高厚度均匀性电铸装置的研制

毕向阳，明平美

（河南理工大学机械与动力工程学院，河南焦作454003）

电铸是一种基于电化学沉积原理进行金属结构和零件高精度复制或成形的特种加工技术。因其具有加工精度高、操作温度低、被加工件性能易控制等优点，故在工业界应用广泛。如何实现大面积电铸件（层）厚度及其均匀性的有效控制，常常是电铸工艺的难题和关注重点。对此，业界学者从电解液组分、工艺参数等角度研究揭示了它们与电铸层厚度均匀性的关系[1-2]。但实际上，在电沉积操作条件既定的情况下，电铸件（层）厚度的均匀性更多取决于阴极面电场和流场的分布特性。国内外学者也在这两方面开展了许多积极的研究与探索工作。Botts等[3]对阳极篮的结构进行优化设计，以期改善阴极表面的电场分布，进而提高电铸层厚度的均匀性；更多的研究[4-6]则是把不同结构特征的屏蔽板置于阴阳极之间，用来均化阴极表面的电场分布，以期获得厚度均匀性更好的电铸层（件）；还有的采用阴极水平或垂直移动的方式来进一步提高阴极表面流场分布的均一性，从而获得更高品质的电铸产品[7-9]；也有人利用特别设计的强制对流方式（如喷射[10]、循环搅拌[11]、高频振动搅拌[12]、磁场辅助搅拌[13]等）来改善电极过程流场的分布特性。尽管上述措施及方法在不同程度上减小了电铸层厚度分布的差异性，但尚未达到令人满意的应用效果。这是因为在电沉积过程中，电场和流场分布的协同均匀化至今仍未得到很好的解决；而上述效果的实现必定依存于电沉积工艺实施的载体，即电镀或电铸装置。故本文以在电沉积过程中同时获得均匀的电场分布与流场分布为目标，在优化设计电铸槽的结构布局、阴阳极的配置关系和电解液循环方式等核心要素的基础上，拟研制开发一种高厚度均匀性的电铸装置。

1 总体设计

本文设计的高厚度均匀性电铸装置主要由电铸槽、阳极、阴极周向等距移动机构、阴极单元、空气搅拌单元、相关监测控制单元及电铸液循环过滤单元等组成。其中，阴极单元包含阴极、阴极装夹体及阴极屏蔽板。如图1所示，阴极3固定在阴极装夹体4上，阴极装夹体与阴极周向等距移动机构6连接。阴极屏蔽板5置于阴极正前方并固定安装在阴极装夹体上，其与阴极间的距离可调。阳极7和阴极竖直平行布置，且阳极可相对于阴极移动，以调节它们的间距。空气搅拌单元1的出气口阵列设置于阴极面附近的正下方。相关监测控制单元2主要包括用于在线监测或控制温度、pH值、金属离子浓度、添加剂组分与浓度等核心参数的多个监控单元。此外，电铸液循环过滤单元（图1未示）既能实现电铸工艺过程所必需的基础功能，又能自动实现给液、回液及槽液互换等功能。

图1 总体设计示意图

阴极屏蔽板与阴极周向等距移动机构是本设计的关键研制部件，它们的协同作用很好地实现了阴极表面电场和流场的均匀分布，从而保证电铸层厚度分布的均一性。

2 阴极面电、流场均匀化分布实现机构设计

2.1 设计思路

根据电化学沉积基础理论可知，电沉积金属层厚度分布具有取决于电流密度与阴极电流效率的分布特性。而电流密度正比于阴极面所接收电力线分布的疏密度；阴极电流效率有赖于传质效率、金属离子与添加剂粒子浓度、电流密度等多种因素的综合效果。一般认为，在既定的槽液体系中，阴极面电流密度与液相传质的均匀分布是获得等厚金属沉积层的重要前提。而在实际应用中，由于阴、阳极实际表面积的不等性、活性粒子浓度分布的不均性等因素的影响，宏观尺度阴极面的电流密度常常呈现“周边大、中心小”的分布特征（图2a）；另一方面，电解液常规致动措施极难在大面积阴极面上形成大小相等的液流速度，这就导致或进一步加剧了电流密度分布的不均匀性。为此，综合采用如下特殊措施来解决该问题：

（1）在阴极面正前方设置随动式阴极屏蔽板。普遍认为，在阴极面正前方的适当位置设置含有通孔的固定电绝缘屏蔽板，能在一定程度上减小阴极面周边过度集中的电流线，进而均化其分布 （图2b）。由于本研究的阴极一直作周向大振幅等距平面移动，显然，此时仍设置固定不动的阴极屏蔽板可能无法获得很好的效果。为此，本文特别采用了与阴极同步运动的“随动式阴极屏蔽板”来保障其作用效果（图2c）。研究证实，采用中心开设有截面形状与被沉积区域相似、且面积约为后者2/3的通孔的随动式阴极屏蔽板，并合理选取屏蔽板与阴极面间、阴阳极间的距离，能获得理想的工艺效果。

图2 电场分布示意图

（2）阴极作周向等振幅平面振动。采用振动式阴极是一种已被证实的简单有效的电解液搅拌方式，与其他电解液致动方式（如空气搅拌、自循环搅拌、磁场辅助等）相比，它更易在大面积阴极面上获得相对均匀的流场分布。但现有常见的单一方向的移动方式极难实现理想的均匀化流场，为此，本文特别采用了周向等振幅（振幅根据需要可调）平面移动式阴极来解决这一难题[14]。研究表明，即使不施加额外的强制对流，这种周向等距的阴极移动方式也能满足电沉积过程的传质要求，且能在阴极面上获得较均匀的流场。

2.2 机构设计

根据上述设计思路，研制的集成有阴极周向等距移动机构和阴极屏蔽机构的组件见图3。其工作机理如下：驱动轴1在动力源（图3未示）的驱动下带动曲柄2及与其连接的连杆4旋转，连杆带动与其滚动联接的挂杆7作以一定长度为半径的平动，进而带动固定连接于挂杆的阴极安装板8作同步平动，最终带动固定于阴极安装板上的阴极9及阴极屏蔽板10作周向等距平面移动。因为阴极在电沉积过程中始终作周向等距平面移动，所以能在阴极面上各点获得尽可能均匀的流场。考虑到不同工况的适应需求，设计的周向等距平面移动的转速（频率）和振幅都可调。

图3 阴极周向等距移动机构和阴极屏蔽机构示意图

在实际应用中，包含阴极屏蔽板、阴极等的阴极单元的几何中心与质量重心很可能不重合，加上电解液搅拌力的不均匀性等因素，挂杆在工作时极难始终保持竖直姿态。为此，本文特别设计了防偏机构。其中，可相对于挂杆作水平移动的防偏横梁6横贯挂杆，且其两端与固定于电铸槽侧壁的导轨固定板5上的可移动竖直导轨3滚动配合。这样，挂杆在工作时就能始终保持竖直方向。此外，通过调节螺杆11可调整屏蔽板与阴极的间距，以便适用于不同的电沉积工况。

3 结语

为解决大平面电铸层的不等厚问题，以在阴极面上获得尽可能均匀的电场和流场分布为目标，研制了一种电铸装置。其中，阴极周向等距平面移动机构和随动式阴极屏蔽板是核心部件。应用结果表明，该电铸装置能达到预期的效果。

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