電鍍砂輪基體高效微損傷返鍍再生工藝研究

杜利利，曹劍鋒，王永寶，吳 珂，劉天立，王江濤，李媛媛，李玉慶

(鄭州磨料磨具磨削研究所有限公司，河南 鄭州 450001)

0 引言

電鍍金屬鎳結(jié)合劑超硬材料制品，具備精度高、磨削效率高、使用壽命長等特點，可應(yīng)用于汽車、制冷、航天等行業(yè)零部件的精密成形磨削與修整加工[1-3]。為節(jié)約客戶成本，返鍍工藝應(yīng)運而生，即對失效砂輪進行基體再生處理，從而實現(xiàn)砂輪基體的返鍍再生。不僅該類情況砂輪需要退鍍處理，生產(chǎn)過程因磨料層缺陷產(chǎn)生不合格品也可以通過退鍍實現(xiàn)基體返鍍再生。超硬材料砂輪退鍍多年來一直采用傳統(tǒng)的硝酸腐蝕工藝，這種退鍍方式成本較低，在室溫下操作，設(shè)備和工藝簡單。該工藝對基體損傷性強，易導(dǎo)致基體過腐蝕，影響基體尺寸，退鍍一次前后基體腐蝕深度可達(dá)0.015 mm，嚴(yán)重制約了基體反復(fù)利用次數(shù)。加之該工藝隨著退鍍時間的累計，也會出現(xiàn)磨料層溶解的均勻性和穩(wěn)定性逐漸下降的趨勢，退鍍速率低(<2 μm/h)，嚴(yán)重制約產(chǎn)品的交期時間。因此，傳統(tǒng)酸腐蝕退鍍工藝已難以滿足生產(chǎn)要求。

本文選用一種新型退鍍技術(shù)，設(shè)計退鍍速率提升實驗，進行退鍍劑配方優(yōu)化調(diào)整，最終明確溶液組成配比及最佳工藝參數(shù)。在不降低退鍍速率的前提下，設(shè)計容量補加試驗，延長溶液使用壽命，解決傳統(tǒng)退鍍劑壽命短的瓶頸問題，降低成本，實現(xiàn)了砂輪基體的返鍍再生。

1 實驗部分

1.1 材料與設(shè)備

自制電鍍相同鎳層厚度的1A1，100 mm×10 mm×20 mm砂輪若干(內(nèi)孔、外徑、厚度分別用三坐標(biāo)及杠桿千分尺檢測)；間硝基苯甲酸鈉、間硝基苯磺酸鈉、硝基鄰苯二甲酸、乙二胺、谷氨酸、氫氧化鈉及磷酸等其他試劑均為分析純；電熱恒溫水浴鍋，北京市永光明醫(yī)療儀器有限公司；電子天平，福州科迪電子技術(shù)有限公司；千分尺(精度0.001 mm)，成都成量工具集團有限公司。

1.2 實驗方法

自制電鍍完成的1A1砂輪放入退鍍?nèi)芤褐?，退鍍一定時間，檢測鍍層尺寸差值，計算退鍍速率，每組試驗重復(fù)3次取平均值。

2 結(jié)果與討論

2.1 退鍍劑配方主成分的確定

氧化劑為退鍍劑中的核心部分,作用是將電鍍砂輪結(jié)合劑Ni氧化成Ni2+。本文選用3種含有一個氧化基團“—NO2”的物質(zhì),其氧化性比HNO3弱,使它既可將金屬氧化成離子,又不致因氧化性太強而腐蝕基體。設(shè)計單因素試驗，固定其他變量(溫度70℃，氫氧化鈉/磷酸調(diào)節(jié)pH=10)，從3種氧化劑中選出性能最優(yōu)的一種。從圖1數(shù)據(jù)中可以看出，間硝基苯磺酸鈉具有最高的退鍍速率。因此，確定該新型退鍍劑中氧化劑為間硝基苯磺酸鈉。

圖1 三種氧化劑退鍍速率對比

絡(luò)合劑的作用是與被氧化的Ni2+形成穩(wěn)定的絡(luò)合物,使溶液中鍍層金屬離子活度下降,加速氧化。部分絡(luò)合物能在基體表面吸附成膜,抑制基體氧化[4]。在選定最佳氧化劑的基礎(chǔ)上，本研究從3種物質(zhì)中選出效果最佳的一種，充當(dāng)退鍍劑中絡(luò)合劑的作用。試驗結(jié)果如圖2所示，氨基三乙醇展示出最高的退鍍速率。

圖2 三種絡(luò)合劑退鍍速率對比

緩蝕劑是指向腐蝕介質(zhì)中加入微量或少量化學(xué)物質(zhì),使得金屬材料在介質(zhì)中的腐蝕速度明顯降低,同時還保持著金屬材料原來的化學(xué)物理性質(zhì)[5]。退鍍劑中加入緩蝕劑,其作用在于能最大限度地抑制基體金屬的溶出,并促進鍍層退除完全，緩蝕劑的濃度通常為1 g/L。按照化學(xué)組成分為有機緩蝕劑和無機緩蝕劑，本文選用六亞甲基四胺及常用的無機緩蝕劑硼砂，從中選出效果較好的一種作為該新型退鍍劑的緩蝕劑，試驗結(jié)果見下文。

2.2 退鍍劑主成分濃度確定

設(shè)計單因素實驗，固定其他條件(溫度70℃，pH值為10，絡(luò)合劑濃度為200 mL/L)，探究間硝基苯磺酸鈉濃度對退鍍速率的影響，確定氧化劑濃度范圍。實驗結(jié)果如圖3所示，退鍍速率隨著氧化劑濃度增加而升高,在濃度大于100 g/L時趨于平緩。因此將間硝基苯磺酸鈉濃度范圍定為100 g/L、110 g/L。

圖3 不同濃度氧化劑與退鍍速率變化趨勢圖

同理，探究氨基三乙醇濃度對退鍍速率的影響，確定絡(luò)合劑濃度范圍。由圖4得知，退鍍速率在氨基三乙醇濃度為220 mL/L時趨于平緩，因此將絡(luò)合劑濃度范圍定為220 mL/L、230 mL/L。

圖4 絡(luò)合劑不同濃度與退鍍速率變化趨勢圖

為使試驗結(jié)果更為科學(xué)性、更有代表性,在單因素實驗結(jié)果的基礎(chǔ)上 ,以退鍍速率、基體損傷程度及表觀性能為考核目標(biāo)，做3因子2水準(zhǔn)完全析因設(shè)計實驗，明確緩蝕劑種類，確定退鍍劑成分最佳濃度配比，同時判斷各因素交互作用，如表1所示。

表1 完全析因?qū)嶒?/p>

從表1中得出，退鍍劑中氧化劑間硝基苯磺酸鈉最佳濃度為100 g/L，絡(luò)合劑氨基三乙醇最佳濃度為230 mL/L，緩蝕劑則采用硼砂，1 g/L，具有最高退鍍速率的同時，基體緩蝕效果最佳。

2.3 退鍍劑最佳工藝條件探究

溫度是影響化學(xué)反應(yīng)動力學(xué)的重要參數(shù),本文采取不同溫度條件下(pH=10)，探究溫度對退鍍劑速度的影響，找到最佳溫度值。表2為退鍍劑不同溫度條件下的退鍍速率，變化趨勢如圖5所示，隨著退鍍液溫度升高，退鍍速率明顯提升。當(dāng)溫度大于80℃時，退鍍速率的增長較為緩慢。因此，綜合考慮退鍍工藝溫度保持在80℃為宜。

表2 溶液溫度對退鍍效果的影響結(jié)果

圖5 不同溫度對退鍍速率的影響

溶液pH值對退鍍劑作用的發(fā)揮有著非常重要的作用，探討pH值對退鍍速率的影響是非常有必要的。本文選用磷酸/氫氧化鈉調(diào)節(jié)溶液pH，實驗結(jié)果見表3。退鍍速率受溶液pH值的影響變化趨勢如圖6所示，隨著pH的升高，退鍍速率先升高后降低，pH值為10.5時，退鍍速率最高。因此，退鍍劑溶液最佳pH值為10.5。

表3 溶液pH值對退鍍效果的影響結(jié)果

圖6 溶液pH值對退鍍速率的影響

經(jīng)過以上實驗探究，確定退鍍劑的最佳工藝條件，退鍍劑溶液最佳使用溫度確定為80℃，溶液最佳pH值為10.5，在該工藝條件下，退鍍速率可達(dá)13.5 μm/h。

2.4 退鍍劑使用維護工藝探究

隨著反應(yīng)的進行,溶液中的鎳含量逐漸增加,退鍍劑的有效主成分亦逐漸消耗，退鍍速度將會逐漸降低。實際生產(chǎn)中一般采用補加有效成分的辦法使溶液中的退鍍速度恢復(fù)到生產(chǎn)要求。因此，有必要對主成分補加容量進行實驗探究，在滿足實際生產(chǎn)退鍍速度要求的前提下延長退鍍劑使用壽命。本文設(shè)計了一系列補加試驗，單純補加絡(luò)合劑10%、20%，單純補加氧化劑10%、20%及同時補加絡(luò)合劑與氧化劑10%/10%、10%/20%、20%/10%及20%/20%的實驗探究，結(jié)果如表4所示。

表4 容量補加探究實驗結(jié)果

由表4中可以看出，單獨補加氧化劑的效果低于單獨補加絡(luò)合劑，同時補加效果更佳，且同時補加絡(luò)合劑20%氧化劑10%/20%，退鍍速率相差不大，由此出于成本考慮，將絡(luò)合劑20%/氧化劑10%作為補加標(biāo)準(zhǔn)。實際生產(chǎn)中，補加標(biāo)準(zhǔn)是采用動態(tài)的方式，退除鎳量50 g，進行主成分補加一次。

2.5 工藝測試情況

該退鍍劑應(yīng)用生產(chǎn)反饋較好，統(tǒng)計數(shù)據(jù)如表5所示，退鍍前后損傷在5 μm以下，退鍍速率達(dá)13.5 μm/h，各項指標(biāo)均滿足生產(chǎn)需求，使用效果及穩(wěn)定性均達(dá)到要求。如圖7所示，退鍍后砂輪基體表面潔凈，使用效果較好。

圖7 退鍍前砂輪與退鍍后基體對比圖

表5 電鍍砂輪退鍍數(shù)據(jù)記錄

3 結(jié)論

相比傳統(tǒng)的酸腐蝕工藝，該類新型退鍍劑中氧化劑可以將Ni氧化成Ni2+，絡(luò)合劑則是與Ni2+形成穩(wěn)定的絡(luò)合物，使反應(yīng)體系中Ni2+濃度降低，加速氧化反應(yīng)的進行，提升退鍍速率。在退除至露出砂輪基體金屬時，緩蝕劑可形成一層保護膜，使基體得到保護，避免過腐蝕。該工藝可以快速退鍍磨料鍍層，高效低損傷，實現(xiàn)砂輪基體的返鍍再生。較優(yōu)的退鍍工藝參數(shù)為間硝基苯磺酸鈉100 g/L，氨基三乙醇230 mL/L，硼砂1 g/L，溫度70℃～80℃，pH為10.5。在此條件下，磨料層退鍍速率由酸退鍍工藝的2 μm/h提升至13.5 μm/h，基體腐蝕深度由原來的0.015 mm減少至0.002 mm以下，返鍍再生的砂輪基體表面光潔，達(dá)到生產(chǎn)要求。