[科普中国]-电铸模具

电铸模具是指利用金属的电解沉积原理来精确复制某些复杂或特殊形状工件的特种加工方法。它是电镀的特殊应用。电铸是俄国学者Б.С.雅可比于1837年发明的。

简介电铸模具是指利用金属的电解沉积原理来精确复制某些复杂或特殊形状工件的特种加工方法。它是电镀的特殊应用。电铸是俄国学者Б.С.雅可比于1837年发明的。

应用最初主要用于复制金属艺术品和印刷版，19世纪末开始用于制造唱片压模，以后应用范围逐步扩大1。

电铸模具型腔制作过程把预先按所需形状制成的原模作为阴极，用电铸材料作为阳极，一同放入与阳极材料相同的金属盐溶液中，通以直流电。在电解作用下，原模表面逐渐沉积出金属电铸层，达到所需的厚度后从溶液中取出，将电铸层与原模分离，便获得与原模形状相对应的金属复制件。

电铸的金属电铸的金属通常有铜、镍和铁3种，有时也用金、银、铂镍-钴、钴-钨等合金，但以镍的电铸应用最广。电铸层厚度一般为0.02～6毫米，也有厚达25毫米的。电铸件与原模的尺寸误差仅几微米。

电铸的主要用途电铸的主要用途是精确复制微细、复杂和某些难于用其他方法加工的特殊形状工件，例如制作纸币和邮票的印刷版、唱片压模、铅字字模、金属艺术品复制件、反射镜、表面粗糙度样块、微孔滤网、表盘、电火花成型加工用电极、高精度金刚石磨轮基体等。

原模的材料原模的材料有石膏、蜡、塑料、低熔点合金、不锈钢和铝等。原模一般采用浇注、切削或雕刻等方法制作，对于精密细小的网孔或复杂图案，可采用照相制版技术。非金属材料的原模须经导电化处理，方法有涂敷导电粉、化学镀膜和真空镀膜等。

对于金属材料的原模，先在表面上形成氧化膜或涂以石墨粉，以便于剥离电铸层2。

电铸设备电铸设备由电铸槽、直流电源(一般是12伏，几百至几千安) 以及电铸溶液的恒温、搅拌、循环和过滤等装置组成。电铸溶液采用含有电铸金属离子的硫酸盐、氨基磺酸盐、氟硼酸盐和氯化物等的水溶液。电铸的主要缺点是效率低，一般每小时电铸金属层的厚度为0.02～0.05毫米。采用高浓度电铸溶液，并适当提高溶液温度和加强搅拌等措施，可以提高电流密度，缩短电铸时间，从而可以提高电铸效率。这种方法在镍的电铸中已获得应用。

电铸历史1、前言

进入21世纪，社会结构随着信息化和高消费化而导致工程塑料复制品泛滥成灾。电铸技术作为复制技术在金属薄膜制造、铸造用模具制造中有着广泛的应用。同时，作为工程塑料成型模具的制造技术已经具有重要地位。

21世纪是讲求与环境共生和可持续发展的世纪，节约资源和能源是社会追求的目标。电铸技术是与资源再利用和实现可持续发展的有效技术，它使通过复制单个制品而大量生产产品成为可能。本文稿对电铸的原理、设备、和在产品中的应用加以介绍。

2、电铸技术开发的背景

电铸最早是在1841年由俄国对石蜡或石膏进行导电化处理后制作工艺品铜电铸的模具而开始的。但在在工业上的广泛应用是在1950~1960年左右。早期（19世纪）的电铸是以铜电铸为主。限于在印刷胎版的复制和雕像和浮雕等工艺品的制作。中间阶段（20世纪初）铁的电铸渐渐取代铜成为主流，应用也扩大到橡胶和塑料模具的制作。到后期（20世纪后半期）镍取代铁而成为电铸的主流。应用也扩大到录音原盘、波导管、铸造和注塑模、 、金属薄膜、 、印制线路板、工艺美术品等诸多方面。

铜、镍、金、铂、银等都可以做为电铸加工的材料，在半导体、CD（MD）或DVD等的磁信息记录、光电子、微电子、DNA增幅等超精细加工中，都已经有了应用。电铸已经作为微电子技术时代的重要加工手段。

3、电铸的原理

电铸的原理：如同电镀一样是是利用电化学反应的的电沉积技术。通过在含有同所要获得的金属的离子的电解液中的阳极的溶解，在作为阴极的母型上沉积出金属从而形成可以复制原型的金属模型，这就是电铸的原理。

电铸与电镀的最大不同是，电镀的产品是被镀件和产品的复合体。而电铸则只是以电沉积层为所需要的制品。最终要将镀层与母型脱离。

电铸的质量与脱模方法和电铸金属的金相特点有关。应用方面有利用延展性好的镍制光碟的母型，用导电性好的铜制作印刷线路，用硬度和耐热性好的铁制作冲压模，用耐腐蚀性好和贵金属制作金导线或装饰品，利用银的杀菌作用制作DNA的增幅器等。

4、电铸的特点

利用电铸技术可以制作其它方法达不到的复制高精度和细致的模具，可以复制高价值和高复杂程度的造型。另外，电铸还可以制作其它方法不能做到的制品，特别是那些制作原型很困难的制品。如图1所示的电铸过程中，金属沉积层从原型上剥离时，根据原型的材料的不同可以是一次性的也可以是重复使用的。而重复使用的原型可以多次使用，从而降低了电铸加

工的成本和提高了效率。但是，电铸的技术还有进一步发展的空间，电铸技术的水准与材料学、物理化学、以及电化学的进步和设备的改进都有着密切关系。

电铸加工的主要技术和经济特征如下：

①与制品的形状大小无关，只要有电铸槽就可以制作；

②电沉积物的物理、化学性质可以在较宽的范围变化；

③可以复制50~100nm的精度的造型；

④可以制作中空制品和合金制品；

⑤对大量复制产品，与其它方法比在高精度和制作成本方面有优势；

⑥生产的效率提高，对环境保护有利。

5、电铸系统的构成

电铸过程与原型的制作，与导电层的获得方法（化学的物理的）、利用酸和碱的剥离方法、电沉积金属的性质、设备和装置都有关系。主要的系统包括电沉积的金属、电解液、模型、设备等。系统原型的制作，与原型的所用的材料有关，非导体的电铸、导体的电铸有不同的电铸液和工艺。

5.1原型的制作

原型的制作有金属、石蜡、石膏、树脂原型法，蜡加工有机械加工法、手工法、模压、雕刻法等，金属、树脂、玻璃有化学加工法（蚀刻法）等。

原型的材料，主要是采用金属、树脂、玻璃等，电铸制品的精度和细微化可以利用光学和化学的方法获得。这种方法多用于非导体原型。

经过研磨的玻璃板涂覆感光涂料、经感光后制作成树脂图形，可以经蚀刻而制成原型。另外，也有在金属或玻璃基材表面制作塑料图形后再进行化学蚀刻来制作原型。这种用光化学方法制作的原型用来时行光碟（CD、MD、DVD等）模的电铸。

还有用机械加工方法制作的原型，用来制作反射镜的电铸。

5.2非导体的电铸

原型是树脂或玻璃的场合，由于原型是非导体，在电铸前进行表面的导电化是必要的。这种导电化，有湿法的化学镀和干法的真空镀等，镀层有银、铜、镍等金属膜。化学镀方法有利用不同金属的电位差的置换法和利用还原剂的还原法，但多半是利用还原剂法。真空镀是在真空条件下使放电离子向阴极耙电极冲击而将金属溅射到被镀件上去的方法。

非导体表面导电化后，就可以根据工艺流程进行电铸。如果以这种所得到的电铸模做原型，可以再在上面电铸出相反形状的电铸模，即在阴模上电铸出阳模，在阳模上电铸出阴模。

以往在非导体上电铸要经历低温度、低浓度、低电流密度（2A/dm2）的第一层膜的电镀，随着电源和电铸槽的改良以及电铸流程的电子化、表面金属化的改良，已经不需要进行第一次电镀就时接进入电铸流程。

5.3电铸液

电铸工艺因所使用的金属材料的不同和所用电铸液工艺的不同而有所不同。电铸的分类如下：

镍电铸：氨基磺酸镍液，硫酸镍液

铜电铸：氰化铜，硫酸盐镀铜，焦磷酸盐镀铜

铁电铸：氨基磺酸铁

钴电铸：氨基磺酸钴、硫酸钴

金电铸：氰化液

银电铸：焦磷酸盐镀液、氰化液

对电铸来说，影响电铸金属质量的是电铸的结晶过程。最终是受电铸溶液的物理、化学性质的影响。

电铸金属离子的浓度对最大电流密度有影响；镀液的密度和粘度对过滤的效率有影响；电导度对金属离子的迁移、热容量对镀液温度的、离子扩散系数对极限电流密度、电导度对电流密度、表面张力对气体的逸出和针孔的形成等，都有影响。对这些因素的影响的综合考虑，决定电铸液的组成。

6 电铸装置与设备

电铸装置由非金属导体化设备、母型剥离设备、电源和进行电铸的电解槽等构成。根据电铸的目的不同而会有各种不同的设备。例如，为了非金属表面金属化，所需要的化学镀装置，有喷镀法装置，也有浸镀法装置；而电源也有用到高压性能好的开关电源；阳极则考虑到溶解的充分而选用球状阳极等。图5是光盘原型电铸所用的旋盘电极式电铸装置。这种装置让盘面呈45°角，使电铸过程中产生的气体容易析出。同时采用了镀液冲刷电铸表面的方式循环供镀液。

7 最近的技术动向

由于电铸需要稳定的直流电流，已经采用了交流因素极少的直流电源设备。同时在镀液分析、挂具改进，计算技术的引进等方面都有新的进展。使电铸金属的性能有进一步的改进。随着电铸应用领域的扩大，传统上靠机械加工方法加工的齿轮、高尔夫球的模具、眼镜等，都已经采用电铸法制造模具。并且电铸的精密度也进入了纳米级的时代。例如光刻原盘或微电子制品和TEM用的微 等，都要用到微电铸技术。这是因为电铸可以从原型上非常精密地复制出模型，可以制作粗糙度为40nm的镜面模具。

8 结语

电铸技术虽然已经进入纳米时代，但却很少为人所知。其知名度很低。因此本稿为的普及电铸的知识（而写）。

电铸从宏观复制到的纳米级复制，所使用的还是以160年前开发的技术为基础的技术。但是在工艺流程和设备方面已经有了很大进步。今后，需要进一步发展无污染或少污染的技术，同时要根据物理化学、材料学、电工学、光学、机械工程、经济学、环境科学等的进步而对电铸技术进行新的开发和发展，包括开发出新的适合用于电铸的合金电铸技术3。

本词条内容贡献者为:

石季英 - 副教授 - 天津大学