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王慶者簡(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)絡(luò)方式：benhaozisohu 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)力硬度晶格構(gòu)造中圖分類號(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(guò)程中多因素的復(fù)雜控制，使銅層很難到達(dá)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(guò)程中的打針也稱為損

2、針現(xiàn)象也就難以防止，使消費(fèi)本錢成倍增加，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)降低消費(fèi)本錢就是進(jìn)步利潤(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0.03mm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，如今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(guò)程中嚴(yán)重跳動(dòng)，造成打針；2.1.2鐵

3、輥版壁過(guò)薄或部分過(guò)薄起初國(guó)內(nèi)制版廠家，鐵輥都采用無(wú)縫鋼管進(jìn)展制作，隨著產(chǎn)品利潤(rùn)的降低，所有廠家為了降低本錢，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)成為開展趨勢(shì)，同時(shí)由于卷制版的加工余量較大，版壁部分過(guò)薄的現(xiàn)象更是常見(jiàn)。過(guò)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(guò)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(wú)非是進(jìn)步版輥在雕刻、印刷過(guò)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，假設(shè)版輥動(dòng)平衡超標(biāo)過(guò)大，高速電雕過(guò)程中造成打針的幾率就會(huì)比較大；2.1.4焊接應(yīng)力影響銅層硬度鐵輥在消費(fèi)過(guò)程中，必須使用

4、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(méi)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，晶格構(gòu)造也是非常規(guī)的，在電鍍鎳、銅的過(guò)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，假設(shè)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)的晶格構(gòu)造錯(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)

5、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，使晶格構(gòu)造異常，同時(shí)需要指出的是，這種存在構(gòu)造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(guò)10um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10um以上才能不會(huì)影響電雕質(zhì)量，可見(jiàn)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(wèn)題外，鐵

6、輥影響打針的影響因素還有很多，比方：鐵輥尺寸過(guò)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，或造成部分銅層過(guò)?。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(wèn)題都比較容易理解，且在消費(fèi)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、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)闡述如下：2.2.1硬

7、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(guò)軟或過(guò)硬都不利于電子雕刻，過(guò)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，影響色彩復(fù)原，且對(duì)版輥的使用壽命也有不利影響；銅層過(guò)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宏大，銅層越硬電雕針受力越大，因此銅層過(guò)硬會(huì)縮短電子雕刻針使用壽命，打針現(xiàn)象難以防止，嚴(yán)重時(shí)出現(xiàn)斷針嚴(yán)重打針。2.2.1.1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

8、電化學(xué)反響提供金屬離子，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(guò)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，陰極外表濃差層過(guò)厚，不能滿足高電流密度的需要，高電流密度區(qū)容易燒焦。硫酸銅含量的進(jìn)步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)在其外表結(jié)晶冬季常見(jiàn)，影響電鍍層的結(jié)合力，且降低電鍍層的質(zhì)量，假設(shè)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

9、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)，能顯著進(jìn)步鍍液的電導(dǎo)率，還能防止硫酸銅水解沉淀，硫酸含量低，鍍液的分散才能和深度才能差，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(guò)高，那么會(huì)降低硫酸銅的溶解度，同時(shí)在消費(fèi)過(guò)程中使硫酸銅升高過(guò)快，同樣會(huì)帶來(lái)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，升高硫酸濃度能進(jìn)步陰極的電化學(xué)極化，使晶核的形成速度大于晶核的生長(zhǎng)速度，結(jié)晶細(xì)膩、嚴(yán)密，晶格內(nèi)原子間力也較大，所以能進(jìn)步鍍層硬度，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

10、度及硬度存放時(shí)間幾乎沒(méi)有影響。但氯離子是酸性鍍銅中不可缺少的一種無(wú)機(jī)陰離子，沒(méi)有氯離子那么不能獲得理想的光亮銅層。含量過(guò)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(guò)高，版面容易產(chǎn)生麻點(diǎn)，影響光亮度和整平性，且在消費(fèi)過(guò)程中消耗過(guò)量的添加劑，含量超標(biāo)嚴(yán)重時(shí)，還容易在陽(yáng)極外表形成一層白色的氯化亞銅膜，影響陽(yáng)極的正常溶解。2.2.1.2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根本都分為三部分使用，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

11、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到達(dá)工藝范圍，由于各種中間體在電鍍過(guò)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)展控制，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。這類硬化劑進(jìn)步鍍層硬度的機(jī)理有兩個(gè)方面，一方面由于進(jìn)步了陰極極化，細(xì)化了結(jié)晶，進(jìn)步了光亮度，使金屬離子復(fù)原后在結(jié)晶的過(guò)程中互相作用力增大，改變了晶格參數(shù)、晶粒尺寸，以致于進(jìn)步銅層的硬度。另

12、一方面這類硬化劑中含有小分子的無(wú)機(jī)物，在電沉積過(guò)程中可以分解出輕元素，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，從而使鍍層的硬度進(jìn)步，同時(shí)夾雜促使結(jié)晶細(xì)化，并產(chǎn)生光亮的鍍層外表。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(shuō)明。硬化劑在鍍液中含量過(guò)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

13、；如硬化劑含量過(guò)高會(huì)抑制整平劑的效果，出現(xiàn)外表缺陷的幾率會(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進(jìn)步，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)外表活性劑，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)處的鍍層生長(zhǎng)，該過(guò)程使鍍層外表得以整平化。整平劑的使用范圍比較窄，含量過(guò)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(guò)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。2.2.1.3工藝條件對(duì)銅層硬度的影響酸性

14、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(guò)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(méi)有影響，在此不做闡述。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)降低了反響物粒子的自由能，使電化學(xué)極化、濃差極化相應(yīng)進(jìn)步，使吸附原子在結(jié)晶過(guò)程中排列更加嚴(yán)密、細(xì)致，致使銅層的硬度進(jìn)步、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，能進(jìn)步鍍液的電導(dǎo)率，加快傳質(zhì)速度，

15、降低陰極極化度，使鍍層硬度、光亮度降低，但也能進(jìn)步電流密度的上限，可以通過(guò)進(jìn)步電流密度來(lái)補(bǔ)償上述缺乏；假設(shè)溫度過(guò)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)防部分因?qū)щ姴涣紲囟冗^(guò)高，使硬度部分下降。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，與鍍層的質(zhì)量，親密相關(guān)。電流密度低，消費(fèi)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；進(jìn)步電流密度，可以促進(jìn)陰極極化度的進(jìn)步，進(jìn)步深度才能和光亮范圍，使結(jié)晶細(xì)致、結(jié)合嚴(yán)密，獲得光亮的鍍層，同時(shí)可以進(jìn)步結(jié)晶原子的互相作用

16、力，促使硬化劑中的成分在銅層中夾雜，從而進(jìn)步銅層硬度。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)做陰極挪動(dòng)方式，適當(dāng)?shù)陌孑佫D(zhuǎn)速，可有效的降低濃差極化，有利于進(jìn)步電流密度的上限，從而縮短電鍍時(shí)間進(jìn)步消費(fèi)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(guò)電流密度的上限時(shí)會(huì)降低陰極的電流效率，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，必須在消費(fèi)中根據(jù)不同版輥的直徑調(diào)整轉(zhuǎn)動(dòng)線速度，理論經(jīng)歷說(shuō)明線速度在1m/S為宜。2.2.1.4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

17、，由于消費(fèi)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，假設(shè)陽(yáng)極的金屬雜質(zhì)含量過(guò)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(guò)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，進(jìn)步鍍層的硬度，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)根據(jù)說(shuō)明金屬的電鍍結(jié)晶過(guò)程與熱力學(xué)結(jié)晶過(guò)程相似，電鍍結(jié)晶過(guò)程中仍然會(huì)形成結(jié)晶缺陷如圖4，前面已經(jīng)闡述在電鍍銅過(guò)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

18、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，假設(shè)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，但假設(shè)晶粒的尺寸較大，超過(guò)幾個(gè)幾微米以上，那么可以說(shuō)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，雕刻過(guò)程中一旦超過(guò)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(shuō)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(guò)程中包含兩個(gè)過(guò)程：結(jié)晶核心的生成過(guò)程和成長(zhǎng)過(guò)程，這兩個(gè)過(guò)程的速度決定了金屬結(jié)晶的粗細(xì)程度。在電鍍過(guò)程中當(dāng)晶核的生成速度大于晶核的成長(zhǎng)速度時(shí)

19、，就能獲得結(jié)晶細(xì)致、排列嚴(yán)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、嚴(yán)密；否那么，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外表的所有Cu2+并非都參與電極反響，只有活化離子才參與反響，故增加了Cu2+的濃度，也就增加了活化Cu2+離子的數(shù)目，反響速率自然增快，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(guò)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

20、限。圖5：Cu2+對(duì)電化學(xué)極化的影響為銅電極在0.5mol/L硫酸銅溶液中的極化曲線為銅電極在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+在電極的上的反響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)反響速度的重要因素，上文已經(jīng)提到在電極外表并非所有Cu2+都參與電極反響，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+的活度系數(shù)進(jìn)步，使電化學(xué)極化降低，晶核的形成的速度降低，所以進(jìn)步溶