電鍍銅-氧化鈰復(fù)合電極及在其電火花加工中的抗電蝕性

趙志強(qiáng)，馬志剛，劉曰濤*

（1.深圳職業(yè)技術(shù)學(xué)院計(jì)算機(jī)工程學(xué)院，廣東 深圳 518055；2.山東理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，山東 淄博 255049）

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【研究報(bào)告】

電鍍銅-氧化鈰復(fù)合電極及在其電火花加工中的抗電蝕性

趙志強(qiáng)1，馬志剛1，劉曰濤2，*

（1.深圳職業(yè)技術(shù)學(xué)院計(jì)算機(jī)工程學(xué)院，廣東 深圳 518055；2.山東理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，山東 淄博 255049）

以1Cr18Ni9Ti不銹鋼板為基體，采用脈沖電鍍技術(shù)制備了Cu-CeO2復(fù)合電極材料。研究了鍍液中納米CeO2添加量、陰極平均電流密度、占空比及脈沖頻率對(duì) Cu-CeO2復(fù)合鍍層的 CeO2含量和顯微硬度的影響，得到最優(yōu)鍍液組成和工藝條件為：CuSO4·5H2O 240 g/L，濃硫酸20 g/L，H3BO3 40 g/L，NaCl 0.2 g/L，十二烷基硫酸鈉0.05 g/L，CeO2 30 g/L，溫度30 °C，陰極平均電流密度10 A/dm2，占空比0.3，脈沖頻率2 000 Hz，雙向磁力攪拌。在最佳工藝條件下電鍍3 h所得復(fù)合鍍層厚度為216 μm，CeO2質(zhì)量分?jǐn)?shù)為4.32%，顯微硬度為371 HV。采用該復(fù)合鍍?cè)嚇訛楣ぞ?，?duì)1Cr18Ni9Ti不銹鋼進(jìn)行電火花加工（EDM）試驗(yàn)后，其損耗率為2.35%，遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于純銅電極作工具時(shí)的損耗率（16.80%），表明Cu-CeO2復(fù)合電極的抗電蝕性能優(yōu)于純銅電極。

銅；氧化鈰；復(fù)合電極；脈沖電鍍；電火花加工；抗電蝕性

First-author's address: School of Computer Engineering， Shenzhen Polytechnic， Shenzhen 518055， China

全球制造業(yè)的飛速發(fā)展對(duì)機(jī)械裝備及其關(guān)鍵零部件的基礎(chǔ)材料、基礎(chǔ)制造工藝、基礎(chǔ)零部件及使役性提出了越來越嚴(yán)格的要求，以電火花加工（Electrical Discharge Machining， EDM）、電化學(xué)加工（Electrochemical Machining， ECM）、激光加工（Laser Machining， LM）等為代表的非傳統(tǒng)加工工藝在機(jī)械裝備零部件的制造中占有日益重要的地位［1-2］。EDM工藝是利用正、負(fù)電極間周期性的火花放電來蝕除多余工件材料的“減材”制造工藝，被廣泛應(yīng)用于航空航天、儀器儀表、模具、精密機(jī)械等制造領(lǐng)域。但EDM工藝中不可避免地會(huì)產(chǎn)生工具電極損耗，即工具電極材料在放電蝕除工件材料的同時(shí)自身也被蝕除，而過度的電極損耗會(huì)嚴(yán)重影響EDM工具電極的使用壽命，降低工件的加工精度和表面完整性。因此，如何提高EDM工具電極的抗電蝕性能，降低工具電極的損耗率，一直是EDM研究領(lǐng)域的難題［3-4］。

目前降低EDM工具電極損耗的方法主要有兩種：一是根據(jù)工件和工具電極材料的配對(duì)情況優(yōu)化EDM參數(shù)；二是選擇具有優(yōu)良抗電蝕性能的材料充當(dāng)工具電極材料，如高熔點(diǎn)、高電導(dǎo)率和高導(dǎo)熱性能的材料。EDM一般采用銅電極作為工具電極，但銅電極熔點(diǎn)較低（1 083 °C），在加工過程中易發(fā)生電蝕損耗，抗電蝕性能較差，使得加工效率和加工精度降低［5］。而氧化鈰（CeO2）的熔、沸點(diǎn)高（熔點(diǎn)2 379 °C，沸點(diǎn)3 730 °C），性質(zhì)穩(wěn)定，其納米顆粒在鍍液中具有良好的分散性，作為第二相與純銅進(jìn)行復(fù)合電鍍時(shí)易制備出質(zhì)地均勻、晶粒細(xì)小的 Cu-CeO2復(fù)合鍍層，在理論上具備成為優(yōu)良EDM電極材料的可能性［6-9］。本文以獲取具有優(yōu)良抗電蝕能力和低電極損耗率的電火花加工用電極材料為目標(biāo)，研究了CeO2添加量、平均電流密度、占空比及脈沖頻率這4個(gè)關(guān)鍵因素對(duì)Cu-CeO2復(fù)合鍍層中CeO2含量的影響，并通過電火花電極損耗試驗(yàn)定量研究了Cu-CeO2復(fù)合電極在大規(guī)準(zhǔn)EDM電參數(shù)條件下的電極損耗率隨鍍層CeO2顆粒含量的變化規(guī)律。

1　實(shí)驗(yàn)

1. 1 材料

選用30 mm × 35 mm × 3 mm的1Cr18Ni9Ti不銹鋼板為陰極，含磷0.01% ～ 0.02%的銅板為陽極，陰、陽極面積之比為1∶2，極間距為30 mm。

電鍍前對(duì)陰極鋼片進(jìn)行預(yù)處理，先用2 000目砂紙打磨表面以去除劃痕和污漬，然后依次進(jìn)行洗滌、除油（70 g/L Na3PO4+ 50 g/L Na2CO3+ 10 g/L NaOH）、鈍化（體積分?jǐn)?shù)為25%的硝酸溶液，30 min，60 °C）和清洗。

1. 2 復(fù)合電鍍Cu-CeO2

采用上海SOYI公司生產(chǎn)的MC-15/30/3型脈沖電源?；A(chǔ)鍍液組成和工藝條件為：CuSO4·5H2O 240 g/L，濃硫酸20 g/L，H3BO340 g/L，NaCl 0.2 g/L，十二烷基硫酸鈉（SDS）0.05 g/L，CeO2（粒徑30 ～ 60 nm）10 ～ 60 g/L，平均電流密度5 ～ 18 A/dm2，占空比0.1 ～ 0.5，脈沖頻率1 000 ～ 3 500 Hz，雙向磁力攪拌（每隔30 s變換攪拌方向，以保證鍍液成分均勻），溫度30 °C，時(shí)間3 h。

為使納米微粒能夠充分潤濕且均勻分散于鍍液中，試驗(yàn)前先采用上?？茖?dǎo)公司生產(chǎn)的SK2210HP型超聲清洗儀，在頻率53 kHz、功率100 W下超聲振蕩鍍液30 min，再用常州朗越公司生產(chǎn)的JB-5磁力攪拌器攪拌1 h。

1. 3 性能檢測

1. 3. 1 復(fù)合電鍍層成分分析與顯微硬度檢測

采用牛津儀器（上海）有限公司的INCA Energy X射線能譜儀（EDS）測定復(fù)合鍍層中Ce的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，然后通過換算得到CeO2的含量。采用荷蘭FEI公司的Sirion200掃描電子顯微鏡（SEM）觀察Cu-CeO2復(fù)合鍍層的表面微觀形貌和CeO2在其中分布的均勻性。

采用日本FUTURE-TECH公司的FM800型顯微硬度儀測定Cu-CeO2復(fù)合鍍層的顯微硬度，載荷為0.245 N，加載時(shí)間15 s，每個(gè)試樣測中央和四角5點(diǎn)，取平均值。

1. 3. 2 電火花加工過程中的抗電蝕性能檢測

EDM工藝中通常用電極損耗率θ來衡量工具電極材料的抗電蝕性能，θ越低，表明電極的抗電蝕性能越好。通常認(rèn)為，θ ≤1%為低損耗加工。圖1所示為EDM試驗(yàn)照片。采用AGIE公司生產(chǎn)的DKD747型電火花成型機(jī)測定，工件電極材料為1Cr18Ni9Ti不銹鋼。試驗(yàn)前，將Cu-CeO2復(fù)合鍍?cè)嚇硬眉舫?0 mm × 20 mm × 1 mm大小，然后釬焊在銅電極端面。為檢驗(yàn)Cu-CeO2復(fù)合鍍層的抗電蝕能力，提高加工效率，采用較大的電規(guī)準(zhǔn)，即基準(zhǔn)電壓75 V、峰值電流17.6 A、脈沖寬度21.2 μs、脈沖間隔25.6 μs、加工時(shí)間15 min，采用負(fù)極性加工（即工件接負(fù)極，工具接正極）。工件經(jīng)EDM試驗(yàn)后的照片如圖2所示。

圖1 電火花加工試驗(yàn)照片F(xiàn)igure 1 Photos showing electrical discharge machining test

圖2 EDM試驗(yàn)后工具電極與工件的照片F(xiàn)igure 2 Photos of tooling electrode and workpiece after EDM test

每次EDM加工前、后都對(duì)工件和工具進(jìn)行超聲清洗以去除表面雜質(zhì)，烘干后用德國蔡司99s高精密度電子天平（精度0.1 mg）稱量試樣的質(zhì)量，按式（1）計(jì)算電極損耗率。

式中m1q和m1h分別為工具電極EDM前、后的質(zhì)量（g），m2q和m2h分別為工件電極EDM前、后的質(zhì)量（g）。

2　結(jié)果與討論

2. 1 鍍液中CeO2含量對(duì)Cu-CeO2復(fù)合鍍層CeO2含量和顯微硬度的影響

圖3所示為在平均電流密度8 A/dm2、占空比0.2、脈沖頻率2 000 Hz的條件下，所得Cu-CeO2復(fù)合鍍層的CeO2含量和顯微硬度隨鍍液中CeO2含量的變化。由圖3可知，鍍液中CeO2含量由10 g/L上升到30 g/L時(shí)，復(fù)合鍍層中CeO2的質(zhì)量分?jǐn)?shù)（顆粒共沉積量）由1.235%升高到4.141%，顯微硬度也由287 HV增大至347 HV，上升趨勢(shì)明顯；鍍液中CeO2的懸浮量超過30 g/L時(shí)，復(fù)合鍍層的CeO2含量和顯微硬度基本維持不變或變化較小。這是因?yàn)殄円褐蠧eO2含量升高時(shí)，單位時(shí)間內(nèi)被輸送到陰極表面的CeO2顆粒增多，顆粒進(jìn)入沉積層的機(jī)率也就增大。當(dāng)電鍍液中CeO2懸浮量超過30 g/L時(shí)，陰極表面基質(zhì)金屬包容納米顆粒的能力趨于飽和，多余的顆粒只是附著在鍍層的表面而未能進(jìn)入鍍層，因而鍍層中CeO2含量基本不變。

2. 2 平均電流密度對(duì)Cu-CeO2復(fù)合鍍層CeO2含量和顯微硬度的影響

圖4所示為CeO2添加量為30 g/L、占空比0.3、脈沖頻率2 000 Hz的條件下，所得Cu-CeO2復(fù)合鍍層的CeO2含量和顯微硬度隨平均電流密度的變化。由圖4可知，隨著平均電流密度增大，復(fù)合鍍層的CeO2含量和顯微硬度均呈先升后降的變化趨勢(shì)。平均電流密度為10 A/dm2時(shí)，復(fù)合鍍層的CeO2含量和顯微硬度最高，分別為4.314%和371 HV。復(fù)合鍍層的顯微硬度變化和顆粒共沉積量的變化有正相關(guān)關(guān)系。一般認(rèn)為隨平均電流密度增大，陰極過電位負(fù)移，電場力增強(qiáng)，對(duì)吸附有陽離子的納米顆粒的引力增強(qiáng)，促進(jìn)了其與金屬離子的復(fù)合電沉積。然而當(dāng)平均電流密度過高時(shí)，銅離子電沉積的加快速率高于其對(duì)CeO2的裹覆速率，導(dǎo)致復(fù)合鍍層的顆粒含量降低，顯微硬度隨之降低。

圖3 鍍液CeO2添加量對(duì)Cu-CeO2復(fù)合鍍層CeO2含量和顯微硬度的影響Figure 3 Effect of CeO2dosage in bath on CeO2content and microhardness of composite coating

圖4 平均電流密度對(duì)Cu-CeO2復(fù)合鍍層CeO2含量和顯微硬度的影響Figure 4 Effect of average current density on CeO2content and microhardness of composite coating

2. 3 占空比對(duì)Cu-CeO2復(fù)合鍍層CeO2含量和顯微硬度的影響

圖5所示為CeO2添加量為30 g/L時(shí)，在平均電流密度10 A/dm2、脈沖頻率2 000 Hz的條件下，所得Cu-CeO2復(fù)合鍍層的CeO2含量和顯微硬度隨占空比的變化。從圖5可知，占空比由0.1增大至0.3時(shí)，復(fù)合鍍層的CeO2含量由3.273%升高到4.210%，顯微硬度也由316 HV上升到369 HV；繼續(xù)增大占空比，復(fù)合鍍層的CeO2含量和顯微硬度反而降低。究其原因，占空比越小，峰值電流密度越大，越有利于金屬鍍層及時(shí)捕獲CeO2顆粒，從而使鍍層顆粒含量升高，顯微硬度隨之升高。但峰值電流密度過高時(shí)，金屬沉積過快，鍍層容易燒焦，從而使復(fù)合鍍層的CeO2含量和顯微硬度降低。因此，適宜的占空比為0.3。

2. 4 脈沖頻率對(duì)Cu-CeO2復(fù)合鍍層CeO2含量和顯微硬度的影響

圖6所示為CeO2添加量為30 g/L時(shí)，在平均電流密度10 A/dm2、占空比0.3的條件下，所得Cu-CeO2復(fù)合鍍層的CeO2含量和顯微硬度隨脈沖頻率的變化。

圖5 占空比對(duì)復(fù)合鍍層CeO2含量和顯微硬度的影響Figure 5 Effect of duty cycle on CeO2content and microhardness of composite coating

圖6 脈沖頻率對(duì)復(fù)合鍍層CeO2含量和顯微硬度的影響Figure 6 Effect of pulse frequency on CeO2content andmicrohardness of composite coating

由圖6可知，脈沖頻率由1 000 Hz上升到2 000 Hz時(shí)，復(fù)合鍍層的CeO2含量由2.653%升至4.320%，顯微硬度也由299 HV增至371 HV；脈沖頻率繼續(xù)上升到3 500 Hz時(shí)，復(fù)合鍍層的CeO2含量和顯微硬度略降，分別為3.879%和346 HV。在低脈沖頻率下，擴(kuò)散層較厚，阻礙了CeO2顆粒向陰極沉積而發(fā)生脫附，導(dǎo)致鍍層的CeO2含量較低；隨著脈沖頻率的升高，擴(kuò)散層厚度減小，使得 CeO2顆粒穿過擴(kuò)散層向陰極傳遞的速率加快，故鍍層中CeO2含量增高［10］；當(dāng)脈沖頻率超過2 000 Hz時(shí)，脈沖頻率對(duì)鍍液的分散強(qiáng)化作用趨于飽和，導(dǎo)致CeO2含量基本穩(wěn)定。

綜上所述，以Cu-CeO2復(fù)合鍍層中CeO2含量和顯微硬度為評(píng)定指標(biāo)時(shí)，最優(yōu)的工藝條件為：CuSO4·5H2O 240 g/L，濃硫酸20 g/L，H3BO340 g/L，NaCl 0.2 g/L，SDS 0.05 g/L，CeO230 g/L，陰極平均電流密度10 A/dm2，占空比0.3，脈沖頻率2 000 Hz，溫度30 °C，雙向磁力攪拌。在該條件下電鍍3 h，所得Cu-CeO2復(fù)合鍍層中CeO2的質(zhì)量分?jǐn)?shù)最高可達(dá)4.32%，鍍層厚度為216 μm，顯微硬度為371 HV（明顯高于純銅鍍層的268 HV）。

圖7為純銅和最優(yōu)工藝條件下制得的Cu-CeO2復(fù)合鍍層（白色部分為CeO2）的SEM照片。從圖7可以看出，最優(yōu)工藝條件下制備的復(fù)合鍍層晶粒較細(xì)、結(jié)構(gòu)致密且分布均勻。純銅鍍層的晶粒雖然細(xì)致、均勻，但由于其熔點(diǎn)較低，在電火花EDM加工中的電極損耗率較高。

圖7 最優(yōu)工藝條件下制備的Cu-CeO2復(fù)合鍍層和純Cu的SEM照片F(xiàn)igure 7 SEM images of pure copper and Cu-CeO2 composite coating obtained under the optimal process conditions

2. 5 Cu-CeO2復(fù)合鍍層在電火花加工中的抗電蝕性能

采用CeO2含量不同的復(fù)合鍍層試樣作為EDM工具電極時(shí)，EDM后的電極損耗率與鍍層CeO2含量的關(guān)系如圖8所示。由圖8可以看出：純銅電極（CeO2含量為0.0%）在EDM加工試驗(yàn)中的電極損耗率高達(dá)16.8%，隨著 Cu-CeO2鍍層中 CeO2含量的增大，工具電極的電極損耗率逐漸下降，抗電蝕能力增強(qiáng)。當(dāng) CeO2含量為4.32%（即最優(yōu)工藝條件下電鍍所得試樣）時(shí)，其電極損耗率下降至2.35%。究其原因?yàn)椋簭腅DM加工的微觀機(jī)理看，鍍層晶粒越細(xì)，結(jié)構(gòu)就越致密，在EDM脈沖能量不變的情況下，工具電極材料越不容易被熔化拋出，而CeO2的加入細(xì)化了Cu-CeO2鍍層的晶粒，提高了電極材料本身的抗電蝕能力；另外，Cu-CeO2鍍層中CeO2的熔點(diǎn)遠(yuǎn)高于銅基體的熔點(diǎn)，熔化時(shí)需要吸收更多的熱量。

圖9為純銅電極和最優(yōu)工藝條件下制得的Cu-CeO2復(fù)合鍍層電極經(jīng)EDM后的金相顯微照片。由圖9可以看出，經(jīng)電火花加工后，純銅電極表面出現(xiàn)劇烈熔化的痕跡（見圖9a中的白色部分），電極材料損失較多；Cu-CeO2復(fù)合鍍層電極在相同的EDM條件下并未出現(xiàn)如此嚴(yán)重的熔化現(xiàn)象，電極材料損失較少。

圖8 Cu-CeO2復(fù)合鍍層中CeO2含量對(duì)其抗電蝕性能的影響Figure 8 Effect of CeO2content of Cu-CeO2composite coating on its electrical corrosion resistance

圖9 純銅電極和Cu-CeO2復(fù)合電極EDM后的表面形貌Figure 9 Surface morphologies of pure copper and Cu-CeO2composite electrodes after EDM

3　結(jié)論

（1） 脈沖電鍍工藝參數(shù)對(duì)Cu-CeO2復(fù)合鍍層中CeO2含量的影響顯著，最優(yōu)工藝條件為：CuSO4·5H2O 240 g/L，濃硫酸20 g/L，H3BO340 g/L，NaCl 0.2 g/L，SDS 0.05 g/L，CeO230 g/L，陰極平均電流密度10 A/dm2，占空比0.3，脈沖頻率2 000 Hz，溫度30 °C，雙向磁力攪拌。在該條件下電鍍3 h，所得Cu-CeO2復(fù)合鍍層中CeO2的質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)4.320%，顯微硬度為371 HV。

（2） Cu-CeO2復(fù)合鍍層的顯微硬度隨著CeO2的共沉積量增加而升高，兩者呈正相關(guān)關(guān)系。

（3） Cu-CeO2復(fù)合鍍層中CeO2含量對(duì)電極材料的抗電蝕性能有顯著的影響，隨鍍層中CeO2含量增大，其抗電蝕能力增強(qiáng)。當(dāng)CeO2含量為4.320%時(shí)，電極損耗率為2.35%，遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于純銅電極的損耗率（16.8%）。

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［ 編輯：周新莉 ］

Preparation of copper-cerium oxide composite electrode by electroplating and its electrical corrosion resistance in electrical discharge machining

ZHAO Zhi-qiang， MA Zhi-gang， LIU Yue-tao*

A Cu-CeO2composite electrode was prepared by pulse electroplating with 1Cr18Ni9Ti stainless steel plate as substrate. The effects of nano-CeO2dosage in bath， average cathodic current density， duty cycle and pulse frequency on CeO2content and microhardness of the Cu-CeO2composite coating were studied. The optimal bath composition and process conditions were obtained as follows: CuSO4·5H2O 240 g/L， concentrated sulfuric acid 20 g/L， H3BO340 g/L， NaCl 0.2 g/L，sodium dodecyl sulfate` 0.05 g/L， CeO230 g/L， temperature 30 °C， average cathodic current density 10 A/dm2， duty cycle 0.3，pulse frequency 2 000 Hz， and bidirectional magnetic agitation. The composite coating electroplated under the optimal conditions for 3 hours features a thickness of 216 μm， a CeO2content of 2.35wt% and a microhardness of 371 HV. The relative weight loss of the composite electroplated sample as a tooling electrode is 2.35% after electrical discharge machining of 1Cr18Ni9Ti stainless steel， which is much less than that of pure copper tooling electrode （16.80%）， indicating that Cu-CeO2composite electrode has a better electrical corrosion resistance than pure copper electrode.

copper； cerium oxide； composite electrode； pulse electroplating； electrical discharge machining； electrical corrosion resistance

TQ153.2

A

1004 -227X （2016） 08 - 0389 - 05

2015-12-10

2016-03-18

國家自然科學(xué)基金（51405277）。

趙志強(qiáng)（1981-），男，河南開封人，碩士，講師，主要從事機(jī)電自動(dòng)化、計(jì)算機(jī)視覺、材料表面處理等方面的研究。

劉曰濤，副教授，（E-mail） lyt@sdut.edu.cn。