電鑄是在芯模表面電沉積金屬,然后使兩者分離來制取零件的工藝。其基本原理與電鍍相同,其區別在于電鍍層要與基材牢固結合,而電鑄層要與基材(芯模)分離;電鍍層的厚度一般只有幾微米到幾十微米,而電鑄層有零點幾毫米到幾毫米。
作為一種金屬成型加工的工藝,電鑄具有下述優點:
1)能準確的復制出芯模的表面形貌。如用電鑄鎳制造壓制唱片或光盤的壓膜。
2)可將難以甚至不能進行的內型面加工轉變為容易進行的外型面加工,從而可大大提高加工零件的精度。如電鑄生產特殊型面的波導管、氣切割嘴、塑料注射成型模具型腔。
3)容易得到由不同金屬或金屬與非金屬組合的多層結構件。如在芯模上電沉積薄的金、銀、銅層后再纏繞碳纖維.環氧復合材料來制作輕型波導。
4)可電鑄連接某些不能或不便于焊接的材料。這是電鑄加工的一種延伸。如可電鑄連接不銹鋼一鋁(或鈦、鈹)接頭。
5)對電鑄零件的尺寸原則上沒有限制。如可電鑄長達5m、電鑄層約lOmm的風洞噴管內壁,在不銹鋼芯模上電鑄出連續的、厚度約10μm的鎳箔。
電鑄的主要缺點是:
1)在復雜型面的芯模表面難以得到厚度均勻的電鑄層。但可用對其表面進行機加工的方式予以補償。
2)由于電鑄層對芯模表面的復制性好,使其表面上的劃傷等缺陷也會復制到電鑄產品上。
3)生產周期長(薄壁件除外)。一般沉積速度為:銅0.04~0.2mm/h、鎳0.02~0.1mm/h、鐵0.02~0.15mm/h。
原則上,凡能電沉積的金屬或合金均可用于電鑄,但從其性能、成本和工藝上考慮,尚有銅、鎳、鐵、鎳鈷合金等少數幾種有實用價值。目前在工業中廣泛應用的只有銅和鎳。
電鑄的流程可以分為四大部分,即原型的選定或制作、電鑄前處理、電鑄和電鑄后處理。每一個部分又都包括完成這個部分的多個子流程或工序。
(1)電鑄原型的選定或制作
對于電鑄過程來說,首先要確定的是原型。因為電鑄是在原型上進行的。因此,如何選定原型和如何根據設計要求制作原型是電鑄的關鍵。
原型根據其所用材料的不同而分為金屬原型和非金屬原型兩大類。根據功能的不同又分為一次性原型和反復使用性原型兩大類。采用什么樣的原型要根據所加工產品的結構、造型、產品材料和適合的加工工藝來確定。當然,在需方有明確要求的情況下,完全可以按照需要來進行原型的設計和制作。對于選定了的原型形式,要采用相應的方法按設計意圖加工成原型,以便用于電鑄。
原型的制作有很多方法,包括手工制作原型、機械加工制作原型、利用快速成型技術制作原型和從成品上翻制原型等。
(2)電鑄前處理
電鑄的前處理也被稱為電鑄原型的表面改性處理。我們知道,電鑄的原型分為金屬原型和非金屬原型兩大類。無論是金屬原型還是非金屬原型,在電鑄前都要進行適當的前處理加工,使電鑄層能可靠地在原型表面生長出來。
對于金屬原型,其前處理包括表面整理和除油、除銹等類似于電鍍前處理的流程,但是這種前處理不是為了獲得良好的結合力,而是要獲得均勻平整的表面鍍層,以利在其上生長電鑄層,還要方便以后的脫模處理。因此電鑄的前處理中有時還要加入一個最重的工序,那就是脫模劑或隔離層的設置。
對于非金屬原型,則是要首先使其表面金屬化,以便使后續的電鑄加工可以順利進行。而表面金屬化則要經過表面整理、敏化、活化、化學鍍等一系列流程。有關非金屬表面金屬化的原理和工藝,可以參見本書第8章塑料電鍍中的相關內容。
(3)電鑄
電鑄過程是金屬的電沉積過程,在電鑄工作液中,以經過前處理的原型作為陰極,以所電鑄的金屬為陽極,在直流電的作用下,控制一定的電流密度,經過一定時間的電沉積,就可以在原型上獲得金屬電鑄的制品。
根據所設計的電鑄制品的要求,電鑄所用的金屬可以是銅、鎳、鐵、合金、稀貴金屬等。電鑄制品的厚度也可以從幾十微米到十幾毫米。
由于電鑄過程所經歷的時間比較長,對電鑄過程中的工藝參數可以采用自動控制的方法加以監控。如工作液的溫度、電流密度、pH值、濃度等,可以采用不同的控制系統加以控制。
電鑄過程中所用的陽極通常都要求采用可溶性陽極。這是因為電鑄過程中金屬離子的消耗比電鍍要大得多,并且電鑄過程所采用的陰極電流密度也比較高,如果金屬離子得不到比較及時的補充,電鑄的效率和質量都會受到影響
(4)電鑄后處
電鑄加工完成后,還要經過一些技術處理,才能得到合格的電鑄制品。這些對電鑄出來的制品進行的技術處理可以稱為后處理。電鑄的后處理與電鍍的后處理有很大的不同。電鍍的后處理是對表面質量的進一步保護,包括清洗、脫水、鈍化、涂防護膜等。而電鑄的后處理第一是脫模,就是將電鑄完成的電鑄制品從原型或芯模上取下來,然后是對電鑄制品的清理。這種清理包括去除一次性原型特別是破壞性原型的殘留物,尤其是內表面(如果是腔體類模具)的清理。
①脫模。由于電鑄所用的原型有金屬材料和非金屬材料兩大類,同時又分為反復使用性原型和一次性原型,因此,從原型上脫除的工藝是不同的。如果對電鑄的外表面還有結構等方面的加工,最好在脫模前進行,這樣可以防止電鑄模的變形或損壞。對于不同的電鑄原型,可以選擇以下不同的脫模方法。
a.機械外力脫模法。對于反復使用性原型,多半要采用機械外力脫模法。簡單的電鑄模可以用錘子敲擊脫模。如果是有較大接觸面的電鑄模,則需要采用水壓機或千斤頂對原型施加靜壓力脫模。
b.熱脹冷縮脫模法。當原型與電鑄金屬的熱脹系數相差較大時,可以采用加熱或冷卻的方法進行脫模。通常可以采用烘箱、噴燈、熱油等加熱的方法,在鑄型和原型因熱脹程度不同的情況下松動后,可以比較方便地進行脫模。如果電鑄原型是不適合加溫的材料,則可以采用冷卻法進行冷縮處理,這時可以采用干冰或酒精溶液進行冷卻,同樣可以利用冷縮率的差別而使鑄模與原型脫離。
c.熔化脫模法。對于一次性原型,無論是低熔點合金還是蠟制品,都可以采用加熱使其熔化的方法進行脫模。對于涂有低熔點材料做隔離層或脫模劑的原型,也是采用加熱的方法脫模。對于熱塑性原型的脫模,在加熱后可以將大部分軟化后的原型材料從模腔內脫出,剩余的部分可以再用溶劑加以清洗,直至模腔內沒有殘留物。
d·溶解脫模法。對于適合采用溶解法脫模的原型,也要根據不同的材料選用不同的溶解液。比如對于鋁制原型,可以采用加溫到80℃的氫氧化鈉溶液溶解。這時氫氧化鈉的含量為200~250g/L。如果所用的是含銅的鋁合金,則可以在以下的溶解液里進行溶解:
氫氧化鈉50g/LEDTA 0.4g/m酒石酸鉀鈉 lg/L葡萄糖 l.5g/L
②脫模劑。電鑄完成后,要使原型與鑄模容易分離,必須借助原型與電鑄層之間存在的脫模劑的作用。當然,對于一般非金屬原型來說;脫模并不困難。尤其是一次性原型,可以用破壞原型的方法將原型與電鑄模分離,但是對于反復使用的原型,既要保證電鑄模的完好,又要保證原型可以再次使用,脫模劑就十分重要了。以下介紹幾種常用的脫模劑。a.有機物脫模劑。有機物脫模劑是用得最多的一種脫模劑,例如涂料、橡膠、石墨粉等。可以用于各種金屬原型。這類脫模劑成本低、操作方便,但是對于不導電的有機質,要進行導電性處理,因此最常用的還是石墨粉。
b.無機物脫模劑。這主要是指在金屬原型表面生成氧化物薄膜的方法,比如生成鉻酸鹽、硫化物等,因此,也可以叫做化學轉化膜型脫模劑。其是金屬原型用得比較多的方法。
由于不同金屬的氧化或鈍化性能不同,需要根據不同的金屬選用不同的氧化方法或鈍化方法。像銅、鎳、鉻等表面可以用電解法氧化,也可以用化學法氧化。有些金屬有自鈍化性能,比如鋁,會生成天然氧化膜,在其上電鑄,容易脫模,但是天然氧化膜往往是不致密或不完全的,這對于反復使用性原型存在脫模失敗的風險。因此,正確的做法仍然是要進行人工生成隔離層。對于金屬鋁及其合金,要采用電化學氧化生成的脫模層。
c.低熔點合金脫模劑。在金屬原型表面鍍覆一層鉛錫合金,即低熔點合金,然后再在其上電鑄,電鑄完成后,再高溫熔掉隔離層而便于電鑄模腔脫出。這種方法的缺點是脫模層比較厚,對尺寸要求較嚴的制品不宜采用。
③加固與最后修飾。對于有些電鑄制件,特別是用來做模具用的制件為了能適用于各種使用模具的機械,需要配制模架等配制加工和加固加工。對于有些電鑄制品,還存在裝飾、拋光、噴油漆等后處理。