電鑄銅的應(yīng)用研究

常 志，靳志強，張 峰，王 玉，郭帝江

(中國電子科技集團公司 第二研究所，山西 太原 030024)

電鑄是利用電沉積方法在作為陰極的原型進行加厚電鍍，從而復(fù)制出與原型一樣的制品方法，是電沉積技術(shù)的重要應(yīng)用技術(shù)之一［1］。電鑄作為一種精密加工技術(shù)具有復(fù)制精度高和工藝簡單等優(yōu)點，電鑄銅作為電鑄的一個鑄種，在具有以上優(yōu)點的同時，還具有優(yōu)良的導(dǎo)電性和導(dǎo)熱性及延展性［2］，在儀器儀表、塑料、銅版浮雕模、雕塑藝術(shù)創(chuàng)作、精密機械、模具制造、電子工業(yè)及納米材料制備等方面獲得廣泛應(yīng)用。

本文通過對電鑄銅工藝及工藝條件影響的初步分析，獲得工藝條件對電鑄銅鍍層影響規(guī)律，為進一步優(yōu)化工藝及電鑄槽的設(shè)計奠定了基礎(chǔ)。

1 電鑄銅工藝

1.1 電鑄銅的工藝流程

原型表面預(yù)處理—清洗—電鍍—電鑄—純水噴洗、氮氣吹干—脫模。

在電鑄銅工藝中原型表面預(yù)處理，對于非金屬原型電鑄銅，首先要進行表面修整后再進行表面金屬化;如果原型為導(dǎo)電材料，造型和表面質(zhì)量符合要求即可。

1.2 銅電鑄液成分

本設(shè)備銅電鑄采用的為酸性硫酸銅鍍液，該電鑄液具有鍍液穩(wěn)定及在高電流密度下工作的優(yōu)點，通過電鑄添加劑，可獲得高速及整平性好的光亮鍍層，這種鍍層的結(jié)晶細致，其內(nèi)應(yīng)力及硬度也可得到一定的控制。

電鑄液主要成分:

2 銅電鑄工藝條件的影響

2.1 脈沖參數(shù)

選用雙脈沖電源，脈沖電鑄可以細化晶粒、改變鑄層的金屬結(jié)構(gòu)、取向及復(fù)合沉積層的成分和結(jié)構(gòu)［3］。反向脈沖電流改善了鍍層的厚度分布而使鍍層厚度均勻，并因溶解了陰極鍍層上的毛刺而整平，起到拋光效果，有利于得到更加致密光亮的電鑄層。研究表明使用脈沖電源、酸性硫酸銅電鑄液，選擇適當?shù)拿}沖參數(shù)可以獲得具有一定厚度均勻致密的超細晶銅材料［4］。

在實際生產(chǎn)中，采用通斷比r=2 ∶3，電流密度JK=10 A/dm2的脈沖參數(shù)就可以滿足生產(chǎn)要求。

如圖1 所示為在生產(chǎn)中，采用上述參數(shù)得到的鍍層微觀圖。

圖1 電鑄銅鍍層微觀圖

2.2 溫度

溫度對于酸性硫酸銅鍍液是很敏感的，在現(xiàn)代光亮酸性鍍銅工藝中，光亮劑都要求30 ℃以下才能發(fā)揮出最好的光亮效果。本設(shè)備在該溫度情況下，既能保證鍍層的一致性和均勻性，又能滿足生產(chǎn)效率的要求。

2.3 攪拌、陰極移動

加強攪拌或陰極移動是酸性光亮鍍銅的必備條件，這是因為陰極移動或攪拌可以有效地降低擴散層的厚度，提高擴散速度［5］;并且可以消除濃差極化，提高極限電流密度的上限，加快沉積速度，這對電鑄銅非常重要。陰極移動與極限電流密度的關(guān)系，如圖2 所示。

圖2 陰極移動與極限電流密度關(guān)系

2.4 陽極

酸性硫酸銅電鑄一般采用專用的含磷陽極，這種磷銅陽極在工作中處于半鈍化狀態(tài)，保證陽極以二價銅離子形式溶解，以避免產(chǎn)生大量的銅粉，影響鍍層質(zhì)量。如果采用一般的電解銅板，會產(chǎn)生銅粉進而影響鍍層的組織結(jié)構(gòu)，會使結(jié)晶粗糙，鍍層疏松。如果磷含量過高，就會完全處于鈍化狀態(tài)，會導(dǎo)致鍍液的銅離子因消耗過快而補充不足，鍍液就會失去平衡，使電鑄銅無法正常工作。研究表明磷的質(zhì)量分數(shù)為:0.030%～0.075%的銅陽極性能最為優(yōu)良［6］。

2.5 電鑄液中雜質(zhì)的影響

酸性硫酸鹽電鑄銅對雜質(zhì)的允許濃度比其他的電鑄種類要高一些，這是因為銅的電極電位比校正，在強酸溶液中，其他的金屬離子不容易與銅離子共沉積。因此雜質(zhì)影響較小，但是砷、銻及鐵雜質(zhì)會使鍍層變脆、變粗糙，有機雜質(zhì)過量也會導(dǎo)致鍍層發(fā)脆。

3 電鑄槽關(guān)鍵部件設(shè)計

根據(jù)電鑄工藝及工藝條件影響，結(jié)合心模結(jié)構(gòu)。電鑄槽的設(shè)計主要包括:陰極旋轉(zhuǎn)裝置、環(huán)形陽極及循環(huán)過濾系統(tǒng)。圖3 所示。

圖3 電鑄槽

3.1 陰極旋轉(zhuǎn)裝置

該陰極旋轉(zhuǎn)裝置采用了帶傳動，并且該裝置可移動、易拆卸，以利于電鑄完成后，能順利取下工件。電機的轉(zhuǎn)速可調(diào)，滿足生產(chǎn)要求的旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速。

3.2 環(huán)形陽極

環(huán)形陽極圍繞心模一周，插入內(nèi)噴杯環(huán)形卡槽內(nèi)，外噴杯與內(nèi)噴杯結(jié)構(gòu)相似，以利于更換噴杯，環(huán)形陽極材質(zhì)采用鈦網(wǎng)焊接而成。

3.3 循環(huán)過濾系統(tǒng)

循環(huán)過濾系統(tǒng)主要是保持電鑄液的均勻防止沉積，濾除生產(chǎn)中產(chǎn)生的沉淀和雜質(zhì)，保證鍍層組織的一致性，從而獲得質(zhì)量良好的鍍層。

該系統(tǒng)將采液口與排液口集于一個閥門上，減少了可能由于閥門過多而引起的鍍液泄露等現(xiàn)象。在循環(huán)過濾中要盡量避免使用活性炭濾芯，雖然該濾芯具有吸附有機物和過濾兩個步驟二合一，縮短過濾處理時間，但是由于其制作工藝，濾芯中會含有一定量的鐵等雜質(zhì)，該慮芯多次使用，會造成電鑄銅鍍層粗糙疏松［7］。

4 結(jié)束語

電鑄技術(shù)具有其他鑄造技術(shù)所不可比擬的特點和優(yōu)點，電鑄銅由于成本低，沉淀率高而在諸多領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。

本文著中介紹了電鑄工藝及電鑄工藝條件對電鑄銅鍍層的影響，并對影響因素進行了初步的分析。在此基礎(chǔ)上，對電鑄槽的關(guān)鍵部件設(shè)計進行了論述。隨著市場對電鑄銅產(chǎn)品需求量的不斷增大，對其性能要求逐步提高，電鑄銅研究和技術(shù)也將得到不斷地完善和發(fā)展。

［1］劉仁志.現(xiàn)代電鍍手冊［M］.北京:化學(xué)工業(yè)出版社，2010，5:582.

［2］Zeng Hualiang，Wu Zhongda，Qin Yuewen，et al.Plating Technics Handbook［M］.Beijing:China Machine Press，1989:529.

［3］Lei W N.Pluse Plating Ni Nanocrystalline［J］.Trans IMF，2002，80(6):205－209.

［4］關(guān)麗雅，鄭秀華，王富恥，等.脈沖參數(shù)對電鑄銅組織形態(tài)和硬度的影響［J］.電鍍與精飾，2008，30(6):1－5.

［5］王慶浩.影響電鑄銅速率的因素［J］.電鍍與環(huán)保，2008，28(2):13－16.

［6］程良，鄺少林，周騰芳.再談硫酸鹽光亮鍍銅的磷銅陽極［J］.電鍍與涂飾，1999，18(2):20－26.

［7］奚吳敏.活性炭濾芯造成硫酸鹽電鑄銅鍍層粗糙疏松［G］.上海市電子電鍍學(xué)術(shù)年會議論文集，2007:202－203.