何龙，徐婷，谭业发，谭华，尤峻
(解放军理工大学工程兵工程学院，江苏南京210007)
摘要:超声波技术应用于电镀中可以强化电镀过程、改善镀层质量和优化镀层性能，获得优质镀层。介绍了超声波在镀前零件清洗中的机理和应用，概述了超声波在电镀金属镀层和纳米微粒复合镀层中的研究进展及其工程应用，指出了超声波电镀技术中需进一步解决的问题，并展望了其应用前景。
关键词:超声波;电镀;空化作用;纳米微粒复合镀层
中图分类号:TQ150．5 文献标识码:A 文章编号:1001-3849(2011)07-0029-06
引言
随着科学技术的进步，机械设备向着高精度、高可靠性的方向发展，对机械零部件的寿命和可靠性提出了更高的要求。电镀作为表面处理技术的重要分支，在机械零部件表面强化和表面改性方面显示出极大的应用潜力，特别是在机械设备防腐蚀、耐磨损及抗高温氧化等领域得到更广泛的应用。电镀过程中引入超声波技术可利用其空化作用强化离子沉积过程、加快沉积速率、细化晶粒、改善镀层质量和提高镀层性能。近年来，随着超声设备使用日益普及，超声波在医疗诊断、零件质量检测等领域应用日益广泛，超声波电镀技术在制备功能镀层、机床刀具以及机械防腐领域得到了快速的发展。本文介绍了超声波在电镀零件清洗中的应用，叙述了超声波电镀金属镀层、纳米微粒复合镀层方面的研究进展及其工程应用实例，指出了超声波电镀中有待进一步解决的问题，为超声波电镀技术进一步研究和开发应用提供指导。
1·超声波在电镀技术中的应用
超声波电镀是近年发展起来的一种电镀新工艺，超声波在电镀过程中主要用于电镀前对基体进行超声清洗以及电镀中强化电沉积过程，从而达到加快电镀速度、改善镀层质量和提高镀层性能的目的。
1．1 超声波在镀前零件表面清洗中的应用
超声波清洗是近年来发展起来的清洗技术，已经在医疗仪器、电镀工具生产中得到了较为广泛的应用，超声清洗主要是利用超声空化效应产生的冲击波、微射流等冲击表面，形成了剪切作用，使附着在零件表面的污物逐层除去，超声空化在固体与液体界面上产生的高速微射流能增强搅拌作用，加速可溶性污垢的溶解，直到基体完全清洗干净为止。
电镀前对基体进行超声清洗，可以去除影响电镀的氧化物和油膜，使得基体与镀层之间结合更好，提高镀件的质量。霍宇翔等对超声波清洗在复合电镀金刚石钻头预处理中的作用进行了研究，采用水基清洗液三氯乙烯作为超声波清洗液，用f为22～23kHz的超声波进行超声波浸蚀清洗，实验结果表明，经过超声清洗的钻头表面润湿接触角小，污垢残留最少，采用超声波加酸洗工艺清洗零件的杂质残留物下降了0．2%以下。刘晓东等采用由OP乳化剂、6501清洗剂等组成的水基清洗液，在声强0．03W/cm2，室温条件下对复合电镀金刚石钻头基体超声清洗2min，实验结果表明，复合电镀前经过超声清洗的钻头基体与沉积粒子的结合能力提高，可以提高复合电镀金刚石钻头使用寿命。王洪奎研究成果表明，采用OP乳化剂清洗剂对待镀零件进行超声波清洗后，产品曲线花纹深处的污染物得到彻底清除，同时避免产品表面划伤，镀18K或24K金后，保证了花纹图形的清晰度和一致性。赵立新等研究了超声波清洗的频率、温度和时间对镀锡钝化膜耐蚀性能的影响，实验结果表明，无超声波清洗时，镀层耐腐蚀性最差，超声波清洗工艺参数f=59kHz，θ=35～45℃，t=10～15s时，镀锡板的微观表面均匀平整，耐蚀性有明显提高，超声清洗效果明显;Bogdan Niemczewski研究了水基二烯烃清洗液浓度对超声空化强度的影响，实验结果表明，在清洗θ为60℃的条件下，采用4%～10%的Na2CO3、Na2SiO3·5H2O和Na3PO4·12H2O清洗液空化强度最大，超声清洗效果最好。超声波的功率、频率及声场分布等因素都会对超声清洗效果产生影响，超声清洗中，不同频率的超声波显示出不同的清洗特性，低频有利于大污垢、较高强度的清洗，而高频则有利于缝隙、间隙和深孔的清洗，因此实际应用中根据污染程度和零件精密程度选择超声清洗参数。
1．2 超声波在金属镀层制备中的应用
超声波条件下制备的镀层具有晶粒精细致密、硬度高、耐腐蚀性好和内应力小等优点，已经应用于镍、铜等单质金属镀层和合金镀层的制备，采用超声波可以提高生产效率，改善镀层表面质量，优化镀层性能。
王秀芝等分别在超声波和无超声波条件下制备镍镀层和复合电镀金刚石磨具，研究超声波对镍镀层性能和复合电镀金刚石磨具的影响，实验结果表明，电镀镍过程中引入超声波，可以提高镀层硬度，超声波P为200W时，硬度最大达到510HV;在超声波作用下，镍镀层的晶粒细小，镀层呈现压应力状态，镍镀层晶粒细化、加工硬化和存在压应力是超声波电镀镍层硬度提高的主要因素;超声波可以提高镀镍层对金刚石颗粒的包裹能力，提高金刚石磨具的加工性能。Vasudevan等在瓦特镀镍过程中引入f为22kHz、P为0～500W的超声波，研究其对镍镀层性能的影响，实验结果表明，采用超声波可以减少析氢从而提高了沉积速度和允许使用的电流密度，并且极大的提高阴极电流效率，降低镍镀层内应力，提高耐磨性能以及抗疲劳强度，显微硬度由350HV提高到450HV，所获得的镀层表面粗糙度由0．96μm降低到0．56μm。Jensen等研究了高频超声波强化镍离子沉积的机理，实验结果表明，瓦特型镀镍液中，采用频率为1MHz的超声波，三维沟槽底部和沟壁上镍镀层厚度均匀，超声射流和驻波对镍镀层形貌有显著的影响。
利用超声波电镀技术在AZ91D镁合金表面电镀铜，观察铜镀层表面质量，无超声波电镀所得铜镀层表面晶粒粗糙，结合力较差;而利用超声波电镀技术所得铜镀层表面晶粒均匀、平整，结合力强，耐蚀性较好;扫描电子显微(SEM)观察显示80W超声功率下得到的镀层表面比40W超声功率镀层表面平整。赵鹏等研究了超声波对泡沫铜结构及性能影响，施加功率为300W的超声波使铜层晶粒细化，组织致密，且表面粗糙度低，避免了电镀铜表面的结瘤现象，抗拉强度可提高2倍以上，可减少机械加工成型时的断裂现象。Hong等在有无超声波作用条件下，以钛合金为基体，比较在水溶液和有机溶液中制备铜镀层的性质，实验结果表明，超声波减少了铜层的内应力。Chen等在超声波条件下分别利用直流电流和脉冲电流在盲孔中电镀铜，实验结果表明，超声波电镀可以减少阴极表面附近液层的扩散层厚度，提高镀层质量。长宽比小于3∶1的盲孔，电镀中无论是否应用超声波，用脉冲电流即可获得完整镀层;长宽比大于3∶1的盲孔，采用超声波搅拌好于机械搅拌，可以提高阴极附近粒子浓度，有利于粒子的沉积，获得完整镀层。利用酸性氯化物镀液在低碳钢上镀锌的研究结果表明，超声波作用除了可以提高镀层的硬度外，还可显著增强低碳钢表面锌镀层的抗腐蚀性能，主要因为超声空化作用减少了镀层的孔隙率，使得锌镀层更加致密。
Takashi等利用超声波在铜基体上制备了铱镀层，测试镀层表面质量，实验结果表明，在镀液中加入5mmol/L的丙三醇，电镀过程中应用超声波频率为20kHz时制备的镀层比无超声波条件下制备镀层的表面裂纹少，内应力小，而且将阴极电流效率提高了10%。镀层无论是否使用丙三醇作为添加剂，超声波都可以减少镀层的内应力。
