面为主，择优取向明显，无超声波作用下所得镀层以Sn(101)和Sn(112)晶面为主，择优取向较弱;超声波作用下所得锡-铈合金镀层的综合性能优良，结合力强，可焊性理想，尤其抗氧化性能和耐蚀性能更优于无超声波作用下所得的镀层;超声波加快电极过程，优化镀液性能，提高了电沉积速率，有利于锡-铈合金共沉积的形成［36］。超声波电镀Ni-Fe合金的研究结果表明，频率为24.8 kHz超声波条件下制备的镀层中Fe含量明显高于37.9 kHz条件下获得的镀层，但镀层的内应力增加，在镀液中加入糖精，可以减小内应力［37］。研究还发现，超声波影响Ni-Co合金电沉积层机械性能和Co含量，随着超声波功率的增加，Ni-Co合金中钴含量减少，合金镀层的硬度显著增加，韧性也有所提高［38］。

1.3 超声波在制备纳米微粒复合镀层中的应用

纳米材料是近年发展起来的新型材料，以其优良的性能在工程领域得到了广泛应用，它可以作为吸波隐性材料及光反射材料;可制成量子器件、非线性电阻、永磁吸波材料及磁光元件;制备出超硬、高强及高韧性材料，解决陶瓷材料脆性而难以加工的问题。利用复合电镀技术可以制备如Ni-ZrO2、W-Ni等具有特殊性能的纳米复合镀层，在复合电镀过程应用超声波可以提高镀层中纳米颗粒含量，改善镀层性能，提高纳米微粒复合镀层的质量［39-44］。

1)增加复合镀层中纳米微粒含量 利用超声波空化效应可以减少纳米微粒的团聚，增加复合镀层中纳米微粒的含量。吴蒙华等［45］采用超声电沉积方法在20钢基体上制备了镍-纳米微粒碳化硅复合镀层，通过扫描电镜和能谱仪研究超声波对复合镀层的表面形貌和微观结构的影响，实验结果表明，超声功率为300W时，得到的复合镀层中SiC纳米微粒含量较高;同时复合镀层中的镍晶粒得到了细化，取向也由择优取向趋于随机取向。D.Lee等［46］采用电流密度200A/dm2，电镀 θ为50℃，超声声强为70～120W/cm2工艺条件，分别在Si基体上制备出Cu-Al2O3和Cu-CeO2纳米微粒复合镀层，研究了超声波对纳米微粒含量和镀层质量的影响。实验表明，镀层制备过程中不应用超声波时纳米微粒只有2.4%，引入声强为120 W/cm2的超声波时，纳米微粒为6.2%，且分布均匀，超声波对Cu-Al2O3和Cu-CeO2纳米微粒复合镀层起到细化晶粒，改善表面质量，减少团聚，增加了镀层中纳米颗粒的含量。

2)提高纳米微粒复合镀层性能 吴化等［47］采用超声波分散技术在纯铜板上制备含有Si3N4纳米微粒镍基复合镀层，在ρ(Si3N4)为40g/L条件下，未经超声分散和经过超声分散获得的镀层硬度分别为713HV和920HV，镀层磨损质量分别为2.5mg和1.4mg，由于超声波可以加速机械搅拌，复合镀层中纳米微粒分散均匀，提高了复合镀层显微硬度和耐磨性。C.Zanella等［48］分别在直流和脉冲电流条件下制备的纯镍和Ni-SiC复合镀层，研究了超声振动对镀层性能的影响，通过对比实验表明，在采用频率为1Hz的脉冲电流和超声波共同作用下制备的复合镀层w(SiC)达到6%，高于未应用超声波时的4%，镀层显微硬度由375HV增长至400HV，Ni-SiC复合镀层的表面粗糙度为0.83μm优于不使用超声波时的1.9μm，同时电沉积过程中应用超声波可以减少Ni-SiC复合镀层的孔隙率，同时提高镀层的耐腐蚀性能。Cobley等［49］研究了超声波对纳米Au-SiC复合镀层的影响，实验结果表明，不同的超声波功率(20 850 kHz和1 176kHz)条件下，频率高的超声波增加了纳米Au-Sic颗粒的覆盖和分散，而且可以获得更好的机械性能，提高电子元件承受极高温度的能力。Chang等［50］采用瓦特镀液，利用脉冲电流制备了(Ni-Co)-Al2O3复合镀层，研究了不同超声波功率(0～160W)对复合镀层微观组织结构、显微硬度以及颗粒积聚程度的影响，实验结果表明，超声波功率为96W时镀层颗粒精细、取向一致，(Ni-Co)-Al2O3复合镀层中 w(Al2O3)为6.5%，显微硬度达到450HV，均高于功率为0、160W时数值。超声波可以提高(Ni-Co)-Al2O3纳米微粒镀层的综合性能。Dietrich［51］在超声波条件下制备(Ni-Co)-Al2O3纳米微粒复合镀层的实验，结果也表明镀层的显微硬度提高了50%。

2 展望

虽然超声波电镀可以细化晶粒、改善镀层表面的粗糙度，提高电镀效率，得到性能更佳的镀层，但目前仍存在有待进一步解决的问题，如何更好地利用超声波电镀技术，使之在工程中发挥更大的作用，还需要在以下几个方面作深入研究:

1)深入研究超声波强化电镀的机理 目前的研究工作主要是对实验现象进行总结，今后应该对超声电镀微观作用机理深入研究，建立电镀机理模型，解决超声波在镀液中传播时分布不均匀，超声介入方式对镀层性能影响等问题，增强在不同电镀领域的通用性。

2)加强对超声波电镀工艺研究和超声电镀设备的研发 目前超声波电镀技术还没有完全实现工业化应用，今后可以着重对超声电镀的稳定性进行研究，制定优化的工艺条件，研制性能优良的超声电镀装置，实现超声波电镀产品的工业化生产。

3 结语

电镀过程中应用超声波是在不改变镀液成分、电镀参数条件下，快速提高电镀效率和改善镀层性能的一种新方法。机械零部件表面镀层可以起到减摩耐磨、防腐蚀等作用，延长设备使用寿命，因此超声波电镀技术在实现快速电镀和新型复合电镀材料的制备领域有着广阔的研究应用前景。

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Application Progress of Ultrasonic in Electroplating Technology

HE Long，XU Ting，TAN Ye-fa，TAN Hua，YOU Jun
(Engineering Institute of Engineering Corps，PLA University of Science and Technology，Nanjing 210007，China)

High quality electroplating coatings can be obtained via application of ultrasonic which can strengthen electroplating process，improve quality and optimize property for the coatings.In this paper，mechanism and application of ultrasonic in pretreatment cleaning were introduced.Research progress and engineering application of ultrasonic in electroplating for metal coating and nano particles composite coating were summarized.Problems of ultrasonic electroplating which should be solved in further were pointed out.Also the application prospect was predicted.

ultrasonic;electroplating;cavitation;nano particles composite coating

TQ150.5

A

1001-3849(2011)07-0029-06

2011-02-10

2011-03-23