摘要：電鍍磨料法是制造超硬磨料工具的常用方法，電鍍質(zhì)量直接影響到電鍍超硬磨料工具的壽命和使用性能，而電鍍工藝是影響電鍍質(zhì)量的主要因素。文中首先對(duì)原有的電鍍基礎(chǔ)工藝中鍍前處理及鍍底鎳工序進(jìn)行了改進(jìn)，提出了鍍前處理中增加去毛刺、電化學(xué)除油、陽極處理等過程及鍍底鎳工序中帶電入槽和沖擊電流的一套新的電鍍工藝，并進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，結(jié)果表明：新的工藝增強(qiáng)了鍍層的結(jié)合力，提高了電鍍質(zhì)量；其次實(shí)驗(yàn)研究了電鍍液配方及電流密度、鍍液溫度、pH值等工藝參數(shù)對(duì)電鍍質(zhì)量的影響，并得到了優(yōu)化結(jié)果。
　　
　　關(guān)鍵詞：電鍍工藝；超硬磨料；電鍍液；正交試驗(yàn)
　　
　　1引言
　　
　　電鍍磨料法是1960年代發(fā)展起來的一種新的制造超硬磨料工具的方法。對(duì)于超硬磨料來說，比如金剛石，由于其不可電鍍性，使得電鍍工藝的實(shí)質(zhì)是“電鑄”，其過程是電鍍液金屬離子在陰極獲得電子而沉積在基體上，而后不斷沉積生長(zhǎng)，于是落在基體上面的金剛石磨粒被沉積的粘結(jié)金屬埋鑄起來，形成工具。在電鍍磨料法中電鍍金屬結(jié)合劑單層超硬磨料砂輪應(yīng)用日益廣泛，不僅用其磨削工件表面(特別是成形回轉(zhuǎn)表面)，而且用來修整普通砂輪(此時(shí)稱滾輪)。電鍍質(zhì)量直接決定了電鍍超硬磨料工具的使用性能和使用壽命，金剛石磨粒與基體之間沒有結(jié)合力作用，而僅靠基體與粘結(jié)金屬之間的作用。因此，解決電鍍質(zhì)量的工藝問題，實(shí)質(zhì)上就是解決金屬電鍍工藝問題。使用傳統(tǒng)的工藝，在電鍍過程中經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)鍍層不均勻、結(jié)合強(qiáng)度弱等問題，為此，國(guó)內(nèi)外學(xué)者仍在進(jìn)行電鍍工藝的研究工作。
　　
　　2電鍍工藝分析及其改進(jìn)
　　
　　2.1電鍍基本工藝分析
　　
　　電鍍金屬是利用電解的方法使金屬合金沉積在工件表面上，以形成均勻、致密、結(jié)合力良好的金屬的過程。電鍍必須具備外加直流電源，以及由特定的電鍍液和特定的金屬陽極組成的電鍍裝置。
　　以純鎳作為金屬陽極，鎳鹽為電鍍液，則電鍍粘結(jié)金屬的電極反應(yīng)如下：
　　(1)陽極反應(yīng)：金屬鎳失去電子，變成二價(jià)鎳離子進(jìn)入鍍液，保證了鍍液中鎳離子的正常補(bǔ)充；
　　(2)陰極反應(yīng)：鎳離子從鎳鹽電鍍液中沉積到電鍍基體的工作面上。
　　電鍍液主要由主鹽、導(dǎo)電液、緩沖劑、氯化物和添加劑等五大組成部分。
　　任何一個(gè)完整的電鍍工藝過程一般都包括三個(gè)階段：鍍前處理、電鍍、鍍后處理。采用電鍍法制作單鍍層磨料磨具，工藝路線是：基體鍍前處理→鍍底鎳→上砂(固砂)→鍍裝飾鎳(加厚)。
　　在整個(gè)電鍍過程中，影響電鍍質(zhì)量的因素有：(1)粘結(jié)金屬與基體間的結(jié)合力；(2)電鍍基體的工作面上，鍍層的厚度不均勻和沒有細(xì)致的結(jié)構(gòu)；(3)鍍層沒能達(dá)到規(guī)定的厚度，并且具有一定量的孔隙；
　　影響因素中的第一個(gè)因素就是和鍍前處理有關(guān)，而鍍前處理是最主要的影響因素。日本電鍍界人士統(tǒng)計(jì)過，電鍍層結(jié)合不好，有90%以上是由于鍍前處理不良所致。鍍前處理不良嚴(yán)重影響了電鍍件的使用壽命。由于鍍前處理的每道工序都會(huì)直接影響鍍層質(zhì)量。因此，鍍前處理的每道工序必須嚴(yán)格進(jìn)行。只有這樣，才能獲得均勻性，表面完整性好和結(jié)合力強(qiáng)的鍍層，從而提高電鍍砂輪的使用壽命和加工精度。
　　在鍍前處理方面，國(guó)外目前有專門的酸、堿處理添加劑。大部分的除油、酸洗都采用多次電解處理。另外采用40℃～46℃的低溫除油，而我國(guó)大多在60℃～90℃除油，對(duì)常溫和低溫除油曾引起重視，但未獲得全面推廣應(yīng)用。對(duì)鍍前產(chǎn)品采用機(jī)械研磨和機(jī)械清洗來提高產(chǎn)品質(zhì)量，在我國(guó)還未受重視。
　　
　　2.2電鍍基礎(chǔ)工藝的改進(jìn)
　　
　　為了提高鍍層質(zhì)量，通過對(duì)國(guó)內(nèi)外的電鍍行業(yè)情況的分析和比較，對(duì)鍍前處理工藝流程進(jìn)行改進(jìn)，在原電鍍工藝基礎(chǔ)之上增加去毛刺、電化學(xué)除油、陽極處理等工序，各工序的作用如表1所示。
　　原鍍前處理工藝過程：清洗→化學(xué)除油→酸洗；新鍍前處理工藝過程：去毛刺→清洗→化學(xué)除油→電化學(xué)除油→酸洗→陽極處理。
　　在此采用的鍍前處理工藝，如采用機(jī)械去毛刺、銼磨需鍍部位的方法，改變鍍前基體需鍍部位的表面狀況；進(jìn)行電化學(xué)除油和陽極處理，大大地改交了基體表面的狀態(tài)，提高了鍍液的分散能力和覆蓋能力。對(duì)比實(shí)驗(yàn)表明新的工藝提高了鍍層的均勻性、表面完整性，增強(qiáng)了鍍層的結(jié)合力，可以保證鍍層質(zhì)量。檢測(cè)鍍層結(jié)合力對(duì)比試驗(yàn)結(jié)果如圖1所示。
　　為了保證鍍層與基體結(jié)合良好，除了認(rèn)真完成鍍前處理的各道工序以外，對(duì)于鍍底層的工序也應(yīng)予以重視?；w表面凈化和活化之后，為了避免在電鍍開始前重新生成氧化膜，要盡可能迅速地入槽電鍍，并且最好要采取帶電入槽措施。所謂帶電入槽，就是將預(yù)處理后的基體接電鍍電源的負(fù)極，鍍槽中的鎳陽極接電源正極，在接通電源的情況下，將陰極迅速移入槽中開始電鍍。帶電入槽可以避免出現(xiàn)雙性電極現(xiàn)象，這一現(xiàn)象會(huì)導(dǎo)致鍍件上靠近陰極一側(cè)的表面在通電前發(fā)生陽極反應(yīng)而生成氧化膜。
　　對(duì)于高碳鋼合金鋼等材料制成的基體，以及形狀復(fù)雜、有凹腔和表面粗糙的基體，在電鍍開始時(shí)需要使用沖擊電流，即在剛開始電鍍時(shí)，對(duì)鍍件施加比正常情況下高2～3倍的電流密度，使鍍件表面迅速沉積上一薄層微細(xì)鍍層而后迅速恢復(fù)到正常的電流密度。這樣可使零件表面的鍍層分布均勻和結(jié)合牢固。
　　
　　3電鍍液配方及工藝參數(shù)優(yōu)化
　　
　　3.1電鍍液配方的優(yōu)化
　　
　　鍍液選用鎳鹽為主的溶液，其成分為硫酸鎳、硫酸鈷、氯化鈉、硼酸、糖精、丁炔二醇、十二烷基硫酸鈉。1.4為研究鍍液成分對(duì)電鍍質(zhì)量的影響，采用L9(34)正交表設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，各因素的水平取值如表2所示，以鍍層的結(jié)合強(qiáng)度作為評(píng)價(jià)指標(biāo)，對(duì)鍍液中的主要成份硫酸鎳、硫酸鈷、硼酸，進(jìn)行工藝參數(shù)優(yōu)化。
　　正交實(shí)驗(yàn)安排及結(jié)果如表3所示，通過對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的直觀分析可知，當(dāng)電鍍液成分中硫酸鎳、硫酸鈷、硼酸含量分別為：240G/L、、8G /L40G/L時(shí)，可以獲得較大的鍍層強(qiáng)度。綜合考慮，優(yōu)化電鍍液配方為：硫酸鎳240G/L、硫酸鈷8G/L、硼酸40G/L、氯化鈉15G/L、糖精 1G/L、丁炔二1.4醇0.8G/L、十二烷基硫酸鈉0.8G/L。通過進(jìn)一步實(shí)驗(yàn)證明，該組配方可以獲得理想的鍍層結(jié)合強(qiáng)度。
　　
　　3.2工藝參數(shù)的優(yōu)化
　　
　　在鍍液配方優(yōu)選后，影響結(jié)合劑與基體結(jié)合強(qiáng)度的主要工藝參數(shù)是：電流密度、鍍液溫度和pH值。按三因素三水平進(jìn)行正交設(shè)計(jì)，各因素的水平取值如表4所示，同樣以鍍層的結(jié)合強(qiáng)度作為評(píng)價(jià)指標(biāo)，進(jìn)行工藝參數(shù)優(yōu)化。實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析如表5所示。
　　由表5可看出，對(duì)鍍層結(jié)合強(qiáng)度影響最大的因素是電流密度，這個(gè)因素的極差最大，為7.334，其次為鍍液溫度，最后為鍍液的pH值。在實(shí)驗(yàn)中獲得最大鍍層結(jié)合強(qiáng)度的工藝條件為：電流密度＝0.10kA/m2、鍍液溫度＝70℃、pH值＝4.0。根據(jù)表5中各因素同一水平實(shí)驗(yàn)結(jié)果的均值，以各因素的三個(gè)水平值為橫坐標(biāo)，每個(gè)水平值對(duì)應(yīng)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果的均值為縱坐標(biāo)，做出直觀圖如圖2所示。
　　由圖2可見，電流密度＝0.1kA/m2，鍍液溫度＝70℃，pH值＝4.0均為比較理想的水平，此時(shí)鍍層的結(jié)合強(qiáng)度最大，以上面所分析的結(jié)論是一致的。
　　
　　4結(jié)論
　　
　　本文通過對(duì)原有電鍍基礎(chǔ)工藝的改進(jìn)，增加了去毛刺、電化學(xué)除油、陽極處理等工序，試驗(yàn)表明該工藝增強(qiáng)了鍍層的結(jié)合力，提高了電鍍質(zhì)量。
　　通過對(duì)電鍍液配方及工藝參數(shù)進(jìn)行試驗(yàn)研究得知，電鍍液成分中硫酸鎳、硫酸鈷、硼酸的含量對(duì)電鍍質(zhì)量都有影響，可以獲得最大的鍍層結(jié)合強(qiáng)度的主要電鍍液配方為：硫酸鎳240G/L、硫酸鈷8G/L、硼酸40G/L。而影響鎳鍍層與基體結(jié)合強(qiáng)度的工藝參數(shù)(電流密度、鍍液溫度、pH值)中，電流密度的影響明顯，并且影響變化趨勢(shì)曲線呈極值性變化，當(dāng)電流密度為0.1kA/m2時(shí)鍍層與基體結(jié)合強(qiáng)度獲得最大值，電鍍液溫度與鍍液pH值的影響均呈單調(diào)性變化，可以獲得較大的鍍層結(jié)合強(qiáng)度的電鍍工藝參數(shù)為：電流密度0.1kA/m2、鍍液溫度70℃、pH值4.0。