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电镀镍钴合金多层磨粒砂轮电解修整机理

放大字体  缩小字体发布日期:2012-09-11  浏览次数:790
核心提示:修整是多层电镀超硬磨粒砂轮精密磨削的关键技术之一.电镀镍钴合金硬度和强度高,是理想的超硬磨料砂轮结合剂;但同时也导致砂轮修整困难.为此对镍钴合金镀层的电解修整机理进行了研究.
 

袁和平, 高航, 郭东明

(大连理工大学精密与特种加工教育部重点实验室,辽宁大连 116024)

摘要:修整是多层电镀超硬磨粒砂轮精密磨削的关键技术之一.电镀镍钴合金硬度和强度高,是理想的超硬磨料砂轮结合剂;但同时也导致砂轮修整困难.为此对镍钴合金镀层的电解修整机理进行了研究.首先,根据标准电极电位的理论分析了镍钴合金电解修整的可行性;然后,采用电化学分析仪测试了镍钴合金镀层在NaNO3溶液中的极化曲线,表明极化曲线存在钝化区;最后,进行了电解修整镍钴合金镀层CBN砂轮试验,结果表明对于2V和5V的电解修整电压,较高的电解电压有利于电镀镍钴合金超硬磨料砂轮电解修整.

关键词:镍钴合金镀层;电镀砂轮;电解修整;超硬磨粒

中图分类号:TG706文献标志码:A

文章编号:1000-8608(2012)02-0197-06

0 引 言

电镀超硬磨粒砂轮广泛应用于难加工材料磨削等领域,特别是在高速与超高速磨削中占有主导地位[1].然而,大部分传统电镀超硬磨粒砂轮磨粒仅为单层,不可修整,无法通过修整消除砂轮形状误差;砂轮最终精度过度依赖于基体和安装精度,特别是精密和超精密加工用砂轮磨粒非常细小,对电镀砂轮形状和安装精度要求非常苛刻.多层电镀超硬磨粒砂轮可以通过修整解决以上问题,发挥传统电镀砂轮优势,然而阻碍其推广应用的难点之一是缺乏相应的砂轮修整技术.

由于电镀砂轮结合剂常采用镍及其合金镀层,采用磨削修锐法等接触式方法存在磨粒损耗严重、效率低的问题.非接触式修整方式如EDM(放电修整)效率低且设备难以与磨床整合[2];激光修锐技术主要适用于树脂或青铜结合剂砂轮[3],对镍基金属难以实现;ELID(在线电解修整)技术已成功用于金属结合剂砂轮修整,然而,其原理是修整过程中达到砂轮表面生成钝化膜与钝化膜被机械刮除去除的平衡,去除效率较低,主要适用于细粒度和超细粒度超硬磨粒砂轮[4~6];且砂轮结合剂多为铸铁、青铜等金属,未见报道用于镍及其合金镀层的砂轮修整.

镍钴合金镀层耐磨性和耐蚀性都优于纯镍镀层,是电镀砂轮最常用的结合剂之一.本文以电镀镍钴合金CBN砂轮为例,对镍钴合金镀层超硬磨粒砂轮的电解修整机理进行研究.

1 电解修整的理论基础与测试分析

1.1 理论基础

砂轮的使用对形状精度和磨粒出刃高度有很高的要求,在镍钴合金镀层砂轮的电解修整中,为了保证金属结合剂的均匀去除,选择镍基合金精密电解加工中常用的以NaNO3溶液为主要成分的电解液.根据电化学理论,标准电极电位的高低,决定了在一定条件下对应金属离子参与电极反应的顺序[7].在阳极一侧可能的电极反应及相应的标准电极电位值为:

 


 

 


 

1.2 镍钴合金镀层阳极极化曲线测试

研究镍钴镀层的电解修整,最关心的是阳极极化过程及其特征.为此,测定镍钴合金镀层在NaNO3溶液中的极化曲线考察其阳极极化特征.试样是用C45钢作为基体,在如表1所示电镀液和电镀工艺规范操作下电镀沉积约0.5mm的镍钴合金镀层.切割制成镀层尺寸为1mm×1mm的小方块,连接导线后其他表面用环氧树脂密封,镀层用600目、1 000目、1 500目砂纸逐级抛光,用丙酮擦拭后备用.

 


 

采用Parastat 2273型电化学工作站测量镀层在质量分数为6%的NaNO3溶液中的极化曲线.环境温度约为21℃,所有溶液均使用去离子水配制.电极系统为三电极体系,工作电极为待测合金镀层,参比电极为饱和甘汞电极(SCE),辅助电极为铂电极(2mm×2mm×0.3mm).测量极化曲线的参数设定为起始电位-0.1V,终止电位1.8V,扫描速度为5mV/s.

图1是测得的镍钴合金镀层在6%的NaNO3溶液中的极化曲线,随着扫描电位从0到约1.3V(本节所述电位均为相对SCE),阳极极化曲线出现了典型的钝化区(约0.3V至0.7V),在此阶段合金表面被氧化生成钝化膜;钝化膜形成之后阻碍了反应的进一步进行,因此0.7V至1.3V电流密度基本为零;而电位高于1.3V以后(超钝化区),氧化膜被击破,电流密度随着电位的提高明显增加,镍钴合金发生阳极溶解反应,电解修整中电压应该处在此区域.

 


 

因此,极化曲线测试分析表明,电镀镍钴合金镀层在6%的NaNO3溶液中存在明显钝化区,电解修整中加工面对应大电流密度而被高速溶解;而非加工面则对应电流密度低,即相应处于极化曲线的钝化状态,由于得到保护而不被加工,这对于提高砂轮表面镀层的平整性和精度具有重要的实际意义.

2 电解修整试验装置与方法

电镀砂轮样件为环形工作面(外径54mm,内径30mm),采用表1所示的镀液与操作条件,磨粒为140/170目CBN,复合电镀工艺参数与常规电镀工具制备工艺基本相同[8],采用埋砂法逐层上砂.电镀3层磨粒,最后砂轮表面镀层特意加厚至磨粒被埋没,以便于考察电解修整效果.为了获得砂轮表面磨粒随修整时间的变化规律,将砂轮切割成小块试样安装到主轴上,每隔30min取下一块试件清洗烘干后以备观测.

图2为电镀多层CBN磨粒砂轮电解修整试验示意图.试验装置为自研制,采用无级调速电机带动主轴低速旋转,主轴是磨床用精密主轴,并用千分尺装置调整阴极和阳极之间间隙;电解液主要成分是质量分数为6%的NaNO3溶液,电解液经隔膜泵以2.0L/min的流速喷射到砂轮与阴极之间.采用紫铜作为固定式阴极,初始修整间隙为0.3mm,修整电压分别为2V和5V.采用Keyence VHX-600E超景深显微镜分别观测磨粒顶端和结合剂表面,记录高度差值即为实测磨粒出刃高度值,采用Quanta 200扫描电镜对修整后砂轮表面形貌进行观测.

 


 

3 结果与分析

3.1 电解修整电压对磨粒出刃高度的影响

图3显示了在不同修整电压下,磨粒的出刃高度h随修锐时间的变化规律.当修整电压为2V时,磨粒出刃高度随修锐时间的增加变化不明显,基本没有金属结合剂的去除.主要原因是,电解液采用钝性的NaNO3溶液,当阴阳极间的电压未达到超钝化电压时,阳极基本呈钝化状态,表面生成氧化膜对金属形成保护,氧化膜未去除则镍钴合金不能发生阳极溶解反应.

而当电解电压为5V时,砂轮表面结合剂金属处于超钝化状态,镍钴合金处于活化溶解状态.随着电解修锐时间的增加,磨粒渐渐露出金属表面,出刃高度不断增加.当修锐时间达到120min时,磨粒平均出刃高度达到42μm,而此粒度CBN磨粒平均直径为98μm,平均出刃高度占磨粒粒径42.9%,符合常规电镀砂轮磨粒出刃高度要求.

 


 

3.2 不同电解修整电压下的砂轮表面形貌

当电解电压为2V时,根据磨粒出刃高度随修锐时间的变化规律可以判断主要是发生钝化反应,金属表面生成致密氧化膜阻止了电解溶解反应的进行.而由于金属镀层表面总是难免有针孔和裂纹等缺陷,容易在局部发生点蚀,如图4为试样表面典型点蚀照片.

 


 

图5和6为电解修整电压分别为2V与5V的砂轮样件表面形貌扫描电镜图片.从图5(b)、(c)、(d)可以明显看到在电解电压为2V时,镍钴合金试样表面覆盖有一层颜色较深的物质及附着碎片(图5(c)框内及边缘白色起皮物质),据此分析认为是生成的阳极氧化膜.而从图6可以看到,电解电压为5V的试样表面不再是最初电镀产生的光滑表面.在高倍显微照片上,可清晰看到表面被溶解去除形成微小凹坑和小孔.

 


 

3.3 电解历程中砂轮表面形貌观察与分析

通过扫描电镜观察修整前的砂轮试样(图7)及在电解电压5V下每修整30min的试样(图8~10和图6).从一系列图片的对比可以清楚地看到,在电解电压为5V时,随着时间的推移,镍钴合金结合剂电镀砂轮表面由最初电镀形成的具有堆积隆起、晶界裂纹的表面,高点被溶解去除(见图8(b)、(c)所画框),最初电镀形成的低洼处的金属在修整初期几乎无溶解小孔,而凹坑外腐蚀孔的分布明显稠密.可用镍钴合金的电化学极化曲线解释,电解中低洼处离子交换性较差、电位较低而处于钝化区,金属被氧化膜保护.

 


 

随着电解时间增加到60min,结合剂表面溶解小坑不断累积交错,最初较大的低洼的底部也开始出现溶解小孔,见图9(c).结合剂金属被逐渐溶解去除,磨粒裸露高度不断增加.值得注意的是,从图9、10和图6中观测磨粒周围发现,金属结合剂没有出现集中腐蚀,电镀形成的晶界处也没有出现优先腐蚀形成大的裂纹,这对于修整后的超硬磨料砂轮保持与传统单层电镀砂轮相近的结合强度具有重要的实际意义.

以上证据表明,采用质量分数为6%的NaNO3溶液电解修整多层磨粒镍钴合金结合剂电镀砂轮的机理是:采用钝性电解液,电解修整电压高于镍钴合金钝化电压时,离阴极近的镍钴合金金属被溶解,距离远的金属生成钝化膜被保护,镍钴合金金属被均匀电解去除而逐渐露出磨粒,且未发生磨粒周围金属优先腐蚀而破坏磨粒把持强度的现象.

4·结 论

(1)标准电极电位的理论分析表明镍钴合金镀层电解修整的阳极溶解反应可行,且钴比镍的优先反应不明显,电解修整中镍钴合金基本均匀溶解;

(2)对镍钴合金镀层在6%的NaNO3溶液中的极化曲线测试分析表明,阳极极化曲线在0.3V(vs.SCE)至0.7V(vs.SCE)出现了典型的钝化区,电位高于1.3V(vs.SCE)为超钝化区,对实际电解修整中提高砂轮表面的平整性和精度有利;

(3)采用2V的电解电压对多层电镀镍钴合金CBN砂轮修整时,磨粒出刃高度随时间基本不变,表面反应以生成钝化膜为主,局部容易出现点蚀现象;

(4)在5V的电解电压对多层电镀镍钴合金CBN砂轮修整过程中,结合剂金属被均匀溶解,磨粒逐渐露出砂轮表面,经2h修整后磨粒平均出刃高度达到磨粒粒径的42.9%,符合常规电镀砂轮磨粒出刃高度要求;

(5)采用5V的电解电压对多层电镀镍钴合金CBN砂轮修整时,镍钴合金镀层表面高点被均匀电化学溶解,低洼处先被保护,随着修整时间的推移而被均匀溶解整平,未发生磨粒周围金属局部集中腐蚀现象,保证了磨粒把持强度与常规电镀砂轮一致.

参考文献:略

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