电弧喷涂与电铸相结合的模具制造方法
2011年10月25日09:21 中国电镀助剂网
电弧喷涂快速制模技术是近十年来发展较快的一种新的制模技术，因其具有效率高、损耗低和易操作等优点而倍受瞩目．目前，发达国家已经将电弧喷涂技术用于模具制造，如美国的TAFA公司将电弧喷涂制模应用于汽车行业的聚氨酯制品和制鞋工业中;福特公司采用多个喷嘴的电弧喷涂设备，可以制作高熔点的电弧喷涂模具，采用4喷枪机器人操作的喷涂工艺，已经可以制造2438mm×2438mm的模具;MCP公司用电弧喷涂模具制造聚亚氨酯鞋底，能够达到10万件以上．在我国，西安交通大学激光快速成型及模具制造中心利用热喷涂技术成功研制了使用寿命达数千次的农用滴灌喷头的锌铝合金模具．电铸制模具有良好的复制精度．目前已在航空、仪器仪表、塑料、精密机械等行业发挥了重要作用，并已成功用于EDM电极、注塑模具、光碟压模等的制造．电铸模具的复制性能要高于电弧喷涂模具，但电弧喷涂制模周期远远短于电铸制模周期，生产成本也低于电铸制模的成本，其制模工艺相对简单．因此，将电铸与电弧喷涂相结合制造模具，可显著缩短模具生产周期，降低模具生产成本，是快速制模技术中的一个发展方向．
1·实验部分
采用2种不同的实验方案将电铸与电弧喷涂相结合进行模具的制造，并且比较了2种不同方案的优缺点:
1)先用电弧喷涂在聚氯乙烯原型上面喷涂具有一定强度和硬度的锌铝合金涂层，从而形成所需模具的型腔，然后通过加热将聚氯乙烯原型和涂层分离．在模具型腔的内表面进行化学镀铜的处理，再利用电镀进行铜镀层的加厚，以解决锌铝合金喷涂模具的封孔性差问题．
2)利用电铸进行模具的制备，即通过电镀先在聚氯乙烯原型上面制备一层铜．为了提高铜镀层与喷涂层的结合强度，需要在镀层的表面进行喷砂的预处理，然后在铜镀层上面喷涂锌铝合金，达到模具所要求的工作厚度．采用与方案1)相同的方法进行模具与原型的分离，将锌铝合金涂层的厚度喷到3mm即完成电弧喷涂，其中电弧喷涂的工艺参数如表1所示．锌铝合金化学镀铜的工艺流程主要包括除油、清洗、去锈活化、清洗、化学镀、清洗及钝化．
由于电镀需要在导电的原型表面进行，因此，需要在聚氯乙烯原型表面涂覆一层导电铜油，然后电镀到达所要求的模具工作厚度。为了分析镀层的性能，将制得的模具切割成小块，对其进行预磨、抛光，并采用EDAX公司研制的电子扫描显微镜观察喷涂层和铜镀层的截面形貌，用HVS-1000数显显微硬度计对其进行显微硬度的测定．
在整个工艺流程中，铜镀层形成模具的型腔表面，电弧喷涂层对铜镀层起加固背衬的作用．在方案2)中，对铜镀层和喷涂层进行结合强度的测试，分别在铜镀层上喷涂铝丝、锌铝伪合金丝及锌铝合金丝，来确定最优的喷涂材料．采用粘结剂对偶试样拉伸实验法(GB8642-88)，在国产CSS-55100型电子万能试验机上进行铜镀层和喷涂层的拉伸实验，以确定两者的结合强度．
2·实验结果与分析
2.1 电铸工艺参数对模具表面性能的影响
在电铸制模中，硬度和孔隙率是镀层的重要性能指标．由于模具在工作状态时，型腔要承受充模压力，因此，要求镀层要有足够的硬度，而孔隙率则反映了镀层的致密性，它对镀层的强度和复制精度起着重要的作用．影响镀层硬度和孔隙率的主要因素是阴极电流密度和电镀溶液温度，其次是硫酸铜浓度和硫酸浓度．阴极电流密度对镀层的结晶晶粒的粗细有较大的影响．一般来讲，当阴极电流密度过低，阴极极化作用小时，镀层的结晶晶粒较粗;随着阴极电流密度增大，阴极极化作用也随之增大，镀层结晶较细致、紧密;但是阴极电流密度不能过大，不能超过允许的上限值，否则，由于阴极附近严重缺少金属离子的缘故，会在阴极的尖端产生树枝状的金属镀层，或者整个阴极表面上产生形状如海绵的疏松镀层．在其他条件相同的情况下，在20～30℃内，随着温度的增高，会加快阴极反应速度和金属离子的扩散速度，降低阴极极化作用，使电镀层结晶变粗，并且在与大阴极电流密度的共同作用下，会形成相对疏松的电铸层，使表面硬度、强度下降．因此，电镀铜应保持较低的镀液温度．
硫酸铜是镀液中的主盐，随着硫酸铜浓度的增加，虽可提高阴极电流密度，但它会结晶析出在阳极板上或者溶液中，从而降低镀液的导电率，影响镀层质量，其浓度一般约控制在200g/L．而硫酸的作用是防止铜盐水解，提高镀液的导电性．当硫酸浓度过高时，阴极极化作用受到较大的影响;而过低时，不能有效地控制铜盐的水解，会导致镀层结晶粗糙．在生产中硫酸的浓度一般控制在大约65g/L，镀液中适量的氯离子能提高镀层的光亮度和整平性，并能降低镀层的应力．添加剂的作用主要是提高电镀液的导电性，细化电镀层结晶组织，改善镀层整平度．另外，为了进一步提高镀层的质量和电镀效率，对镀液采用空气搅拌，从而使阴极附近消耗了的金属离子得到及时的补充并降低阴极的浓差极化作用．
2.2 两种方案喷涂层和铜镀层孔隙的对比分析
电弧喷涂层和镀层在500倍下的电镜照片．从图1a可以看出，电弧喷涂锌铝合金涂层存在较多的孔隙，且多数是封闭性孔隙，同时也存在少量的惯穿性孔隙．另外，在涂层中也存在一些夹杂物，从而导致电弧喷涂锌铝合金所制得的模具表面硬度低，封孔性差等．方案1)采用了在锌铝合金模具型腔的内表面化学镀铜的工艺方案，从图1b可以看出，锌铝合金喷涂层的表面粗糙、凹凸不平，并有许多微小的孔隙．化学镀铜时，涂层表面上的孔洞由于其内部的镀液不能充分得到交换、补充，因此，孔洞不可能被完全覆盖．另外，化学镀铜时所产生的氢原子和氢气分子在涂层表面是可以迁移的，随时可能聚集成氢气泡粘附在涂层表面．由于涂层表面粗糙，有微小孔隙的存在阻碍了氢气泡的排除，而氢气泡如果总是滞留在一个地方，就会在镀层中形成空洞或缝隙;如果氢气泡在涂层上附着不牢固，发生周期性的脱落，就会出现麻点．因此，用化学镀铜所得到的铜镀层中仍然有孔隙的存在．当用电镀进行镀层加厚时，由于在模具型腔内电镀，因此，制得的镀层薄厚不一，且电镀效率极低．由此可见，方案1)工艺繁琐，不能良好地解决模具表面性能上的缺陷．