电铸工艺

基于快速原型的精密电铸工艺优化 王立永 秦旭光 唐一平 李涤尘 （西安交通大学先进制造技术研究所 西安710049） 摘要：为了提高产品的开发速度和产品质量，同时满足产品生产的灵活性，采用激光快速成型机生产电铸母模。对于快速原型件，采用新工艺首先使其导电化；又采用脉冲电铸的方法制造模具。并把此新工艺与传统的化学镀工艺加以比较；把脉冲电铸和传统的直流电铸加以比较。通过此电铸工艺的研究，可以大大缩短普通模具的制造时间和复杂模具的制造时间。同时，可以开发出更适合于精密电铸的电铸成型机。 关键词： 快速原型，化学镀，直流电铸，脉冲电铸，电铸成型机 Abstract：To obtain high developing speed and high quality, and at the same time, meet the requirement of flexibility of manufacturing, the master pattern of electroforming is made by RP machine. A new process is used to make the RP parts conductive, then the mold is fabricated by pulse electroforming .The new process and the traditional chemical plating are compared. Also, the pulse electroforming and traditional DC electroforming are compared. The manufacturing period is remarkably decreased on the basis of the research. At the same time, using this process, more precision electroforming machines could be developed.. Keywords：RP，chemical plating，DC electroforming, pulse electroforming, electroforming machine

前言 快速成型(RP—Rapid Prototyping)技术，就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；而后采用多种手段，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“自由成形制造（SFF）”，它所具有的快速性﹑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。 而电铸是一种利用金属离子阴极电沉积原理来制造金属零部件的工艺。电铸层是由金属离子在阴极芯模上“堆积”而成的,其工作表面与芯模紧密贴合,因此它具有很高的复制精度。另外,从原理上讲,用一个芯模可制成多个形状完全相同的模腔,所以它又具有很高的重

复精度。电铸工艺的这些特点对于保证一模多腔的尺寸一致性是非常有利的【1】。 但是，对于快速原型件，它不同于一般的母模，它是有树脂光固化所生成，如下图1所示,要考虑到树脂本身的化学、物理和光学性质。 图1 光固化树脂小鸭原型 首先其机体是不导电的，因此，在电铸之前，要使其导电化；其次它又不同于一般的非金属机体。所以从导电化开始，就有了不同于传统的化学镀和电铸工艺。 1基于RP的电铸工艺流程 快速原型制造→原型导电化→电铸镍(铜) →脱模 2实验工艺优化讨论 2.1快速原型导电化 用化学镀的方法在芯模表面镀复导电层时。其工艺为：首先要用酒精清洗表面的半固化树脂，酒精清洗之后，要用丙酮再次清洗，最后用碱性除油；之后，进行敏化和活化。化学镀镍采用了最新的工艺配方。 2.1.1化学镀的前处理 选用化学镀工艺制备导电层,需对基体进行除油、粗化、敏化及活化等处理步骤。本实验中的芯模是由树脂在成型机上加工而成型的,首先要对芯膜表面处理，以除去表面的树脂残余物。同时，在加工成型过程中不可避免地会存在一定的残余应力，为了获得精密度高、尺寸不失真的复制件,要消除残余应力。采用以下工艺。 酒精 20min 丙酮 15min 煤油 150min 再放置入含有下列组成的碱性除油液中,在55℃下处理20min左右。这里要严格控制温度，以

防止原型的变形。 NaOH 50～80g/L Na2CO3 15～20g/L NaCL 10～20 g/L Na3PO4·12H2O 20～30g/L 此碱性除油液，和传统的相比较，是新加入了NaCL，加入钠盐之后，它的除油效果大大改善；并且改善了芯模表面的亲水性，效果均匀。 经过以上除油之后，对于一般的芯模，其要求已经达到，但对于精度很高的芯模，可进一步超声波除油。超声波的空化作用及强烈的搅拌作用,不但使除油效率大大提高,并进一步改善了芯模表面的润湿性。除尽油污并经水洗干净的芯模还须进行以下几个处理步骤: （1）粗化(分两步) ①12烷基硫酸钠溶液 适量 温度 室温 时间 30min②柠檬酸 适量 温度 室温 时间 30min（2）敏化 SnCl2·2H2O 10～20/L HCl (浓) 5～10mL/L温度 室温 时间 20min （3）活化 PdCl2 0.5～1.0g/L HCl (浓) 5～10mL/L 温度 室温（4）还原 氨水：水 1：9 温度 室温 时间 10min 在每个过程中间，都要用去离子水清洗干净，以防止溶液间的

相互腐蚀，同时，用去离子水清洗，可以使快速原型有更好的表面性能。 2.1.2化学镀镍 采用化学镀技术在芯模表面镀覆金属层,主要目的是为电铸模具施加导电层,同时还必须兼顾模具表面粗糙度。 设计了以Ni(NH2SO3)2·H2O加盐酸为主盐的化学镀镍工艺。同时，加入添加剂。在实验过程中要一直监视添加剂的含量，要不段的补充。经过多次的试验摸索出了在如下的溶液组成及工艺条件下,基本可以在芯模上获得镀覆完整、均匀的镍镀层【2】，如下图2所示。 图2 氨基磺酸镍镀镍镀镍件 Ni(NH2SO3)2.H2O 30～50g/L 盐酸 0.1 ～0.5ml/L NaH2PO.H2O 5～20g/L MgSO4 .7H2O 5～10 g/L Na3C6H8O7.2H2O 30～50g/L

添加剂 1～2ml/L PH 8.0～9.0 温度 40～48℃ 采用上述氨基磺酸盐加盐酸和添加剂的化学镀镍新工艺的特点是:镀层不开裂，表面光滑，并且实现了低温化学镀,保证了芯模本身不发生变形。 2.2脉冲电流电铸 一般认为金属微结构是影响结晶材料物理特性的一个重要因素。在电化学沉积时,晶粒大小会随着许多工艺条件的变化而变化。通常在极限电流密度范围内,阴极的电化学极化程度越大,沉积所得晶粒直径越小,组织越致密。加上很高的瞬间电流密度后,可以显著降低浓差极化,减薄扩散层厚度,大大提高极限电流密度,强化电化学极化程度,从而获得更致密、晶粒更小、晶粒形貌更好的电铸层。这些微结构的改变常常导致了电沉积层物理性能和力学性能的改善【3】。 2.2.1电铸成型机 在电铸中，采用西安交通大学先进制造技术研究所自行研制和开发的电铸成型机(如图3所示)。 在本系统中，电沉积单元采用封闭结构,由耐腐蚀的绝缘材料制成。电铸液在内部高速流过,使得阴极表面离子补充速度很快,扩散层变薄,过电位增加,这样可以显著提高极限电流密度,使得能在很大的电流密度范围内进行试验；它有三个不同的槽，电铸液分开盛放。在每个槽中，都有加热器，可以根据不同的要求，来选择加热或者常温，也可同时选择电铸铜或者电铸镍；它可以根据不同的母模选择采用直流电铸或者是脉冲电铸。在选择脉冲电铸时，又根据不同的要求，来确定占空比；它的渡槽和循环泵相连，可以使渡液很均匀。同时，在下部，有过滤槽，可以定时过滤，使渡液保持干净。 图3 电铸成型机 2.2.2电铸镍和电铸铜溶液

配方 电铸镍： 氯化钠 10g/l 硫酸镍 190g/l 硼酸 30g/l 硫酸钠 25g/l 硫酸钴 12g/l 苯二磺酸钠 7.5g/l 甲醛 2ml/l 十二烷基硫酸钠 0.1 g/l 添加剂 2～4 ml/l 温度 20-30℃ PH值 5.8～6.2 电流密度 0.8～2.5 A/dm2 电铸铜： 硫酸铜 195～225 g/l 硫酸 52.5～67.5 g/l CL-1 50～100PPM 添加剂1 3～5ml/L 添加剂2 1～3ml/L 温度 32℃左右 电流密度 2～4A/dm2

3实验结果与分析 在进行直流电铸时得到的金属层晶粒粗大而且致密度比较差,原因是直流电铸过程中的阴极极限电流密度较小、电化学极化程度较低,不利于沉积层性能的提高。采用脉冲电流进行电铸，相对于直流电铸,它可以采用更高的瞬间电流密度,显著改善沉积层的各种性能。如下图4所示，是直流和脉冲电镀表面粗糙度的比较。 电化学沉积层的微结构和主晶粒数目多少有关。一般来说,主晶数目越多,晶粒尺寸越小,沉积层越致密。在脉冲电沉积时,由于存在脉冲间歇时间而提高了极限电流密度和降低了浓差极化,使得可以施加高的瞬时电流密度,产生高的电化学极化,使得主晶数量增加,新晶核出现几率加大,结晶细密,沉积层质量提高【4】。 如下图5所示，是直流电铸镀出的模具表面。在这里，可以很清楚的看到，表面非常粗糙，还有很多的面上没有镀上镍，且模具表面开裂。而当用脉冲电铸是，可导致细小、均匀的晶粒生成。 与直流电铸相比,脉冲电铸可以有效降低损电极耗率。在脉冲电流电铸中可以施加很高的瞬间电流密度,产生更高的电化学极化效果,导致更细小、更均匀的晶粒生成。和直流相比,脉冲电流能够细化晶粒、改进沉积层的某些性能、提高沉积层的抗火花能力【5】。试验结果表明,在一定的电流密度范围内,无论是采用直流还是脉冲进行电铸,损耗率总是随着电铸平均电流密度的增大而减小。 下面是在电铸成型机中用脉冲电铸和直流电铸分别铸出的飞机叶轮。它们采用以上工艺，电铸了30个小时。通过对比图6和图7，可以更清楚更全面的看到，脉冲电铸和直流电铸的区别。 图5 直流电铸镍模具的表面 1. 直流电铸I=4A 2. 脉冲电铸I＝4A Ton=o.4ms,Toff=0.6ms a光滑 b半光滑 c粗糙 d树状及烧焦 图4 沉积层表面粗糙度

4结论 通过大量的实验，我们成功的研制出一种化学镀镍液。与普通模具所采用的芯模相比，可节约大量工时，并大幅度降低生产成本。该镀液的操作温度低，所得镀层内应力小，可以在以成型机制作的快速原型芯模上制备导电层。 采用脉冲电流电铸，可以细化晶粒，显著改变电铸层质量，在实际应用中获得良好的效果。同时，对于提高铸层质量，拓宽镍电铸在模具制造中的应用范围有着重要的意义。在此实验的基础上，也大力发展与开发了新产品－电铸成型机。 参考文献 1覃奇贤,郭鹤桐,刘淑兰,等.电镀原理与工艺.天津:天津科学技术出版社.1993.330. 2伍学高,李铭华,黄渭澄.化学镀技术.成都:四川科学技术出版社.1985.102. 3 赵剑峰 脉冲电流电铸的试验研究 南京航空航天大学研究生论文,1996 4 K M Bahcobckar 林能春等译 工业电铸 兵器工业出版社,1991 5 朱荻,云乃彰等 小模数齿轮模具型腔电铸成形技术 南京航空学院学报.