鍍液成分對高精度電鍍金剛石工具鍍層機械性能的影響

崔仲鳴，陳青秋，赫青山，王靜靜，馮創(chuàng)舉

（河南工業(yè)大學(xué) 機電工程學(xué)院，鄭州 450007）

0 引言

電鍍金剛石工具是采用電沉積方法，以鎳或鎳鈷合金為結(jié)合劑將金剛石固定在鋼基體表面形成的金剛石砂輪、修整工具或其他金剛石工具。由于它具有制造工藝簡單、可以制造復(fù)雜形面工具和可以獲得很高的制造精度等優(yōu)點，被廣泛應(yīng)用于成形磨削、砂輪修整、硬脆材料加工等領(lǐng)域。

在電鍍金剛石工具制造過程中，鍍層的機械性能好壞是決定金剛石工具性能的主要因素，高強度鍍層可以牢固地把持住金剛石磨粒，從而提高工具的強度、精度和增加使用壽命。電鍍金剛石工具鍍層主要采用鎳鈷合金復(fù)合鍍層，這種鍍層具有較高的硬度、組織致密、結(jié)合力強的優(yōu)點。常用的鍍液有鎳和鎳鈷合金鍍液，鍍鎳溶液中應(yīng)用最廣泛的就是瓦特型鍍鎳液，它是由O．P．Watts在1916年提出的，它的提出也使鍍鎳工藝進入工業(yè)化階段[1]。瓦特型鍍鎳鍍液是有硫酸鎳、氯化鈉、硼酸三種基本成分組成；其他類型的鍍鎳液都是在瓦特型鍍鎳液的基礎(chǔ)上根據(jù)需要變化得到的。鎳鈷合金鍍液就是在瓦特型鍍鎳液中加入少量的鈷鹽變化而來的。在鍍液中加入鈷鹽后，會使鍍變得層細致、平整、硬度較高，并有良好的耐磨性和化學(xué)穩(wěn)定性。

目前，對鎳鈷合金鍍層的性能的研究取得了許多成果，如河南農(nóng)業(yè)大學(xué)李云東[2]和浙江工貿(mào)職業(yè)學(xué)院的牛麗媛[3]等人納米鎳鈷合金鍍層進行了研究，北京科技大學(xué)的趙廣宏[4]研究了鍍液成分對等離子電沉積鎳鍍層的影響，中國地質(zhì)大學(xué)的潘秉鎖[5]等人稀土元素的對鎳鈷合金鍍層性能的影響。但對鍍層的機械強度對鎳鈷金剛石復(fù)合鍍層的性能影響研究的比較少。本文針對由于鍍層機械強度不好造成金剛石磨粒結(jié)合不牢、影響制造質(zhì)量問題，采取正交實驗方法，對不同成分鍍液電沉積獲得試樣進行機械性能評價，分析研究鍍液主要成分對鎳鈷合金鍍層機械性能的影響，獲得機械性能優(yōu)異的鍍層，為提高電鍍金剛石工具的制造水平做了有益的嘗試。

1 試驗方法

1.1 試驗原理與試樣制備

金屬材料的機械性能主要指標是強度和硬度，對于電鍍金剛石工具，良好的鍍層應(yīng)具有高的機械強度和硬度。因此本試驗把抗拉強度和硬度作為評價鍍層機械強度的指標，通過對不同鍍液成分配比的電鍍液鍍出試件進行抗拉強度拉伸和強度檢測，來分析鍍液成分對鍍層機械性能的影響。

試件的制作是依照國標GB/T 228.1-2010，金屬材料室溫拉伸試驗標準，附錄B厚度0.1mm～3mm薄板使用的試件類型標準來確定[6]。試樣的原始寬度為10mm，頭部寬度選為15mm，試樣頭部與平行長度過渡半徑定為35mm，平行長度確定為34mm，標準試樣尺寸如圖1所示。試件的制作是采用在鋁材基板上電鑄上需要厚度的試驗鍍層，然后將鋁材基板用化學(xué)方法溶除，再通過機械加工制得標準試件。制作的標準試樣如圖2所示。

圖1 試驗尺寸

圖2 制作的標準試樣照片

1.2 試驗因素選取和試驗方案

鎳鈷鍍液的組成成分為硫酸鎳、硫酸鈷、氯化鈉、硼酸和添加劑。其中主鹽硫酸鎳、硫酸鈷的濃度對鍍層的影響是最大的，硼酸是緩沖劑，能夠使溶液遇到酸堿時，PH值變化幅度減小，對PH的變化起到減緩的作用；添加劑由潤濕劑、光亮劑組成，潤濕劑作用是減少針孔和麻點的產(chǎn)生，光亮劑是提高陰極極化作用，對鍍層起到整平作用。

影響鍍層機械強度和硬度的主要鍍液成分是硫酸鎳、硫酸鈷[7,8]。我們選取硫酸鎳、硫酸鈷、氯化鈉和添加劑為實驗因素，采用正交試驗的方法來研究鍍液主要成分對精密鍍層機械性能的影響。

試驗電鍍液的基本配比：硫酸鎳220g/L～320g/L，硫酸鈷10g/L～30g/L，氯化鈉10g/L～20g/L，硼酸30g/L，添加劑。

根據(jù)正交試驗方案[9,10]，我們選取四因素三水平正交表（L934）。根據(jù)電鍍液成分基本配比確定試驗因素的水平，考慮到我們只做三個因素的試驗，故把因素水平表的最后一列刪去，得到因素水平表如表1所示；各因素水平正交試驗方案組合如表2所示。

表1 因素水平表

表2 選用的因素水平正交表

2 試驗結(jié)果與分析

2.1 試驗數(shù)據(jù)與處理

根據(jù)正交試驗設(shè)計，進行了9組不同鍍液成分配方實驗。每組實驗制作4個試件進行拉伸強度和硬度測試，取其算術(shù)平均值作為評價指標。各組試驗組合和制得試件的抗拉強度和硬度進行測試結(jié)果如表3所示。

表3 試驗方案及試驗結(jié)果表

采用極差法對表3測得的試驗數(shù)據(jù)進行處理，處理結(jié)果如表4所示。極差R的大小反映了試驗中各因素作用的大小。極差大表明該因素對指標的影響大，通常為主要因素；極差小表明該因素對指標影響小，通常為次要因素。

表4 各因素各水平的指標以及極差

從表3可以看出，根據(jù)極差的大小，對于，鍍液成分各因素對鎳鈷合金鍍層的抗拉強度影響的主次順序為：硫酸鎳＞氯化鈉＞硫酸鈷；鍍液成分各因素對鎳鈷合金鍍層的硬度影響的主次順序為：硫酸鈷＞硫酸鎳＞ 氯化鈉。

2.2 硫酸鎳濃度對鍍層抗拉強度和硬度的影響

硫酸鎳濃度對鍍層抗拉強度影響趨勢如圖3所示，從圖中可以看出硫酸鎳濃度從220g/L～270g/L，鍍層的抗拉強度呈上升趨勢；硫酸鎳濃度從270g/L～320g/L，鍍層的抗拉強度呈下降趨勢；硫酸鎳濃度在270g/L時，鍍層的抗拉強度最大為651MPa。鍍層硬度隨硫酸鎳濃度的變化趨勢如圖4所示，隨著硫酸鎳濃度的增加，鍍層的硬度先增大后減小，在硫酸鎳濃度為270g/L時，鍍層硬度最高為39HRC。

圖3 硫酸鎳濃度對鍍層抗拉強度的影響

圖4 硫酸鎳濃度對鍍層硬度的影響

硫酸鎳作為鎳鈷硫酸鍍液中的主鹽，作用主要是向陰極提供鎳離子，含量大概在200g/L～300g/L這個范圍內(nèi)。在硫酸鎳濃度超過270g/L時，鍍層的抗拉強度和硬度降低的原因可能是由于隨著硫酸鎳濃度的提高，晶核的形成速度降低，形成粗大結(jié)晶鍍層而導(dǎo)致的。

2.3 硫酸鈷濃度對鍍層抗拉強度和硬度的影響

鍍層抗拉強度隨硫酸鈷濃度的變化趨勢如圖5所示從圖中可以看出：隨著硫酸鈷濃度的增加，鍍層的抗拉強度總體上是先增加再減小的趨勢，變化幅度為15MPa，影響不是很大，在硫酸鈷濃度為20g/L時，鍍層抗拉強度最大為578MPa。鍍層硬度隨硫酸鈷濃度的變化趨勢如圖6所示，隨著硫酸鈷濃度的增加，鍍層的硬度總體上呈增加趨勢，在硫酸度含量從10g/L～20g/L時鍍層硬度增加的比20g/L～30g/L時增加的速度快。這可能是由于隨著硫酸鈷濃度的增加，晶粒變細，使鍍層硬度增加，具有較好的性能。相關(guān)資料顯示：如果鍍層合金中鈷含量過高，超過30%時，產(chǎn)生很大鍍層內(nèi)應(yīng)力，可以引起龜裂和起皮脫落現(xiàn)象，對電鍍金剛石工具的精度有影響，因此，硫酸鈷濃度不宜太高，應(yīng)綜合各因素考慮。

圖5 硫酸鈷濃度與鍍層抗拉強度的關(guān)系

圖6 硫酸鈷濃度與鍍層硬度的關(guān)系

2.4 氯化鈉濃度對鍍層抗拉強度和硬度的影響

鍍層抗拉強度隨氯化鈉濃度的變化趨勢如圖7所示，隨氯化鈉濃度增加鍍層的抗拉強度呈先下降后升趨勢；硫酸鎳濃度在15g/L時，鍍層的抗拉強度最小為518MPa。鍍層硬度隨氯化鈉濃度的變化趨勢如圖8所示，從圖8可以看出：氯化鈉的含量對鍍層的硬度沒有太大的影響，鍍層的硬度基本上都維持在37HRC。

圖7 氯化鈉濃度與鍍層抗拉強度的關(guān)系

圖8 氯化鈉濃度與鍍層硬度的關(guān)系

3 結(jié)論

對于組成成分為硫酸鎳、硫酸鈷、氯化鈉、硼酸和添加劑的鎳鈷合金鍍液，鍍液成分各因素對鎳鈷合金鍍層的抗拉強度影響的主次順序為：硫酸鎳＞氯化鈉＞硫酸鈷；鍍液成分各因素對鎳鈷合金鍍層的硬度影響的主次順序為：硫酸鈷＞硫酸鎳＞氯化鈉。

硫酸鎳是鍍液中主鹽，對鍍層的影響最大，濃度過高或過低都會影響鍍層的機械性能。硫酸鈷的含量主要影響Ni-Co合金中鈷的含量，Co的含量增加會使鍍層硬度增加，但過量的鈷會產(chǎn)生鍍層內(nèi)應(yīng)力，影響產(chǎn)品質(zhì)量。氯化鈉作為鍍液的附加鹽，含量對鍍層的抗拉強度影響較大，對硬度的影響很小。

對于鍍層的抗拉強度而言，鍍液最優(yōu)工藝配方為：硫酸鎳270g/L、硫酸鈷20g/L、氯化鈉10g/L，硼酸30g/L，添加劑；對于鍍層的硬度而言，鍍液最優(yōu)工藝配方為：硫酸鎳270g/L、硫酸鈷30g/L、氯化鈉20g/L，硼酸30g/L，添加劑。綜合抗拉強度和硬度最優(yōu)鍍液配方為：硫酸鎳270g/L、硫酸鈷20g/L、氯化鈉10g/L，硼酸30g/L，添 加劑。

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