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(jiǎn)介：王慶浩1979-;男，工程師，研究方向?yàn)樘厥怆婂冃袠I(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(jī)加工、電鍍、電 雕因素，著重闡述了電鍍銅層質(zhì)量指標(biāo)對(duì)打針的影響，以及控制要點(diǎn)。關(guān)鍵詞：凹印制版打針焊接應(yīng)力硬度晶格結(jié)構(gòu)中圖分類號(hào)：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(duì)鍍銅 層的苛刻要求，以及電鍍過程中多因素的復(fù)雜控制，使銅層很難達(dá)到盡善盡美 的品質(zhì)，同時(shí)由于版輥的機(jī)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(dāng)今制版行業(yè)降低生產(chǎn)成本就是提高利潤(rùn)、 保證產(chǎn)品質(zhì)量和交期就是保證企業(yè)生命的時(shí)代，凹印制版廠對(duì)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(biāo)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(biāo)會(huì)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(huì)使銅層厚度低于雕刻深度；同時(shí)，同心度超標(biāo)也會(huì)影響雕刻精度，特別是高速機(jī)，會(huì)使雕刻頭在工作過程

3、中嚴(yán)重跳動(dòng)，造成打針；2.1.2鐵輥版壁過薄或局部過薄起初國(guó)內(nèi)制版廠家，鐵輥都采用無縫鋼管進(jìn)行制作，隨著產(chǎn)品利潤(rùn)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(shì)，同時(shí)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(huì)影響機(jī)械加工精度，同時(shí) 會(huì)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(dòng)平衡超標(biāo)要求版輥動(dòng)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(jī)和印刷機(jī)對(duì)版輥的動(dòng)平衡要求比較嚴(yán)格，如果版輥動(dòng)平衡超標(biāo) 過大，高速電雕過程中造成打針的幾率就會(huì)比較大；2.1.4焊

4、接應(yīng)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(hù)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(huì)產(chǎn)生焊接應(yīng)力， 制版廠一般沒有應(yīng)力熱失效或振動(dòng)失效的設(shè)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(shí)間也只有幾個(gè)小時(shí)），因此焊接處的內(nèi)應(yīng)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(dòng)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(zhǎng)非常規(guī)的晶格結(jié)構(gòu)（錯(cuò)配孿晶），以降低界面能，這種生長(zhǎng)方式因電鍍工藝和焊接應(yīng)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(yīng)力影響的（電鍍操作人員 經(jīng)常會(huì)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(zhǎng)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(shí)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(yīng)力也是很 大的，用普通硬度儀測(cè)試焊縫出的銅層硬度，我們會(huì)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(yīng)力對(duì)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(huì)影響電雕質(zhì)量，可見版輥焊接應(yīng)力 對(duì)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(shí)由于版輥焊接處的砂眼、氣孔等缺陷

6、較多，也會(huì)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?。话孑亙啥说陌娑禄虬婵撞煌?，造成版輥轉(zhuǎn)動(dòng)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(dāng)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(rèn)為電鍍與電雕分?jǐn)偞蜥樢蛩乇壤秊?： 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(gè)方面，分別是硬度

7、、晶粒大小、內(nèi)應(yīng)力、鍍層中的顆粒夾雜、針孔等 缺陷，現(xiàn)將影響機(jī)理、控制及維護(hù)要點(diǎn)論述如下：2.2.1硬度對(duì)打針的影響銅層硬度是銅層最重要指標(biāo)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(huì)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(duì)版輥的使用 壽命也有不利影響；銅層過硬影響電雕機(jī)打針，電雕機(jī)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(shí)版輥旋轉(zhuǎn)又對(duì)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(huì)縮 短電子雕刻針使用壽命，打針現(xiàn)象難以避免，嚴(yán)重時(shí)出現(xiàn)斷針（嚴(yán)

8、重打針）。221.1鍍液成分對(duì)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(xué)反應(yīng)提供金屬離子，含量一般在 220-280g/L。硫酸銅含量對(duì)鍍銅 層的硬度影響不大，通過試驗(yàn)證實(shí)在正常的工藝條件內(nèi)增加主鹽的濃度，鍍銅 層的硬度會(huì)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(yīng)），當(dāng)鍍液遇到溫度較低版輥后硫酸銅就會(huì)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(huì)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(huì)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(qiáng)電解質(zhì)，能顯著提高鍍液的電導(dǎo)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(huì)使陽(yáng)極鈍化，槽電壓升高增加能耗；硫酸含 量過高，則會(huì)降低硫酸銅的溶解度，同時(shí)在生產(chǎn)過程中使硫酸銅升高過快，同 樣會(huì)帶來質(zhì)量隱患。另外硫酸的含量對(duì)銅層硬度和保存時(shí)間有較大的影響，升 高硫酸濃度能提高陰極的電化學(xué)極化，使晶核的形成速度

10、大于晶核的生長(zhǎng)速度， 結(jié)晶細(xì)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(duì)銅層硬 度的保質(zhì)期有一定的延長(zhǎng)作用。氯離子試驗(yàn)證實(shí)氯離子的含量對(duì)銅層的硬度及硬度存放時(shí)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(jī)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(yán)重 時(shí)銅層分層爆落。含量過高，版面容易產(chǎn)生麻點(diǎn)，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(biāo)嚴(yán)重時(shí)，還容易在陽(yáng)極表面形成一層 白色的氯化亞銅膜，影響陽(yáng)極的正常溶解。221.2添加劑對(duì)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(shí)一次性使鍍液中的各種 中間體含量達(dá)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(bǔ)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(shí)為了更好的對(duì)電鍍銅層的硬度和整平性進(jìn)行控制，所以將補(bǔ)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(jī)理有兩個(gè)方面，一方面由于提高了陰極極化，細(xì)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(jī)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(diǎn)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(yīng)力，從而使鍍層的硬度提高，同 時(shí)夾雜促使結(jié)晶細(xì)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(duì)嚴(yán)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(huì)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(jìn)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(huì)有 明顯降低，但硬度維持時(shí)間會(huì)明顯縮短，亮度也不會(huì)理想，低電流密度區(qū)尤其 嚴(yán)重；如硬化劑含量過高會(huì)抑制整平劑的效果，出現(xiàn)表面缺陷的幾率會(huì)升高， 高電流密度區(qū)會(huì)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(jī)表面活性劑，其作用是改善 鍍層的整平性能，是因?yàn)檎絼┠軆?yōu)先被吸附在活性較高、生長(zhǎng)速度快的凸點(diǎn) 處，影響金屬離子在這些位置放電，并使得吸附原子進(jìn)入這些活性位置有困難， 使這些凸點(diǎn)的生長(zhǎng)速度下降，并促使凹點(diǎn)處

14、的鍍層生長(zhǎng)，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(shí)會(huì)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(huì)抑制硬化劑的效果，使鍍層的光亮效果變 差，硬度會(huì)有所降低。221.3工藝條件對(duì)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(dòng)線 速度（攪拌力度）、過濾、陰陽(yáng)極面積比、陰極侵入程度等，每一工藝條件對(duì)鍍 銅層質(zhì)量、鍍液穩(wěn)定性、以及日常維護(hù)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(dòng)線速度三個(gè)因素，其他因素幾乎對(duì)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(shí) 降低了

15、反應(yīng)物粒子的自由能，使電化學(xué)極化、濃差極化相應(yīng)提高，使吸附原子 在結(jié)晶過程中排列更加緊密、細(xì)致，致使銅層的硬度提高、硬度保持期也相應(yīng) 延長(zhǎng)，同時(shí)電流密度的上限也會(huì)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(dǎo)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(bǔ) 償上述不足；如果溫度過高，會(huì)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(shí)的導(dǎo)電性，預(yù)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(gè)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(xué)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(shí)間也會(huì)縮短；提高電流密度，可以促進(jìn)陰 極極化度的提高，提高深度能力和光亮范圍，使結(jié)晶細(xì)致、結(jié)合緊密，獲得光 亮的鍍層，同時(shí)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(dòng)：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(dòng)方式，適當(dāng)?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(shí)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(dòng)的線速度，會(huì)使銅層變硬，超過電流密度的上限時(shí)會(huì)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(dòng)線速度，實(shí)踐 經(jīng)驗(yàn)表明線速度在1m/S為宜。221.4其他因素對(duì)銅層硬度的影響陽(yáng)極質(zhì)量：陽(yáng)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(gè)1200L的普通鍍銅槽每月就能消耗300kg的 銅陽(yáng)極，如果陽(yáng)極的金屬雜質(zhì)含量過高，就會(huì)造成金屬雜質(zhì)離子在鍍液中迅速 積累，當(dāng)陽(yáng)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(huì)與Cu共沉積，因?yàn)閆n、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(yáng)極純度也是影響 打針的一個(gè)較重要的因素。2.2.2晶粒大小對(duì)打針因素的影響大量的事實(shí)依據(jù)表明金屬的電鍍結(jié)晶過程與熱力學(xué)結(jié)晶過程相似，電鍍結(jié) 晶過程中依然會(huì)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(yán)重，同時(shí)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(yīng)力非常大，硬度也會(huì)高出很多，如果鍍銅層的晶 粒非常細(xì)小，在1微米以下，晶界密度相對(duì)于電雕針雕刻深度 （5-80um）而言， 在鍍層的分布中是相對(duì)均勻的，但如果晶粒的尺寸較大，超過幾個(gè)幾微米以上， 則可以說晶界的分布很不均勻，同時(shí)，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(diǎn)所能承受的硬度極限，必然會(huì)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(gè)重要因素，為保證電 雕質(zhì)量，需要晶粒細(xì)化的鍍層。在金屬電鍍結(jié)晶過程中包含兩個(gè)過程：結(jié)晶核心的生成過程和成長(zhǎng)過程， 這兩個(gè)過程的速度決定了金屬結(jié)晶的粗細(xì)程度。在電鍍過程中當(dāng)晶核的生成速 度大于晶核的成長(zhǎng)速度時(shí)，就能獲得結(jié)晶細(xì)致、排列緊密的鍍層；晶核的生成 速度大于晶核成長(zhǎng)速度的程度越大，鍍層結(jié)晶越細(xì)致、緊密；否則，結(jié)晶粗大。 傳統(tǒng)電鍍理論的觀點(diǎn)認(rèn)為，陰極的電化學(xué)極化度越大，越有利于晶核的形成， 得到的晶粒越細(xì)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(yīng)，只有 活化離子才參與反應(yīng)，故增加了 Cu2+勺濃度，也就增加了活化 Cu2+離子的數(shù)目, 反應(yīng)速率自然增快，電化學(xué)極化度會(huì)降低，如圖5所示，所以隨著主鹽濃度的增大，陰極電化學(xué)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(huì)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(xué)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(hào)電荷H+離子的影響，硫酸含量升高后，會(huì)使 Cu2+在電極的上的 反應(yīng)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(xué)極化 升高，晶核的形成的速度加快，所以能細(xì)化鍍層晶粒。溫度的影響溫度是決定電化學(xué)反應(yīng)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(yīng)，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(huì)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(xué)極化降低，晶核的形成的速度降低，所以提高溶