電鑄模具

電鑄模具是指利用金屬的電解沉積原理來精確複製某些複雜或特殊形狀工件的特種加工方法。它是電鍍的特殊套用。電鑄是俄國學者Б.С.雅可比於1837年發明的。

基本介紹

• 中文名：電鑄模具
• 套用原理：電鍍
• 原理髮明時間：1837年
• 原理髮明人：Б.С.雅可比

簡介

電鑄模具是指利用金屬的電解沉積原理來精確複製某些複雜或特殊形狀工件的特種加工方法。它是電鍍的特殊套用。電鑄是俄國學者Б.С.雅可比於1837年發明的。

套用

最初主要用於複製金屬藝術品和印刷版，19世紀末開始用於製造唱片壓模，以後套用範圍逐步擴大。

電鑄模具型腔製作過程

把預先按所需形狀製成的原模作為陰極，用電鑄材料作為陽極，一同放入與陽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，達到所需的厚度後從溶液中取出，將電鑄層與原模分離，便獲得與原模形狀相對應的金屬複製件。

電鑄的金屬

電鑄的金屬通常有銅、鎳和鐵3種，有時也用金、銀、鉑鎳-鈷、鈷-鎢等合金，但以鎳的電鑄套用最廣。電鑄層厚度一般為0.02～6毫米，也有厚達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複製微細、複雜和某些難於用其他方法加工的特殊形狀工件，例如製作紙幣和郵票的印刷版、唱片壓模、鉛字字模、金屬藝術品複製件、反射鏡、表面粗糙度樣塊、微孔濾網、錶盤、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、塑膠、低熔點合金、不鏽鋼和鋁等。原模一般採用澆注、切削或雕刻等方法製作，對於精密細小的網孔或複雜圖案，可採用照相製版技術。非金屬材料的原模須經導電化處理，方法有塗敷導電粉、化學鍍膜和真空鍍膜等。

對於金屬材料的原模，先在表面上形成氧化膜或塗以石墨粉，以便於剝離電鑄層。

電鑄設備

電鑄設備由電鑄槽、直流電源(一般是12伏，幾百至幾千安) 以及電鑄溶液的恆溫、攪拌、循環和過濾等裝置組成。電鑄溶液採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。電鑄的主要缺點是效率低，一般每小時電鑄金屬層的厚度為0.02～0.05毫米。採用高濃度電鑄溶液，並適當提高溶液溫度和加強攪拌等措施，可以提高電流密度，縮短電鑄時間，從而可以提高電鑄效率。這種方法在鎳的電鑄中已獲得套用。

電鑄歷史

1、前言

進入21世紀，社會結構隨著信息化和高消費化而導致工程塑膠複製品泛濫成災。電鑄技術作為複製技術在金屬薄膜製造、鑄造用模具製造中有著廣泛的套用。同時，作為工程塑膠成型模具的製造技術已經具有重要地位。

21世紀是講求與環境共生和可持續發展的世紀，節約資源和能源是社會追求的目標。電鑄技術是與資源再利用和實現可持續發展的有效技術，它使通過複製單個製品而大量生產產品成為可能。本文稿對電鑄的原理、設備、和在產品中的套用加以介紹。

2、電鑄技術開發的背景

電鑄最早是在1841年由俄國對石蠟或石膏進行導電化處理後製作工藝品銅電鑄的模具而開始的。但在在工業上的廣泛套用是在1950~1960年左右。早期（19世紀）的電鑄是以銅電鑄為主。限於在印刷胎版的複製和雕像和浮雕等工藝品的製作。中間階段（20世紀初）鐵的電鑄漸漸取代銅成為主流，套用也擴大到橡膠和塑膠模具的製作。到後期（20世紀後半期）鎳取代鐵而成為電鑄的主流。套用也擴大到錄音原盤、波導管、鑄造和注塑模、 、金屬薄膜、 、印製線路板、工藝美術品等諸多方面。

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增幅等超精細加工中，都已經有了套用。電鑄已經作為微電子技術時代的重要加工手段。

3、電鑄的原理

電鑄的原理：如同電鍍一樣是是利用電化學反應的的電沉積技術。通過在含有同所要獲得的金屬的離子的電解液中的陽極的溶解，在作為陰極的母型上沉積出金屬從而形成可以複製原型的金屬模型，這就是電鑄的原理。

電鑄與電鍍的最大不同是，電鍍的產品是被鍍件和產品的複合體。而電鑄則只是以電沉積層為所需要的製品。最終要將鍍層與母型脫離。

電鑄的質量與脫模方法和電鑄金屬的金相特點有關。套用方面有利用延展性好的鎳制光碟的母型，用導電性好的銅製作印刷線路，用硬度和耐熱性好的鐵製作衝壓模，用耐腐蝕性好和貴金屬製作金導線或裝飾品，利用銀的殺菌作用製作DNA的增幅器等。

4、電鑄的特點

利用電鑄技術可以製作其它方法達不到的複製高精度和細緻的模具，可以複製高價值和高複雜程度的造型。另外，電鑄還可以製作其它方法不能做到的製品，特別是那些製作原型很困難的製品。如圖1所示的電鑄過程中，金屬沉積層從原型上剝離時，根據原型的材料的不同可以是一次性的也可以是重複使用的。而重複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，電鑄的技術還有進一步發展的空間，電鑄技術的水準與材料學、物理化學、以及電化學的進步和設備的改進都有著密切關係。

電鑄加工的主要技術和經濟特徵如下：

①與製品的形狀大小無關，只要有電鑄槽就可以製作；

②電沉積物的物理、化學性質可以在較寬的範圍變化；

③可以複製50~100nm的精度的造型；

④可以製作中空製品和合金製品；

⑤對大量複製產品，與其它方法比在高精度和製作成本方面有優勢；

⑥生產的效率提高，對環境保護有利。

5、電鑄系統的構成

電鑄過程與原型的製作，與導電層的獲得方法（化學的物理的）、利用酸和鹼的剝離方法、電沉積金屬的性質、設備和裝置都有關係。主要的系統包括電沉積的金屬、電解液、模型、設備等。系統原型的製作，與原型的所用的材料有關，非導體的電鑄、導體的電鑄有不同的電鑄液和工藝。

5.1原型的製作

原型的製作有金屬、石蠟、石膏、樹脂原型法，蠟加工有機械加工法、手工法、模壓、雕刻法等，金屬、樹脂、玻璃有化學加工法（蝕刻法）等。

原型的材料，主要是採用金屬、樹脂、玻璃等，電鑄製品的精度和細微化可以利用光學和化學的方法獲得。這種方法多用於非導體原型。

經過研磨的玻璃板塗覆感光塗料、經感光後製作成樹脂圖形，可以經蝕刻而製成原型。另外，也有在金屬或玻璃基材表面製作塑膠圖形後再進行化學蝕刻來製作原型。這種用光化學方法製作的原型用來時行光碟（CD、MD、DVD等）模的電鑄。

還有用機械加工方法製作的原型，用來製作反射鏡的電鑄。

5.2非導體的電鑄

原型是樹脂或玻璃的場合，由於原型是非導體，在電鑄前進行表面的導電化是必要的。這種導電化，有濕法的化學鍍和乾法的真空鍍等，鍍層有銀、銅、鎳等金屬膜。化學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衝擊而將金屬濺射到被鍍件上去的方法。

非導體表面導電化後，就可以根據工藝流程進行電鑄。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模，在陽模上電鑄出陰模。

以往在非導體上電鑄要經歷低溫度、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，已經不需要進行第一次電鍍就時接進入電鑄流程。

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

對電鑄來說，影響電鑄金屬質量的是電鑄的結晶過程。最終是受電鑄溶液的物理、化學性質的影響。

電鑄金屬離子的濃度對最大電流密度有影響；鍍液的密度和粘度對過濾的效率有影響；電導度對金屬離子的遷移、熱容量對鍍液溫度的、離子擴散係數對極限電流密度、電導度對電流密度、表面張力對氣體的逸出和針孔的形成等，都有影響。對這些因素的影響的綜合考慮，決定電鑄液的組成。

6 電鑄裝置與設備

電鑄裝置由非金屬導體化設備、母型剝離設備、電源和進行電鑄的電解槽等構成。根據電鑄的目的不同而會有各種不同的設備。例如，為了非金屬表面金屬化，所需要的化學鍍裝置，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關電源；陽極則考慮到溶解的充分而選用球狀陽極等。圖5是光碟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，使電鑄過程中產生的氣體容易析出。同時採用了鍍液沖刷電鑄表面的方式循環供鍍液。

7 最近的技術動向

由於電鑄需要穩定的直流電流，已經採用了交流因素極少的直流電源設備。同時在鍍液分析、掛具改進，計算技術的引進等方面都有新的進展。使電鑄金屬的性能有進一步的改進。隨著電鑄套用領域的擴大，傳統上靠機械加工方法加工的齒輪、高爾夫球的模具、眼鏡等，都已經採用電鑄法製造模具。並且電鑄的精密度也進入了納米級的時代。例如光刻原盤或微電子製品和TEM用的微 等，都要用到微電鑄技術。這是因為電鑄可以從原型上非常精密地複製出模型，可以製作粗糙度為40nm的鏡面模具。

8 結語

電鑄技術雖然已經進入納米時代，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（而寫）。

電鑄從巨觀複製到的納米級複製，所使用的還是以160年前開發的技術為基礎的技術。但是在工藝流程和設備方面已經有了很大進步。今後，需要進一步發展無污染或少污染的技術，同時要根據物理化學、材料學、電工學、光學、機械工程、經濟學、環境科學等的進步而對電鑄技術進行新的開發和發展，包括開發出新的適合用於電鑄的合金電鑄技術。