一种利用电铸工艺制备梯度结构微细金属部件的方法与流程

本发明属于功能结构微细部件制备技术领域，具体涉及一种利用电铸工艺制备梯度结构微细金属部件的方法。

背景技术：

随着我国工业的迅速发展，对一些形状复杂、精度要求较高的微细金属零部件需求大幅增加。这些微细零件，如波导管，不仅要求管内有较高的精度(尺寸精度、光洁度)，而且要求外部具有很高的耐磨性及硬度，同时整体部件要具有良好的塑性。传统的机械加工很难加工出复杂的微细部件；而粉末冶金、等离子喷涂和激光熔覆等方法制备的微细零件表面精度不高，而且成本较高。电铸技术作为制造金属制品最精密的手段，以其极高的复制精度和重复精度，无需任何加工即可直接制备出微细部件，这种技术已应用于微型传感器、微机械、薄壁异型微细零件等制造领域。

目前国内外电铸微细金属部件的制备主要依托liga技术，这种技术不仅工艺步骤比较复杂，而且成本费用昂贵。为寻求一种简单而经济的微细零件的电铸方法，许多学者将研究重点转向电流波形、添加剂及搅拌方式等电铸工艺参数对电铸层性能的影响。然而使用脉冲电铸或加入添加剂等方法获得的铸层均匀性差、表面易出现麻点、针孔甚至开裂等缺陷，而且铸层的硬度、塑性均不能满足使用要求。这些难题进一步限制了微细零件电铸技术的应用。

技术实现要素：

为解决以上问题，本发明在电铸工艺的基础上引入了超声的作用，提供了一种利用电铸工艺制备梯度结构微细金属部件的方法，该方法可实现微细零部件具备梯度结构，并且内表面光滑，满足强度及硬度要求。

本发明采用如下技术方案来实现的：

一种利用电铸工艺制备梯度结构微细金属部件的方法，包括以下步骤：

1)母模铸前处理；

2)常规电铸处理；

3)超声电铸处理；

4)铸后处理。

本发明进一步的改进在于，步骤1)中，母模选用铝质芯材，铸前处理包括除油、水洗及弱侵蚀，除油采用无水乙醇溶液。

本发明进一步的改进在于，步骤2)中，采用常规酸性硫酸铜溶液作为电铸液，以铜板作为阳极，电铸温度为20-40℃，阴极电流密度在1-6a/dm²范围内，进行电铸。

本发明进一步的改进在于，电铸液组成及含量为：cuso4·5h2o240-250g/l、h2so460g/l、hcl0-80g/l，余量为去离子水g/l。

本发明进一步的改进在于，步骤3)中，电铸过程结束后将待脱模的电铸材料置于20％naoh溶液中，加热至80-100℃，待铝芯材溶解后将电铸零件取出水洗并吹干，并对其表面进行电化学抛光。

本发明进一步的改进在于，电化学抛光所用阴极为纯铜板，其工艺为温度25℃，阴极电流密度8a/dm²，直至将电铸零件抛至光亮为止。

本发明进一步的改进在于，电化学抛光采用的溶液组成及质量百分比为：41.5％磷酸，16.6％乙二醇，24.9％甘油，8.3％乳酸，余量为去离子水。

本发明具有如下有益的技术效果：

1、传统的机械加工很难加工出复杂的微细部件，而粉末冶金、等离子喷涂和激光熔覆等方法制备的微细零件表面精度低，且成本较高。电铸技术以其高复制精度和重复精度，是一种制造金属制品最精密的手段，与其它方法相比，工艺及操作简单，成本低。

2、在电铸工艺的基础上引入了超声的作用，可实现微细零部件具备梯度结构；(常规电铸结构为细晶，保证产品良好的塑性；超声电铸是为了获得柱状晶，保证零部件外部具有很高的耐磨性及硬度)

3、实施的电铸工艺和超声工艺，保证表面光滑无缺陷和良好的机械性能，适用于机械和铸造等加工方式难以获得的微细复杂结构。

附图说明

图1为本发明超声电铸用装置的结构示意图。

图中：1-超声波发生装置；2-泡沫板；3-直流电源；4-阳极；5-阴极。

图2为实施例1制备所得电铸铜小型波纹管形貌，其中编号1为柱状晶；2为过渡区；3为细晶区。

图3为实施例2制备所得电铸铜某测定部件形貌。

具体实施方式

以下结合附图和实施例对本发明做出进一步的说明。

本发明提供的一种利用电铸工艺制备梯度结构微细金属部件的方法，包括以下步骤：

1)母模铸前处理，为了更好的脱模

母模选用铝质芯材，因其脱模性能较好。其铸前处理流程为：除油、水洗及弱侵蚀，除油采用无水乙醇溶液，弱侵蚀。

2)常规电铸处理，获得细晶结构，保证零部件产品的良好塑性

采用常规酸性硫酸铜溶液作为电铸液，含磷为0.02％的铜板作为阳极，电铸温度为20-40℃，阴极电流密度在1-6a/dm²范围内，电铸时间根据零件厚度要求选定。

其中，电铸液组成及含量为：cuso4·5h2o240-250g/l、h2so460g/l、hcl0-80g/l，余量为去离子水。

3)超声电铸处理，为了获得柱状晶，保证零部件外部具有高的耐磨性及硬度

步骤2)常规电铸后，对常规电铸系统施加超声处理，超声频率为40khz，超声电铸装置如图1所示，包括超声波发生装置1、泡沫板2、直流电源3、阳极4和阴极5。超声电铸工艺与步骤2)常规电铸工艺相同，时间根据零件梯度厚度要求选定，一般不超过4h。

4)铸后处理

电铸过程结束后将待脱模的电铸材料置于20％naoh溶液中，加热至80-100℃，待铝芯材溶解后将电铸零件取出水洗并吹干，并对其表面进行电化学抛光。

电化学抛光所用阴极为纯铜板，其工艺为温度25℃，阴极电流密度8a/dm²，直至将电铸零件抛至光亮为止。

其中，电化学抛光采用的溶液组成及质量百分比为：41.5％磷酸，16.6％乙二醇，24.9％甘油，8.3％乳酸，余量为去离子水。

实施例1：

第一步：母模铸前处理

母模选用铝质小型波纹管，其依次进行除油、水洗及弱侵蚀；

第二步：常规电铸处理

采用常规酸性硫酸铜溶液作为电铸液，含磷约0.02％的铜板作为阳极，电铸温度为25℃，阴极电流密度3a/dm²，电铸时间3h；

其中，电铸液组成及含量为：cuso4·5h2o240-250g/l、h2so460g/l、hcl0-80g/l，余量为去离子水。

第三步：超声电铸处理

电铸温度为25℃，阴极电流密度3a/dm²，超声频率为40khz，超声电铸时间3h；

第四步：铸后处理

将待脱模的波纹管置于20％naoh溶液中，加热至90℃，待铝芯材溶解后将电铸零件取出水洗并吹干，并对其表面进行电化学抛光。电化学抛光所用阴极为纯铜板，其工艺为温度25℃，阴极电流密度8a/dm²，直至将电铸零件抛至光亮为止。

所得电铸铜小型波纹管厚度约为100μm，具有组织结构梯度，其内表面光滑无缺陷，能够在一定范围内弯曲而不变形。制备所得电铸铜小型波纹管形貌如图2所示。

实施例2：

第一步：母模铸前处理

母模选用铝质某测定部件，其依次进行除油、水洗及弱侵蚀；

第二步：常规电铸处理

采用常规酸性硫酸铜溶液作为电铸液，含磷约0.02％的铜板作为阳极，电铸温度为30℃，阴极电流密度5a/dm²，电铸时间72h；

其中，电铸液组成及含量为：cuso4·5h2o240-250g/l、h2so460g/l、hcl0-80g/l，余量为去离子水。

第三步：超声电铸处理

电铸温度为30℃，阴极电流密度5a/dm²，超声频率为40khz，超声电铸时间3h；

第四步：铸后处理

将待脱模的某测定部件置于20％naoh溶液中，加热至90℃，待铝芯材溶解后将电铸零件取出水洗并吹干，并对其表面进行电化学抛光。电化学抛光所用阴极为纯铜板，其工艺为温度25℃，阴极电流密度8a/dm²，直至将电铸零件抛至光亮为止。

所得电铸铜部件内表面完整地复制出了与铝芯模外表面结构，且光滑无缺陷，这种微细复杂的结构是用机械和铸造等方法难以加工出来的。制备所得电铸铜某测定部件形貌如图3所示。