鍍鎳超聲加工工具的磨損性能研究

張濤，曲寧松

(南京航空航天大學 機電學院，江蘇 南京 210016)

0 引言

近年來，壓電陶瓷、單晶硅、光學玻璃等硬脆材料在汽車工業(yè)、航空航天、生物醫(yī)療、電子元器件等現(xiàn)代工業(yè)中的應用越來越廣泛[1]。但是由于材料的脆性，采用傳統(tǒng)加工方法實現(xiàn)這些材料的高精度加工仍是一種挑戰(zhàn)[2]。超聲加工是利用超聲振動的工具，在有磨料的液體介質或干磨料中產生磨料的沖擊、拋磨、液壓沖擊及由此產生氣蝕作用來去除材料的一種加工方法[3]。超聲加工不受材料導電性的限制，適合加工各種硬脆材料，并且具有加工精度高、表面粗糙度低、易于加工復雜形狀零件等特點[4]。和傳統(tǒng)加工方法一樣，工具磨損在超聲加工中是無法避免的。工具磨損會嚴重影響加工精度以及被加工件的表面粗糙度。因此，針對超聲加工中工具磨損的研究很有必要。

與常規(guī)的粗晶材料相比，納米晶材料(晶粒尺寸在1～100nm)展現(xiàn)出了眾多優(yōu)異的物理化學性能，例如：高硬度、高強度、耐磨損、耐腐蝕等[5]。王立平[6]等人利用脈沖電沉積技術獲得了不同晶粒尺寸的鎳層，通過球盤式干摩擦試驗發(fā)現(xiàn)，隨著晶粒尺寸從微米級減小到納米級，電沉積鎳層的耐磨粒磨損能力由于沉積層硬度的增加獲得了明顯的改善。電沉積法制備納米晶材料具有簡單易行、成本低且生產率高、晶粒尺寸可以通過工藝參數(shù)(電參數(shù)、電解液成分、溫度等)來控制等特點。在實際電沉積過程中，在電解液中加入添加劑可以細化結晶晶粒，改善沉積層質量。例如，使用有機添加劑糖精可以使電沉積鎳的晶粒尺寸減小到100nm以下[7]。

本文通過電沉積法在超聲加工工具表面制備電沉積鎳層，探討了添加劑含量和電流密度對沉積層硬度、表面形貌以及晶粒尺寸的影響。通過玻璃超聲加工工具磨損試驗，對電沉積鎳層工具的磨損性能進行了研究。

1 試驗方法

1.1 電沉積試驗

試驗中，電解液的成分如表1所示，其成分為氨基磺酸鎳(400 g·L-1)，硼酸(30 g·L-1)，氯化鎳(15 g·L-1)，有機添加劑(0～8.0 g·L-1)以及少量的潤濕劑十二烷基硫酸鈉(0.1 g·L-1)。潤濕劑的加入可以降低液體與氣體以及液體與固體之間的表面張力，有利于氫氣的逸出，減少沉積層表面針孔的出現(xiàn)。電解液的PH值保持在4～5，溫度保持在46±1 ℃。電沉積電源選用直流電源，電流密度為2.0 ～5.0 A·dm-2。。電流密度過小，沉積速度過慢，電流密度過大，陰陽兩極過多的副反應會加劇沉積層缺陷的產生。

表1 電解液成分及試驗條件

電沉積陽極材料選用純度為99.99%的鎳板(150×30×3 mm)，陰極選用紫銅圓柱體(Φ16×20 mm)。陰陽極使用夾具平行放置在電解液中，極間間距為50mm。電沉積前處理：先后用丙酮和蒸餾水超聲清洗，然后在質量分數(shù)為10%的稀硫酸中活化20s。根據(jù)法拉第定律以及實際的電流效率，選用適當?shù)某练e時間使得沉積層厚度保持在200μm左右。

沉積層硬度使用維式顯微硬度儀測量，載荷為100g，保載15s。每個式樣測量5個點，然后以平均值作為該式樣的硬度值。使用掃描電子顯微鏡(SEM)來觀察沉積層的表面形貌。

1.2 超聲加工工具磨損試驗

超聲加工中的工具磨損是一個極其復雜的現(xiàn)象，其影響因素眾多，例如靜壓力、工件材料、工具的尺寸、磨料的種類及磨料尺寸等[8]。往往可以通過優(yōu)化加工過程中的工藝參數(shù)來減小工具磨損。而本文旨在利用電沉積技術在超聲加工工具表面沉積出高硬度鎳層，通過改善工具的力學性能來提高其耐磨損能力。

圖1 超聲加工機床結構示意圖

超聲加工工具磨損試驗在精密集成化超聲加工機床上進行，主要結構如圖1所示。機床主要由超聲發(fā)生器、超聲換能器、超聲變幅桿、工作臺以及控制單元構成。試驗中，機床的超聲頻率為20 kHz，超聲功率為75 W。工具端部被加工成Φ3.0的圓柱(如圖2所示)。工件材料選用石英玻璃，厚度為2.5 mm。加工過程中的工藝參數(shù)保持恒定，如表2所示。加工前后，工具及工件都用先后用丙酮和蒸餾水超聲清洗、吹干，并用METTLER TOLEDO ME204E 天平(分辨率為0.000 1g)稱重。每個工件的加工時間為15 s，每組試驗重復5次，然后取平均值作為該組試驗工具的磨損量和材料去除量，進而得出工具的相對磨損。試驗中以質量相對磨損G來計算工具的磨損量，即：

式中：G為相對磨損量；ΔWworkpiece為工件材料去除量；ΔWtool為工具的絕對磨損質量。

表2 試驗選用參數(shù)

圖2 鍍鎳超聲加工工具

2 試驗結果與討論

2.1 電流密度對沉積層的影響

試驗中，當電解液中添加劑含量為0g/L時，不同電流密度沉積層顯微照片如圖3所示。從圖中可以看出，電流密度的改變對沉積層表面形貌有著顯著影響。當電流密度為2.0 A·dm-2時，沉積層的表面粗糙度較小，表面相對平整。隨著電流密度的增加，沉積層的表面變得愈發(fā)粗糙，表面變得愈發(fā)不平整。當電解液中添加劑的含量為4.0 g/L時，不同電流密度沉積層的顯微照片如圖4所示。從圖中可以看出，當電流密度為2.0 A·dm-2和5.0 A·dm-2時，沉積層的表面都比較平整，使用掃描電子顯微鏡已經(jīng)無法看出兩者的差別。

圖3 添加劑0 g/L時電流密度對沉積層形貌的影響

圖4 添加劑4.0 g/L時電流密度對沉積層形貌的影響

圖5為添加劑含量為0 g/L時電流密度對沉積層顯微硬度的影響。從圖中可以看出，電流密度對沉積層顯微硬度有著顯著影響。隨著電流密度從2.0 A·dm-2增加到5.0 A·dm-2，沉積層的顯微硬度從311 HV逐漸下降到287 HV。圖6為添加劑含量為4.0 g/L時電流密度對沉積層顯微硬度的影響。從圖中可以看出，沉積層顯微硬度同樣隨電流密度增加呈下降趨勢，顯微硬度從520 HV下降到了509 HV。研究表明，隨著陰極電流密度的增加，沉積層的晶粒尺寸呈增大的趨勢[9]。根據(jù)Hall-Petch[10]關系，金屬材料性能與材料組織的晶粒大小和致密程度有著密切的關系，同時材料的強度或硬度與晶粒尺寸呈幾何倍數(shù)的反比關系，因此沉積層的顯微硬度隨之降低。

圖5 添加劑0 g/L時電流密度對沉積層顯微硬度的影響

圖6 添加劑4.0 g/L時電流密度對沉積層顯微硬度的影響

2.2 添加劑含量對沉積層的影響

試驗中，電流密度為2.0 A·dm-2，不同含量添加劑的沉積層表面SEM照片如圖7所示。從圖中可以看出，沒有加入添加劑沉積層表面相對粗糙，表面很不平整。隨著添加劑含量的增加，沉積層表面粗糙度逐漸減小，表面變得愈發(fā)平整。當添加劑含量為8.0 g/L時，沉積層的表面已經(jīng)非常平整。

圖7 添加劑含量對沉積層形貌的影響

不同添加劑含量電沉積鎳層的顯微硬度如圖8所示。從圖中可以看出，加入0.5 g/L的添加劑時，沉積層的顯微顯微硬度就得了顯著的提高。當添加劑含量超過2.0 g/L時，沉積層顯微硬度增加的趨勢有所減緩。當添加劑含量達到8.0 g/L時，沉積層的顯微硬度超過了550 HV，較沒有加入添加劑時的顯微硬度提高了1倍。主要原因是：沉積層的晶粒尺寸與結晶時的形核率和晶體生長速度有關[11]。有機添加劑的加入一方面可以使添加劑分子吸附在沉積表面的活性部位，可以減少晶體的生長。另一方面，析出原子的擴散也被吸附的有機添加劑分子所抑制，較少到達生長點，從而優(yōu)先形成新的晶核。此外，有機添加劑還能提高陰極過電位。以上所有作用都能細化電沉積的晶粒尺寸。在電沉積過程中，添加劑的加入使得結晶晶粒得到了極大程度的細化。根據(jù)Hall-Petch關系，沉積層的顯微硬度得到了大幅度的提升。

圖8 添加劑含量的沉積層顯微硬度的影響

2.3 沉積層顯微硬度對超聲加工工具磨損影響

在電流密度為2.0 A·dm-2的條件下，在電解液中加入不同含量的添加劑，在超聲加工工具表面制備不同顯微硬度的電沉積鎳層，進行玻璃超聲加工工具磨損試驗，沉積層顯微硬度與工具磨損的關系如圖9所示。從圖中可以看出，隨著沉積層顯微硬度的增加，工具的相對磨損量逐漸減小。當沉積層顯微硬度為311 HV時，工具磨損比較嚴重。當沉積層的顯微硬度達到565 HV時，相對于沉積層顯微硬度為311 HV時工具的相對磨損減小了50%，工具的耐磨損能力得到了顯著提高。圖10為工具磨損的表面形貌，從圖中可以看出，沉積層顯微硬度較低時，加工后的工具表面變形嚴重，而沉積層顯微硬度較高時，加工后的工具表面變形明顯減小。原因是：粗晶鎳的晶粒粗大，硬度較低，很容易發(fā)生塑性變形與粘著。隨著沉積層晶粒尺寸的減小，材料的顯微硬度得到了提高以及結構更加致密，提高了沉積層的均勻承載能力。因此，沉積層的抗塑性變形以及抗粘著能力得到了增強，工具的耐磨損能力得到了提高。

圖9 沉積層顯微硬度與工具磨損的關系

圖10 工具磨損表面形貌

3 結語

1) 電沉積鎳時，向電解液中加入有機添加劑可以提高沉積層的顯微硬度。只需要少量添加劑就可以使得沉積層的性能發(fā)生顯著的變化。此外，陰極電流密度的增加會使得沉積層的顯微硬度呈現(xiàn)降低的趨勢。

2) 隨著沉積層顯微硬度的增加，鍍鎳超聲加工工具的相對磨損量逐漸減少，耐磨損能力得到了顯著提高。