2019年轉(zhuǎn)電雕打針的因素控制

1、轉(zhuǎn)電雕打針的因素控制電雕打針的因素控制（上）東莞常晉凹版模具有限公司王慶浩作者簡介：王慶浩1979-;男，工程師，研究方向為特殊電鍍行業(yè)，聯(lián)系方式：ben haozi）摘要：本文分析了在凹印制版行業(yè)中，影響電雕打針的機加工、電鍍、電 雕因素，著重闡述了電鍍銅層質(zhì)量指標對打針的影響，以及控制要點。關(guān)鍵詞：凹印制版打針焊接應力硬度晶格結(jié)構(gòu)中圖分類號：TQ 153.14 1、前言在凹印制版行業(yè)，電雕制版仍然是主流的制版工藝，由于電雕工藝對鍍銅 層的苛刻要求，以及電鍍過程中多因素的復雜控制，使銅層很難達到盡善盡美 的品質(zhì)，同時由于版輥的機加工精度和電雕本身的原因，電雕過程中的

2、打針（也稱為損針）現(xiàn)象也就難以避免，使生產(chǎn)成本成倍增加，產(chǎn)品交期難以保證，成為 制版工藝中較難控制的環(huán)節(jié)之一。在當今制版行業(yè)降低生產(chǎn)成本就是提高利潤、 保證產(chǎn)品質(zhì)量和交期就是保證企業(yè)生命的時代，凹印制版廠對打針現(xiàn)象的重視 程度也提到了空前的高度。2影響電雕打針的因素2、1鐵輥因素2、1、1鐵輥同心度超標在制版行業(yè)，鐵輥的同心度一般控制在 0.03m m以內(nèi)，鐵輥同心度超標會影 響車、研磨加工后的銅層厚度，現(xiàn)在各家制版廠的銅層厚度余量一般都在 0.06-0.08mm（普通包裝版），版輥同心度稍有不好，就會使銅層厚度低于雕刻深度；同時，同心度超標也會影響雕刻精度，特別是高速機，會使雕刻頭在工作過程

3、中嚴重跳動，造成打針；2.1.2鐵輥版壁過薄或局部過薄起初國內(nèi)制版廠家，鐵輥都采用無縫鋼管進行制作，隨著產(chǎn)品利潤的降低， 所有廠家為了降低成本，目前除了一些高端版輥以外，大部分使用3-4.5mm厚鋼板卷制而成，薄壁版輥已經(jīng)成為發(fā)展趨勢，同時由于卷制版的加工余量較大， 版壁局部過薄的現(xiàn)象更是常見。過薄的版壁一方面會影響機械加工精度，同時 會引起版輥在雕刻過程產(chǎn)生共振現(xiàn)象，造成打針；2.1.3版輥動平衡超標要求版輥動平衡的目的，無非是提高版輥在雕刻、印刷過程中的平穩(wěn)度。 一般高速電雕機和印刷機對版輥的動平衡要求比較嚴格，如果版輥動平衡超標 過大，高速電雕過程中造成打針的幾率就會比較大；2.1.4焊

4、接應力影響銅層硬度鐵輥在生產(chǎn)過程中，必須使用焊接，條件好的用二氧化碳保護焊、埋弧焊， 條件差的就只有使用普通電焊，不管那種電焊方式，焊接處都會產(chǎn)生焊接應力， 制版廠一般沒有應力熱失效或振動失效的設備或條件，自然失效更是不可能（從版輥焊接到入電鍍槽的時間也只有幾個小時），因此焊接處的內(nèi)應力非常大，晶 格結(jié)構(gòu)也是非常規(guī)的，在電鍍鎳、銅的過程中，鍍層晶格匹配的驅(qū)動力是沉積 物-襯底界面能的降低，如果沉積物和襯底屬于不同晶系或襯底晶格畸變，沉 積物將發(fā)生晶格轉(zhuǎn)變或扭曲，并在界面處生長非常規(guī)的晶格結(jié)構(gòu)（錯配孿晶），以降低界面能，這種生長方式因電鍍工藝和焊接應力的不同一般延續(xù)2-15um,鐵輥電鍍鎳層的厚

5、度一般在2-4um，是不能消除鐵輥應力影響的（電鍍操作人員 經(jīng)常會發(fā)現(xiàn)版輥焊縫處的鎳層顏色、粗糙程度與非焊縫版面有明顯不同），鍍銅的初始階段銅層的晶格生長方式同樣受到鎳層非常規(guī)晶格的不良影響，使晶格 結(jié)構(gòu)異常，同時需要指出的是，這種存在結(jié)構(gòu)異常晶格的鍍銅層內(nèi)應力也是很 大的，用普通硬度儀測試焊縫出的銅層硬度，我們會發(fā)現(xiàn)此處的硬度比較高， 一般銅層厚度超過10u m以上才能消除鐵輥焊接應力對銅層硬度的影響，所以銅 層厚度必須比雕刻深度多10u m以上才能不會影響電雕質(zhì)量，可見版輥焊接應力 對打針有較大的不利影響，這也是我們發(fā)現(xiàn)焊縫處打針比較多的主要原因之一， 同時由于版輥焊接處的砂眼、氣孔等缺陷

6、較多，也會在很大程度上造成打針；2.1.5鐵輥的其它影響因素除去以上表述的問題外，鐵輥影響打針的影響因素還有很多，比如：鐵輥 尺寸過大，造成銅層厚度不夠；鐵輥版面粘有鐵質(zhì)毛刺，車、研磨后毛刺露出 銅層，或造成局部銅層過薄；版輥兩端的版堵或版孔不同心，造成版輥轉(zhuǎn)動異 常；以及鐵輥有磁性造成版面容易吸附鐵屑，產(chǎn)生鍍銅層毛刺等缺陷，這些都 是造成打針的因素，由于這些問題都比較容易理解，且在生產(chǎn)當中都容易控制， 在此不做闡述。2.2電鍍因素在行業(yè)內(nèi)部，一般認為電鍍與電雕分攤打針因素比例為6： 4或7： 3，以上分法是排除鐵輥影響因素的情況，就電鍍銅層而言，影響打針的主要因素由 以下幾個方面，分別是硬度

7、、晶粒大小、內(nèi)應力、鍍層中的顆粒夾雜、針孔等 缺陷，現(xiàn)將影響機理、控制及維護要點論述如下：2.2.1硬度對打針的影響銅層硬度是銅層最重要指標之一，控制在工藝范圍之內(nèi)才能滿足電子雕刻 的需要，即190-230HV,硬度過軟或過硬都不利于電子雕刻，過軟會使電雕的 網(wǎng)型不規(guī)矩，網(wǎng)穴邊沿產(chǎn)生毛刺、網(wǎng)墻破裂，影響色彩還原，且對版輥的使用 壽命也有不利影響；銅層過硬影響電雕機打針，電雕機的雕刻頻率一般都比較 高，電雕針沖擊銅層的速度非常大，同時版輥旋轉(zhuǎn)又對電雕針產(chǎn)生側(cè)面沖擊力， 因此電雕針的受力就非常巨大，銅層越硬電雕針受力越大，因此銅層過硬會縮 短電子雕刻針使用壽命，打針現(xiàn)象難以避免，嚴重時出現(xiàn)斷針（嚴

8、重打針）。221.1鍍液成分對銅層硬度的影響硫酸銅酸性鍍銅工藝成分主要由硫酸銅、硫酸、氯離子組成，硫酸銅主要 為陰極電化學反應提供金屬離子，含量一般在 220-280g/L。硫酸銅含量對鍍銅 層的硬度影響不大，通過試驗證實在正常的工藝條件內(nèi)增加主鹽的濃度，鍍銅 層的硬度會有一定程度的降低，但不明顯，甚至可以忽略。但硫酸銅作為該電鍍工藝的主鹽，含量必須很好得控制。銅離子的濃度主要影響傳質(zhì)步驟，濃度 低，陰極表面濃差層過厚，不能滿足高電流密度的需要，高電流密度區(qū)容易燒 焦。硫酸銅含量的提高受到其溶解度的限制，而且其溶解度隨硫酸含量的升高 而降低（同離子效應），當鍍液遇到溫度較低版輥后硫酸銅就會在其

9、表面結(jié)晶（冬季常見），影響電鍍層的結(jié)合力，且降低電鍍層的質(zhì)量，如果小的結(jié)晶體夾雜在 銅層內(nèi)，將會產(chǎn)生質(zhì)量缺陷，容易使電雕針磨損，較大的硫酸銅結(jié)晶體還會造 成砂眼、毛刺、針孔等質(zhì)量缺陷，非常容易造成打針。硫酸硫酸是強電解質(zhì)，能顯著提高鍍液的電導率，還能防止硫酸銅水解沉 淀，硫酸含量低，鍍液的分散能力和深度能力差，造成鍍層的光亮度和整平度 下降（尤其是低電流密度區(qū)），還會使陽極鈍化，槽電壓升高增加能耗；硫酸含 量過高，則會降低硫酸銅的溶解度，同時在生產(chǎn)過程中使硫酸銅升高過快，同 樣會帶來質(zhì)量隱患。另外硫酸的含量對銅層硬度和保存時間有較大的影響，升 高硫酸濃度能提高陰極的電化學極化，使晶核的形成速度

10、大于晶核的生長速度， 結(jié)晶細膩、緊密，晶格內(nèi)原子間力也較大，所以能提高鍍層硬度，且對銅層硬 度的保質(zhì)期有一定的延長作用。氯離子試驗證實氯離子的含量對銅層的硬度及硬度存放時間幾乎沒有影響。 但氯離子是酸性鍍銅中不可缺少的一種無機陰離子，沒有氯離子則不能獲得理 想的光亮銅層。含量過低鍍層粗糙，高電流密度區(qū)有筋條狀分布的毛刺，嚴重 時銅層分層爆落。含量過高，版面容易產(chǎn)生麻點，影響光亮度和整平性，且在 生產(chǎn)過程中消耗過量的添加劑，含量超標嚴重時，還容易在陽極表面形成一層 白色的氯化亞銅膜，影響陽極的正常溶解。221.2添加劑對銅層硬度的影響銅層硬度主要受添加劑的影響，目前凹印制版鍍硬銅所用添加劑基本都

11、分 為三部分使用，即開缸劑 Mu光亮硬化劑-1、整平劑-2。添加劑是由中間體 （配制添加劑所用的成品原材料）組成，開缸劑中所含的中間體在光亮硬化劑 -1、 整平劑-2中都含有，只是濃度不一樣，目的是在開缸時一次性使鍍液中的各種 中間體含量達到工藝范圍，由于各種中間體在電鍍過程中的消耗量受電流密度、 溫度等因素的影響差異很大，且各種中間體的消耗量并非與其在鍍液中的含量 成正比，所以補充劑（光亮硬化劑-1、整平劑-2）中的成分比例與開缸劑是不能一樣的，同時為了更好的對電鍍銅層的硬度和整平性進行控制，所以將補充劑 分成光亮硬化劑-1與整平劑-2。光亮硬化劑：光亮硬化劑即有硬化作用，又有光亮作用。這類

12、硬化劑提高 鍍層硬度的機理有兩個方面，一方面由于提高了陰極極化，細化了結(jié)晶，提高 了光亮度，使金屬離子還原后在結(jié)晶的過程中相互作用力增大，改變了晶格參 數(shù)、晶粒尺寸，以至于提高銅層的硬度。另一方面這類硬化劑中含有小分子的 無機物，在電沉積過程中能夠分解出輕元素，如 B、C、N、S等，分解產(chǎn)物多 數(shù)被夾雜入沉積鍍層晶格的空隙位置而被消耗，形成金屬結(jié)晶的點缺陷（類似間隙固溶體），在銅層內(nèi)部較均勻的產(chǎn)生了夾雜應力，從而使鍍層的硬度提高，同 時夾雜促使結(jié)晶細化，并產(chǎn)生光亮的鍍層表面。需要指出的是在鍍層的晶界處 晶格畸變相對嚴重，更容易夾雜輕元素（形成金屬結(jié)晶的面缺陷），此處的硬度 將會尤為突出（所以前

13、面用"較均勻"一詞，均勻程度受晶粒大小的影響，在后面 章節(jié)將有進一步說明）。硬化劑在鍍液中含量過少，剛剛鍍好的銅層硬度不會有 明顯降低，但硬度維持時間會明顯縮短，亮度也不會理想，低電流密度區(qū)尤其 嚴重；如硬化劑含量過高會抑制整平劑的效果，出現(xiàn)表面缺陷的幾率會升高， 高電流密度區(qū)會有焦斑產(chǎn)生，硬度也同樣有一定的提高，容易造成電雕打針。整平劑：整平劑的主要成分是大分子量的有機表面活性劑，其作用是改善 鍍層的整平性能，是因為整平劑能優(yōu)先被吸附在活性較高、生長速度快的凸點 處，影響金屬離子在這些位置放電，并使得吸附原子進入這些活性位置有困難， 使這些凸點的生長速度下降，并促使凹點處

14、的鍍層生長，該過程使鍍層表面得 以整平化。整平劑的使用范圍比較窄，含量過低時會影響整平效果，高電流密 度區(qū)容易燒焦。整平劑含量過高，會抑制硬化劑的效果，使鍍層的光亮效果變 差，硬度會有所降低。221.3工藝條件對銅層硬度的影響酸性光亮電鍍硬銅的工藝控制條件包括溫度、陰極電流密度、陰極轉(zhuǎn)動線 速度（攪拌力度）、過濾、陰陽極面積比、陰極侵入程度等，每一工藝條件對鍍 銅層質(zhì)量、鍍液穩(wěn)定性、以及日常維護都非常重要，但影響銅層硬度的因素主 要有溫度、陰極電流密度以及陰極轉(zhuǎn)動線速度三個因素，其他因素幾乎對硬度 沒有影響，在此不做論述。溫度：溫度是是控制銅層硬度的重要因素，溫度降低，不利于傳質(zhì)，同時 降低了

15、反應物粒子的自由能，使電化學極化、濃差極化相應提高，使吸附原子 在結(jié)晶過程中排列更加緊密、細致，致使銅層的硬度提高、硬度保持期也相應 延長，同時電流密度的上限也會降低，而且硫酸銅容易結(jié)晶析出，造成質(zhì)量隱 患；溫度高，能提高鍍液的電導率，加快傳質(zhì)速度，降低陰極極化度，使鍍層 硬度、光亮度降低，但也能提高電流密度的上限，可以通過提高電流密度來補 償上述不足；如果溫度過高，會分解部分不耐高溫的添加劑中間體，增加添加 劑的消耗量，降低其正常的效果。因該工藝使用的電流密度較大，要特別注意 版輥裝夾時的導電性，預防局部因?qū)щ姴涣紲囟冗^高，使硬度局部下降。電流密度：電流密度是控制銅層硬度的另外一個重要因素，

16、與鍍層的質(zhì)量， 密切相關(guān)。電流密度低，生產(chǎn)效率低，陰極電化學極化小，結(jié)晶粗大，鍍層粗 糙，硬度也較低，而且硬度的存放時間也會縮短；提高電流密度，可以促進陰 極極化度的提高，提高深度能力和光亮范圍，使結(jié)晶細致、結(jié)合緊密，獲得光 亮的鍍層，同時可以提高結(jié)晶原子的相互作用力，促使硬化劑中的成分在銅層 中夾雜，從而提高銅層硬度。陰極轉(zhuǎn)動：制版行業(yè)為使鍍層在圓周方向覆蓋均勻，一般采用版輥旋轉(zhuǎn)做 陰極移動方式，適當?shù)陌孑佫D(zhuǎn)速，可有效的降低濃差極化，有利于提高電流密 度的上限，從而縮短電鍍時間提高生產(chǎn)效率。在其它工藝條件不變的情況下降 低版輥轉(zhuǎn)動的線速度，會使銅層變硬，超過電流密度的上限時會降低陰極的電 流

17、效率，甚至使鍍層中夾雜氫氧化物沉淀，這種情況非常容易造成打針，所以 為保證銅層的硬度，必須在生產(chǎn)中根據(jù)不同版輥的直徑調(diào)整轉(zhuǎn)動線速度，實踐 經(jīng)驗表明線速度在1m/S為宜。221.4其他因素對銅層硬度的影響陽極質(zhì)量：陽極的質(zhì)量主要指金屬雜質(zhì)（Zn、Sn Ni等）含量，在凹印制版 行業(yè)中，由于生產(chǎn)效率極高，一個1200L的普通鍍銅槽每月就能消耗300kg的 銅陽極，如果陽極的金屬雜質(zhì)含量過高，就會造成金屬雜質(zhì)離子在鍍液中迅速 積累，當陽雜質(zhì)離子的濃度超過一定含量，在特定溫度、電流密度下就會與Cu共沉積，因為Zn、Sn Ni等元素與Cu原子直徑、原子序數(shù)相近，就可能形成均勻的置換固溶體（如圖3所示），

18、提高鍍層的硬度，因此陽極純度也是影響 打針的一個較重要的因素。2.2.2晶粒大小對打針因素的影響大量的事實依據(jù)表明金屬的電鍍結(jié)晶過程與熱力學結(jié)晶過程相似，電鍍結(jié) 晶過程中依然會形成結(jié)晶缺陷（如圖4），前面已經(jīng)闡述在電鍍銅過程中，在鍍 層的晶界處產(chǎn)生的晶格畸變嚴重，同時在晶界處更容易夾雜硬化劑中的一些輕 元素原子，造成晶界處的內(nèi)應力非常大，硬度也會高出很多，如果鍍銅層的晶 粒非常細小，在1微米以下，晶界密度相對于電雕針雕刻深度 （5-80um）而言， 在鍍層的分布中是相對均勻的，但如果晶粒的尺寸較大，超過幾個幾微米以上， 則可以說晶界的分布很不均勻，同時，也反映出硬度在鍍層中的分布也是不均 勻的

19、，雕刻過程中一旦超過電雕針刀刃薄弱點所能承受的硬度極限，必然會造 成打針或磨損，所以說銅層晶粒大小也是影響打針的一個重要因素，為保證電 雕質(zhì)量，需要晶粒細化的鍍層。在金屬電鍍結(jié)晶過程中包含兩個過程：結(jié)晶核心的生成過程和成長過程， 這兩個過程的速度決定了金屬結(jié)晶的粗細程度。在電鍍過程中當晶核的生成速 度大于晶核的成長速度時，就能獲得結(jié)晶細致、排列緊密的鍍層；晶核的生成 速度大于晶核成長速度的程度越大，鍍層結(jié)晶越細致、緊密；否則，結(jié)晶粗大。 傳統(tǒng)電鍍理論的觀點認為，陰極的電化學極化度越大，越有利于晶核的形成， 得到的晶粒越細致，下面就影響鍍銅層晶粒大小的因素分析如下：Cu2+濃度的影響在鍍液中電極

20、表面的所有 Cu2+并非都參與電極反應，只有 活化離子才參與反應，故增加了 Cu2+勺濃度，也就增加了活化 Cu2+離子的數(shù)目, 反應速率自然增快，電化學極化度會降低，如圖5所示，所以隨著主鹽濃度的增大，陰極電化學極化下降，結(jié)晶核心的生成速度變慢，所得鍍層的結(jié)晶晶粒變 粗。但過低的Cu2+濃度又會增大陰極的濃差極化，降低陰極電流密度的上限。圖5: Cu2+寸電化學極化的影響I為銅電極在 0.5mol/L硫酸銅溶液中的極 化曲線U為銅電極在1mol/L硫酸銅溶液中的極化曲線硫酸濃度的影響溶液中，在硫酸含量不影響硫酸銅溶解度的情況下，由于 Cu2+受帶同型號電荷H+離子的影響，硫酸含量升高后，會使 Cu2+在電極的上的 反應速率有一定阻礙作用，活化 Cu2+轉(zhuǎn)變?yōu)榉腔罨癄顟B(tài)，使陰極的電化學極化 升高，晶核的形成的速度加快，所以能細化鍍層晶粒。溫度的影響溫度是決定電化學反應速度的重要因素，上文已經(jīng)提到在電極 表面并非所有Cu2嘟參與電極反應，只有活度高的 Cu2+才能在電極上得到電子, 完成新相的生成，在溶液中Cu2+的活度系數(shù)（活度離子數(shù)/總離子數(shù)）與溶液的 溫度直接有關(guān)，溫度升高會使非活化的 Cu2+轉(zhuǎn)變?yōu)榛罨癄顟B(tài)，使Cu2啲活度系 數(shù)提高，使電化學極化降低，晶核的形成的速度降低，所以提高溶