特種加工技術教學課件7-13章

第7章電化學加工7.1電化學反應過程和工藝類別7.1.1電化學反應過程7.1.2電化學加工分類復合工藝：電化學加工一方面與傳統(tǒng)的機械工藝復合，另一個方面就是與其他的特種加工工藝方法復合。7.2.1電解加工7.2陽極溶解1.電解加工原理及特點特點之優(yōu)點：①無論工件材料硬度、強度如何，一次進給都可以將復制的三維型面加工出來；②與其他方法相比，加工效率較高，特別是大電流的情形；③理論上陰極無耗損，可以反復使用；④沒有熱損傷和熱影響層；⑤表面質量好，可獲得粗糙度為Ra=0.1～1.2μm；⑥節(jié)省勞動力；⑦加工表面無毛刺和應力直流電源（5～30V）；極間間隙：0.1～1mm電流密度一般在：20～800A/cm2。低電壓、大電流特點之局限：①只能加工導電材料；②不能加工出尖角、銳邊；③容易腐蝕機床及附件，特別是使用NaCl的場合，蝕減少，但是成本高。電解加工對環(huán)境保護有不利影響，參考圖7.3。④電解加工的工件的抗疲勞強度會降低10～25%，建議噴丸處理來恢復；⑤與傳統(tǒng)機械加工相比較，能耗非常高；⑥小間隙需要沖液壓力高，作用于工件和工具的液動力大，機床剛性要求高；⑦加工后，工件需立即清洗并涂抹防銹油；⑧加工中可能產生氫氣，如不及時排除，可能引起爆炸；⑨間隙中電解產物排除不及時，可能引起短路電解加工設備：直流電源、機床和電解液系統(tǒng)三個部分2.電解加工設備1)直流電源電解加工需要大電流，低電壓。目前市面可供的電源電流從50A到40000A不等；電壓從5V到30V可選，這些電源的功率因數(shù)高，能效好，并配備了短路保護裝置。電解加工常用的直流電源為硅整流電源和晶閘管整流電源。2)機床結構考慮：機床剛度；進給速度監(jiān)控，短路保護；防腐蝕3)電解液系統(tǒng)電解液保持衡定的流速、壓力和溫度：耐腐蝕的泵、密封件、溫度、流場分布、沉淀物分離。間隙較小常常在0.1～1mm之間：供液方式3種。作用：一方面，電解液作為導電介質形成回路傳遞電流，并在電場的作用下進行化學反應，使陽極溶解能順利而有效地進行。另一方面電解液帶走電解產物和電化學反應的熱量。性能要求：①高的導電率保證大的電流密度；②低的粘度確保窄縫里流動順暢；③高的熱容量散熱效果好；④工件表面不能生成氧化膜，否者陽極溶解難以繼續(xù)；⑤化學穩(wěn)定性好，不易揮發(fā)；⑥無毒性并不腐蝕機床部件；⑦來源廣泛，價格低廉。常用種類：NaCl、NaClO3和NaNO3等無機鹽的水溶液，通常混合使用以滿足多重需求4)電解液類別NaCl電解液：價格廉低來源廣，電流效率高（圖7.7a），加工的表面粗糙度低，加工中損耗小并可在低濃度下使用，應用廣泛。氯化鈉不易生成鈍化膜，是一種非鈍型電解液。缺點是雜散腐蝕能力強，側隙較大（圖7.7b），使得離陰極工具較遠的工件表面可能被電解，成型精度難于控制，復制精度差；對機床設備腐蝕性大，故適用于加工速度快而精度要求不高的場合。NaNO3電解液：是一種鈍化型電解液，適當?shù)碾妷簵l件會生成鈍化膜，阻止陽極溶解的繼續(xù)。在濃度低時，腐蝕性小，使用安全。缺點電流效率低下，生產效率低，陰極會有氨氣析出，電解質會消耗，需要定期補充。需較大電源功率，故適用于成型精度要求高的場合。NaClO3電解液：也是一種鈍化型電解液，散蝕能力小，故加工精度高，對機床、設備等的腐蝕很小，廣泛地應用于高精度零件的成型加工。然而，NaClO3是一種強氧化劑，雖不自燃，但遇熱分解的氧氣能助燃，因此使用時要注意防火安全5)工具電極a）材料：需要考慮處理的可加工性、剛度、耐腐蝕能力、導熱性和導電性。一般不推薦使用碳鋼，因為它的耐腐蝕能力差。b）工具電極的設計:工具電極形狀與加工工件型面并不是精確的完全互補復制，其尺寸應為加工型面的法向稍微內縮以補充其過切量。工具設計需要考慮電解液流量充足以便散熱，防止極間電解液沸騰。為了獲得光滑的加工表面，要使得這個加工面上電解液均勻流動。理想情況就是發(fā)生層流，不能有渦流呈現(xiàn)。對于復制表面加工，設計者應該先進行同等加工條件的探索性試驗，在對工具電極進行修正，以獲得高的加工精度和好的表面質量

效率：

唯一影響電解加工的材料去除率的因素是離子交換的速度，這跟工件的硬度和強度無關。可達到的材料去除率在1.5cm3/min/1000A這個量級,加工硬質合金和碳鋼的常規(guī)進給速度可達2.5mm/min。

質量：在所有的傳統(tǒng)和非傳統(tǒng)的加工方法中，只有電解加工的加工精度和表面質量是隨著材料去除率（采用更大的電流密度）的增大而提高，這是電解加工的獨特性所在。電解加工的主要問題就是產生過切量（側隙加大）影響成形精度。粗略地講，側隙受到諸多參數(shù)的影響，其中電解液及其流動最為關鍵。側隙越小，獲得的尺寸精度越高。常規(guī)的尺寸精度可達±0.13mm，通過適當?shù)膮?shù)控制精度水平可達±0.025mm。電解加工很難加工出半徑小于0.8mm的內角，過切量達0.5mm，錐度達1μm/mm也是常有的事。表面粗糙度水材料去除率增大而降低，常見在0.2～1μm之間，更常見在0.4～0.8μm3.電解加工工藝能力與應用1)工藝能力工具成本：的主要費用在于工具電極的準備上，其設計和制造都比較費事、費時和費錢，對于復制型面加工，工具電極往往需要多次反復的試驗、修改才能達成。電解加工好在工具無耗損，加工的表面無應力和毛刺，并且整個型面的加工只需一次進給行程便可完成，如圖7.8a的渦輪葉片加工。對于薄壁件加工，無需采用壓力電解液沖液的方式，可以采用淹沒方式，避免了液動力產生薄壁變形的問題，如圖7.8b。對于復雜整體結構的加工往往還需多軸聯(lián)動數(shù)控展成加工來完成，如圖7.8c的整體葉輪加工。電解加工已經廣泛應用于工業(yè)加工個各種場合，見圖7.9，主要加工型腔、型孔和拋光。2)工藝應用電極用作切削工具時，電解加工還可完成車削（圖7.10a）開槽、套料、輪廓加工、去毛刺（圖7.10b）電解加工非常適合于脆硬材料、或超硬難加工材料的形狀復雜零件的大批大量生成（電解應用的三原則）3)工藝要點7.2.2電解拋光

工件作為陽極接直流電源的正極。用鉛﹑不銹鋼等耐電解液腐蝕的導電材料作為陰極﹐接直流電源的負極。兩者相距一定距離浸入電解液(一般以硫酸﹑磷酸為基本成分)中﹐在一定溫度﹑電壓和電流密度(一般低于1A/cm2

)下﹐通電一定時間(一般為幾十秒到幾分鐘)﹐工件表面上的微小凸起部分便首先溶解﹐而逐漸變成平滑光亮的表面。

磷酸是拋光電解液中應用最廣的一種成分。因為磷酸能跟金屬或其氧化物反應生成各種磷酸鹽，使拋光溶液成為導電性較低的黏性膠狀液體，這種膠狀液體附著于制件的表面，形成液膜，這對于制件的電化學整平拋光起著很大作用。

硫酸主要用于提高溶液的導電性和降低槽電壓，以節(jié)省電能。硫酸的含量一般控制在15%以下(不銹鋼：可達40%)，否則會使金屬溶解過快，得不到光滑平整的表面。

鉻酐在酸性拋光液中的作用是作強氧化劑，產物Cr3+可生成磷酸二氫鉻，增加拋光液的溶度，有利于鋼鐵制件的整平拋光。當拋光過程發(fā)生斷電時，鉻酐能鈍化制件表面，使制件免受腐蝕。與電解加工的區(qū)別在于：①極間間隙加大，利于表面均勻溶解；②電解液配方不同，電解用無機鹽，拋光用酸液（硫酸、磷酸、硝酸），且質量分數(shù)大得多，加水比例很小；③電解液不流動，必要時加以攪拌；④拋光后往往生成致密牢固的氧化膜；⑤電解設備復雜，電解拋光設備簡單。電解拋光的特點：①拋光的表面不會產生變質層﹐無附加應力﹐并可去除或減小原有的應力層,致密氧化膜增加工件表面抗腐蝕性;②難于用機械拋光的硬質材料﹑軟質材料及薄壁﹑形狀復雜﹑細小的零件都能加工﹔③拋光時間短﹐而且可以多件同時拋光﹐生產效率高，成本低廉④電解拋光所能達到的表面粗糙度與原始表面粗糙度有關﹐一般可提高兩級。內外色澤一致，光澤持久，機械拋光無法拋到的凹處也可整平。

應用：電解拋光主要用于表面粗糙度小的金屬制品和零件。目前主要應用于醫(yī)療器械、石油及化工行業(yè)、食品器械、五金加工業(yè)、紡織機械等行業(yè)的各類零件，如反射鏡﹑不銹鋼餐具、不銹鋼管件﹑裝飾品﹑注射針﹑彈簧﹑葉片等零件，可拋光的材料有：碳鋼、鋁及其合金、銅及合金、鎳及其合金、鈦合金、鉻鎳合金等﹐還可用于某些模具(如膠木模和玻璃模等)和金相磨片的拋光。

電解拋光的工藝流程:

除油--水洗--除銹--水洗--電解拋光--水洗--中和--水洗--鈍化--包裝

3.電解在線砂輪修整（ELID）

ELID，即電解在線砂輪修整技術(ElectrolyticIn—processDressing簡記為ELID）。圖7.18為ELID平面磨削裝置圖，砂輪通過電刷接電源正極，根據砂輪的形狀制造一個導電性能良好的電極接電源的負極，電極與砂輪表面之間有一定的間隙，從噴嘴中噴出的具有電解作用的磨削液進入間隙后，在電流的作用下，砂輪的金屬結合劑作為陽極被電解。陽極被電解(圖7.19b)，使砂輪中的磨粒露出表面，形成一定的凸出高度和容屑空間(圖7.19c)，隨著電解過程的進行，在砂輪表面逐漸形成一層絕緣鈍化膜(圖7.19d)，阻止電解過程的繼續(xù)進行，使砂輪損耗不致太快當砂輪表面的磨粒磨損后，鈍化膜與磨粒一起參與磨削(圖7.19e)，鈍化膜起到研磨、拋光作用，這時的磨削可以達到精密鏡面磨削的效果。當鈍化膜被工件材料刮擦干凈后(圖7.19f)，金屬結合劑繼續(xù)電解(圖7.19b)，以對砂輪表面進一步修整。上述過程是一個循環(huán)(圖7.19b→c→d→e→f→b)動態(tài)平衡過程，既避免了砂輪的過快消耗又自動保持了砂輪表面的磨削能力。圖7.20為ELID磨削外圓裝置圖，所不同的是沒有設置專門的陰極電極，而利用工件接電源負極形成所謂的陰極。電鍍立方氮化硼（CBN）的磨粒凸出高度形成電解間隙(Δ)，工件和砂輪不會短路ELID在線電解修整是專門應用于超硬材料磨具（金剛石、CBN砂輪）金屬結合劑砂輪的修整方法。與傳統(tǒng)金剛筆機械式修整方法相比，具修整效率高、工藝簡單、修銳質量高等特點，同時采用普通磨削液加入鈍性電解液（NaNO3、NaCIO3）作為電解修整液，很好地解決機床腐蝕問題。使用ELID磨削具有以下幾個特點：①砂輪修整和磨削過程穩(wěn)定性好，復合性強；②金剛石、CBN砂輪不會過快磨耗，提高了貴重磨料的利用率；③磨削過程具有良好的可控性,適應性廣泛，磨削效率高；④加工精度高，表面裂紋少，表面質量好,可有效地實現(xiàn)鏡面磨削，大大減少了先進陶瓷零配件的表面殘留微裂紋;⑤裝置簡單，成本低，易于推廣等。ELID在德國、美國和日本已較廣泛用于微電子、精密機械、光學元件、儀表、汽車等領域的精密零部件加工,中國也開始了這項研究和推廣應用工作。7.3電化學復合工藝7.3.1電解磨削1.加工原理電解磨削（ElectrochemicalGrinding,譯為電化學磨削，簡記為ECG）是電解與機械的復合加工方法。它主要靠電化學溶解陽極溶解去除大量金屬(≥95%)和機械精密磨削(≤5%)的綜合作用來完成，具體講，它將電化學加工效率高、工具無耗損之特點與機械磨削精度高之優(yōu)點有機結合，達到既保證效率又獲得高精度而且砂輪磨損少、壽命長的一種折中手段。如圖7.23實施原理圖。導電砂輪與直流電源的負極相連接成為陰極，工件接正極而成為電解加工的陽極。加工中，金屬結合劑砂輪的高速旋轉(25–35m/s)是機械磨削的主運動，砂輪上凸出的絕緣磨粒與工件接觸產生磨削的材料去除作用，同時形成砂輪與工件表面間的電解間隙(12–80μm)。泵來的鈍型電解液（NaNO3、NaCIO3）不斷輸入電解間隙里，發(fā)生陽極溶解去除大量材料，同時也因為間隙的加大，電流密度的降低而抑制（甚至停止）陽極溶解，進而生成致密和軟化的鈍化膜，即工件鈍化，砂輪的機械磨削作用將電化學反應生成的鈍化膜除去后，陽極工件達到活化，并繼續(xù)重復前述“陽極溶解→鈍化→活化…”，如此循環(huán)往復，直到加工結束。電解磨削的陽極溶解機理與常規(guī)電解加工的陽極溶解機理是相同的。不同之處在于：電解磨削中，陽極鈍化膜的去除是靠砂輪的機械磨削去除的，電解液腐蝕力較弱；而一般電解加工中的陽極鈍化膜的去除，是靠高電流密度去破壞(不斷溶解)或靠活性離子(如氯離子)進行活化，再由高速流動的電解液沖刷帶走。“中間極性法”電解磨削方案圖7.242.工藝特點電解磨削是復合加工工藝的成功典范，已經比較廣泛地用于工具制造業(yè)、醫(yī)療器械、模具制造等諸多工業(yè)領域。與傳統(tǒng)的純機械磨削相比，其主要優(yōu)點是：①陽極溶解使得材料去除率高；②砂輪磨損少，修整次數(shù)減少，且其修整可以采用電源調換正負極來實現(xiàn)離線電解修整，修整成本可降低60%；③磨削力小，無熱影響和熱變形，殘余應力?。虎軣o毛刺；非常適合于注射針管等醫(yī)療器械的加工；⑤磨削質量好：精度較高，粗糙度低。主要缺點有：①設備固定投入成本較大；②加工材料僅限于導電材料；③盡管NaNO3腐蝕性小，但還需考慮機床的防腐蝕措施；④需要電解液循環(huán)過濾系統(tǒng)等裝置。3.應用及工藝能力

電解磨削的典型應用在以下方面：①硬質合金刀具、工具、量具、軋輥的加工，數(shù)據表明砂輪成本可節(jié)約75%，勞動力成本降低約50%；②適合于加工薄弱零件，如蜂窩結構、薄壁管件、細長桿件開窄槽（見圖7.25）、注射針筒等；③高硬度高強度的凸模構件、沖頭、發(fā)動機凸輪軸、曲軸、連桿等；④航空航天飛行器的不銹鋼、鈦合金、鎳合金等零件工藝能力：電解磨削的加工效率可達1cm3/min/100A；表面粗糙度常常在0.2–0.6μm，工件材料硬度越高，粗糙度越低；獲得的精度等級常常在±10μm，加工結束前，關閉電解電源，就用本設備最后來一次吃刀深度為約10–100μm的純機械光磨，可以進一步提高精度水平實例：薄壁管件和細長桿件加工：結果表明加工后的工件無變形、棱邊無毛刺；每小時可以加工12件。數(shù)控技術的發(fā)展也為電解磨削注入新的活力，現(xiàn)已開發(fā)的數(shù)控電解磨床在加工精度、重復精度和提高生產率都有益。1.電解珩磨7.3.2電解珩磨與研磨a）普通珩磨機床及珩磨頭附加改裝，很容易實現(xiàn)電解珩磨b）回轉體工件內孔加工，更好采用臥式車床改裝的方案應用：1)

電解珩磨主要適用于普通珩磨難以加工的高硬度、高強度和容易變形的精密零件的孔加工，以及圓筒形零件精修內表面，如發(fā)動機缸體、活塞缸套等2)

漸開線齒輪齒面的精密加工2.電解研磨固定磨料加工和流動磨料加工兩種超聲加工設備的基礎上配置陽極溶解用的直流電源和電解液。工件接電源正極形成陽極，超聲振動頭接負極成為陰極。陽極工件和陰極工具間通人鈍性電解液，高速流動的電解液不斷在溶解工件材料的同時生成較軟的鈍化膜，工具則以極高的頻率進行拋磨將鈍化膜去掉從而活化工件，再次產生陽極溶解，溶解下來的產物不斷被電解液帶走，工具在超聲波振動下，不但能迅速去除鈍化膜，而且在加工區(qū)域內產生的“空化”和氣泡的爆破作用可增強電化學反應，進一步提高工件表面的溶解速度。7.3.3電解超聲加工及拋光工藝參數(shù)：電源電壓為3～15V，電流密度在5～30A/cm2電解液常用NaCl,NaNO3,或KNO3，代替超聲加工的磨料載體—水。超聲振動頻率為18～25KHz，振幅10～40μm。電解超聲加工材料去除率受到以下幾個因素影響：①受磨料尺寸和振幅影響的超聲加工機械研磨；②受電流密度影響的陽極溶解；間隙減小，電流密度越大，即電流密度隨磨料尺寸的減小而增大。③沖液壓力越大，極間的溶屑和電解產物排除越徹底，電解作用加強，材料去除率會增加?？傊麄€復合加工的材料去除中電解去除占主導。電解超聲加工的特點：①只能加工導電材料；而單純的超聲加工可以加工非導電材料；②與單純的超聲加工相比較，材料去除率顯著提高；③工具頭磨損顯著降低，復合加工利于提高加工精度；④由于電化學作用，表面質量得到改善，粗糙度降低且無毛刺、無應力；⑤附加電源和配套裝置的成本有所增加，但是復合加工新工藝的諸多優(yōu)點足以彌補；⑥一定程度的防腐要求。

主要應用：加工噴嘴或噴絲板上的窄槽、窄縫或拋光。思路：電解加工和電火花加工各具特色，主要的差異是電解加工效率高，精度低，陰極無耗損；而電火花加工效率低下、精度較高，工具電極有耗損，可見這兩者中間鮮明的特點正好互補。復合加工的基本出發(fā)點就是利用各自的優(yōu)點，取長補短，趨利避害。7.3.4電解電火花加工材料去除機理見圖7.31，在直流電源和正脈沖電源的共同作用下陽極工件發(fā)生陽極溶解同時形成鈍化膜并產生氣體，電解電流形成完整的氣體膜，氣體膜和陽極鈍化膜被擊穿使得極間電場發(fā)生畸變，引起液相物質氣化并擊穿，最終形成兩級間的擊穿通道，發(fā)生火花放電。

復合電源既有直流部分又有脈沖部分，其能量增加，電解作用加強，產生氣體的速度快，極間易于形成絕緣狀態(tài)可以加快放電通道的形成，而放電通道能量大有利于擊穿氣體膜和陽極氧化膜，發(fā)生火花放電，低壓直流的能量一并加入放電，增加放電蝕出量，故效率提高。放電擊穿鈍化膜后，也為陽極溶解提供條件，氣體膜擊穿破裂產生混氣電解之功效，利于表明粗糙度的降低。電解電火花復合加工的具備以下特點：①電解電火花復合加工比傳統(tǒng)的電火花加工放電周期長，強度大，故也可稱為電解電弧?？梢越柚刂齐娀鸹ǖ姆烹姀姸冗M行不同的加工。尺寸加工屬正常放電，光整加工則是微火花放電，其強度弱、脈寬窄、頻率高、放電能量小，只起擊穿電化學陽極鈍化膜的作用。②氣體的絕緣強度較低，因而電解-電火花復合加工比傳統(tǒng)的電火花加工的放電電壓低，電火花放電的產生與流場狀態(tài)密切相關，并且控制電解加工與電火花加工的比例可以獲得不同的加工效果。③加工中的間隙更小利于效率和精度的提高。效率比單純的電火花和電解加工高出5～50倍；加工精度高于電解接近于電火花加工情況；表明粗糙度兼具兩者之特點，優(yōu)于電火花，劣于電解加工。④電解作用與火花放電過程交替進行，并互相為對方提供工作條件；⑤放電過程必然引起陰極的耗損，設備裝置相對復雜；電解電火花復合加工主要用于加工高硬度、高強度的導電材料，如型腔模具加工、深小孔加工、深窄縫加工等。

原理：

簡單金屬離子通過電化學方法在固體表面上放電還原為金屬原子鍍覆于陰極表面，從而獲得金屬層的過程，就是陰極沉積，也叫電鍍

(Electroplating)，圖7.32,

其電化學還原反應方程式為：

Mn++ne→M。7.4陰極沉積工藝工藝方法：常規(guī)電鍍、電鑄、涂鍍、復合鍍及激光電鍍等電鍍是以被鍍基體為陰極，通過電解作用，在基體上獲得結合牢固的金屬或合金膜的一種表面處理方法，主要作用如下：7.4.1常規(guī)電鍍①改善外觀質量②提高耐腐蝕能力③功能作用：各種功能鍍層，例如硬鉻鍍層（耐磨鍍層）、錫鉛鍍層（減摩鍍層）、高錫青銅鍍層（反光鍍層）、鎳鉆鍍層（導磁鍍層）、防滲碳銅鍍層（熱加工鍍層）、轉子發(fā)動機內腔的鉻鍍層（抗高溫氧化層）、修復機床主軸的鍍鐵層（修復鍍層）。④制造細微零部件：例如，如圖7.33的微發(fā)電機的立體定子繞組，微電子行業(yè)的電路描繪。防護裝飾性鍍層的銅、鎳、鉻電鍍工藝流程包括：

拋光→除油→酸浸蝕→中和→鍍銅→鍍鎳→鍍鉻，每個工序之間還包括水洗。拋光到中和屬于前處理。前處理的目的在于除掉金屬表面上的毛刺、結瘤、銹蝕物、油污，使工件表面光潔，從而獲得結合力好、厚度均勻的鍍層。如果前處理不嚴格，則鍍層會起泡、起皮，甚至得不到鍍層。還包括廢水處理及其循環(huán)利用。此外，鍍液管理（鍍液分析及成分控制）和鍍件質量檢查也是不可缺少的重要環(huán)節(jié)。

鋅、錫、鎘、銅、鎳、鉻、銀、金鍍層是常用的鍍層。鍍鋅和鍍鎘主要用于保護鋼及鐵基合金。銅鍍層用于電子工業(yè)及作為銅鎳鉻防護裝飾性鍍層的底層。錫鍍層用于食物包裝鐵罐的保護層和作為焊接的電接觸。鍍鉻的主要目的是保持美觀和光澤的表面及提高硬度和耐磨性。銀和金鍍層可用于裝飾、反射器和電接觸。鎳鍍層作為保護各種鋼鐵制品的中間層，是銅鎳鉻防護性裝飾鍍層的主體，在電鍍工業(yè)中占有很重要的地位，廣泛應用于機械制造、輕工業(yè)和國防工業(yè)。鍍件的結構設計：必需避免尖角、銳邊，而采用圓弧過渡，如圖7.34。電源的正極連接鍍筆（陽極），負極連接被鍍零件(陰極）。通常用高純細結構石墨塊作陽極材料(有時用不銹鋼)陽極材料外面包裹棉花和耐磨的滌棉套。涂鍍時使浸滿鍍液的鍍筆以一定的相對運動速度在被鍍零件表面上移動，并保持適當?shù)膲毫?。在鍍筆與被鍍零件接觸的那些部位，金屬離子還原為金屬原子，沉積成鍍層。7.4.2涂鍍(刷鍍/無槽鍍)

涂鍍工作原理及裝置①設備體積小、重量輕，便于拿到現(xiàn)場流動作業(yè)；不需要鍍槽和掛具，設備數(shù)量大大減少，特別適用于大重型零件現(xiàn)場就地修復。設備投資少，回收快，利潤高，通常一套成套設備在一萬元左右。②安全、環(huán)保：大多數(shù)鍍液是金屬有機絡合物的水溶液，絡合物在水中的溶解度較大，且相當穩(wěn)定。溶液中金屬離子含量高，通常比鍍槽高幾倍到幾十倍。環(huán)境污染小，刷鍍溶液中不含劇毒物。同時溶液的使用量少并可循環(huán)使用，產生的廢液很少，溶液穩(wěn)定，無閃點，儲運過程中沒有危險。③涂鍍不受被鍍零件形狀尺寸和位置的限制，凡是鍍筆能觸及的地方均可鍍覆。陰陽極之間距離很近，一般不大于5mm，其間的棉花與包套吸滿了鍍液，有利于金屬離子向陰極擴散。使用電流密度(20～2002Adm)比槽鍍高得多(10～100倍)，沉積速度快(4～30min)，為槽鍍的5～50倍，有利于提高生產率。④鍍層種類多，涂鍍鎳、銅、鐵、錫、金、銀等材料，能獲得多種多樣的單金屬鍍層、合金鍍層、組合鍍層和復合鍍層，鍍層與基體結合強度高。涂鍍的特點:航空航天、機車車輛、船舶艦艇、石油化工、紡織印染、工程機械、電子電力，文物修復、工藝品裝飾等：①恢復磨損和超差零件的尺寸，滿足公差要求；

②新品刷鍍保護層：用于提高零件的耐磨性、表面防腐性和抗高溫氧化性；

③模具的修理和防護：如表面刷鍍鏡面鍍層，滿足防腐及表面光澤度的要求，提高模具使用性能和壽命；

④大型和精密零件，如曲軸、油缸、柱塞、機體、導桿等局部磨損、擦傷、凹坑、腐蝕點等的修復；

⑤改善零件表面的冶金性能。如改善材料的釬焊性，局部防滲碳、防滲氮；

⑥改善軸承和配合面的過盈及配合性能。增加過盈量、配合面耐磨性及防腐性⑦印刷電路板的維修和保護。如插腳鍍金，銀等；

⑧電氣觸點、接頭和高壓開關的維修和防護；

⑨通常槽度難以完成的作業(yè)。如有缺陷的鍍件修復、無法入槽的工件、已安裝在設備上的工件、只需局部施鍍的工件、部分深孔、盲孔等涂鍍的品種已有160多種，采用涂鍍表面技術修復或改造大型、重型、精密設備，尤其是進口設備，取得了很突出的成效，例如修復機床鑄鐵道軌，修復鍍鉻液壓元件表面的磨損、壓傷、劃傷和大面積涂刷鍍銀等涂鍍的工業(yè)應用用導電的原模作陰極，電鑄材料作陽極，含電鑄材料的金屬鹽溶液作電鑄液。在直流電的作用下，陽極金屬被腐蝕成為金屬離子進入電鑄鍍液，陰極原模上電鑄層逐漸加厚。當達到預定厚度時，與母模分離并取出，即可獲得與原模型面凹凸相反的電鑄件7.4.3電鑄電鑄裝置主要包括電鑄槽、直流電源、攪拌和循環(huán)過濾系統(tǒng)、恒溫控制系統(tǒng)等。①電鑄槽：電鑄槽材料不與電解液產生腐蝕?？捎娩摪搴附樱瑑纫r鉛板或聚氯乙烯板等。②直流電源：采用低電壓大電流的硅整流直流電源，電壓為6～12V左右。③攪拌和循環(huán)過濾系統(tǒng)：為了降低電鑄液的濃差極化，加大電流密度，減少加工時間，提高生產速度，最好在陰極運動的同時加速溶液的攪拌。攪拌的方法有循環(huán)過濾法、超聲波或機械攪拌等。循環(huán)過濾法不僅可以使溶液攪拌，而且在溶液不斷反復流動時進行過濾。④恒溫控制系統(tǒng)：電鑄時間很長，所以必須設置恒溫控制設備。它包括加熱設備(加熱玻璃管、電爐等)和冷卻設備(冷水或冷凍機等)。電鑄加工的主要工藝過程為：原模表面處理→電鑄至規(guī)定厚度→襯背處理→脫?！逑锤稍铩鷽_切→成品。

電鑄的特點:①復制精度高?？捎弥破纷鳛槟改＃瑴蚀_地復制形狀復雜的成形表面和細微紋路（圖7.37），制件表面粗糙度小，用同一原模能生產多個電鑄件，復制品一致性好。

②設備簡單、操作容易，成本低。

③電鑄速度慢；電鑄件壁厚不均勻，具有較大的應力；尺寸大而薄的鑄件容易變形。

④適用制作塑料模型腔，硬度高、耐腐蝕性好但不宜受沖擊。有時還可用制品零件直接作為母模。

⑤可把零件的內表面加工轉為母模的外表面加工，制造機械加工無法加工的復雜形面。

⑥可獲得高純度的金屬制品，如電解銅(純銅的提煉)，它純度高，具有良好的導電性能。⑦電鑄件有較好的機械強度，不需淬硬的熱處理。電鑄應用航空、儀器儀表、精密機械、模具制造等方面①一些小型外觀、外飾零件的制作，如，手機標牌、攝像機裝飾件、裝飾片；②各種模具：光盤模具、工藝美術品模具、印刷版；③復雜高精度空心、薄壁件，如銅制古董復制，波導管制作；④各型標準樣塊、異形孔噴嘴、表盤、反光鏡；7.4.4復合電鍍復合電鍍是在電鍍或化學鍍的鍍液中加入一種或多種非溶性的固體微粒，使其與主體金屬(或合金)共沉積在基體上的鍍覆工藝，得到的鍍層稱為復合鍍層；鍍層金屬有Ni,Co,Cr,Ag,Cu,Au等固體微粒主要有三類：①第一類是以提高鍍層耐磨性的高硬度、高熔點、耐腐蝕為目的的微細顆粒,例如CBN,Al2O3,SiO2,SiC,TiO2,Cr2O3,ZrO2,TiC,WC,金剛石等②第二類是提供自潤滑特性的固體潤滑劑微粒，這類顆粒有MoS2,聚四氟乙烯、氟化石墨、BN、石墨等。③第三類是提供具有電接觸功能的微粒，如WC,SiC,CBN,

MoS2,La2O3等，這類復合鍍層通常以Au,Ag為基質材料.激光電鍍于上世紀70年代末發(fā)展起來的新表面處理技術。在液相進行表面處理時，必須選擇基體能吸收而溶液不能吸收的激光作為加工光源。滿足此要求的激光波長為0.5μm左右，常常選擇氫離子激光。兩種特征：①在激光照射區(qū)域的電沉積速度比在本體的高得多(約103倍)；②激光的控制能力強，可使材料的必要部分析出所需的金屬量。激光電鍍可把激光束調節(jié)到微米大小，在微米尺寸上進行無屏蔽描圖。對于電路設計、電路修復和在微電子連接器部件上的局部沉積，這類型的高速描圖愈來愈有實際意義。在微電路上連接線路，用激光增強電鍍來橋聯(lián)是很有效的

金鍍層以其高耐熱、高電導和易焊接等優(yōu)良性能在電腦、微電子儀表工業(yè)中得到廣泛的應用，在這些領域中，傳統(tǒng)鍍金工藝采用屏蔽后鍍覆或全部鍍覆后刻蝕，費工時和大量浪費金；而激光增強電鍍金則是一種更經濟的鍍金技術。7.4.5激光電鍍簡介在銅、黃銅、鋼鐵、陶瓷、玻璃、纖維、樹脂等基體上激光電鍍沉積Ni,Fe,Co,Ni-Fe,Co-Ni-Fe,Zn,Sn-Pb,Ag和Au。激光照射下電鍍沉積速度非常快。用掃描電鏡觀察沉積層，發(fā)現(xiàn)在激光照射下沉積顆粒細致緊密。激光電鍍沉積方法已不限于無屏蔽制作線路板，還能應用在陰極表面上難鍍部分的電鍍沉積，節(jié)省短缺的稀貴金屬。THEEND

第8章化學加工(CHM)化學加工（Chemicalmachining,簡記CHM）又叫化學腐蝕加工，是最古老的非傳統(tǒng)加工工藝方法，一直用于鍍鋅前處理?；瘜W加工是利用酸、堿、鹽的化學溶液對零件需要加工部位的接觸產生可以控制的蝕出溶解，從而達到改變零件尺寸、形狀（甚至表層性能）的加工方法，化學加工與零件的硬度和強度幾乎沒有關系。目前，化學加工主要用于高硬度、高強度復雜零件的淺層蝕出，包括化學銑削和光化學腐蝕（也叫噴淋腐蝕）工藝方法。表面處理工藝：化學拋光、化學機械拋光、化學鍍層、化學氣相沉積（CVD）等8.1化學銑削8.1.1化學銑削原理與裝置化學銑削實質就是對大面積和尺寸較深的化學腐蝕加工，這種銑削沒有加工運動，既無主運動，更無進給運動，也不需要工作電源。工件先做保護處理，即不需要加工的部位采用抗腐蝕的涂層覆蓋，需要加工部位的金屬外露，再將工件浸沒在化學腐蝕液里，在一定的溫度條件和液體均勻攪拌下，經過一定的腐蝕時間后，達到所需的材料去除。如如圖8.2所示，其裝置比較簡單，由腐蝕液箱、腐蝕液、加熱器、冷卻器、攪拌器等組成。腐蝕的深度跟腐蝕液成分、停留時間、溶液溫度、腐蝕液濃度及攪拌情況等有關，深度方向腐蝕的同時也向側面腐蝕，即產生所謂的過切量(見圖8.3)使得側面呈現(xiàn)弧形,過切量與腐蝕深度之比值叫做腐蝕系數(shù)?；瘜W銑削對于航空航天工業(yè)十分有益，用于火箭和飛機殼體整體龍骨結構減少厚度從而增加剛度/重量比值，見圖8.4。更為重要的是化學加工在改善材料表面性能方面還有諸多應用，如：清除鈦鍛壓件及超塑性成形件的氧化鈦（α-基）；清除低合金鋼鍛壓件的脫碳層；電火花加工件的熔化凝固層；去除傳統(tǒng)機械加工復雜零件的毛刺。金屬加工業(yè)采用化學銑削來減少鍛壓件、沖壓板材或鑄件等零件的壁厚、形成整體龍骨、加強筋或肋板，見圖8.5。圖8.6是采用逐漸旋轉浸入腐蝕液的方式完成圓錐盤的化學銑削方案?；瘜W加工還可以加工電路板，且沒有毛刺。化學銑削中采用特色的涂層常常叫做掩膜，它保護不需要去除的部分不受到腐蝕?；瘜W銑削常用于型腔、輪廓、座口、凹凸結構零件的加工。化學銑削包括以下步驟：①清洗：機械或化學清洗工件表面，確保掩膜材料附著力強；②制備掩膜：掩膜要易于剝離，且能夠抗腐蝕；③刻劃、剝離掩膜：采用特殊模板刻劃掩膜，掩膜的選用需要考慮工件尺寸、數(shù)目及零件的加工要求。目前比較多地采用數(shù)控激光切割來完成，這樣更能完成復雜精細的刻劃，如圖8.7?？虅澩戤?，將加工部位的掩膜剝離。④腐蝕加工：工件浸入腐蝕，發(fā)生化學腐蝕，保時等待。⑤掩膜剝離：化學腐蝕加工完畢需要沖洗工件，然后剝離掩膜，可以采用手工、機械或化學的方式。⑥清洗干燥：采用去離子水清洗工件后，用氮氣干燥。8.1.2化學銑削的工藝準備四類工具的準備：即掩膜、腐蝕液、刻劃模板及附件1.掩膜掩膜材料常常采用合成材料或橡膠，必需具備以下性能：①夠結實：能承受各種處理操作；②抗腐蝕：不被所用化學試劑蝕出；③耐熱：不因化學反應產生的熱量破壞或起皺、脫落；④附著力強：緊貼工件表面；⑤容易刻劃；⑥容易剝離:加工完畢能夠很好的剝離下去滴涂、刷涂、滾涂、電鍍以及粘膠帶等都可以應用制備掩膜。絲網可以用于噴涂制備掩膜，而且這不僅將掩膜涂覆和刻劃兩道工序合二為一，省去了最后的剝離工作，而且可以做到更加細密，從而改善化學銑削的加工質量。然而，與“刻劃---剝離”的傳統(tǒng)方式相比，采用絲網的涂層較薄抗腐蝕的壽命更短，所以不適合于深度要求大的加工場合

感光膠制備掩膜，同樣的將掩膜涂覆和刻劃兩道工序合二為一。滴涂和噴涂的掩膜較薄，也不適于長時間浸沒的粗加工場合。然而感光膠掩膜的加工精度更高，也容易修改。不同掩膜的加工精度見表8.2。當然精度水平還取決于加工深度和工件材料，銅及銅合金能獲得更好的精度，鋁合金加工精度較差。

2.腐蝕液腐蝕液是含有一系列化學組分和一定溫度范圍的高濃度的酸溶液或堿溶液，它們能夠與工件材料發(fā)生反應并生成金屬鹽溶解于腐蝕液里.

性能要求：①加工工件的表面粗糙度低；②金屬溶解均勻；③選擇性腐蝕和晶間腐蝕可控；④成本低，來源廣泛；⑤可再生，即呈現(xiàn)中性，廢棄物易于處理；⑥無毒性；⑦加工鈦合金時能夠吸氫控制。

3.刻劃模板用于確定工件與腐蝕液接觸區(qū)域，最常用的方法就是用鋒利的小刀刻劃掩膜后，然后小心剝離出加工區(qū)域薄膜，這時必需考慮腐蝕系數(shù)，留出補充余量。更好的方法是激光切割，參見圖8.7。

4.附件

附件主要包括腐蝕液箱、掛具、支座、支架、夾具等。8.1.3化學加工的特點化學加工的優(yōu)點如下：①對于傳統(tǒng)加工的難加工材料，可以加工出復雜圖案(圖8.8)，從而減輕重量；②可以做到多件同時加工；③可以多個表面同時加工，提高生產率，減少裝夾次數(shù)；④無毛刺；⑤無應力，變形小，可以加工精細、薄弱零件；⑥設備成本低，工具費用少；⑦設計變更快；⑧勞動技能低；⑨廢品率低?；瘜W加工的缺點是：①加工深度淺，難以加工出深而窄的槽；②腐蝕液的處置和處理比較費事，圖8.9；③制備掩膜、刻劃和剝離等工作耗時，且重復、枯燥；④如果有表面缺陷，將會重現(xiàn)；⑤各向同性的表面才能獲得更好的加工表面重量；⑥多孔狀的鑄鐵會產生不均勻的表面蝕出；⑦焊縫區(qū)的腐蝕與基體金屬不一致。8.1.4工藝能力使用新的腐蝕液，工況合理（濃度和溫度合適），蝕出率可達20～40μm/min（參見表8.3）。硬度高的材料蝕出率高，硬度低的材料蝕出率則低。通常高的蝕出率伴隨高的表面粗糙度和高的精度。表面粗糙度與原始粗糙度有關，通常可獲得Ra在0.1～0.3μm。特殊條件下可獲得的Ra在0.025–0.05μm。工藝要點光化學加工(PhotochemicalMachining,PCM)也叫噴射腐蝕，是化學加工的一個特例，都是靠化學溶液去除材料，特色在于其掩膜的制備利用了光致固化技術。化學加工常用于不規(guī)則三維立體工件的后續(xù)加工去除，如鑄件、鍛件。而光化學加工更多地適用于薄壁工件、薄壁板材的精密細微加工，其厚度范圍在0.013～1.5mm，完全有可能成為代替?zhèn)鹘y(tǒng)機械加工的剪切、沖壓的實用技術。此外，化學加工是工件完全浸沒在腐蝕液里發(fā)生腐蝕去除材料，加工深度的取決于時間要素。而光化學加工采用工件懸空固定，上下同時噴射更新后的腐蝕液在工件表面上發(fā)生腐蝕去除材料，因而光化學加工的效率可以有效的得到提高，質量也得到改善。其原因在于一方面新鮮腐蝕液活性大，另一方面噴射使得腐蝕液和蝕出產物容易排除加工區(qū)，側面腐蝕幾率減少，腐蝕系數(shù)減小。有報道指出：光化學加工蝕出率是化學加工的5～10倍。當然其設備的開發(fā)和軟硬件的成本也會高出許多，因為它需要較高溫度和壓力的噴射裝置和腐蝕液循環(huán)過濾裝置(如圖8.14)。8.2光化學加工（噴射腐蝕）8.2.1加工原理及設備光化學加工設備應具備以下單元：①上下噴嘴；②能變速的工件傳輸裝置；③冷水清洗和熱空氣干燥板材的裝置；④腐蝕液濃度和區(qū)域分布濃度的測量與控制裝置；⑤產品檢測裝置。①CAD創(chuàng)建原始圖案，即加工圖樣/原圖，例如制作電路板；②按照工件實際尺寸激光打印在透明膠片上（反轉片），也可以是照相來完成，照相后沖印出黑白底片；③化學清洗板材工件后，干燥后涂感光膠，涂覆方法有：噴涂、滴涂、滾涂等，然后干燥固化感光膠，見圖8.15；④工件雙面貼透明膠片，然后放入真空環(huán)境用紫外光照射上下兩個貼透明膠膜表面，這個過程叫做曝光，透光部分的感光膠固化；⑤揭去透明膠膜，放入顯影液溶解去除未感光的部分感光膠，這個過程叫做顯影；⑥顯影過后用高壓水射流去除未曝光軟的感光膠，進而用去離子水漂洗，最后用氮氣干燥；⑦板材上下表面同時噴射腐蝕液，工件兩個面同時腐蝕去除材料，減少過切量和加工時間，加工出的側壁更直。⑧腐蝕完畢，去除硬的感光膠后立即漂洗避免殘留腐蝕液的化學反應。8.2.2光化學工藝步驟

8.2.3特點除了具有前述化學銑削加工的優(yōu)點外，光化學加工的優(yōu)點還有：①精度和效率比起化學加工有很大程度的提高；②激光打印透明膠片和光固化技術制作掩膜，圖形的儲存、再利用和修改都十分方便；③與那些需要硬件工具來完成加工相比，訂貨至交貨的時間短；④加工精細柔弱的薄壁件不會有任何的變形和翹曲。除了具有前述化學銑削加工的缺點外，光化學加工的缺點還有：①需要熟練的操作工；②設備更加昂貴；③機床設備需要做防腐蝕保護，以免腐蝕液的侵蝕。8.2.4光化學加工的應用鋁、銅、鋅、鋼材、鉛、不銹鋼、鎳、鈦、鉬、玻璃、鍺、硬質合金、陶瓷以及部分塑料等材料都可以采用光化學加工。光化學加工還適合于難以沖壓完成的彈性材料，但是這些材料必須是平整的形式以便后續(xù)的彎曲成形和裝配工作。光化學加工產品主要應用于電子、汽車、航空航天、通訊、計算機及其他一些工業(yè)領域。典型的產品有：電路板、細篩網、板彈簧等，薄片加工的典型產品如圖8.16。。圖8.17是光化學雙面噴射腐蝕加工1mm厚的不銹鋼的型腔隨時間的形成進程情況，24分鐘時已經穿透，但是側壁不平整，到了38分鐘側壁已變得較平整，這時由于掩膜的遮擋，噴射的腐蝕液只能到達厚度的中心部位的緣故?？梢姾箅A段（14～38分鐘）的加工完全是讓側壁更加平整。

圖8.18展示了光化學加工拐角半徑隨時間的形成進程，即時間越久，拐角半徑越大。

化學拋光是金屬在特定條件下的化學侵蝕，即金屬材料表面在配比合理的腐蝕劑、氧化劑、添加劑組成的氧化劑拋光溶液中發(fā)生一系列的氧化反應，金屬微觀表面形成不均勻的鈍化膜或在拋光溶液中形成稠性黏膜，因此微觀表面的溶解速度不均勻，凸出部分的氧化膜更厚，其溶解速度大于凹陷處的溶解速度，由此加工表面逐步得到平整，從而使金屬表面平滑化和光亮化。化學拋光包括表面的平滑化和光亮化兩個過程。平滑化是指消除金屬表面幾何形貌高低的差異，依靠表面凸凹部位氧化膜厚度差異導致溶解速度的差別來完成。光亮化則是金相結構的改變，能使金屬制品超過原有的光澤。8.3其他的化學加工工藝8.3.1化學拋光1.拋光原理拋光液的成分隨拋光工件材料的不同而改變，常為混合液。拋光液由氧化劑和粘滯劑組成。氧化劑起產生氧化去除材料達到拋光效果，通常是酸類、鹽類和過氧化氫。酸類有：磷酸、鉻酸、硫酸、醋酸、硝酸、氫氟酸等，鹽類有高錳酸鉀、氟化銨、碘化銨、三氯化鐵、硫酸鈰等。粘滯劑用于控制溶液中的擴散和對流速度，使化學拋光過程穩(wěn)定均勻。2.拋光液3.操作步驟

①工件準備：化學拋光前,需對制件表面進行徹底清洗,除盡油污后,用低濃度鹽酸水溶液酸洗活化,并用冷水沖洗干凈。表面存在毛刺的制件,還要進行去毛刺處理。

②拋光液配備：拋光液應在燒杯中調配，根據工件材料選擇拋光液配方，配溶液時應用蒸餾水或去離子水，藥品用化學純試劑。某些不易溶于水的藥品需要加熱溶液才能溶解。過氧化氫和氫氟酸腐蝕性很強，要有防腐措施。拋光液使用之后，溶液內金屬離子濃度加大，氧化拋光作用變弱，如發(fā)現(xiàn)作用緩慢，氣泡減少，則應更換新的拋光液。

③拋光：用竹夾、木夾等非金屬工具將工件放入拋光液，一邊攪動并適時取出觀察至達到拋光要求后取出。拋光時,因拋光反應是放熱反應,故拋光溶液的溫度宜低不宜高。

④潔凈處理：拋光后,要迅速用流動自來水充分沖洗干凈,再用潔凈的乙醇脫水并干燥。4.特點化學拋光的優(yōu)點：①操作簡便、快捷，成本低，無需電源。②拋光后試樣表面無變形層，可拋光經鑲嵌后的試樣，也可同時拋光試樣的縱、橫斷面。③化學拋光時兼有化學侵蝕作用，因此多數(shù)情況下能同時顯示組織，拋光結束之后可以觀察組織，不需再做侵蝕顯示。④化學拋光對鋼鐵零件特別是對低碳鋼有較好的拋光效果。對細長、薄壁等低剛度的工件以及形狀復雜的工件,它亦具有良好的適應性。⑤可大面積或多件拋光，適用于拋光難于達到的內部表面和各種形狀復雜的表面。化學拋光的缺點：①拋光液容易失效，溶液消耗快，拋光液用后處理比較麻煩。②拋光效果不是很理想，試樣的棱角易受蝕損，拋光面易出現(xiàn)微小波紋起伏，高倍觀察時受到影響。③需要配備降溫設備。5.應用分為兩大領域：一是用作鍍前表面處理,它可使鍍層獲得良好的結合力、光亮度、整平性和抗蝕性等；另一個領域就是用作零件的終加工：去除毛刺，獲得較低的粗糙度、較好的平滑度和光亮度?；瘜W拋光還可用于去油污，防銹，清洗等作業(yè)。8.3.2化學機械拋光

1.工作原理化學機械拋光(Chemicalmechanicalpolishing，簡稱CMP),又稱化學機械平坦化技術(Chemicalmechanicalplanarization)，它是將游離磨粒的機械研磨作用與氧化劑的化學作用有機地結合起來，實現(xiàn)超精密無損傷表面加工，滿足集成電路特征尺寸在0.35μm以下的全局平坦化要求。CMP過程是一個動態(tài)的微細加工過程，拋光液中的化學組分與工件發(fā)生反應并在工件加工表面形成一層很薄、結合力較弱的氧化物；而拋光液中游離磨粒在拋光墊壓力和摩擦作用下對工件表面進行微量的機械去除。拋光液形成流體膜輔助帶動磨粒在拋光區(qū)運動及排除加工渣屑。拋光液在CMP過程中影響著化學作用與磨粒機械作用程度的比例。

圖8.19是CMP加工的原理和設備簡圖，拋光液連續(xù)流動并與工件表面發(fā)生化學反應生成氧化膜溶解去除部分工件材料，達到化學溶解去除材料。拋光墊是一種多孔的彈性材料，隨著拋光液的供應，會在工件與拋光墊之間形成一層拋光液薄膜，工件在壓盤施加的壓力作用下與拋光墊接觸，在拋光過程中混合多種化學物質和細微磨粒的拋光液在拋光墊和工件之間流動、碰撞、摩擦、翻滾、滑動等綜合作用使得工件表面形成復雜的細微劃痕網紋，工件逐漸變得光滑，這是機械去除材料。新拋光液補充進來，反應產物隨拋光液帶走，而新的裸露工件又被氧化，產物再被磨料機械去除剝離下來循環(huán)往復。拋光液這樣在化學作用和機械作用交替進行中完成工件表面的拋光。化學作用過程與機械作用過程進行良好的匹配2.拋光液

拋光液一般由去離子水、磨料、ＰＨ值調節(jié)劑、氧化劑以、分散劑及表面活性劑等添加劑組成。

①磨料：磨料在拋光過程中主要通過微切削、微劃擦、滾壓等方式作用于工件被加工表面，去除表面材料。

②pＨ值調節(jié)劑：拋光液中常常添加一些化學試劑用于調節(jié)拋光液的ＰＨ值，以保證拋光過程化學反應的進行，CMP拋光液一般分為酸性(4)和堿性(10~10.5)兩大類。

③氧化劑：在拋光過程中，為了能夠較快地在拋光表面形成一層結合力弱的氧化膜，有利于后續(xù)的機械去除.

④分散劑：一般來說，對拋光液的基本要求是磨粒均勻地懸浮分散在拋光液中，且具有足夠的分布穩(wěn)定性.

⑤表面活性劑：在拋光液中加入合適的表面活性劑，能夠改善拋光液的分散穩(wěn)定性。類別：金剛石拋光液（多晶金剛石拋光液、單晶金剛石拋光液和納米金剛石拋光液）、氧化硅拋光液（即CMP拋光液）、氧化鈰拋光液、氧化鋁拋光液和碳化硅拋光液等幾類。3.拋光墊①聚氨酯拋光墊：拋光墊的主要成分是發(fā)泡體固化的聚氨酯，其表面有許多空球體微孔封閉單元結構。②無紡布拋光墊：材料為聚合物棉絮類纖維，此類拋光墊具有滲水性好的特點。③帶絨毛無防布拋光墊：以無紡布為主體，中間一層為聚合物，表面層為多孔的絨毛結構。這類拋光墊具有硬度小、壓縮比大和彈性好等特點4.應用場合：

多晶金剛石拋光液以多晶金剛石微粉為主要成分，配合高分散性配方，可以在保持高切削率的同時不易對研磨材質產生劃傷。主要應用于藍寶石襯底的研磨、LED芯片的背部減薄、光學晶體以及硬盤磁頭等的研磨和拋光。

氧化硅拋光液拋光液是以高純硅粉為原料，經特殊工藝生產的一種高純度低金屬離子型拋光產品。廣泛用于多種材料納米級的高平坦化拋光，如：硅晶圓片、鍺片、化合物半導體材料砷化鎵、磷化銦，精密光學器件、藍寶石片等的拋光加工。

氧化鈰拋光液是以微米或亞微米級CeO2為磨料的氧化鈰研磨液，該研磨液具有分散性好、粒度細、粒度分布均勻、硬度適中等特點。適用于高精密光學儀器，光學鏡頭，微晶玻璃基板，晶體表面、集成電路光掩模等方面的精密拋光。

氧化鋁和碳化硅拋光液是以超細氧化鋁和碳化硅微粉為磨料的拋光液，主要成分是微米或亞微米級的磨料。主要用于高精密光學儀器、硬盤基板、磁頭、陶瓷、光纖連接器等方面的研磨和拋光。CMP技術可用于各種高性能和特殊用途的集成電路制造，鍺、硅等半導體基片，應用領域正在不斷擴展，如在高精密光學儀器、硬盤基板、磁頭、陶瓷、寶石、光纖連接器等方面的研磨和拋光。8.3.3化學鍍化學鍍(Electrolessplating)也稱無電解鍍或者自催化鍍(Auto-catalyticplating)，是在無外加電流的情況下依據氧化還原反應原理，利用強還原劑在含有金屬離子的溶液中，將金屬離子還原成金屬而沉積在各種材料表面形成致密鍍層的方法。有時是在金屬的催化作用下，通過可控制的氧化還原反應產生金屬的沉積過程。常用的化學鍍溶液有：化學鍍銀、鍍鎳、鍍銅、鍍鈷、鍍鎳磷液、鍍鎳磷硼液等?；瘜W鍍所需裝置：電熱恒溫水浴鍋、恒溫磁力攪拌器、電動攪拌機?；瘜W鍍工藝流程：機械粗化→化學除油→水洗→化學粗化→水洗→敏化→水洗→活化→水洗→解膠→水洗→化學鍍→水洗→干燥→鍍層后處理。特點：①鍍層質量高：鍍層均勻、針孔小、附著力強、裝飾性好。②設備簡單：不需直流電源設備，僅需浴鍋、攪拌器和恒溫裝置。③使用范圍很廣：除金屬外，還能在非導體上沉積；④具有某些特殊性能：如，在防護性能方面，能提高產品的耐蝕性和使用壽命；在功能性方面，能提高鍍件的耐磨性、導電性、潤滑性能等，⑤廢液排放少，對環(huán)境污染小以及成本較低。

因而在許多領域已逐步取代電鍍，成為一種全世界競相發(fā)展的環(huán)保型表面處理工藝?；瘜W鍍應用范圍十分廣泛，其主要應用范圍：

①石化工業(yè)中：冷換設備、盤管、采注管線、控制閥泵、吸入活塞桿等。

②汽車和造船工業(yè)中：發(fā)動機軸、防滑活塞、空氣調節(jié)器元件、交流發(fā)電機和散熱片、油箱、燃料噴射器傳動推力熱圈等。

③輕紡工業(yè)中：塑料模具、刻花滾筒、導布輥、導紙輥、貯槽橫機、導軌、針筒、烘缸、織物刀刃、塑料切粒刀等。

④飼料食品工業(yè)中：烤鍋、軸承、罐頭生產線設備、滑輪、切片裝置、分類機、攪拌器等。

⑤其它工業(yè)：液壓裝置、離合器、泵、軸輥、模具、拉絲機滾筒等。⑥電子和計算機工業(yè)：計算機薄膜硬磁盤、微電子器件制造。⑦醫(yī)療器械如：外科手術鉗、牙科鉆和醫(yī)療型模等金屬制品。⑧航空航天：飛機修復、飛機零件制造。應用爆炸成形是利用爆炸物質在爆炸瞬間釋放出巨大的化學能對金屬坯料進行加工的高能率成形方法。爆炸成形時，爆炸物質的化學能在極短時間內轉化為周圍介質(空氣或水)中的高壓沖擊波，并以脈沖波的形式作用于坯料，使其產生塑性變形并以一定速度貼模，完成成形過程。沖擊波對坯料的作用時間為微秒級，僅占坯料變形時間的一小部分。這種高速變形條件，使爆炸成形的變形機理及過程與常規(guī)沖壓加工有著根本性的差別。8.3.4爆炸成形技術簡介1.爆炸成形原理1）接觸爆炸成形：加工時裝藥與被加工的對象直接接觸；2）隔離爆炸成形：加工時裝藥與被加工的對象相隔一定的距離，此間隔距離內的介質可能是空氣、水、油和砂等，裝藥爆炸產生的能量通過這些中間介質傳遞到被加工的對象上。這兩種爆炸加工方法作用在加工工件上的作用力差別很大，因此，造成工件材料的性狀變化也很不同。接觸爆炸時工件上所受的壓力很大，通常達幾千萬千帕；隔離爆炸時工件上所受的壓力要小得多，通常為幾萬千帕。接觸爆炸加工主要有爆炸焊接、爆炸切割、表面硬化和粉末爆炸壓制成形等；隔離爆炸加工主要有爆炸成形和爆炸校形。2.爆炸成形的分類爆炸成型包括爆炸脹形、爆炸拉伸、爆炸校形、爆炸雕刻等。如圖6.7構成爆炸成形裝置主要有四個部分：炸藥、成形工件、成形模具和傳壓介質。3.爆炸成形裝置爆炸成形可以加工的金屬材料有：中低碳鋼、不銹鋼、鋁及鋁合金、銅及銅合金、鉻鎳鐵合金、鎂合金、鎳及鎳合金、鈦及鈦合金、超級合金、鈮/鉬/鉭/鎢/鋯等難熔材料。1)適合于小批量、大型且形狀復雜的產品的生產（如導彈及飛機的某些部件）；特別是零件尺寸及所需壓力超過現(xiàn)有壓力機的能力時。2)難加工材料（如高強度耐熱金屬）所制造的零件。3)在大型零件上可以保證嚴格的制造公差，和沖床成形相比，可獲得較高的表面光潔度?？烧{整工件整個表面上的爆炸壓力分布，避免機械成形時可能產生的局部應力集中現(xiàn)象。總之，決定是否采用爆炸成型方法主要考慮爆炸成型方法的唯一性和經濟性。4.爆炸成形的應用場合THEEND

第9章離子束加工(IBM)9.1.1加工原理

離子束加工（Ionbeammachining，IBM）是一種精密、細微的非傳統(tǒng)加工方法，它的加工原理與電子束加工原理基本類似，離子束加工是在真空條件下，先由電子槍產生電子束，再引入已抽成真空且充滿惰性氣體之電離室中，使低壓惰性氣體離子化,成為等離子體。由負極引出陽離子又經加速、集束等步驟，獲得具有一定速度的離子投射到工件材料表面，產生濺射效應和注入效應，從而實現(xiàn)離子束加工。所不同的是離子帶正電荷，其質量比電子大上千倍，故在電場中加速較慢，但一旦加至較高速度，就比電子束具有更大的撞擊動能，因此，離子束撞擊工件將引起變形、分離、嵌入、破壞等機械作用，而不像電子束是通過熱效應進行加工。9.1離子束加工原理及特點撞擊效應、濺射效應和注入效應。離子束加工可分為四類(圖9.1)：1.離子刻蝕：當所帶能量為0.1～5keV、直徑為十分之幾納米的的氬離子轟擊工件表面時，此高能離子所傳遞的能量超過工件表面原子或分子間鍵合力時，材料表面的原子或分子被逐個濺射出來，以達到加工目的這種加工本質上屬于一種原子尺度的切削加工，通常又稱為離子銑削。2.離子濺射沉積：采用能量為0.1～5keV的氬離子轟擊某種材料制成的靶材，將靶材原子擊出并令其沉積到工件表面上并形成一層薄膜，實際上此法為一種鍍膜工藝。3.離子鍍(又稱離子濺射輔助沉積)：離子鍍膜一方面是把靶材射出的原子向工件表面沉積，另一方面還有高速中性粒子打擊工件表面以增強鍍層與基材之間的結合力（可達10～20MPa），適應性強、膜層均勻致密、韌性好、沉積速度快，已獲得廣泛應用。4.離子注入：用5～500keV能量的離子束，直接轟擊工件表面，由于離子能量相當大，可使離子鉆進被加工工件材料表面層，改變其表面層的化學成分，從而改變工件表面層的機械物理性能。9.1.2特點①加工精度高：因離子束流密度和能量可得到精確控制，離子束加工是目前非傳統(tǒng)加工工藝方法中最精密、最微細的加工方法。離子刻蝕可達納米級或原子級精度，離子鍍膜可控制在亞微米級精度，離子注入的深度和濃度亦可精確地控制。②潔凈加工：在較高真空度下進行加工，工作環(huán)境污染少。特別適合加工易氧化的金屬、合金和高純度的半導體材料。③工件無變形：離子束加工是靠離子轟擊材料表面的原子來實現(xiàn)的，是一種微觀作用，所以加工應力和變形極小，適宜于對各種薄弱材料和低剛度零件進行加工。④成本高：需要一整套專用設備和真空系統(tǒng)，設備昂貴、加工成本較高，效率低下。離子束加工主要應用于刻蝕加工(如加工空氣軸承的溝槽，太陽能電池表面具有非反射紋理表面、加工極薄材料等)、鍍膜加工(如在金屬或非金屬材料上鍍制金屬或非金屬材料)、注入加工(如某些特殊的半導體器件以及材料表面改性處理)等。9.2.1離子束刻蝕/切割刻蝕又可在分為濺散刻蝕和離子刻蝕兩種，離子在電漿產生室中對工件進行撞擊蝕刻，為濺散刻蝕。產生電子并與加速離子還原為原子而撞擊材料進行刻蝕為離子刻蝕。當刻蝕的深度超過工件厚度時便成了離子束切割。離子刻蝕用于加工陀螺儀空氣軸承和動壓馬達上的溝槽，分辨率高，精度、重復一致性好。離子束刻蝕應用的另一個方面是刻蝕高精度圖形，如集成電路、光電器件和光集成器件等微電子學元(器)件，太陽能電池表面具有非反射紋理表面，離子束刻蝕還應用于減薄材料，制作穿透式電子顯微鏡試片。9.2離子束加工工藝與裝置聚焦離子束(FocusedIonBeam,FIB)的系統(tǒng)是利用電透鏡將離子束聚焦成非常小尺寸的細微切割裝置，目前商用系統(tǒng)的離子束多為液相金屬離子源(LiquidMetalIonSource,

LMIS)，金屬材質為鎵(Gallium,Ga)，因為鎵元素具有低熔點、低蒸氣壓及良好的抗氧化力。如圖9.2所示為典型的離子束蝕刻裝置包括：離子源、電極、聚焦透鏡、可調節(jié)的小孔板、真空系統(tǒng)、定向器及支座、離子束監(jiān)控器、離子束偏轉器、物鏡和工件試件工作臺。當外加電場于液相金屬離子源可使液態(tài)鎵形成細小尖端，再加上負電場牽引尖端的鎵，而導出鎵離子束，在一般工作電壓下，尖端電流密度約為1埃（10-10）A/cm2，經過透鏡聚焦，再輸入一系列變化孔徑(AutomaticVariableAperture,AVA)可決定離子束的大小，再經過二次偏轉聚焦至工件試件表面，利用物理碰撞來達到刻蝕、切割之目的。

氣體的差異，離子刻蝕主要有兩種類型：

第一種類型是僅使用氬氣、氙氣、氖或氪等惰性氣體的離子束蝕刻（IonbeametchingIBE）。IBE屬于物理刻蝕，與其它工藝相比，優(yōu)點是可對金、鉑、鈀等不活潑金屬進行蝕刻，而這些不活潑金屬通常對活性等離子蝕刻或化學蝕刻無響應。此外，IBE也適合用于蝕刻一些需要在蝕刻前后保持某種特性不變的材料（如CMT）。通常來說，對于多層材料，IBE是首選的蝕刻方法。例如，磁敏隨機存儲器器件，雖然也能夠使用加強型化學蝕刻，但優(yōu)化過程復雜，不及IBE蝕刻簡單和高效。IBE形式的物理蝕刻通常稱為“離子銑”。第二種類型稱為反應離子束蝕刻（ReactiveIonBeamEtching,RIBE）。RIBE通常在氬氣或其他惰性氣體中添加SF6、CHF3、CF4、O2或Cl2等化學活性氣體。化學活性氣體可以提高蝕刻速率和對掩膜材料的選擇性,

RIBE模式的活性氣體可能在離子源內部和晶片表面發(fā)生分解。仔細調整惰性氣體與活性氣體的比例可以控制蝕紋，可以對石英進行角度蝕刻；使用CF4活性氣體也可以對石英進行各向異性的深度蝕刻

離子束蝕刻具有以下優(yōu)點：①可蝕刻各種材料；②可通過工件傾斜進行側壁造型；③可通過添加化學活性氣體提高蝕刻速率；④可獨立控制離子束電流與能量；⑤高度的運行重復性；⑥優(yōu)異的蝕刻均勻度；⑦廣泛的工藝靈活性；⑧最細的刻蝕寬度；9.2.2離子鍍膜離子束鍍膜加工有濺射沉積和離子鍍兩種形式：濺射鍍膜指的是在真空室中，利用具有一定能量的粒子轟擊靶材物質表面，使被轟擊出的靶材粒子沉積在基片上制取各種鍍膜的技術，圖9.4。濺射鍍膜在機械、電子、宇航、建筑及信息等各行業(yè)中都得到了廣泛的應用。離子鍍是在真空條件下，利用氣體放電使氣體和被蒸發(fā)物質離子化，然后氣體離子和被蒸發(fā)物質離子在對靶材轟擊的同時，部分靶材和離子本身都沉積在基體材料上形成膜層的工藝方法（圖9.5）。它具有膜層的附著力強、繞射性好、可鍍材料廣泛、沉積速率高及預處理簡單等優(yōu)點。利用該技術，能獲得表面的耐磨、耐蝕和潤滑鍍層，各種顏色的裝飾鍍層以及電子學、光學、磁學和能源科學所需的特殊功能鍍層。目的是改善工件材料的表面性能，提高耐磨性、抗腐蝕性和耐高溫性。這種工藝形成的膜層附著力強，鍍層組織致密，分布均勻，而且可根據需要鍍各種材料采用離子鍍和離子濺射工藝取得的技術經濟效益是十分明顯的。如：精密滾珠軸承采用離子鍍后，使用壽命延長了數(shù)千小時；刀具鍍以幾微米厚的TiN、TiC涂層即所謂的涂層刀具，一般可使壽命提高3-10倍；在鈦合金葉片上沉積一層貴金屬（Pt、Au、Rh等）涂層，可使疲勞強度增加30%，抗氧化性、耐高溫和耐腐蝕能力也大大提高；將飛機和航天器上與鈦合金接觸的鋼連接件用離子鍍鋁抗蝕層代替原來的鎘電鍍層，防止了鈦合金零件產生的鎘脆現(xiàn)象

離子鍍膜的優(yōu)點：①靶材粒子能量高（比熱蒸發(fā)高出1個數(shù)量級），制備膜層更致密，與基體結合更牢固；②一般備有輔助離子源，可以用來清洗基板，清洗效果好；③易于制備熔點高的材料；④制備合金膜層，可以保證膜層材料比例與靶材相同；⑤如果裝有中和器，也可以用來制備絕緣膜層；

離子鍍膜的缺點：①一般鍍膜速率較慢，每秒約幾十埃；②離子源清理和中和器燈絲更換較頻繁；③不適宜制備較大面積薄膜；④需要真空環(huán)境，設備比較昂貴9.2.3離子注入離子注入是指在真空室中，將所添加的材料原子離子化，然后將其加速到幾萬至幾兆伏特，直接轟擊被加工材料，高能離子鉆進被加工材料的表層，改變了工件表面層的化學成分，從而改變了工件表面層的機械性能。根據不同需求可選用不同的注入離子表9.1。圖9.6為離子束注入裝置。離子注入具有以下特點：

①多樣性：離子注入是將離子強制射入工件材料表層，故可以根據需要向金屬和合金材料表面注入任何元素。被注入的元素(種類和數(shù)量)不受限制（如表9.1），因而可以獲得用一般冶金工藝無法得到的各種表面合金。

②可靠性：離子注入層與基體材料有機地牢固結合為一體，無內界面，因此不會產生如電鍍處理后的表層起皮、剝離、脫落等現(xiàn)象③不變性：離子注入是在高真空和較低溫度(也可在室溫和高溫)下進行的。因此不存在由于處理環(huán)境和高溫狀態(tài)所引起的工件尺寸、形狀的變化，對精密、低剛度工件十分有利，對熱敏感材料以及不能經受高溫的材料的改性更是適合。

④可控性：注入離子的數(shù)量以及注入深度可以通過獨立地調制離子能量、束流強度、作用時間等參數(shù)進行精確控制，而且，注入元素的純度較高、均勻性也較好。⑤終結性：離子注入后無需再進行機械加工和熱處理。⑥環(huán)保：是一種純凈的無公害的表面處理技術。離子注入在工模具和零部件的表面處理方面有以下應用：①金屬切削刀具：包括各種用于精密加工和數(shù)控加工中使用的鉆、銑、車、鏜、拉、鉸等高速鋼和硬質合金刀具的改性，做到外硬里軟，提高耐磨性，可提高使用壽命3-10倍；②熱工況模具：熱擠壓和注塑模具，可使能耗降低20%左右，延長使用壽命10倍左右；③精密運動耦合部件：如抽氣泵定子和轉子，陀螺儀的凸輪和卡板，汽車發(fā)動機零部件的曲軸、凸輪軸、活塞、缸套、軸承、齒輪、渦輪渦桿等，降低摩擦系數(shù)，或提高硬度而提高耐磨性和耐蝕性，延長使用壽命最多可以達到數(shù)十倍；④噴嘴：擠壓合成纖維和光導纖維的精密噴嘴，極大地提高耐磨性和延長使用壽命；⑤冷工況模具：半導體工業(yè)中的精密模具，壓印和沖壓模具等，可顯著提高這些貴重、精密模具的工作壽命；⑥醫(yī)療器械：手術器具、醫(yī)用矯形修復部件(如鈦合金人工關節(jié))等。9.2.4離子束曝光

聚焦離子束也可以像電子束那樣作為一種曝光手段。離子束曝光有非常高的靈敏度，這主要是因為在固體材料中的能量轉移的效率遠遠高于電子。常用的電子束曝光抗蝕劑對離子的靈敏度要比對電子束高100倍以上。除了靈敏度高之外，離子束曝光的另一優(yōu)點是幾乎沒有鄰近效應。由于離子本身的質量遠大于電子，離子在抗蝕劑中的散射范圍要遠小于電子，并且?guī)缀鯖]有背散射效應。離子束的能量控制在10～200keV范圍內，再對抗蝕劑進行曝光，從而獲得微細線條的圖形。其曝光機理是離子束照射抗蝕劑并在其中累積能量，使抗蝕劑起降解或交聯(lián)反應，形成良溶膠或非溶凝膠，再通過顯影，獲得溶與非溶的對比圖形。

聚焦離子束仍可作為制作小批量研究性質的器件的一種工具。作為一種大規(guī)模集成電路生產的曝光工具有著廣闊的應用前景.THEEND

第10章超聲加工（USM）10.1超聲沖擊磨蝕加工10.1.1超聲沖擊磨蝕原理和特點超聲沖擊磨蝕是利用振動頻率超過一定頻率的工具頭，通過懸浮液磨料對工件進行成型加工的一種方法，其加工原理如圖10.1所示，工具端面的超聲振動是由(超聲波)高頻發(fā)生器產生超過16kHz高頻電流作用于超聲換能器產生的，通過變幅桿使得工具端面的縱向振幅放大到0.01～0.1mm，除了去除靠三種作用；

①磨粒沖擊作用：②磨粒拋磨作用：③磨料液受工具端面的超聲振動而產生交變的沖擊波和“空化現(xiàn)象”。以上的作用使工件的加工部位材料粉碎破壞，隨著加工的不斷進行，工具的形狀就逐漸“互補復制”到工件上。由此可見，超聲沖擊磨蝕是磨粒的機械撞擊和拋磨作用以及超聲波空化作用的綜合結果，磨粒的撞擊作用是主要的。因此，材料越硬脆，越容易遭受撞擊破壞，越容易進行超聲沖擊磨蝕加工。超聲沖擊磨蝕加工的超聲振動頭實物圖如圖10.2。超聲沖擊磨蝕加工的主要特點見圖10.3，其優(yōu)勢在于：①適合于加工各種硬脆材料，特別是某些不導電的非金屬材料，例玻璃、陶瓷、石英、硅、瑪瑙、寶石、金剛石、半導體、等。材料越硬脆，越好加工，也可以加工淬火鋼和硬質合金等材料，但效率相對較低。②工具材料硬度可以用較軟材料，容易制造形狀復雜的形狀從而實現(xiàn)復雜型腔加工。③加工時宏觀切削力很小，工件和工具都不易變形。表面粗糙度Ra值很小，可達0.2μm，加工精度可達0.05～0.02mm，而且可以加工薄壁、窄縫、低剛度的零件。④加工機床結構和工具結構均較簡單，操作維修方便。⑤加工發(fā)熱少，再加上磨漿液體的及時冷卻，可以說是一種“冷態(tài)加工”。⑥對環(huán)境污染影響不大，廢棄物僅為固態(tài)的磨料碎屑和加工泥漿屑，容易過濾處理。沒有揚塵、無有害氣體和煙霧產生超聲沖擊磨蝕加工的缺點在于：①生產率較低，能耗高，這是超聲波加工的一大缺點；②加工的型腔、型孔的邊緣尺寸不能太大(＜30mm,面積不超過10cm2），深度也受限；③工具頭的端面和側面會磨損，從而影響加工精度，深孔加工錐度誤差大；④工具需要專門設計和制造，增加成本；⑤加工通孔時，快結束時需要在底部鋪設輔助墊板才能加工好出口(圖10.4)；⑥不能加工出尖角、銳邊；⑦磨漿要定期更換，