電火花加工用銅基鎳-氧化鋁復(fù)合電極的制備及性能

趙成龍，李志永*，臧傳武，路文文，王欽強(qiáng)

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

【工藝開發(fā)】

電火花加工用銅基鎳-氧化鋁復(fù)合電極的制備及性能

趙成龍，李志永*，臧傳武，路文文，王欽強(qiáng)

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

以純銅棒為基體，采用復(fù)合電鍍技術(shù)制備了 Ni-Al2O3復(fù)合電極。鍍液組成和工藝條件為：NiSO4·6H2O 250 ～ 300 g/L，NiCl2·6H2O 40 ～ 50 g/L，Al2O310 ～ 60 g/L，H3BO335 ～ 40 g/L，十二烷基硫酸鈉0.05 g/L，pH 3 ～ 4，陰極平均電流密度2 ～ 6 A/dm2，溫度30 ～ 70 °C，時間3 h。分析了鍍液中Al2O3顆粒添加量、溫度和陰極電流密度對Ni-Al2O3復(fù)合鍍層Al2O3含量、均勻性和顯微硬度的影響。分別以 Ni-Al2O3復(fù)合電極和純銅電極為工具，對 W7Mo4Cr4V2Co5高速鋼進(jìn)行電火花加工(EDM)試驗。在 Al2O3添加量30 g/L、陰極電流密度3 A/dm2、溫度50 °C的條件下，所得鍍層厚度為100 μm，Al2O3顆粒體積分?jǐn)?shù)為14.48%，顯微硬度為434.72 HV，綜合性能最佳。Ni-Al2O3復(fù)合電極在EDM試驗中的相對質(zhì)量損耗約為純銅電極的1/5，抗電蝕性更優(yōu)。

鎳；氧化鋁；復(fù)合電極；電火花加工；抗電蝕性

First-author’s address:School of Mechanical Engineering, Shandong University of Technology, Zibo 255049, China

電火花加工是靠放電點放電時產(chǎn)生的瞬時高溫來熔化、氣化局部金屬[1]。電火花加工中常用的電極材料是紫銅。紫銅電極擁有優(yōu)良的導(dǎo)電性，但由于其熔點(1 083 °C)較低，在加工過程中易損耗而形成圓角，使加工效率和加工精度降低。相比較而言，鎳具有較高的熔點(1 455 °C)，并且具有較高的比熱容，在升高同樣的溫度時需消耗更高熱量。在產(chǎn)生的熱量相同時，Ni熔化拋出的成分較紫銅少，這就有效減少了電極的損耗。因此，鎳非常適合充當(dāng)電火花電極材料。若在銅電極表面電鍍鎳層，使電極表面覆蓋一層抗電蝕的“外衣”，則能有效降低電極材料的損耗率。氧化鋁具有化學(xué)性能穩(wěn)定、導(dǎo)熱系數(shù)高、熱膨脹系數(shù)小、耐磨性好、熔點高和硬度高的特性。若利用電鍍工藝將微粒Al2O3和Ni電鍍到電火花紫銅電極外表面得到Ni-Al2O3復(fù)合鍍層，則電極不僅擁有紫銅的強(qiáng)度及導(dǎo)電性，而且具有Ni-Al2O3復(fù)合鍍層的優(yōu)良熱學(xué)性能，可使電極損耗明顯降低。

為了探尋提高電火花電極材料抗電蝕性能的工藝和方法，本文將 Al2O3顆粒應(yīng)用于鎳電鍍中制備了不同Al2O3含量的Ni-Al2O3復(fù)合鍍層，分析了顆粒添加量、平均電流密度和電鍍液溫度對復(fù)合鍍層Al2O3顆粒含量和顯微硬度的影響，并通過EDM加工試驗著重對比研究了該復(fù)合鍍層和純銅電極的抗電蝕性能。

1 實驗

1. 1 電極材料預(yù)處理

陰極采用直徑為6 mm、長60 mm的純銅棒，陽極采用鎳板(純度≥99%)，陰、陽極面積之比為1∶3，極間距為30 mm。

電鍍前，先用2 000目砂紙打磨純銅電極表面去除劃痕和污垢，然后依次進(jìn)行洗滌、除油(Na3PO470 g/L，Na2CO350 g/L，NaOH 10 g/L)；陽極用鹽酸進(jìn)行表面活化。

1. 2 電鍍Ni-Al2O3復(fù)合鍍層

NiSO4·6H2O 250 ～ 300 g/L

NiCl2·6H2O 40 ～ 50 g/L

Al2O3(粒徑1 μm，純度99.99%) 10 ～ 60 g/L

H3BO335 ～ 40 g/L

十二烷基硫酸鈉(SDS) 0.05 g/L

電流密度 2 ～ 6 A/dm2

pH 3 ～ 4

溫度 30 ～ 70 °C

時間 3 h

所用試劑均為分析純，鍍液用去離子水配制。采用 WYK-3010直流穩(wěn)壓電源(廣東易事特電源股份有限公司)，并配以轉(zhuǎn)速可控的JB-1型數(shù)顯溫控磁力攪拌器(金壇市雙捷實驗儀器廠)進(jìn)行攪拌和控溫。

為使Al2O3顆粒能夠充分潤濕并均勻分散于鍍液中，試驗前先采用SK2210HP型超聲清洗儀(上?？茖?dǎo)超聲儀器有限公司，頻率53 kHz，功率100 W)超聲攪拌30 min，再磁力攪拌1 h。

1. 3 性能表征

1. 3. 1 形貌和Al2O3含量

采用荷蘭FEI公司生產(chǎn)的Sirion 200掃描電鏡(SEM)觀察試樣的表面形貌。選用德國蔡司生產(chǎn)的Axio Lab.A1生物熒光相差顯微鏡檢測復(fù)合鍍層中氧化鋁的分布情況，不同組分在生物熒光相差顯微照片中會顯示不同的顏色，因此采用其附帶的軟件分析照片中不同顏色占的面積百分比，便可估算出Al2O3的體積分?jǐn)?shù)。

1. 3. 2 顯微硬度

采用日本FUTURE-TECH公司生產(chǎn)的FT觸摸屏FM800顯微硬度計檢測，載荷為50 g，加載時間是15 s，每個試樣在不同位置測5次，取平均值。

1. 3. 3 抗電蝕性能

采用DM71精密電火花成型機(jī)(常州誠品機(jī)電有限公司)對比研究了Ni-Al2O3復(fù)合電極和純銅電極的抗電蝕性能。試驗工件為W7Mo4Cr4V2Co5高速鋼。為了試驗的一致性，在高速鋼上加工了1個深10 mm的孔。試驗前，對直徑為6 mm的純銅電極表面進(jìn)行電鍍，得到Ni-Al2O3復(fù)合電極。通過改變鍍液的Al2O3添加量和平均電流密度，共制備了9種Ni-Al2O3復(fù)合材料電極。

為了提高對比度，采用較高的電規(guī)準(zhǔn)，選用負(fù)極性加工，具體加工參數(shù)為：加工電壓45 V，脈沖峰值電流4.5 A，脈沖寬度15 μs，脈沖間隙3 μs，單邊側(cè)面放電間隙25 μm，兩次抬刀加工時間4 μs。電火花抗電蝕加工試驗照片見圖1。

按式(1)計算電極損耗率θ：

式中，m1q和m1h分別為工具電極材料EDM加工前和加工后的質(zhì)量(g)，m2q和m2h分別為工件電極材料在EDM加工前和加工后的質(zhì)量(g)。

圖1 Ni-Al2O3復(fù)合電極的電火花加工試驗照片F(xiàn)igure 1 Photos showing electrical discharge machining test with Ni-Al2O3composite electrode

2 結(jié)果與討論

2. 1 Al2O3添加量對復(fù)合鍍層的影響

當(dāng)平均電流密度為3 A/dm2，溫度為50 °C時，Al2O3添加量對復(fù)合鍍層Al2O3含量和顯微硬度的影響見圖2。從中可知，當(dāng)Al2O3添加量較低時，復(fù)合鍍層的Al2O3含量也相對較低；隨著Al2O3添加量的增大，復(fù)合鍍層中Al2O3含量快速增大，顯微硬度迅速提高，在添加量為30 g/L時達(dá)到最高，隨后繼續(xù)增大鍍液的Al2O3添加量，復(fù)合鍍層Al2O3含量反而呈小幅下降趨勢，顯微硬度也快速降低。

圖2 鍍液中Al2O3顆粒添加量對復(fù)合鍍層中Al2O3含量和顯微硬度的影響Figure 2 Effect of the dosage of Al2O3particles in bath on Al2O3content and microhardness of the composite coating

分析認(rèn)為，當(dāng)電鍍液中Al2O3添加量增加時，單位時間內(nèi)通過攪拌作用輸送到陰極表面的顆粒數(shù)量增多， 顆粒進(jìn)入鍍層的概率就越大，鍍層中 Al2O3含量隨之增大，同時復(fù)合鍍層的顯微硬度提高。但當(dāng)電鍍液中 Al2O3質(zhì)量濃度增大到30g/L后，復(fù)合鍍層中Al2O3含量小幅降低，原因有兩點：第一，顆粒因團(tuán)聚及相互碰撞增多，向陰極移動的速率減慢，導(dǎo)致單位時間內(nèi)嵌入鍍層的Al2O3粒子減少；第二，在陰極表面吸附的顆粒數(shù)超過了基體金屬的包容能力，大量不導(dǎo)電的顆粒團(tuán)吸附在陰極表面，導(dǎo)致真實電流密度增大，引起過度析氫，阻礙了Al2O3顆粒的鑲嵌，最終導(dǎo)致了復(fù)合鍍層的顯微硬度降低[2]。

圖3為Al2O3添加量不同時復(fù)合鍍層的掃描電鏡照片，圖中黑色片狀物體為Al2O3顆粒。由圖3可清晰看出不同Al2O3添加量下復(fù)合鍍層中Al2O3的含量及均勻性。對比圖3b和圖3c可知，Al2O3添加量為30 g/L時復(fù)合鍍層中Al2O3含量明顯高于60 g/L時，圖3c中Al2O3顆粒團(tuán)聚現(xiàn)象嚴(yán)重。

圖3 鍍液中Al2O3顆粒添加量不同時所得復(fù)合鍍層中Al2O3顆粒的分布情況Figure 3 Distribution of Al2O3particles in the composite coatings obtained with different dosages of Al2O3particles in bath

2. 2 平均電流密度對復(fù)合鍍層的影響

當(dāng)Al2O3添加量為30 g/L時，平均電流密度對復(fù)合鍍層Al2O3含量和顯微硬度的影響見圖4。從中可見，隨著平均電流密度的增大，復(fù)合鍍層的Al2O3含量和顯微硬度開始呈增大趨勢，在平均電流密度為3 A/dm2時達(dá)到最大；此后繼續(xù)增大平均電流密度，復(fù)合鍍層的Al2O3含量和顯微硬度呈快速下降趨勢。

圖4 平均電流密度對復(fù)合鍍層中Al2O3含量和顯微硬度的影響Figure 4 Effect of average current density on Al2O3content and microhardness of composite coating

分析認(rèn)為，平均電流密度較小時，沉積的金屬量較少，所能嵌入的顆粒數(shù)量也就有限。過電位 η與電流密度j有η = a + blg j的關(guān)系，其中a、b為塔菲爾系數(shù)，相同金屬的a、b值相同。隨著電流密度的增大，陰極過電位相應(yīng)提高，電場力增強(qiáng)，即鍍液中鎳離子對Al2O3顆粒的包覆能力增強(qiáng)，使單位時間內(nèi)嵌入鍍層的顆粒增多，鍍層顯微硬度提高。但當(dāng)電流密度增大到一定值后，鎳離子還原速率增大，鎳離子的沉積速率遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于 Al2O3顆粒向陰極移動的速率，鍍層中Al2O3含量降低。此外，陰極過電位增大又有可能導(dǎo)致氫氣的析出量增多，氫氣的沖擊也會阻礙Al2O3顆粒與基體金屬共沉積[3]。

圖5為在不同陰極平均電流密度下制備的復(fù)合鍍層的掃描電鏡照片。由圖5可以看出，隨著陰極電流密度的增大，復(fù)合鍍層中Al2O3含量先增多后減少。對比圖3b和圖5b可知，當(dāng)Al2O3添加量30 g/L、鍍液溫度50 °C時，在平均電流密度3 A/dm2和4 A/dm2下所得復(fù)合鍍層的形貌和Al2O3含量相近，因此選擇電流密度為3 A/dm2。

圖5 不同電流密度下所得復(fù)合鍍層中Al2O3顆粒的分布Figure 5 Distribution of Al2O3particles in the composite coatings obtained at different current densities

2. 3 溫度對復(fù)合鍍層的影響

在Al2O3添加量30 g/L、平均電流密度3 A/dm2的條件下，溫度對復(fù)合鍍層Al2O3含量和顯微硬度的影響如圖6所示。

圖6 鍍液溫度對復(fù)合鍍層中Al2O3質(zhì)量分?jǐn)?shù)和鍍層顯微硬度的影響Figure 6 Effect of bath temperature on Al2O3content and microhardness of composite coating

由圖6可見，隨著鍍液溫度的升高，復(fù)合鍍層的Al2O3含量和顯微硬度迅速升高，當(dāng)溫度為50 °C時，鍍層中Al2O3的含量達(dá)到最高，隨著鍍液溫度再次升高，鍍層中Al2O3含量及材料的顯微硬度反而迅速降低。

分析認(rèn)為，在復(fù)合電鍍過程中，鍍液中Al2O3顆粒的熱運動會隨著鍍液溫度的升高而加快，其動能相應(yīng)地增加，這有利于氧化鋁粒子向陰極表面的擴(kuò)散，提高顆粒的復(fù)合電沉積速率。鍍層中顆粒共沉積量的增加使鍍層的硬度增加。但是當(dāng)溫度增大到一定值時，鍍液中離子的平均動能較大，導(dǎo)致顆粒表面對溶液中陽離子的吸附能力降低，Al2O3顆粒反而難以吸附在陰極表面，從而不利于基質(zhì)金屬和顆粒的共沉積[4]。

圖7為在不同的電鍍液溫度下制備的復(fù)合鍍層的掃描電鏡照片。從圖7a可以看出，溫度為30 °C時，復(fù)合鍍層中的Al2O3很少，對比圖7b和圖7c可以發(fā)現(xiàn)，電鍍液溫度為50 °C時，復(fù)合鍍層中Al2O3含量很高，當(dāng)繼續(xù)升高溫度到60 °C時，復(fù)合鍍層中Al2O3含量出現(xiàn)小幅降低。

圖7 不同液溫度下所得復(fù)合鍍層中Al2O3顆粒的分布Figure 7 Distribution of Al2O3particles in the composite coatings obtained at different temperatures

綜上可知，在Al2O3添加量30 g/L、陰極平均電流密度3 A/dm2、電鍍液溫度50 °C的條件下，復(fù)合鍍層的顯微硬度最高，達(dá)到434.72 HV，明顯高于電鍍鎳的213.84 HV。此時用順豐金SFJ0-12.7mm數(shù)顯千分測厚規(guī)(測量范圍0 ～ 12.7 mm，測量精度0.001 mm)測得鍍層厚度為100 μm。該復(fù)合鍍層中Al2O3含量為14.43 %。

2. 4 Ni-Al2O3復(fù)合電極的抗電蝕性能

其他工藝參數(shù)保持不變，改變鍍液的Al2O3顆粒添加量和平均電流密度，得到9種不同的Ni-Al2O3復(fù)合電極。分別以純銅電極和不同Ni-Al2O3復(fù)合電極為工具電極，W7Mo4Cr4V2Co5高速鋼為工件電極，進(jìn)行電火花加工試驗，結(jié)果見表1。

表1 不同條件下所得Ni-Al2O3復(fù)合電極的EDM試驗結(jié)果Table 1 EDM test result of Ni-Al2O3composite electrodes prepared under different conditions

由表1可知，Ni-Al2O3復(fù)合電極的抗電蝕性比純銅電極好。Al2O3添加量為30 g/L、陰極平均電流密度為3 A/dm2時制備的復(fù)合電極抗電蝕性最好，EDM試驗后電極的相對質(zhì)量損耗為3.42%。圖8所示為該條件下所得Ni-Al2O3復(fù)合電極和高速鋼工件在EDM試驗前后的照片。

圖8 EDM試驗前后Ni-Al2O3復(fù)合電極與高速鋼工件的照片F(xiàn)igure 8 Photos of Ni-Al2O3composite electrode and high-speed steel workpiece before and after EDM test編者注：圖8原為彩色，請見C1頁。

3 結(jié)論

(1) 電鍍制備Ni-Al2O3復(fù)合鍍層的最優(yōu)工藝條件為：NiSO4·6H2O 250 ～ 300 g/L，NiCl2·6H2O 40 ～ 50 g/L，Al2O330 g/L，H3BO335 ～ 40 g/L，十二烷基硫酸鈉0.05 g/L，pH 3 ～ 4，陰極平均電流密度3 A/dm2，溫度50 °C，時間3 h。此時復(fù)合鍍層的厚度為100 μm，Al2O3含量為14.43%(體積分?jǐn)?shù))。

(2) 在最佳工藝條件下，Ni-Al2O3復(fù)合鍍層的顯微硬度為434.72 HV，明顯高于電鍍純鎳。

(3) 在最佳工藝條件下，Ni-Al2O3復(fù)合電極的抗電蝕性最好，其相對質(zhì)量損耗率是純銅電極的1/5左右。

[1]郭忠誠, 翟大成, 楊顯萬. 電沉積CeO2-Ni-W-P-SiC復(fù)合鍍層組織結(jié)構(gòu)的研究[J]. 電鍍與涂飾, 2000, 19 (1)： 5-8.

[2]李忠學(xué). Cr-Al2O3復(fù)合鍍層的制備與研究[M]. 鎮(zhèn)江： 江蘇大學(xué), 2006： 18-27.

[3]張歡, 郭忠誠, 韓夏云. 脈沖電沉積RE-Ni-W-P-SiC復(fù)合鍍層工藝[J]. 機(jī)械工程材料, 2004, 28 (7)： 29-34.

[4]馮秋元, 李廷舉, 金俊澤. 影響微粒復(fù)合沉積的諸因素[J]. 材料保護(hù), 2006, 39 (5)： 35- 39.

[5]CHANG L M, AN M Z, GUO H F, et al. Microstructure and properties of Ni-Co/nano-Al2O3composite coatings by pulse reversal current electrodeposition [J]. Applied Surface Science, 2006, 253： 2132-2137.

[ 編輯：周新莉 ]

Preparation and properties of nickel-alumina composite electrode applied to electrical discharge machining

ZHAO Cheng-long, LI Zhi-yong*, ZANG Chuan-wu, LU Wen-wen, WANG Qin-qiang

A Ni-Al2O3composite electrode was prepared by electroplating with pure copper rod as substrate. The bath composition and process conditions are as follows： NiSO4·6H2O 250-300 g/L, NiCl2·6H2O 40-50 g/L, H3BO335-40 g/L, Al2O310-60 g/L, sodium dodecyl sulfate 0.05 g/L, temperature 30-70 °C, pH 3-4, cathodic current density 2-6 A/dm2, and time 3 h. The effects of Al2O3particles dosage in plating bath, temperature, and cathodic current density on Al2O3content, uniformity, and microhardness of the Ni-Al2O3composite coating were analyzed. The electrical discharge machining (EDM) of high-speed steel W7Mo4Cr4V2Co5was tested using the Ni-Al2O3composite electrode or a pure copper electrode as tool. The composite coating obtained with Al2O330 g/L at temperature 50 °C and cathodic current density 3 A/dm2has a thickness of 100 μm, Al2O3particles content 14.48vol.%, and microhardness of 434.72 HV, showing the optimal comprehensive performances. The relative weight loss of Ni-Al2O3composite electrode during EDM is 1/5 that of the pure copper electrode, indicating that Ni-Al2O3composite electrode has better electrical corrosion resistance.

nickel; alumina; composite electrode; electrical discharge machining; electrical corrosion resistance

TQ153.2

A

1004 -227X (2015) 20 - 1172 - 06

2015-06-04

2015-08-26

山東省自然科學(xué)基金（ZR2014EEM038）；山東省自然科學(xué)基金（ZR2014EL032）。

趙成龍（1990-），男，山東淄博人，在讀碩士研究生，主要研究方向為特種加工。

李志永，教授，(E-mail) lzy761012@sdut.edu.cn。