[科普中國(guó)]-電鑄模具

電鑄模具是指利用金屬的電解沉積原理來(lái)精確復(fù)制某些復(fù)雜或特殊形狀工件的特種加工方法。它是電鍍的特殊應(yīng)用。電鑄是俄國(guó)學(xué)者Б.С.雅可比于1837年發(fā)明的。

簡(jiǎn)介電鑄模具是指利用金屬的電解沉積原理來(lái)精確復(fù)制某些復(fù)雜或特殊形狀工件的特種加工方法。它是電鍍的特殊應(yīng)用。電鑄是俄國(guó)學(xué)者Б.С.雅可比于1837年發(fā)明的。

應(yīng)用最初主要用于復(fù)制金屬藝術(shù)品和印刷版，19世紀(jì)末開(kāi)始用于制造唱片壓模，以后應(yīng)用范圍逐步擴(kuò)大1。

電鑄模具型腔制作過(guò)程把預(yù)先按所需形狀制成的原模作為陰極，用電鑄材料作為陽(yáng)極，一同放入與陽(yáng)極材料相同的金屬鹽溶液中，通以直流電。在電解作用下，原模表面逐漸沉積出金屬電鑄層，達(dá)到所需的厚度后從溶液中取出，將電鑄層與原模分離，便獲得與原模形狀相對(duì)應(yīng)的金屬?gòu)?fù)制件。

電鑄的金屬電鑄的金屬通常有銅、鎳和鐵3種，有時(shí)也用金、銀、鉑鎳-鈷、鈷-鎢等合金，但以鎳的電鑄應(yīng)用最廣。電鑄層厚度一般為0.02～6毫米，也有厚達(dá)25毫米的。電鑄件與原模的尺寸誤差僅幾微米。

電鑄的主要用途電鑄的主要用途是精確復(fù)制微細(xì)、復(fù)雜和某些難于用其他方法加工的特殊形狀工件，例如制作紙幣和郵票的印刷版、唱片壓模、鉛字字模、金屬藝術(shù)品復(fù)制件、反射鏡、表面粗糙度樣塊、微孔濾網(wǎng)、表盤、電火花成型加工用電極、高精度金剛石磨輪基體等。

原模的材料原模的材料有石膏、蠟、塑料、低熔點(diǎn)合金、不銹鋼和鋁等。原模一般采用澆注、切削或雕刻等方法制作，對(duì)于精密細(xì)小的網(wǎng)孔或復(fù)雜圖案，可采用照相制版技術(shù)。非金屬材料的原模須經(jīng)導(dǎo)電化處理，方法有涂敷導(dǎo)電粉、化學(xué)鍍膜和真空鍍膜等。

對(duì)于金屬材料的原模，先在表面上形成氧化膜或涂以石墨粉，以便于剝離電鑄層2。

電鑄設(shè)備電鑄設(shè)備由電鑄槽、直流電源(一般是12伏，幾百至幾千安) 以及電鑄溶液的恒溫、攪拌、循環(huán)和過(guò)濾等裝置組成。電鑄溶液采用含有電鑄金屬離子的硫酸鹽、氨基磺酸鹽、氟硼酸鹽和氯化物等的水溶液。電鑄的主要缺點(diǎn)是效率低，一般每小時(shí)電鑄金屬層的厚度為0.02～0.05毫米。采用高濃度電鑄溶液，并適當(dāng)提高溶液溫度和加強(qiáng)攪拌等措施，可以提高電流密度，縮短電鑄時(shí)間，從而可以提高電鑄效率。這種方法在鎳的電鑄中已獲得應(yīng)用。

電鑄歷史1、前言

進(jìn)入21世紀(jì)，社會(huì)結(jié)構(gòu)隨著信息化和高消費(fèi)化而導(dǎo)致工程塑料復(fù)制品泛濫成災(zāi)。電鑄技術(shù)作為復(fù)制技術(shù)在金屬薄膜制造、鑄造用模具制造中有著廣泛的應(yīng)用。同時(shí)，作為工程塑料成型模具的制造技術(shù)已經(jīng)具有重要地位。

21世紀(jì)是講求與環(huán)境共生和可持續(xù)發(fā)展的世紀(jì)，節(jié)約資源和能源是社會(huì)追求的目標(biāo)。電鑄技術(shù)是與資源再利用和實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展的有效技術(shù)，它使通過(guò)復(fù)制單個(gè)制品而大量生產(chǎn)產(chǎn)品成為可能。本文稿對(duì)電鑄的原理、設(shè)備、和在產(chǎn)品中的應(yīng)用加以介紹。

2、電鑄技術(shù)開(kāi)發(fā)的背景

電鑄最早是在1841年由俄國(guó)對(duì)石蠟或石膏進(jìn)行導(dǎo)電化處理后制作工藝品銅電鑄的模具而開(kāi)始的。但在在工業(yè)上的廣泛應(yīng)用是在1950~1960年左右。早期（19世紀(jì)）的電鑄是以銅電鑄為主。限于在印刷胎版的復(fù)制和雕像和浮雕等工藝品的制作。中間階段（20世紀(jì)初）鐵的電鑄漸漸取代銅成為主流，應(yīng)用也擴(kuò)大到橡膠和塑料模具的制作。到后期（20世紀(jì)后半期）鎳取代鐵而成為電鑄的主流。應(yīng)用也擴(kuò)大到錄音原盤、波導(dǎo)管、鑄造和注塑模、 、金屬薄膜、 、印制線路板、工藝美術(shù)品等諸多方面。

銅、鎳、金、鉑、銀等都可以做為電鑄加工的材料，在半導(dǎo)體、CD（MD）或DVD等的磁信息記錄、光電子、微電子、DNA增幅等超精細(xì)加工中，都已經(jīng)有了應(yīng)用。電鑄已經(jīng)作為微電子技術(shù)時(shí)代的重要加工手段。

3、電鑄的原理

電鑄的原理：如同電鍍一樣是是利用電化學(xué)反應(yīng)的的電沉積技術(shù)。通過(guò)在含有同所要獲得的金屬的離子的電解液中的陽(yáng)極的溶解，在作為陰極的母型上沉積出金屬?gòu)亩纬煽梢詮?fù)制原型的金屬模型，這就是電鑄的原理。

電鑄與電鍍的最大不同是，電鍍的產(chǎn)品是被鍍件和產(chǎn)品的復(fù)合體。而電鑄則只是以電沉積層為所需要的制品。最終要將鍍層與母型脫離。

電鑄的質(zhì)量與脫模方法和電鑄金屬的金相特點(diǎn)有關(guān)。應(yīng)用方面有利用延展性好的鎳制光碟的母型，用導(dǎo)電性好的銅制作印刷線路，用硬度和耐熱性好的鐵制作沖壓模，用耐腐蝕性好和貴金屬制作金導(dǎo)線或裝飾品，利用銀的殺菌作用制作DNA的增幅器等。

4、電鑄的特點(diǎn)

利用電鑄技術(shù)可以制作其它方法達(dá)不到的復(fù)制高精度和細(xì)致的模具，可以復(fù)制高價(jià)值和高復(fù)雜程度的造型。另外，電鑄還可以制作其它方法不能做到的制品，特別是那些制作原型很困難的制品。如圖1所示的電鑄過(guò)程中，金屬沉積層從原型上剝離時(shí)，根據(jù)原型的材料的不同可以是一次性的也可以是重復(fù)使用的。而重復(fù)使用的原型可以多次使用，從而降低了電鑄加

工的成本和提高了效率。但是，電鑄的技術(shù)還有進(jìn)一步發(fā)展的空間，電鑄技術(shù)的水準(zhǔn)與材料學(xué)、物理化學(xué)、以及電化學(xué)的進(jìn)步和設(shè)備的改進(jìn)都有著密切關(guān)系。

電鑄加工的主要技術(shù)和經(jīng)濟(jì)特征如下：

①與制品的形狀大小無(wú)關(guān)，只要有電鑄槽就可以制作；

②電沉積物的物理、化學(xué)性質(zhì)可以在較寬的范圍變化；

③可以復(fù)制50~100nm的精度的造型；

④可以制作中空制品和合金制品；

⑤對(duì)大量復(fù)制產(chǎn)品，與其它方法比在高精度和制作成本方面有優(yōu)勢(shì)；

⑥生產(chǎn)的效率提高，對(duì)環(huán)境保護(hù)有利。

5、電鑄系統(tǒng)的構(gòu)成

電鑄過(guò)程與原型的制作，與導(dǎo)電層的獲得方法（化學(xué)的物理的）、利用酸和堿的剝離方法、電沉積金屬的性質(zhì)、設(shè)備和裝置都有關(guān)系。主要的系統(tǒng)包括電沉積的金屬、電解液、模型、設(shè)備等。系統(tǒng)原型的制作，與原型的所用的材料有關(guān)，非導(dǎo)體的電鑄、導(dǎo)體的電鑄有不同的電鑄液和工藝。

5.1原型的制作

原型的制作有金屬、石蠟、石膏、樹(shù)脂原型法，蠟加工有機(jī)械加工法、手工法、模壓、雕刻法等，金屬、樹(shù)脂、玻璃有化學(xué)加工法（蝕刻法）等。

原型的材料，主要是采用金屬、樹(shù)脂、玻璃等，電鑄制品的精度和細(xì)微化可以利用光學(xué)和化學(xué)的方法獲得。這種方法多用于非導(dǎo)體原型。

經(jīng)過(guò)研磨的玻璃板涂覆感光涂料、經(jīng)感光后制作成樹(shù)脂圖形，可以經(jīng)蝕刻而制成原型。另外，也有在金屬或玻璃基材表面制作塑料圖形后再進(jìn)行化學(xué)蝕刻來(lái)制作原型。這種用光化學(xué)方法制作的原型用來(lái)時(shí)行光碟（CD、MD、DVD等）模的電鑄。

還有用機(jī)械加工方法制作的原型，用來(lái)制作反射鏡的電鑄。

5.2非導(dǎo)體的電鑄

原型是樹(shù)脂或玻璃的場(chǎng)合，由于原型是非導(dǎo)體，在電鑄前進(jìn)行表面的導(dǎo)電化是必要的。這種導(dǎo)電化，有濕法的化學(xué)鍍和干法的真空鍍等，鍍層有銀、銅、鎳等金屬膜?；瘜W(xué)鍍方法有利用不同金屬的電位差的置換法和利用還原劑的還原法，但多半是利用還原劑法。真空鍍是在真空條件下使放電離子向陰極耙電極沖擊而將金屬濺射到被鍍件上去的方法。

非導(dǎo)體表面導(dǎo)電化后，就可以根據(jù)工藝流程進(jìn)行電鑄。如果以這種所得到的電鑄模做原型，可以再在上面電鑄出相反形狀的電鑄模，即在陰模上電鑄出陽(yáng)模，在陽(yáng)模上電鑄出陰模。

以往在非導(dǎo)體上電鑄要經(jīng)歷低溫度、低濃度、低電流密度（2A/dm2）的第一層膜的電鍍，隨著電源和電鑄槽的改良以及電鑄流程的電子化、表面金屬化的改良，已經(jīng)不需要進(jìn)行第一次電鍍就時(shí)接進(jìn)入電鑄流程。

5.3電鑄液

電鑄工藝因所使用的金屬材料的不同和所用電鑄液工藝的不同而有所不同。電鑄的分類如下：

鎳電鑄：氨基磺酸鎳液，硫酸鎳液

銅電鑄：氰化銅，硫酸鹽鍍銅，焦磷酸鹽鍍銅

鐵電鑄：氨基磺酸鐵

鈷電鑄：氨基磺酸鈷、硫酸鈷

金電鑄：氰化液

銀電鑄：焦磷酸鹽鍍液、氰化液

對(duì)電鑄來(lái)說(shuō)，影響電鑄金屬質(zhì)量的是電鑄的結(jié)晶過(guò)程。最終是受電鑄溶液的物理、化學(xué)性質(zhì)的影響。

電鑄金屬離子的濃度對(duì)最大電流密度有影響；鍍液的密度和粘度對(duì)過(guò)濾的效率有影響；電導(dǎo)度對(duì)金屬離子的遷移、熱容量對(duì)鍍液溫度的、離子擴(kuò)散系數(shù)對(duì)極限電流密度、電導(dǎo)度對(duì)電流密度、表面張力對(duì)氣體的逸出和針孔的形成等，都有影響。對(duì)這些因素的影響的綜合考慮，決定電鑄液的組成。

6 電鑄裝置與設(shè)備

電鑄裝置由非金屬導(dǎo)體化設(shè)備、母型剝離設(shè)備、電源和進(jìn)行電鑄的電解槽等構(gòu)成。根據(jù)電鑄的目的不同而會(huì)有各種不同的設(shè)備。例如，為了非金屬表面金屬化，所需要的化學(xué)鍍裝置，有噴鍍法裝置，也有浸鍍法裝置；而電源也有用到高壓性能好的開(kāi)關(guān)電源；陽(yáng)極則考慮到溶解的充分而選用球狀陽(yáng)極等。圖5是光盤原型電鑄所用的旋盤電極式電鑄裝置。這種裝置讓盤面呈45°角，使電鑄過(guò)程中產(chǎn)生的氣體容易析出。同時(shí)采用了鍍液沖刷電鑄表面的方式循環(huán)供鍍液。

7 最近的技術(shù)動(dòng)向

由于電鑄需要穩(wěn)定的直流電流，已經(jīng)采用了交流因素極少的直流電源設(shè)備。同時(shí)在鍍液分析、掛具改進(jìn)，計(jì)算技術(shù)的引進(jìn)等方面都有新的進(jìn)展。使電鑄金屬的性能有進(jìn)一步的改進(jìn)。隨著電鑄應(yīng)用領(lǐng)域的擴(kuò)大，傳統(tǒng)上靠機(jī)械加工方法加工的齒輪、高爾夫球的模具、眼鏡等，都已經(jīng)采用電鑄法制造模具。并且電鑄的精密度也進(jìn)入了納米級(jí)的時(shí)代。例如光刻原盤或微電子制品和TEM用的微 等，都要用到微電鑄技術(shù)。這是因?yàn)殡婅T可以從原型上非常精密地復(fù)制出模型，可以制作粗糙度為40nm的鏡面模具。

8 結(jié)語(yǔ)

電鑄技術(shù)雖然已經(jīng)進(jìn)入納米時(shí)代，但卻很少為人所知。其知名度很低。因此本稿為的普及電鑄的知識(shí)（而寫）。

電鑄從宏觀復(fù)制到的納米級(jí)復(fù)制，所使用的還是以160年前開(kāi)發(fā)的技術(shù)為基礎(chǔ)的技術(shù)。但是在工藝流程和設(shè)備方面已經(jīng)有了很大進(jìn)步。今后，需要進(jìn)一步發(fā)展無(wú)污染或少污染的技術(shù)，同時(shí)要根據(jù)物理化學(xué)、材料學(xué)、電工學(xué)、光學(xué)、機(jī)械工程、經(jīng)濟(jì)學(xué)、環(huán)境科學(xué)等的進(jìn)步而對(duì)電鑄技術(shù)進(jìn)行新的開(kāi)發(fā)和發(fā)展，包括開(kāi)發(fā)出新的適合用于電鑄的合金電鑄技術(shù)3。

本詞條內(nèi)容貢獻(xiàn)者為:

石季英 - 副教授 - 天津大學(xué)