氧化鑭對(duì)電鑄銅-碳化硅工具電極損耗的影響

吳亞州，李麗*，戴春爽，畢方淇

（山東理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，山東 淄博 255049）

氧化鑭對(duì)電鑄銅-碳化硅工具電極損耗的影響

吳亞州，李麗*，戴春爽，畢方淇

（山東理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，山東 淄博 255049）

為了減少電火花加工(EDM)工具電極的損耗，采用稀土La2O3為電鑄基液添加劑，制備了Cu-SiC復(fù)合材料。電鑄液組成和工藝條件為：CuSO4·5H2O 200 g/L，H3BO320 g/L，NaCl 80 mg/L，SiC 35 g/L，La2O3≤2.5 g/L，溫度30 ℃，電流密度4 A/dm2，時(shí)間5 h。研究了La2O3添加量不同時(shí)，電鑄Cu-SiC復(fù)合材料中SiC的分布情況和沉積量，以及將其用作EDM工具電極時(shí)的表面形貌和相對(duì)質(zhì)量損耗。結(jié)果表明，La2O3可促進(jìn)SiC顆粒與銅共沉積，改善SiC在電鑄層中的分散性，提高鑄層的抗電蝕性。當(dāng)La2O3添加量為1.5 g/L時(shí)，電鑄Cu-SiC復(fù)合材料的抗電蝕性最佳。

銅；碳化硅；復(fù)合材料；電鑄；氧化鑭；電火花加工；電極損耗

電火花加工(EDM)是利用正負(fù)極間瞬時(shí)形成火花放電通道產(chǎn)生高溫去除多余材料的非傳統(tǒng)加工方法，該方法能夠獲得所需尺寸和表面質(zhì)量[1-2]。在電火花加工技術(shù)中，工具電極的質(zhì)量一直是一項(xiàng)關(guān)鍵的影響指標(biāo)。作為電火花的工具電極材料，應(yīng)具有較高的熔點(diǎn)、良好的導(dǎo)電性能，以及在電火花加工過程中表現(xiàn)出較低的損耗[3]。為降低電火花加工工具電極的損耗，Shu等[4]采用粉末冶金法制得電加工性較好的Cu/SiC復(fù)合電極材料。由于復(fù)合材料融合基體與第二相于一體，因而具有較好的綜合性能[5]。明平美等[6]采用納米La2O3為添加劑進(jìn)行電鑄銅，以用作電火花工具電極材料，發(fā)現(xiàn)La2O3可以改善電鑄層質(zhì)量、降低相對(duì)電極損耗。具有特殊性質(zhì)的La2O3作為電鑄基液添加劑在提高鑄液分散性和改善鑄層質(zhì)量方面已得到成功運(yùn)用[7]。而以La2O3為電鑄基液添加劑制備Cu-SiC復(fù)合電極材料的研究還鮮見報(bào)道。本文以La2O3為添加劑制備Cu-SiC復(fù)合材料，將所得鑄層作為電火花加工工具電極來加工釹鐵硼脆硬材料，探究了氧化鑭添加量對(duì)電極相對(duì)質(zhì)量損耗的影響。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 Cu-SiC復(fù)合鑄層的制備

為減少電鑄過程中陽(yáng)極泥的產(chǎn)生，電鑄陽(yáng)極采用磷銅板(磷含量為0.01% ~ 0.02%)，并放入聚丙烯陽(yáng)極袋中，以防止陽(yáng)極溶解的雜質(zhì)污染電鑄溶液。陰極采用35 mm × 30 mm × 2 mm的1Cr18Ni9Ti不銹鋼板，電鑄前先用砂紙打磨不銹鋼板，并進(jìn)行清洗、除油(Na3PO470 g/L，Na2CO350 g/L，NaOH 10 g/L)處理，再用體積分?jǐn)?shù)為5%的稀硝酸除銹，最后用體積分?jǐn)?shù)為25%的硝酸進(jìn)行鈍化處理，以利于電鑄完成后脫模。

電鑄液組成和工藝條件為：CuSO4·5H2O 200 g/L，H3BO320 g/L，NaCl 80 mg/L，SiC顆粒(粒徑為7 μm，臨沭山田研磨材有限公司提供)35 g/L，溫度30 ℃，電流密度4 A/dm2，時(shí)間5 h。所得Cu/SiC復(fù)合鑄層的粗糙度(Ra)為 0.269 μm。

1.2 性能表征

電鑄后試樣的表面形貌通過FEI公司的Sirion 200掃描電鏡(SEM)來觀察；表面粗糙度用北京時(shí)代公司生產(chǎn)的TR200表面粗糙度儀進(jìn)行測(cè)量，取樣長(zhǎng)度為L(zhǎng) = 2 mm，評(píng)定長(zhǎng)度為5L，每個(gè)試樣在不同位置測(cè)5次，取平均值。用20%硝酸溶液對(duì)已稱重的Cu-SiC復(fù)合材料完全溶解，再過濾、分離SiC沉淀物，最后烘干稱重，用式(1)計(jì)算SiC的體積分?jǐn)?shù)αv：

式中αw為SiC的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，ρm為Cu的密度，ρr為SiC的密度。

使用DM71型數(shù)控電火花成型機(jī)床，將鑄層沉積在圓柱形紫銅棒底面作為電火花成型加工工具電極，對(duì)燒結(jié)釹鐵硼脆硬性材料進(jìn)行加工。選用正極性加工以避免覆蓋效應(yīng)對(duì)分析電極損耗的影響。加工參數(shù)為：峰值電流6 A，脈沖寬度15 μs，脈沖間隔45 μs，加工電壓75 V，加工時(shí)間8 min。為便于電蝕產(chǎn)物的排出和加工的穩(wěn)定性，加工過程中采用強(qiáng)迫沖油。選取高電極損耗的電規(guī)準(zhǔn)，使材料的加工質(zhì)量變化更明顯，并提升試驗(yàn)的精確度。

采用電極相對(duì)質(zhì)量損耗來衡量材料的抗電蝕性，電極相對(duì)質(zhì)量損耗越小，工具電極的抗電蝕性就越好。電極相對(duì)質(zhì)量損耗為電極質(zhì)量的絕對(duì)損耗與加工速率的百分比，每次加工前后測(cè)定電極質(zhì)量，電極質(zhì)量損耗除以工件去除量即得電極相對(duì)質(zhì)量損耗率[8]。

2 結(jié)果與討論

2.1 La2O3對(duì)Cu-SiC鑄層中SiC含量的影響

電鑄液中La2O3添加量對(duì)Cu-SiC鑄層中SiC沉積量的影響如圖1所示。從圖1可以看出，添加La2O3之后，鑄層中SiC的沉積量明顯增大，但隨La2O3加入量的提高，SiC沉積量呈先增后減的趨勢(shì)。La2O3加入量為1.5 g/L時(shí)，鑄層中SiC含量達(dá)到極值(31%)。這是因?yàn)長(zhǎng)a2O3作為電鑄基液添加劑溶解后不會(huì)在電鑄銅層中析出La3+，La3+的析出電位遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于Cu2+、Cu+，其更易吸附于陰極表層促使更多電子積累，所以對(duì)于Cu2+而言，相當(dāng)于陰極過電位得到提高，陰極電化學(xué)極化增強(qiáng)[8]。另外，La2O3通過特性吸附改變了電極界面的雙電層結(jié)構(gòu)，更多電荷吸附在SiC微粒表面，使SiC在陰極的吸附能力增強(qiáng)，促進(jìn)SiC的沉積[9-10]。但當(dāng)La2O3添加量超過1.5 g/L后，SiC沉積量開始減少。這是因?yàn)長(zhǎng)a2O3添加量不同，其對(duì)陰極極化的影響程度會(huì)不同，添加量為1.5 g/L時(shí)為最好[6]，繼續(xù)添加La2O3，其對(duì)陰極極化的影響不明顯，形核起始電位負(fù)移變得不明顯，從而使La2O3沉積活化能不足以再促進(jìn)更多的SiC沉積。因此繼續(xù)增大La2O3添加量并不能促進(jìn)更多的SiC沉積[6,11]。

圖1 La2O3添加量對(duì)Cu-SiC鑄層中SiC顆粒含量的影響Figure 1 Effect of La2O3 dosage on SiC content in electroformed Cu-SiC coating

圖2為L(zhǎng)a2O3添加量分別為0.0、0.5、1.5和2.5 g/L時(shí)，SiC顆粒在鑄層中的分布情況。從圖2可以明顯看出，鍍液中未添加La2O3時(shí)，復(fù)合鑄層中大部分SiC呈團(tuán)聚體分布在銅基體內(nèi)。La2O3添加量為0.5 g/L和2.5 g/L時(shí)，SiC的團(tuán)聚現(xiàn)象明顯減弱，但SiC沉積量比La2O3添加量為1.5 g/L時(shí)少。La2O3添加量為1.5 g/L時(shí)，鑄層中的SiC基本無團(tuán)聚體，較多的SiC均勻分布在銅基體內(nèi)，與圖1結(jié)果相吻合。因此電鑄液中添加適量La2O3可改善SiC微粒在鑄層中的分散性，提高SiC沉積量，促進(jìn)Cu與SiC共沉積。

圖2 SiC顆粒在Cu-SiC鑄層中的分布Figure 2 Distribution of SiC particles in electroformed Cu-SiC coating

2.2 La2O3對(duì)電鑄Cu-SiC工具電極表面形貌的影響

圖3是La2O3添加量分別為0.0、0.5、1.5 和2.5 g/L時(shí)，電鑄Cu-SiC復(fù)合材料作為電火花加工工具電極加工邊界處的表面形貌。

圖3 La2O3添加量不同時(shí)Cu-SiC鑄層的表面形貌Figure 3 Surface morphologies of electroformed Cu-SiC coatings with different dosages of La2O3

從圖3可看出，在相同放電參數(shù)下，La2O3添加量為1.5 g/L時(shí)，材料表面火花痕跡較平，熔滴較少，幾乎沒有未被拋出的蝕除產(chǎn)物；與另外3個(gè)試樣相比，該鑄層較難被蝕除。這是因?yàn)長(zhǎng)a2O3通過提高陰極電化學(xué)極化，降低臨界形核尺寸，增大晶核形成機(jī)率，使鑄層晶粒尺寸減小，缺陷減少，組織更致密[6]。但由于La3+細(xì)化晶粒的作用受極限電流密度的制約，當(dāng) La3+的量過高時(shí)，鑄層晶核長(zhǎng)大的可能性增大，從而導(dǎo)致晶粒粗大。同時(shí)過多的La3+積累在陰極表面，增大了析氫的可能性，使鑄層表面質(zhì)量下降[8]。

2.3 La2O3對(duì)電鑄Cu-SiC工具電極抗電蝕性的影響

La2O3添加量分別為0.0、0.5、1.5和2.5 g/L的電鑄Cu-SiC復(fù)合材料的電極相對(duì)質(zhì)量損耗如圖4所示。

圖4 La2O3添加量對(duì)Cu-SiC鑄層電極相對(duì)質(zhì)量損耗的影響Figure 4 Effect of La2O3 dosage on relative weight loss of electroformed Cu-SiC electrode

由圖4可以看出，當(dāng)La2O3添加量為1.5 g/L時(shí)，Cu-SiC復(fù)合材料電極相對(duì)質(zhì)量損耗為5.7%，損耗最低。根據(jù)圖2可知，La2O3添加量為1.5 g/L時(shí)，SiC在Cu-SiC復(fù)合材料中的含量最高且分布均勻，復(fù)合材料在電火花放電產(chǎn)生的高溫下熔化甚至氣化時(shí)，以SiC為中心微凸點(diǎn)首先放電，由于SiC的熔點(diǎn)(2 700 ℃)比Cu的熔點(diǎn)(1 083 ℃)高得多，因而一部分熱量消耗在SiC上，導(dǎo)致電極材料的損耗減少。另外，當(dāng)熔融材料被拋出時(shí)，均勻彌散分布在銅基體上的SiC可以起到“骨架”作用，牽制大量的銅被拋出以減少電極損耗[12]。所以電鑄液中添加適量的La2O3可提高Cu-SiC復(fù)合材料中SiC的含量，改善SiC在鑄層中的分布，從而降低電極損耗。

3 結(jié)論

(1)La2O3作為電鑄基液添加劑時(shí)，能夠促進(jìn)SiC微粒與銅離子共沉積，當(dāng)La2O3添加量為1.5 g/L時(shí)，電鑄所得Cu-SiC復(fù)合材料中SiC的均勻性較好。

(2)La2O3添加量為1.5 g/L時(shí)，電鑄Cu-SiC復(fù)合材料中的SiC顆?；緹o團(tuán)聚，且此時(shí)SiC的沉積量最大，為31%。

(3)從含La2O3的電鑄液中制備的Cu-SiC作為工具電極進(jìn)行電火花加工時(shí)，可降低工具電極的相對(duì)質(zhì)量損耗。當(dāng)La2O3添加量為1.5 g/L時(shí)，電極相對(duì)質(zhì)量損耗最低，為5.7%。

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Effect of lanthanum oxide on wear of electroformed copper-silicon carbide tool electrode

WU Ya-zhou, LI Li*,DAI Chun-shuang, BI Fang-qi

To reduce the tool electrode wear during electrical discharge machining (EDM), La2O3was used as an additive of electroforming bath for preparation of Cu-SiC composite material.The composition of electroforming bath and process conditions are as follows: CuSO4·5H2O 200 g/L, H3BO320 g/L, NaCl 80 mg/L, SiC 35 g/L, La2O3≤2.5 g/L, temperature 30 ℃,current density 4 A/dm2, and time 5 h.The distribution and content of SiC particles in electroformed Cu-SiC composite material with different dosages of La2O3were studied.The surface morphology and relative weight loss of electroformed Cu-SiC tool electrode in EDM were examined.The results showed that La2O3can promote the codeposition of SiC particles and copper, and improve the dispersibility of SiC particles in electroformed coating and its resistance to electrical corrosion.The electroformed Cu-SiC composite material has best electrical corrosion resistance when the dosage of La2O3is 1.5 g/L.

copper; silicon carbide; composite; electroforming; lanthanum oxide; electrical discharge machining; electrode wear

Department of Mechanical Engineering, Shandong University of Technology, Zibo 255049, China

TQ153.4

A

1004-227X (2015)08-0433-04

2014-11-12

2014-12-24

國(guó)家自然科學(xué)基金（51105235）；山東省自然科學(xué)基金（ZR2009FQ030）。

吳亞州（1900-），男，山東臨沂人，在讀碩士研究生，主要研究方向?yàn)樘胤N加工。

李麗，副教授，(E-mail)sdutlili@163.com。

周新莉]