??
摘要:闡述了近年來(lái)我國(guó)電鑄技術(shù)的研究發(fā)展方向，分析了細(xì)化晶粒改善鑄層質(zhì)量的方式，包括改變電源、使用添加劑、采用射流等。介紹了電鑄與其它工藝的結(jié)合，如電弧噴涂、連接技術(shù)、微機(jī)械技術(shù)、快速制模技術(shù)等。指出了我國(guó)電鑄技術(shù)存在的問(wèn)題是加工時(shí)間長(zhǎng)、鑄件均勻性差、鑄層厚度有限、復(fù)雜形狀鑄件研究較少和光亮鍍液維護(hù)困難等，并給出了解決思路。
關(guān)鍵詞:電鑄技術(shù);研究進(jìn)展;存在問(wèn)題;解決思路
中圖分類號(hào):TG178;TQ153 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼;A
文章編號(hào):1004一227X(2006)11 一0038一
1 前言
電鑄技術(shù)是一種基于電沉積原理，使來(lái)自金屬鹽溶液的金屬正離子在電場(chǎng)力的作用下遷移到陰極獲得電子還原成原子，并沉積于涂有脫模劑的陰極母模表面川，最后沉積金屬與母模完全分離從而獲得產(chǎn)品的制造技術(shù)。1938年俄國(guó)科學(xué)家耶可夫用電鑄方法把雕刻銅板上微細(xì)刻痕精確地再現(xiàn)到另一塊銅板上，此后，電鑄技術(shù)很快便被應(yīng)用于復(fù)制印刷紙鈔的雕刻銅板上。時(shí)至今日，電鑄技術(shù)的應(yīng)用更加廣泛，在歐美已用于制造火箭噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻室、太陽(yáng)能儲(chǔ)能飛輪，在日本用于汽車內(nèi)飾件的制造、電子工業(yè)中印刷焊膏和膠粘劑模板[’」，在我國(guó)電鑄技術(shù)被應(yīng)用于激光商標(biāo)、光盤、精密齒輪、精密模具、標(biāo)牌、藥型罩等方面。由于電鑄制品具有極好的復(fù)制精度和重復(fù)精度，在微小、異型零部件的生產(chǎn)方面有著其它制造技術(shù)無(wú)法替代的特點(diǎn)而被人們不斷的研究和深化。近年來(lái)我國(guó)對(duì)電鑄技術(shù)的研究主要集中在2個(gè)方面:一方面是通過(guò)細(xì)化晶粒以改善電鑄沉積層的表面質(zhì)量和微觀組織，另一方面就是電鑄與其它先進(jìn)制造技術(shù)的結(jié)合。
1 前言
電鑄技術(shù)是一種基于電沉積原理，使來(lái)自金屬鹽溶液的金屬正離子在電場(chǎng)力的作用下遷移到陰極獲得電子還原成原子，并沉積于涂有脫模劑的陰極母模表
面川，最后沉積金屬與母模完全分離從而獲得產(chǎn)品的制造技術(shù)。1938年俄國(guó)科學(xué)家耶可夫用電鑄方法把雕
2 通過(guò)細(xì)化晶粒改善鑄層質(zhì)量
當(dāng)許多金屬和合金的晶粒細(xì)化時(shí)，如由常規(guī)的平均晶粒直徑1 mm細(xì)化到10 Jim時(shí)，其屈服強(qiáng)度、各種應(yīng)變程度時(shí)的流動(dòng)應(yīng)力、斷裂強(qiáng)度、硬度和疲勞強(qiáng)度都有提高「’}。可見，晶粒的大小與金屬的機(jī)械、物理、化學(xué)等性能有著密切的關(guān)系，所以晶粒尺寸的細(xì)化是材料機(jī)械性能等獲得全面提高的有效措施。
2.1 以改變電源的形式細(xì)化晶粒
電鑄工藝問(wèn)世以來(lái)，一直采用耗電多和占地大的直流發(fā)電機(jī)。近年來(lái)，隨著半導(dǎo)體工業(yè)的發(fā)展，低壓大、電流的硒整流器和硅整流器的出現(xiàn)，在電鑄工藝中已逐步取代直流發(fā)電機(jī)。實(shí)踐中發(fā)現(xiàn)，改變施加電流的方式，會(huì)對(duì)鍍層組織產(chǎn)生影響。施加電流的改變方式主要有改變電流波形、換向電流、沖擊電流及交直流疊加(用于低溫鍍鐵)、脈沖電流等。合理的選用所要施加的電流方式對(duì)鍍層質(zhì)量及生產(chǎn)效率的提高都是有利的[41。
需要特別提一下的是脈沖電鑄。從金屬電沉積原理來(lái)分析，脈沖電流能有效地改善金屬離子的電結(jié)晶過(guò)程。金屬沉積時(shí)的結(jié)晶形態(tài)和生長(zhǎng)方式與陰極極化過(guò)電位密切相關(guān)，隨著過(guò)電位的增加，晶粒變細(xì)，鑄層變得致密。南京航空航天大學(xué)的同仁們?cè)诿}沖電流方面作了大量的研究工作，趙劍峰等人認(rèn)為采用脈沖電鑄可減小陰極表面的濃差極化，采用較高的電流密度，制品光滑表面的范圍有擴(kuò)展的可能。這是因?yàn)樵诿}沖電鑄的條件下，脈沖間隔時(shí)間允許電鑄液中的金屬陽(yáng)離子通過(guò)擴(kuò)散和對(duì)流的方式補(bǔ)充到陰極表面，減小陰極表面的濃差極化，從而可采用更高的電流密度，得到更高的電化學(xué)極化而細(xì)化晶粒，提高鑄層致密度。
2.2 使用添加劑細(xì)化晶粒
在傳統(tǒng)的電鑄工藝中，添加劑常被用于細(xì)化晶粒，減小應(yīng)力，以改善鍍層質(zhì)量。但在長(zhǎng)時(shí)間的電鑄過(guò)程中，許多添加劑均會(huì)有不同程度的消耗，從而導(dǎo)致電解液成分的穩(wěn)定性變差，最終直接影響電鑄層的質(zhì)量。但是近幾年來(lái)，國(guó)內(nèi)電鑄方面的科研人員借鑒其它學(xué)科的研究成果，在相對(duì)簡(jiǎn)單的電鑄液中，加人有特殊性能的添加劑，發(fā)現(xiàn)也可以達(dá)到細(xì)化晶粒的目的。
2.2.1 加入硬質(zhì)粒子
文獻(xiàn)「 6」和「7」使用常規(guī)旋轉(zhuǎn)電極的電沉積技術(shù)，引人陶瓷球、玻璃微球等一類硬質(zhì)粒子，使其在旋轉(zhuǎn)芯模帶動(dòng)下，摩擦和撞擊陰極表面，有效地去除了沉積層表面的吸附氣泡和積瘤，獲得了表面平整光亮的電鑄層;通過(guò)減薄擴(kuò)散層和擾動(dòng)結(jié)晶過(guò)程，細(xì)化了晶粒，提高了電鑄速度。
2.2.2 添加稀土微粒
稀土元素獨(dú)特的4f層電子結(jié)構(gòu)使得稀土金屬或合金具有獨(dú)特的功能:高催化活性、高磁性、超導(dǎo)性、光電轉(zhuǎn)化、光磁記憶、高儲(chǔ)氫量、耐蝕耐磨等，成為發(fā)展現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)不可缺少的功能材料，是材料科學(xué)領(lǐng)域中的一個(gè)熱門研究課題，受到各國(guó)科學(xué)工作者的極大關(guān)注。但稀土在電鑄工藝中的應(yīng)用還處在探索階段。蔣軍濤等人「’」通過(guò)向鑄液中添加稀土Lac13，研究不同的稀土添加量即稀土陽(yáng)離子對(duì)電鑄液特性、鑄層微觀結(jié)構(gòu)以及機(jī)械性能的影響，結(jié)果發(fā)現(xiàn)在鑄液中添加LaC13后，其在陰極表面發(fā)生了特性吸附，結(jié)果是促使電沉積鎳的陰極極化增強(qiáng)，即過(guò)電位增大，在電結(jié)晶過(guò)程中晶核的形成速度大于晶粒長(zhǎng)大速度，從而有利于形成細(xì)小的晶粒，改善鑄層的機(jī)械性能和物)'t能。
稀土化合物納米粉體集稀土特性和納米特性于一體，具有許多特殊的物理化學(xué)性質(zhì)。薛玉君等人[s〕采用復(fù)合電鑄工藝制取了含城03納米顆粒的鎳基復(fù)合電鑄層，研究發(fā)現(xiàn)復(fù)合電鑄層的晶粒細(xì)小，組織致密，其表面粗糙度較小，且隨著La203納米顆粒共沉積量的增大，復(fù)合電鑄層表面更加平整，組織也更加細(xì)致均勻，基質(zhì)金屬Ni的晶粒得到了進(jìn)一步細(xì)化。分析認(rèn)為這主要是由于電解液中的納米顆粒降低了金屬成核反應(yīng)的過(guò)電位，并成為新晶核生長(zhǎng)點(diǎn)，在電沉積過(guò)程中給電極生長(zhǎng)界面提供了更多的生長(zhǎng)中心，同時(shí)抑制晶體長(zhǎng)大，起到了晶粒細(xì)化的作用。
2.2.3 添加納米氧化悟和碳化硅顆粒等
眾所周知 ，金屬材料的性能與材料組織的晶粒大小和致密度有著密切關(guān)系。當(dāng)金屬材料晶粒尺寸減至納米級(jí)(0.1一100 nm)時(shí)，其本身具有量子尺寸效應(yīng)、小尺寸效應(yīng)、表面效應(yīng)和宏觀量子隧道效應(yīng)，因而展現(xiàn)出許多特有的性質(zhì)[9]。文獻(xiàn)「10],[11]研究了納米顆粒如氧化錯(cuò)、碳化硅顆粒加人鍍液中，對(duì)復(fù)合電鑄層組織和形貌的影響，發(fā)現(xiàn)當(dāng)采用合適的電鑄時(shí)間、電流密度等工藝參數(shù)時(shí)，這些納米粒子的加人可以起到細(xì)化晶粒，提高鑄層致密度和鑄層表面光潔度的作用。
2.3 采用噴射(射流)電鑄細(xì)化晶粒
射流電鑄是將含有高濃度鑄層金屬離子的電解液以高速射流的方式噴向陰極表面進(jìn)行電鑄的一種工藝技術(shù)。與傳統(tǒng)電鑄相比，該工藝具有可用電流密度大，電流效率高，金屬結(jié)晶細(xì)化和鑄層致密度高等優(yōu)點(diǎn)〔121。燕山大學(xué)對(duì)此開展了相關(guān)的研究，其實(shí)驗(yàn)研究結(jié)果表明，噴射電沉積的沉積速度可高達(dá)32 }Lmin，為常規(guī)電沉積的90倍左右，沉積鎳層的平均硬度可達(dá)552 IN，高于常規(guī)200 HV左右。沉積層晶體呈柱狀生長(zhǎng)，并在實(shí)驗(yàn)中獲得了20一30 nm的鎳結(jié)晶沉積層。趙陽(yáng)培等人用自行研制的射流電鑄快速成型設(shè)備制作了一組厚約0.5 m m的金屬銅零件。其實(shí)驗(yàn)條件為:酸性硫酸銅電解液，電流密度為300 A/dm2，電解液流量30 L/h，噴嘴掃描速度為10 mm/s，噴嘴口徑1 mm，噴嘴距離0.5 mm，電解液溫度30℃。成型的銅零件在X,Y 方向的尺寸公差達(dá)到士0.2 m m，圓角半徑r<1·5 mm [14-151。
3 電鑄與其它工藝的結(jié)合
由于電鑄技術(shù)具有極高的復(fù)制精度，因此在激光防偽商標(biāo)模板、精密模具、微機(jī)械構(gòu)件等方面得到了一定的應(yīng)用。但電鑄技術(shù)也存在一些制約其廣泛應(yīng)用的缺點(diǎn)，如加工時(shí)間長(zhǎng)，鍍層厚度均勻性差，鑄層易出現(xiàn)缺陷等，因此如何能夠既利用其復(fù)制精度和重復(fù)精度高的優(yōu)點(diǎn)，又能克服其缺點(diǎn)，成了近年來(lái)人們研究的一個(gè)熱門課題。
3.1 電鑄與電弧噴涂的結(jié)合
目前，電鑄與電弧噴涂制模的主要應(yīng)用方面是快速制造注塑模具。華中科技大學(xué)的唐正連等人以EQ140一汽車霧燈燈罩為原型進(jìn)行電鑄和電弧噴涂。該汽車燈罩外表面是光滑曲面，內(nèi)表面有細(xì)小的凹曲面，并且燈罩上有安裝孔。由于汽車燈罩的內(nèi)表面形狀復(fù)雜，普通的機(jī)加工方法難以完成，如果采用數(shù)控加工或電火花加工，其成本大約在4000一5000元之間，模具制作時(shí)間一般在一個(gè)月左右。選用電鑄和電弧噴涂技術(shù)制模，其制模成本為1 820元，制模時(shí)間為85h '161 。電鑄與電弧噴涂相結(jié)合快速制模工藝能夠一次性精確復(fù)制出復(fù)雜的表面形狀，而且成本低廉、制作時(shí)間短。
王伊卿等人以葉片EDM電極的制造過(guò)程為例，在保證不降低電鑄模具使用性能的前提下，將電鑄技術(shù)與電弧噴涂工藝相結(jié)合制造EDM電極，結(jié)果顯示可有效降低制造周期和成本，實(shí)現(xiàn)快速制模的目的。與傳統(tǒng)的電鑄工藝相比，制造成本為10%左右，制造周期約為25% ""。
3.2 電鑄與連接技術(shù)的結(jié)合
電鑄技術(shù)雖然是一種精密制造技術(shù)，可以解決許多常規(guī)機(jī)加工難以解決的問(wèn)題，但對(duì)于具有凸凹、波紋筋片等零件，由于芯模表面的電場(chǎng)不均勻，很難用常規(guī)電鑄方法制取高質(zhì)量的產(chǎn)品。文獻(xiàn)「18],[19〕指出，采用組合式電鑄連接技術(shù)(即組合電鑄成形技術(shù)，是指將兩個(gè)或多個(gè)部件進(jìn)行組合后，再采用電鑄技術(shù)連接為一體，該技術(shù)避免了高溫連接如焊接等，使零件產(chǎn)生很大內(nèi)應(yīng)力甚至變形的情況，解決了焊接、膠結(jié)組合等常規(guī)機(jī)械連接方法不能滿足產(chǎn)品要求的特殊場(chǎng)合)可使這一類零件的制造成為可能。通常情況下，受力較小的產(chǎn)品如微波器件、波導(dǎo)、傳感器等，完全可以采用組合式電鑄連接工藝技術(shù)。
3.3 電鑄與微機(jī)械技術(shù)的結(jié)合
電鑄技術(shù)的特點(diǎn)使其非常適合作為精細(xì)結(jié)構(gòu)的精密制造手段，MEMS技術(shù)的進(jìn)展提供了這樣的機(jī)遇，高深寬比光刻技術(shù)與電鑄技術(shù)相結(jié)合，誕生了非硅基MEMS加工的關(guān)鍵技術(shù)— 微電鑄工藝。微電鑄是相對(duì)于常規(guī)電鑄工藝而確立的新概念，它是針對(duì)微小結(jié)構(gòu)(主要是微米/納米尺度結(jié)構(gòu))的成型加工技術(shù)，既可以看作是在微細(xì)加工模具基礎(chǔ)上的電鑄成型技術(shù)，也可以認(rèn)為是掩膜電鍍在高深寬比方向發(fā)展的結(jié)果，應(yīng)用微電鑄工藝進(jìn)行精細(xì)結(jié)構(gòu)加工的典型是“LIGA/準(zhǔn)LIGA技術(shù)”。
LIG A 技 術(shù)是由W.Eh rfeld等人在德國(guó)卡斯魯爾的原子核研究中心(FZK)發(fā)展起來(lái)的，并于1986年首次進(jìn)行了公開報(bào)道'20'o LIGA是德文Lithographie(光刻)、Galvanoformung(電鑄),Abformung(塑鑄)3個(gè)字的字頭縮寫，包括同步輻射X射線深度光刻、電鑄和塑鑄3個(gè)主要工藝環(huán)節(jié)，是一項(xiàng)新的微細(xì)加工技術(shù)。其中，X射線深度光刻工藝?yán)肵射線的線寬控制和穿透能力，通過(guò)對(duì)厚膜光刻膠的深度曝光和顯影，實(shí)現(xiàn)高深寬比的光刻膠微結(jié)構(gòu)，與掩膜電鍍技術(shù)的紫外光刻工藝相似，相當(dāng)于電鑄技術(shù)的模具加工工序，微電鑄工藝通過(guò)填充上述高深寬比光刻膠微結(jié)構(gòu)的空隙，實(shí)現(xiàn)精細(xì)結(jié)構(gòu)金屬化成型，并可以進(jìn)一步制作成為微型模具。
我國(guó)自1992年開始開展LIGA工藝技術(shù)的研究，至今已取得了顯著的成果[21,23]。華中科技大學(xué)機(jī)械科學(xué)與工程學(xué)院的馬龍等人用準(zhǔn)分子激光加工高深寬比的聚甲基丙烯酸甲醋微孔結(jié)構(gòu)，并以此和光刻走奧的微結(jié)構(gòu)作為模具，進(jìn)行了微電鑄試驗(yàn)，通過(guò)對(duì)電鍍參數(shù)方法進(jìn)行調(diào)整和優(yōu)化，改善了微結(jié)構(gòu)加工中鍍液難以進(jìn)入孔隙、濃差極化嚴(yán)重、結(jié)晶粒子不能得到及時(shí)補(bǔ)充等缺點(diǎn)，得到了線寬為10 R,m級(jí)的微型結(jié)構(gòu)〔24]。北京中國(guó)科學(xué)院高能物理研究所的鄒麗蕓等人結(jié)合LIGA技術(shù)和微細(xì)電火花加工的優(yōu)點(diǎn)，用LIGA技術(shù)制備出具有復(fù)雜形狀的銅微細(xì)工具電極，再用該工具電極進(jìn)行微細(xì)電火花加工，在不銹鋼上加工出異形微細(xì)孔，并通過(guò)進(jìn)一步調(diào)整電火花加工工藝參數(shù)，優(yōu)化了加工尺寸精度和表面粗糙度。
3.4 電鑄與快速制模技術(shù)的結(jié)合
快速成型(RP,Ra pidP rototyping)技術(shù)是一種新的，不同于傳統(tǒng)手段的制造技術(shù)，屬于先進(jìn)制造技術(shù)的范疇。該技術(shù)在20世紀(jì)80年代后期迅速發(fā)展[26]。目前，快速成型技術(shù)已趨向快速制造和快速工模具的制造，如快速制造電火花電極或塑料模具;用快速成型制成的母模電鑄銅，可用作電火花電極進(jìn)行模具型腔的加工;用快速成型制成的母模電鑄鎳，可直接制造塑料模具;將電鑄技術(shù)與快速成型技術(shù)結(jié)合可直接成型金屬零件[27]。電鑄與快速成型相結(jié)合可大大縮短模具的制造周期，有著良好的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益。
4 電鑄缺陷的巧妙利用
電鑄過(guò)程中如果工藝控制不當(dāng)，往往會(huì)產(chǎn)生一些缺陷，因此如何避免這些缺陷成了電鑄工藝研究的重要方面。但有研究人員卻巧妙地將這些缺陷加以利用，得到了意想不到的效果。將電鑄中產(chǎn)生的樹枝狀結(jié)瘤應(yīng)用于制造換熱銅管:即在銅管的外表面用高電流密度進(jìn)行電沉積，使其生成樹枝狀結(jié)瘤，再在正常電流密度下進(jìn)行電沉積加固，最后進(jìn)行滾壓使其具有適宜的剛性，從而成為粗糙帶孔穴的換熱銅管。測(cè)試表明，這種銅管的換熱量比常規(guī)的帶肋條的銅管約高13倍。
利用電鑄中金屬沿絕緣材料邊界“爬升”的現(xiàn)象電鑄小模數(shù)齒輪模具型腔:在進(jìn)行深槽電鑄時(shí)，金屬沉積層會(huì)沿絕緣材料邊界“爬升”，通常這被認(rèn)為是消耗電能和材料，影響制品形狀的因素而必須加以限制。但試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，在一定條件下，這種爬升可以持續(xù)進(jìn)行，所獲得的沉積層與絕緣側(cè)壁結(jié)合緊密，組織均勻、致密。根據(jù)這一現(xiàn)象，采取新的電極和芯模配置方式，應(yīng)用于電鑄小模數(shù)齒輪模具型腔，取得了很好的效果。即將絕緣材料制成的齒輪芯模放在兩個(gè)電極之間，金屬沉積在不銹鋼平板陰極上，隨電鑄過(guò)程的持續(xù)，金屬鑄層沿芯模側(cè)逐漸增長(zhǎng)變厚，從而獲得組織致密的齒輪模腔。
5 我國(guó)電鑄技術(shù)存在的問(wèn)題及解決思路
目前我國(guó)的電鑄技術(shù)普遍存在的問(wèn)題是:①加工時(shí)間長(zhǎng)，生產(chǎn)效率低;②鑄件均勻性差，表面凹凸不平;③鑄層厚度有限，且易出現(xiàn)析氫、積瘤、樹枝晶等缺陷;④光亮電鑄鍍液維護(hù)困難;⑤復(fù)雜形狀且有一定厚度的鑄件研究較少。
對(duì)于存在的問(wèn)題，應(yīng)使用以下方法解決:①采用先進(jìn)電鑄技術(shù)，如射流電鑄和脈沖電鑄可解決加工時(shí)間長(zhǎng)和鑄件均勻性差的缺點(diǎn);②考慮加人稀土、納米顆粒、硬質(zhì)粒子等具有特殊性能的，種類和數(shù)量較少的材料的方法來(lái)減少鑄層缺陷、簡(jiǎn)化鍍液成分、改善電鑄件質(zhì)量性能;③使基礎(chǔ)理論研究與實(shí)驗(yàn)研究相結(jié)合，特別要加強(qiáng)應(yīng)用研究，以實(shí)現(xiàn)研究成果的社會(huì)價(jià)值。
參考文獻(xiàn):
[1] 呂益艷，王幫峰，吳安德，等.發(fā)展中的電鑄技術(shù)[J].電加工與模具 ，20 00 (4 ):4 4-46.
[2」王文忠.電鑄技術(shù)及其應(yīng)用[J].電鍍與涂飾，1998,17(3) :36-39.
[3] 約翰J·伯克，沃克·威斯超細(xì)晶粒金屬[M].王燕文，張永昌，周寶群 ， 譯. 北京:國(guó)防工業(yè)出版社，1982.
[4〕歐陽(yáng)鑫，朱金南，壽伯春，等.電鍍工藝學(xué)[M].北京:科學(xué)普及出版社 ，19 84 :19 -20
[5〕趙劍峰，云乃彰，朱荻.脈沖電鑄及鑄層質(zhì)量研究[J].材料保護(hù)，199 7( 3) :3 -5 .
[6] 朱增偉，朱荻.硬質(zhì)粒子摩擦法電鑄新技術(shù)的研究[J].中國(guó)機(jī)械工程 ，20 06 (t ):6 0-63.
[7〕蔣軍濤，朱荻，雷衛(wèi)寧.基于稀土1ac13電鑄工藝研究[J].機(jī)械制造與 研 究 ，2005(3):2 2-26.
[8]薛玉君，朱荻，趙飛.鎳一氧化斕納米顆粒復(fù)合電鑄的研究[J].機(jī)械科 學(xué) 與 技術(shù)，2004,12:1410-1413.
[9〕雷衛(wèi)寧，朱荻，徐惠寧，等.納米晶脈沖電鑄的試驗(yàn)研究[J].機(jī)械科學(xué)與 技 術(shù) ，2 002 (6):9 75-978.
