摘要:阐述了近年来我国电铸技术的研究发展方向，分析了细化晶粒改善铸层质量的方式，包括改变电源、使用添加剂、采用射流等。介绍了电铸与其它工艺的结合，如电弧喷涂、连接技术、微机械技术、快速制模技术等。指出了我国电铸技术存在的问题是加工时间长、铸件均匀性差、铸层厚度有限、复杂形状铸件研究较少和光亮镀液维护困难等，并给出了解决思路。
关键词:电铸技术;研究进展;存在问题;解决思路
中图分类号:TG178;TQ153 文献标识码;A
文章编号:1004一227X(2006)11 一0038一
1 前言
电铸技术是一种基于电沉积原理，使来自金属盐溶液的金属正离子在电场力的作用下迁移到阴极获得电子还原成原子，并沉积于涂有脱模剂的阴极母模表面川，最后沉积金属与母模完全分离从而获得产品的制造技术。1938年俄国科学家耶可夫用电铸方法把雕刻铜板上微细刻痕精确地再现到另一块铜板上，此后，电铸技术很快便被应用于复制印刷纸钞的雕刻铜板上。时至今日，电铸技术的应用更加广泛，在欧美已用于制造火箭喷气发动机冷却室、太阳能储能飞轮，在日本用于汽车内饰件的制造、电子工业中印刷焊膏和胶粘剂模板[’」，在我国电铸技术被应用于激光商标、光盘、精密齿轮、精密模具、标牌、药型罩等方面。由于电铸制品具有极好的复制精度和重复精度，在微小、异型零部件的生产方面有着其它制造技术无法替代的特点而被人们不断的研究和深化。近年来我国对电铸技术的研究主要集中在2个方面:一方面是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。
1 前言
电铸技术是一种基于电沉积原理，使来自金属盐溶液的金属正离子在电场力的作用下迁移到阴极获得电子还原成原子，并沉积于涂有脱模剂的阴极母模表
面川，最后沉积金属与母模完全分离从而获得产品的制造技术。1938年俄国科学家耶可夫用电铸方法把雕
2 通过细化晶粒改善铸层质量
当许多金属和合金的晶粒细化时，如由常规的平均晶粒直径1 mm细化到10 Jim时，其屈服强度、各种应变程度时的流动应力、断裂强度、硬度和疲劳强度都有提高「’}。可见，晶粒的大小与金属的机械、物理、化学等性能有着密切的关系，所以晶粒尺寸的细化是材料机械性能等获得全面提高的有效措施。
2.1 以改变电源的形式细化晶粒
电铸工艺问世以来，一直采用耗电多和占地大的直流发电机。近年来，随着半导体工业的发展，低压大、电流的硒整流器和硅整流器的出现，在电铸工艺中已逐步取代直流发电机。实践中发现，改变施加电流的方式，会对镀层组织产生影响。施加电流的改变方式主要有改变电流波形、换向电流、冲击电流及交直流叠加(用于低温镀铁)、脉冲电流等。合理的选用所要施加的电流方式对镀层质量及生产效率的提高都是有利的[41。
需要特别提一下的是脉冲电铸。从金属电沉积原理来分析，脉冲电流能有效地改善金属离子的电结晶过程。金属沉积时的结晶形态和生长方式与阴极极化过电位密切相关，随着过电位的增加，晶粒变细，铸层变得致密。南京航空航天大学的同仁们在脉冲电流方面作了大量的研究工作，赵剑峰等人认为采用脉冲电铸可减小阴极表面的浓差极化，采用较高的电流密度，制品光滑表面的范围有扩展的可能。这是因为在脉冲电铸的条件下，脉冲间隔时间允许电铸液中的金属阳离子通过扩散和对流的方式补充到阴极表面，减小阴极表面的浓差极化，从而可采用更高的电流密度，得到更高的电化学极化而细化晶粒，提高铸层致密度。
2.2 使用添加剂细化晶粒
在传统的电铸工艺中，添加剂常被用于细化晶粒，减小应力，以改善镀层质量。但在长时间的电铸过程中，许多添加剂均会有不同程度的消耗，从而导致电解液成分的稳定性变差，最终直接影响电铸层的质量。但是近几年来，国内电铸方面的科研人员借鉴其它学科的研究成果，在相对简单的电铸液中，加人有特殊性能的添加剂，发现也可以达到细化晶粒的目的。
2.2.1 加入硬质粒子
文献「 6」和「7」使用常规旋转电极的电沉积技术，引人陶瓷球、玻璃微球等一类硬质粒子，使其在旋转芯模带动下，摩擦和撞击阴极表面，有效地去除了沉积层表面的吸附气泡和积瘤，获得了表面平整光亮的电铸层;通过减薄扩散层和扰动结晶过程，细化了晶粒，提高了电铸速度。
2.2.2 添加稀土微粒
稀土元素独特的4f层电子结构使得稀土金属或合金具有独特的功能:高催化活性、高磁性、超导性、光电转化、光磁记忆、高储氢量、耐蚀耐磨等，成为发展现代科学技术不可缺少的功能材料，是材料科学领域中的一个热门研究课题，受到各国科学工作者的极大关注。但稀土在电铸工艺中的应用还处在探索阶段。蒋军涛等人「’」通过向铸液中添加稀土Lac13，研究不同的稀土添加量即稀土阳离子对电铸液特性、铸层微观结构以及机械性能的影响，结果发现在铸液中添加LaC13后，其在阴极表面发生了特性吸附，结果是促使电沉积镍的阴极极化增强，即过电位增大，在电结晶过程中晶核的形成速度大于晶粒长大速度，从而有利于形成细小的晶粒，改善铸层的机械性能和物)'t能。
稀土化合物纳米粉体集稀土特性和纳米特性于一体，具有许多特殊的物理化学性质。薛玉君等人[s〕采用复合电铸工艺制取了含城03纳米颗粒的镍基复合电铸层，研究发现复合电铸层的晶粒细小，组织致密，其表面粗糙度较小，且随着La203纳米颗粒共沉积量的增大，复合电铸层表面更加平整，组织也更加细致均匀，基质金属Ni的晶粒得到了进一步细化。分析认为这主要是由于电解液中的纳米颗粒降低了金属成核反应的过电位，并成为新晶核生长点，在电沉积过程中给电极生长界面提供了更多的生长中心，同时抑制晶体长大，起到了晶粒细化的作用。
2.2.3 添加纳米氧化悟和碳化硅颗粒等
众所周知 ，金属材料的性能与材料组织的晶粒大小和致密度有着密切关系。当金属材料晶粒尺寸减至纳米级(0.1一100 nm)时，其本身具有量子尺寸效应、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[9]。文献「10],[11]研究了纳米颗粒如氧化错、碳化硅颗粒加人镀液中，对复合电铸层组织和形貌的影响，发现当采用合适的电铸时间、电流密度等工艺参数时，这些纳米粒子的加人可以起到细化晶粒，提高铸层致密度和铸层表面光洁度的作用。
2.3 采用喷射(射流)电铸细化晶粒
射流电铸是将含有高浓度铸层金属离子的电解液以高速射流的方式喷向阴极表面进行电铸的一种工艺技术。与传统电铸相比，该工艺具有可用电流密度大，电流效率高，金属结晶细化和铸层致密度高等优点〔121。燕山大学对此开展了相关的研究，其实验研究结果表明，喷射电沉积的沉积速度可高达32 }Lmin，为常规电沉积的90倍左右，沉积镍层的平均硬度可达552 IN，高于常规200 HV左右。沉积层晶体呈柱状生长，并在实验中获得了20一30 nm的镍结晶沉积层。赵阳培等人用自行研制的射流电铸快速成型设备制作了一组厚约0.5 m m的金属铜零件。其实验条件为:酸性硫酸铜电解液，电流密度为300 A/dm2，电解液流量30 L/h，喷嘴扫描速度为10 mm/s，喷嘴口径1 mm，喷嘴距离0.5 mm，电解液温度30℃。成型的铜零件在X,Y 方向的尺寸公差达到士0.2 m m，圆角半径r<1·5 mm [14-151。
3 电铸与其它工艺的结合
由于电铸技术具有极高的复制精度，因此在激光防伪商标模板、精密模具、微机械构件等方面得到了一定的应用。但电铸技术也存在一些制约其广泛应用的缺点，如加工时间长，镀层厚度均匀性差，铸层易出现缺陷等，因此如何能够既利用其复制精度和重复精度高的优点，又能克服其缺点，成了近年来人们研究的一个热门课题。
3.1 电铸与电弧喷涂的结合
目前，电铸与电弧喷涂制模的主要应用方面是快速制造注塑模具。华中科技大学的唐正连等人以EQ140一汽车雾灯灯罩为原型进行电铸和电弧喷涂。该汽车灯罩外表面是光滑曲面，内表面有细小的凹曲面，并且灯罩上有安装孔。由于汽车灯罩的内表面形状复杂，普通的机加工方法难以完成，如果采用数控加工或电火花加工，其成本大约在4000一5000元之间，模具制作时间一般在一个月左右。选用电铸和电弧喷涂技术制模，其制模成本为1 820元，制模时间为85h '161 。电铸与电弧喷涂相结合快速制模工艺能够一次性精确复制出复杂的表面形状，而且成本低廉、制作时间短。
王伊卿等人以叶片EDM电极的制造过程为例，在保证不降低电铸模具使用性能的前提下，将电铸技术与电弧喷涂工艺相结合制造EDM电极，结果显示可有效降低制造周期和成本，实现快速制模的目的。与传统的电铸工艺相比，制造成本为10%左右，制造周期约为25% ""。
3.2 电铸与连接技术的结合
电铸技术虽然是一种精密制造技术，可以解决许多常规机加工难以解决的问题，但对于具有凸凹、波纹筋片等零件，由于芯模表面的电场不均匀，很难用常规电铸方法制取高质量的产品。文献「18],[19〕指出，采用组合式电铸连接技术(即组合电铸成形技术，是指将两个或多个部件进行组合后，再采用电铸技术连接为一体，该技术避免了高温连接如焊接等，使零件产生很大内应力甚至变形的情况，解决了焊接、胶结组合等常规机械连接方法不能满足产品要求的特殊场合)可使这一类零件的制造成为可能。通常情况下，受力较小的产品如微波器件、波导、传感器等，完全可以采用组合式电铸连接工艺技术。
3.3 电铸与微机械技术的结合
电铸技术的特点使其非常适合作为精细结构的精密制造手段，MEMS技术的进展提供了这样的机遇，高深宽比光刻技术与电铸技术相结合，诞生了非硅基MEMS加工的关键技术— 微电铸工艺。微电铸是相对于常规电铸工艺而确立的新概念，它是针对微小结构(主要是微米/纳米尺度结构)的成型加工技术，既可以看作是在微细加工模具基础上的电铸成型技术，也可以认为是掩膜电镀在高深宽比方向发展的结果，应用微电铸工艺进行精细结构加工的典型是“LIGA/准LIGA技术”。
LIG A 技 术是由W.Eh rfeld等人在德国卡斯鲁尔的原子核研究中心(FZK)发展起来的，并于1986年首次进行了公开报道'20'o LIGA是德文Lithographie(光刻)、Galvanoformung(电铸),Abformung(塑铸)3个字的字头缩写，包括同步辐射X射线深度光刻、电铸和塑铸3个主要工艺环节，是一项新的微细加工技术。其中，X射线深度光刻工艺利用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，实现高深宽比的光刻胶微结构，与掩膜电镀技术的紫外光刻工艺相似，相当于电铸技术的模具加工工序，微电铸工艺通过填充上述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。
我国自1992年开始开展LIGA工艺技术的研究，至今已取得了显著的成果[21,23]。华中科技大学机械科学与工程学院的马龙等人用准分子激光加工高深宽比的聚甲基丙烯酸甲醋微孔结构，并以此和光刻走奥的微结构作为模具，进行了微电铸试验，通过对电镀参数方法进行调整和优化，改善了微结构加工中镀液难以进入孔隙、浓差极化严重、结晶粒子不能得到及时补充等缺点，得到了线宽为10 R,m级的微型结构〔24]。北京中国科学院高能物理研究所的邹丽芸等人结合LIGA技术和微细电火花加工的优点，用LIGA技术制备出具有复杂形状的铜微细工具电极，再用该工具电极进行微细电火花加工，在不锈钢上加工出异形微细孔，并通过进一步调整电火花加工工艺参数，优化了加工尺寸精度和表面粗糙度。
3.4 电铸与快速制模技术的结合
快速成型(RP,Ra pidP rototyping)技术是一种新的，不同于传统手段的制造技术，属于先进制造技术的范畴。该技术在20世纪80年代后期迅速发展[26]。目前，快速成型技术已趋向快速制造和快速工模具的制造，如快速制造电火花电极或塑料模具;用快速成型制成的母模电铸铜，可用作电火花电极进行模具型腔的加工;用快速成型制成的母模电铸镍，可直接制造塑料模具;将电铸技术与快速成型技术结合可直接成型金属零件[27]。电铸与快速成型相结合可大大缩短模具的制造周期，有着良好的经济和社会效益。
4 电铸缺陷的巧妙利用
电铸过程中如果工艺控制不当，往往会产生一些缺陷，因此如何避免这些缺陷成了电铸工艺研究的重要方面。但有研究人员却巧妙地将这些缺陷加以利用，得到了意想不到的效果。将电铸中产生的树枝状结瘤应用于制造换热铜管:即在铜管的外表面用高电流密度进行电沉积，使其生成树枝状结瘤，再在正常电流密度下进行电沉积加固，最后进行滚压使其具有适宜的刚性，从而成为粗糙带孔穴的换热铜管。测试表明，这种铜管的换热量比常规的带肋条的铜管约高13倍。
利用电铸中金属沿绝缘材料边界“爬升”的现象电铸小模数齿轮模具型腔:在进行深槽电铸时，金属沉积层会沿绝缘材料边界“爬升”，通常这被认为是消耗电能和材料，影响制品形状的因素而必须加以限制。但试验中发现，在一定条件下，这种爬升可以持续进行，所获得的沉积层与绝缘侧壁结合紧密，组织均匀、致密。根据这一现象，采取新的电极和芯模配置方式，应用于电铸小模数齿轮模具型腔，取得了很好的效果。即将绝缘材料制成的齿轮芯模放在两个电极之间，金属沉积在不锈钢平板阴极上，随电铸过程的持续，金属铸层沿芯模侧逐渐增长变厚，从而获得组织致密的齿轮模腔。
5 我国电铸技术存在的问题及解决思路
目前我国的电铸技术普遍存在的问题是:①加工时间长，生产效率低;②铸件均匀性差，表面凹凸不平;③铸层厚度有限，且易出现析氢、积瘤、树枝晶等缺陷;④光亮电铸镀液维护困难;⑤复杂形状且有一定厚度的铸件研究较少。
对于存在的问题，应使用以下方法解决:①采用先进电铸技术，如射流电铸和脉冲电铸可解决加工时间长和铸件均匀性差的缺点;②考虑加人稀土、纳米颗粒、硬质粒子等具有特殊性能的，种类和数量较少的材料的方法来减少铸层缺陷、简化镀液成分、改善电铸件质量性能;③使基础理论研究与实验研究相结合，特别要加强应用研究，以实现研究成果的社会价值。
参考文献:
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