單極性電源電解加工硬質(zhì)合金的研究

王思聰，後藤昭弘，中田篤史

（1.靜岡理工科大學(xué)機(jī)械工學(xué)科，日本靜岡縣袋井市437-8555；2.靜岡理工科大學(xué)電氣電子工學(xué)科，日本靜岡縣袋井市437-8555）

硬質(zhì)合金具有很高的硬度、強(qiáng)度以及耐磨性和耐腐蝕性，被廣泛用于各個(gè)領(lǐng)域。由于硬質(zhì)合金硬度高，使用一般的切削工具很難對其加工，目前主要采用電火花加工方式進(jìn)行加工，但加工速度慢且加工表面會產(chǎn)生細(xì)小裂痕；也有采用PCD刀具進(jìn)行加工，但工具費(fèi)用很高且加工速度較慢。

電解加工作為硬質(zhì)合金的高速加工方法而備受關(guān)注。就一般金屬材料的電解加工而言，把電極和工件浸入電解液中，以工件為陽極、工具電極為陰極，電極間通電后發(fā)生電解反應(yīng)，從而實(shí)現(xiàn)工件的高速加工。鎢鈷硬質(zhì)合金則有所不同，作為非金屬材料的WC也要同Co一起被加工去除，過去的研究表明，需通過去除Co的電解反應(yīng)及去除WC的化學(xué)反應(yīng)的組合方法來達(dá)到這一目的，即：當(dāng)工具電極作為陰極時(shí)，工件陽極的硬質(zhì)合金中的WC由于被氧化而變?yōu)榱薟O3，當(dāng)電流停止作用或是極性反轉(zhuǎn)以后，與OH-離子發(fā)生反應(yīng)，生成的Na2WO4溶解于電解液中，達(dá)到去除WC的目的。使用單極性電源時(shí)，向電解液中添加NaOH等物質(zhì)，可使電解液達(dá)到堿性，去除WO3。因?yàn)樘砑恿薔aOH等物質(zhì)的電解液呈強(qiáng)堿性，所以帶來了操作安全的問題，且隨著工件加工面積的增大，如果不調(diào)整電解液中NaOH的比例，會使加工變得更加困難。為了解決這些問題，研究人員使用了中性電解液和雙極性電源。當(dāng)工件為陰極的時(shí)候，工件周邊的電解液通過電解反應(yīng)達(dá)到堿性，從而去除WO3。使用中性電解液可使操作安全問題得以改善，但隨之而來的是雙極性電源的使用喪失了電解加工的工具電極無消耗的優(yōu)點(diǎn)。過去的研究表明，在電解液中添加CoCl2后，工具電極（石墨）長度的消耗問題得到了有效抑制，但對于工具電極的邊角及形狀的精度問題沒有進(jìn)行研究[1-2]。因此，本文使用中性電解液和單極性電流電解加工鎢鈷硬質(zhì)合金，以達(dá)到工具電極無消耗的目的。

1 單極性電流電解加工硬質(zhì)合金的構(gòu)想

使用雙極性電源電解加工硬質(zhì)合金，當(dāng)工件作為陰極時(shí)，工件附近會由于電解反應(yīng)產(chǎn)生NaOH溶液。通過以下反應(yīng)可加工去除生成的氧化物：

利用上述反應(yīng)原理，開展了對單極性電源電解加工硬質(zhì)合金方法的研究[3]。如圖1所示，電解液槽中的電解液在流向加工槽的途中能生成堿性電解液。根據(jù)該設(shè)想，提出的提案為：在電解液流向工具電極（即電解液流向加工間隙）前，設(shè)置陽極和陰極兩個(gè)電極并加上直流電壓，陰極側(cè)通過電解反應(yīng)可產(chǎn)生NaOH，含有NaOH的堿性電解液流向加工間隙進(jìn)行加工；陽極側(cè)的酸性電解液流過加工槽返回電解液槽中。堿性的強(qiáng)弱由電解液的流量及電解時(shí)通過的電荷決定，加工部分所用的電解液呈堿性，加工槽中及返回電解液槽中的電解液基本呈中性。

圖1 單極性電解加工的構(gòu)想

2 電解液pH值的條件

為了達(dá)到WO3溶解的目的，對WO3在不同pH值的電解液中的溶解情況進(jìn)行了調(diào)查。在質(zhì)量分?jǐn)?shù)為13%的NaCl電解液中，對尺寸為11 mm×11 mm的硬質(zhì)合金（WC：87%；Co：13%）使用石墨電極進(jìn)行加工實(shí)驗(yàn)。將硬質(zhì)合金工件設(shè)定為陽極，以約12 A的直流電對其加工2 min。由于是采用直流電加工的緣故，考慮被加工面有以WO3作為主要成分的藍(lán)黑色物質(zhì)附著[4]，將此狀態(tài)的硬質(zhì)合金浸入調(diào)整過pH值的NaCl和NaOH混合溶液中，并輕輕地?cái)嚢杞? min。從圖2可看出，當(dāng)pH值小于10.3時(shí)，浸泡后的硬質(zhì)合金同加工后的硬質(zhì)合金相比，WO3的狀態(tài)基本未發(fā)生變化；而當(dāng)pH值大于10.3時(shí)，青黑色的物質(zhì)已被去除。因此，在電解加工硬質(zhì)合金時(shí)，電解液的pH值達(dá)到10.3以上為合適條件。

圖2 不同pH值對硬質(zhì)合金中WO3的影響

3 NaCl電解液的電解加工實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)以NaCl溶液為電解液。在正式實(shí)驗(yàn)之前做了準(zhǔn)備實(shí)驗(yàn)：向燒杯中倒入質(zhì)量分?jǐn)?shù)為13%的NaCl電解液（100 mL水中添加了15 g NaCl），其pH值約為7.2；將一對石墨電極浸入電解液中，加上約10 V的電壓，經(jīng)過數(shù)十秒，使電解液的pH值變?yōu)榧s10。這是由于電解反應(yīng)產(chǎn)生了NaOH，同時(shí)有氣體（Cl2）揮發(fā)。利用該現(xiàn)象，在電解液從電解液槽流向電極的過程中進(jìn)行電解反應(yīng)，并嘗試在陰、陽兩極周圍的溶液無隔離的狀態(tài)下，開展將陰極周圍的溶液流入加工間隙中的加工實(shí)驗(yàn)（圖3）。此時(shí)，加工間隙流出的電解液同預(yù)想的結(jié)果相反，其pH值約為6.8，呈弱酸性。推測其原因是：電解反應(yīng)后產(chǎn)生的氣體（Cl2）在電解電極間溶解，發(fā)生了如式（3）所示的反應(yīng)，且有酸性物質(zhì)生成：

圖3 單極性電源加工

由以上結(jié)果可知，根據(jù)當(dāng)初的設(shè)想（圖1），為了使電解反應(yīng)后的陽極周圍和陰極周圍的電解液能夠分開，制作了如圖4所示的實(shí)驗(yàn)裝置。使電解液從實(shí)驗(yàn)裝置的入口處流入，在裝置內(nèi)進(jìn)行電解反應(yīng)，并在靠近陽極和靠近陰極的地方設(shè)置了電解液的出口。實(shí)際上，電解反應(yīng)后酸性電解液與堿性電解液混雜在一起，無法實(shí)現(xiàn)酸堿溶液的分離，故沒有達(dá)到預(yù)期的結(jié)果。

圖4 電解液電解實(shí)驗(yàn)裝置1

4 利用陽離子交換膜的電解液分離

為了使電解反應(yīng)后的酸性溶液與堿性溶液不再混雜，引入了陽離子交換膜進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。陽離子交換膜是對陽離子有選擇作用的膜，即陽離子可透過交換膜，而陰離子不能通過。利用陽離子交換膜隔開電解反應(yīng)的電解液，使陰極側(cè)不再受到Cl2氣體的干擾，從而實(shí)現(xiàn)陰極側(cè)導(dǎo)出堿性電解液的構(gòu)想。

實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)了如圖5所示的實(shí)驗(yàn)裝置。在陽極石墨電極與陰極石墨電極之間加入陽離子交換膜，由于水分子不能通過陽離子交換膜，實(shí)驗(yàn)時(shí)的電解液將在電解液入口前分開，并分別由兩個(gè)入口進(jìn)入陽極一側(cè)和陰極一側(cè)；而實(shí)驗(yàn)裝置的中間被陽離子交換膜隔開，形成“兩室”，分別進(jìn)行電解反應(yīng)，反應(yīng)后的電解液由陽極一側(cè)和陰極一側(cè)分開流出。陽極周圍的電解液通過加工槽直接流入電解液槽中，陰極周圍的電解液通過電極的電解液出口噴出，并在進(jìn)行電解加工之后流回電解液槽中。實(shí)驗(yàn)的目的是使用中性電解液，僅在加工過程中呈堿性，返回電解液槽中的電解液基本呈中性。

使用電解實(shí)驗(yàn)裝置2對產(chǎn)生的堿性電解液的pH值情況進(jìn)行了研究。將質(zhì)量分?jǐn)?shù)為13%的NaCl溶液以約4 L/min的流量通過實(shí)驗(yàn)裝置，調(diào)整電解反應(yīng)的電流，分別對從陽極和陰極流出的電解液的pH值進(jìn)行測定。將電解反應(yīng)的電流值分別設(shè)定為5、10、15、20 A，電解液的 pH 值測定結(jié)果見圖 6。 根據(jù)圖6所示情況，同時(shí)引出了電流值直到30 A的pH值測定結(jié)果的近似線，并應(yīng)用于后面的實(shí)驗(yàn)中。利用陽離子交換膜進(jìn)行電解反應(yīng)，堿性溶液與酸性溶液不會互相混雜，能達(dá)到分離的目的，于是在加工間隙處可獲得堿性電解液。

圖5 電解液電解實(shí)驗(yàn)裝置2

圖6 電解反應(yīng)后的電解液pH值

5 驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)

利用自制的電解實(shí)驗(yàn)裝置，采用單極性脈沖電流進(jìn)行了硬質(zhì)合金的電解加工實(shí)驗(yàn)。電解加工時(shí)，采用脈沖寬度為14 ms、脈沖間隔為6 ms、電壓為20 V、電流約為10 A；工具電極選用尺寸為10 mm×10 mm的石墨電極，其中間為直徑3 mm的電解液出口；工件選用尺寸為11 mm×11 mm的硬質(zhì)合金（WC：87%；Co：13%）； 初始加工間隙約為 0.1 mm；電解液采用質(zhì)量分?jǐn)?shù)為13%的NaCl溶液，其流量的目標(biāo)值為4 L/min，但由于實(shí)驗(yàn)裝置的問題及加工間隙狹窄，電解液流量未能達(dá)到設(shè)定目標(biāo)，加工時(shí)電解液對生成物的沖刷不夠充分。因此，在電解加工進(jìn)行了5 s之后，加工停止，將加工間隙調(diào)整至約0.2 mm再進(jìn)行沖刷。循環(huán)往復(fù)以上過程，當(dāng)進(jìn)給量為30μm時(shí)，完成了電解加工實(shí)驗(yàn)。加工過程中，電解液電解反應(yīng)的電流設(shè)定為30 A，加工間隙流出的電解液pH值變化范圍約為10.3～10.7，電解反應(yīng)發(fā)生后直接返回電解液槽中的酸性溶液pH值為3.8，當(dāng)酸性溶液與堿性溶液混合后，電解液槽中的電解液pH值約為7.8，基本達(dá)到中性效果。

圖7是電解加工實(shí)驗(yàn)后的硬質(zhì)合金實(shí)物。可看出，采用未發(fā)生電解反應(yīng)的電解液加工后，硬質(zhì)合金表面全部呈現(xiàn)色彩效果 （由于加工深度較淺，圖中顯示效果不是很明顯）；而采用已發(fā)生電解反應(yīng)的堿性電解液加工的硬質(zhì)合金表面的色彩物質(zhì)被全部消除。由此可推測，采用發(fā)生電解反應(yīng)后的堿性電解液可以達(dá)到去除WO3的目的。

圖7 不同電解液電解加工后的硬質(zhì)合金

6 兩極性電源電解加工的電極消耗調(diào)查

為了對比兩極性電源加工與單極性電源加工時(shí)的電極消耗情況，首先對兩極性電源加工時(shí)的電極消耗情況進(jìn)行了調(diào)查。為便于區(qū)分消耗部分與未消耗部分，將工具電極與工件錯開放置，邊緣處不進(jìn)行加工。工件作為陽極的時(shí)間與整個(gè)加工時(shí)間的比被稱為“Duty”。本實(shí)驗(yàn)采用加工電壓20 V以及過去研究[5]的達(dá)到最大加工速度的Duty70%作為加工電壓的條件；工具電極選用10 mm×10 mm的石墨電極，中間為直徑約3 mm的電解液出口；工件采用11 mm×11 mm 的硬質(zhì)合金（WC：87%；Co：13%）；電解液采用質(zhì)量分?jǐn)?shù)為13%的NaCl溶液，以1 L/min的流速進(jìn)行沖刷。在工具電極與工件的間距約為0.1 mm時(shí)開始加工，在電流值明顯降低時(shí)手動進(jìn)給電極，當(dāng)進(jìn)給至1 mm時(shí)加工結(jié)束。加工時(shí)的電流值約為±30 A，加工時(shí)間約為3 min。

為了清楚地觀測加工后的電極消耗部分，采用掃描電鏡（SEM）從側(cè)面對加工后的電極進(jìn)行放大觀察。由圖8可明確分辨出加工部分與未加工部分，且能確認(rèn)采用兩極性電源加工時(shí)，存在電極消耗的現(xiàn)象。電極消耗的測評方法見圖9，選擇5個(gè)點(diǎn)對加工前、后的電極長度進(jìn)行比較，將變化的平均值作為電極的消耗值。由測定結(jié)果可知，電極約消耗了0.22 mm。雖然電極的進(jìn)給量為1 mm，但實(shí)際的加工深度只有0.9 mm。

7 單極性電源電解加工的電極消耗調(diào)查

為了明確單極性電源電解加工時(shí)的電極消耗，利用前文提到的電氣分解裝置進(jìn)行了單極性加工實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)前，對電解加工裝置進(jìn)行了更新。如圖10所示，采用便于更換部件的設(shè)計(jì)，電解液的電解反應(yīng)方式不變，利用密閉橡膠圈更易拆裝，從而使實(shí)驗(yàn)?zāi)芨咝У剡M(jìn)行。

圖8 兩極性電源加工后的電極SEM圖像

圖9 電極消耗的評價(jià)方法

圖10 電解液電解裝置3

單極性加工實(shí)驗(yàn)的方法與兩極性加工相同，將工具電極和工件錯置，工件殘存有未加工部分。電解加工的電源采用脈沖電源，設(shè)定電壓為10 V、脈寬為6 ms、脈間為14 ms；電解液采用質(zhì)量分?jǐn)?shù)為20%的NaCl溶液；工具電極選用10 mm×10 mm的石墨電極，中間是直徑為3 mm的電解液出口；工件采用 11 mm×11 mm 的硬質(zhì)合金 （WC：87%；Co：13%）。電解液流量設(shè)定為2 L/min，但由于實(shí)驗(yàn)裝置的原因及極間距離狹小的緣故，流量未能達(dá)到設(shè)定值。工具電極和工件的間距約為0.1 mm，電流值減小時(shí)電極進(jìn)給2μm，重復(fù)這個(gè)過程進(jìn)行加工，工具電極的進(jìn)給量為0.3 mm。實(shí)驗(yàn)過程中，電解電流值為50 A，極間流過的堿性電解液pH值的范圍約為10.8～11.1，實(shí)驗(yàn)中的加工電流約為1.3～1.5 A。

采用電解反應(yīng)后的堿性電解液進(jìn)行加工，工件未見色彩物質(zhì)附著于表面，即堿性電解液能使WO3溶解的情況得到了驗(yàn)證。使用后的工具電極表面在加工所用的部分能看到變色的情況，但目視沒有電極消耗。為了更進(jìn)一步觀察電極消耗的情況，從加工使用過的部分的側(cè)面進(jìn)行觀察。如圖11所示，方框部分使用SEM擴(kuò)大60倍進(jìn)行觀察，可確認(rèn)工具電極沒有消耗。因此，通過本實(shí)驗(yàn)的結(jié)果，采用中性電解液實(shí)現(xiàn)工具電極無消耗加工得到了確認(rèn)。本次實(shí)驗(yàn)所采用的實(shí)驗(yàn)裝置與雙極性電源加工所采用的實(shí)驗(yàn)裝置不同、加工條件也有所不同，今后將會使用相同的加工條件再次進(jìn)行比較。

圖11 單極性電源加工后的電極（×60）

8 結(jié)束語

對于利用中性電解液且電極無損耗進(jìn)行電解加工硬質(zhì)合金，提出了在電解液流動途中設(shè)置電解反應(yīng)發(fā)生裝置，僅在加工過程中電解液呈堿性的方法。在電解反應(yīng)發(fā)生裝置中放置陽離子交換膜，利用石墨電極對電解液進(jìn)行電解反應(yīng)，電解后的酸、堿性電解液能夠分離開來，使用生成的堿性電解液能有效去除硬質(zhì)合金中的WC。使用兩極性電源加工時(shí)，工具電極會有約20%的消耗率；而采用單極性電源加工時(shí)，可實(shí)現(xiàn)工具電極無消耗加工。