崔仲鳴，陳青秋，赫青山，王靜靜，馮創(chuàng)舉

（河南工業(yè)大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，鄭州 450007）

0 引言

電鍍金剛石工具是采用電沉積方法，以鎳或鎳鈷合金為結(jié)合劑將金剛石固定在鋼基體表面形成的金剛石砂輪、修整工具或其他金剛石工具。由于它具有制造工藝簡(jiǎn)單、可以制造復(fù)雜形面工具和可以獲得很高的制造精度等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于成形磨削、砂輪修整、硬脆材料加工等領(lǐng)域。

在電鍍金剛石工具制造過程中，鍍層的機(jī)械性能好壞是決定金剛石工具性能的主要因素，高強(qiáng)度鍍層可以牢固地把持住金剛石磨粒，從而提高工具的強(qiáng)度、精度和增加使用壽命。電鍍金剛石工具鍍層主要采用鎳鈷合金復(fù)合鍍層，這種鍍層具有較高的硬度、組織致密、結(jié)合力強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)。常用的鍍液有鎳和鎳鈷合金鍍液，鍍鎳溶液中應(yīng)用最廣泛的就是瓦特型鍍鎳液，它是由O．P．Watts在1916年提出的，它的提出也使鍍鎳工藝進(jìn)入工業(yè)化階段[1]。瓦特型鍍鎳鍍液是有硫酸鎳、氯化鈉、硼酸三種基本成分組成；其他類型的鍍鎳液都是在瓦特型鍍鎳液的基礎(chǔ)上根據(jù)需要變化得到的。鎳鈷合金鍍液就是在瓦特型鍍鎳液中加入少量的鈷鹽變化而來的。在鍍液中加入鈷鹽后，會(huì)使鍍變得層細(xì)致、平整、硬度較高，并有良好的耐磨性和化學(xué)穩(wěn)定性。

目前，對(duì)鎳鈷合金鍍層的性能的研究取得了許多成果，如河南農(nóng)業(yè)大學(xué)李云東[2]和浙江工貿(mào)職業(yè)學(xué)院的牛麗媛[3]等人納米鎳鈷合金鍍層進(jìn)行了研究，北京科技大學(xué)的趙廣宏[4]研究了鍍液成分對(duì)等離子電沉積鎳鍍層的影響，中國(guó)地質(zhì)大學(xué)的潘秉鎖[5]等人稀土元素的對(duì)鎳鈷合金鍍層性能的影響。但對(duì)鍍層的機(jī)械強(qiáng)度對(duì)鎳鈷金剛石復(fù)合鍍層的性能影響研究的比較少。本文針對(duì)由于鍍層機(jī)械強(qiáng)度不好造成金剛石磨粒結(jié)合不牢、影響制造質(zhì)量問題，采取正交實(shí)驗(yàn)方法，對(duì)不同成分鍍液電沉積獲得試樣進(jìn)行機(jī)械性能評(píng)價(jià)，分析研究鍍液主要成分對(duì)鎳鈷合金鍍層機(jī)械性能的影響，獲得機(jī)械性能優(yōu)異的鍍層，為提高電鍍金剛石工具的制造水平做了有益的嘗試。

1 試驗(yàn)方法

1.1 試驗(yàn)原理與試樣制備

金屬材料的機(jī)械性能主要指標(biāo)是強(qiáng)度和硬度，對(duì)于電鍍金剛石工具，良好的鍍層應(yīng)具有高的機(jī)械強(qiáng)度和硬度。因此本試驗(yàn)把抗拉強(qiáng)度和硬度作為評(píng)價(jià)鍍層機(jī)械強(qiáng)度的指標(biāo)，通過對(duì)不同鍍液成分配比的電鍍液鍍出試件進(jìn)行抗拉強(qiáng)度拉伸和強(qiáng)度檢測(cè)，來分析鍍液成分對(duì)鍍層機(jī)械性能的影響。

試件的制作是依照國(guó)標(biāo)GB/T 228.1-2010，金屬材料室溫拉伸試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)，附錄B厚度0.1mm～3mm薄板使用的試件類型標(biāo)準(zhǔn)來確定[6]。試樣的原始寬度為10mm，頭部寬度選為15mm，試樣頭部與平行長(zhǎng)度過渡半徑定為35mm，平行長(zhǎng)度確定為34mm，標(biāo)準(zhǔn)試樣尺寸如圖1所示。試件的制作是采用在鋁材基板上電鑄上需要厚度的試驗(yàn)鍍層，然后將鋁材基板用化學(xué)方法溶除，再通過機(jī)械加工制得標(biāo)準(zhǔn)試件。制作的標(biāo)準(zhǔn)試樣如圖2所示。

圖1 試驗(yàn)尺寸

圖2 制作的標(biāo)準(zhǔn)試樣照片

1.2 試驗(yàn)因素選取和試驗(yàn)方案

鎳鈷鍍液的組成成分為硫酸鎳、硫酸鈷、氯化鈉、硼酸和添加劑。其中主鹽硫酸鎳、硫酸鈷的濃度對(duì)鍍層的影響是最大的，硼酸是緩沖劑，能夠使溶液遇到酸堿時(shí)，PH值變化幅度減小，對(duì)PH的變化起到減緩的作用；添加劑由潤(rùn)濕劑、光亮劑組成，潤(rùn)濕劑作用是減少針孔和麻點(diǎn)的產(chǎn)生，光亮劑是提高陰極極化作用，對(duì)鍍層起到整平作用。

影響鍍層機(jī)械強(qiáng)度和硬度的主要鍍液成分是硫酸鎳、硫酸鈷[7,8]。我們選取硫酸鎳、硫酸鈷、氯化鈉和添加劑為實(shí)驗(yàn)因素，采用正交試驗(yàn)的方法來研究鍍液主要成分對(duì)精密鍍層機(jī)械性能的影響。

試驗(yàn)電鍍液的基本配比：硫酸鎳220g/L～320g/L，硫酸鈷10g/L～30g/L，氯化鈉10g/L～20g/L，硼酸30g/L，添加劑。

根據(jù)正交試驗(yàn)方案[9,10]，我們選取四因素三水平正交表（L934）。根據(jù)電鍍液成分基本配比確定試驗(yàn)因素的水平，考慮到我們只做三個(gè)因素的試驗(yàn)，故把因素水平表的最后一列刪去，得到因素水平表如表1所示；各因素水平正交試驗(yàn)方案組合如表2所示。

表1 因素水平表

表2 選用的因素水平正交表

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 試驗(yàn)數(shù)據(jù)與處理

根據(jù)正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)，進(jìn)行了9組不同鍍液成分配方實(shí)驗(yàn)。每組實(shí)驗(yàn)制作4個(gè)試件進(jìn)行拉伸強(qiáng)度和硬度測(cè)試，取其算術(shù)平均值作為評(píng)價(jià)指標(biāo)。各組試驗(yàn)組合和制得試件的抗拉強(qiáng)度和硬度進(jìn)行測(cè)試結(jié)果如表3所示。

表3 試驗(yàn)方案及試驗(yàn)結(jié)果表

采用極差法對(duì)表3測(cè)得的試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，處理結(jié)果如表4所示。極差R的大小反映了試驗(yàn)中各因素作用的大小。極差大表明該因素對(duì)指標(biāo)的影響大，通常為主要因素；極差小表明該因素對(duì)指標(biāo)影響小，通常為次要因素。

表4 各因素各水平的指標(biāo)以及極差

從表3可以看出，根據(jù)極差的大小，對(duì)于，鍍液成分各因素對(duì)鎳鈷合金鍍層的抗拉強(qiáng)度影響的主次順序?yàn)椋毫蛩徭嚕韭然c＞硫酸鈷；鍍液成分各因素對(duì)鎳鈷合金鍍層的硬度影響的主次順序?yàn)椋毫蛩徕挘玖蛩徭嚕?氯化鈉。

2.2 硫酸鎳濃度對(duì)鍍層抗拉強(qiáng)度和硬度的影響

硫酸鎳濃度對(duì)鍍層抗拉強(qiáng)度影響趨勢(shì)如圖3所示，從圖中可以看出硫酸鎳濃度從220g/L～270g/L，鍍層的抗拉強(qiáng)度呈上升趨勢(shì)；硫酸鎳濃度從270g/L～320g/L，鍍層的抗拉強(qiáng)度呈下降趨勢(shì)；硫酸鎳濃度在270g/L時(shí)，鍍層的抗拉強(qiáng)度最大為651MPa。鍍層硬度隨硫酸鎳濃度的變化趨勢(shì)如圖4所示，隨著硫酸鎳濃度的增加，鍍層的硬度先增大后減小，在硫酸鎳濃度為270g/L時(shí)，鍍層硬度最高為39HRC。

圖3 硫酸鎳濃度對(duì)鍍層抗拉強(qiáng)度的影響

圖4 硫酸鎳濃度對(duì)鍍層硬度的影響

硫酸鎳作為鎳鈷硫酸鍍液中的主鹽，作用主要是向陰極提供鎳離子，含量大概在200g/L～300g/L這個(gè)范圍內(nèi)。在硫酸鎳濃度超過270g/L時(shí)，鍍層的抗拉強(qiáng)度和硬度降低的原因可能是由于隨著硫酸鎳濃度的提高，晶核的形成速度降低，形成粗大結(jié)晶鍍層而導(dǎo)致的。

2.3 硫酸鈷濃度對(duì)鍍層抗拉強(qiáng)度和硬度的影響

鍍層抗拉強(qiáng)度隨硫酸鈷濃度的變化趨勢(shì)如圖5所示從圖中可以看出：隨著硫酸鈷濃度的增加，鍍層的抗拉強(qiáng)度總體上是先增加再減小的趨勢(shì)，變化幅度為15MPa，影響不是很大，在硫酸鈷濃度為20g/L時(shí)，鍍層抗拉強(qiáng)度最大為578MPa。鍍層硬度隨硫酸鈷濃度的變化趨勢(shì)如圖6所示，隨著硫酸鈷濃度的增加，鍍層的硬度總體上呈增加趨勢(shì)，在硫酸度含量從10g/L～20g/L時(shí)鍍層硬度增加的比20g/L～30g/L時(shí)增加的速度快。這可能是由于隨著硫酸鈷濃度的增加，晶粒變細(xì)，使鍍層硬度增加，具有較好的性能。相關(guān)資料顯示：如果鍍層合金中鈷含量過高，超過30%時(shí)，產(chǎn)生很大鍍層內(nèi)應(yīng)力，可以引起龜裂和起皮脫落現(xiàn)象，對(duì)電鍍金剛石工具的精度有影響，因此，硫酸鈷濃度不宜太高，應(yīng)綜合各因素考慮。

圖5 硫酸鈷濃度與鍍層抗拉強(qiáng)度的關(guān)系

圖6 硫酸鈷濃度與鍍層硬度的關(guān)系

2.4 氯化鈉濃度對(duì)鍍層抗拉強(qiáng)度和硬度的影響

鍍層抗拉強(qiáng)度隨氯化鈉濃度的變化趨勢(shì)如圖7所示，隨氯化鈉濃度增加鍍層的抗拉強(qiáng)度呈先下降后升趨勢(shì)；硫酸鎳濃度在15g/L時(shí)，鍍層的抗拉強(qiáng)度最小為518MPa。鍍層硬度隨氯化鈉濃度的變化趨勢(shì)如圖8所示，從圖8可以看出：氯化鈉的含量對(duì)鍍層的硬度沒有太大的影響，鍍層的硬度基本上都維持在37HRC。

圖7 氯化鈉濃度與鍍層抗拉強(qiáng)度的關(guān)系

圖8 氯化鈉濃度與鍍層硬度的關(guān)系

3 結(jié)論

對(duì)于組成成分為硫酸鎳、硫酸鈷、氯化鈉、硼酸和添加劑的鎳鈷合金鍍液，鍍液成分各因素對(duì)鎳鈷合金鍍層的抗拉強(qiáng)度影響的主次順序?yàn)椋毫蛩徭嚕韭然c＞硫酸鈷；鍍液成分各因素對(duì)鎳鈷合金鍍層的硬度影響的主次順序?yàn)椋毫蛩徕挘玖蛩徭嚕韭然c。

硫酸鎳是鍍液中主鹽，對(duì)鍍層的影響最大，濃度過高或過低都會(huì)影響鍍層的機(jī)械性能。硫酸鈷的含量主要影響Ni-Co合金中鈷的含量，Co的含量增加會(huì)使鍍層硬度增加，但過量的鈷會(huì)產(chǎn)生鍍層內(nèi)應(yīng)力，影響產(chǎn)品質(zhì)量。氯化鈉作為鍍液的附加鹽，含量對(duì)鍍層的抗拉強(qiáng)度影響較大，對(duì)硬度的影響很小。

對(duì)于鍍層的抗拉強(qiáng)度而言，鍍液最優(yōu)工藝配方為：硫酸鎳270g/L、硫酸鈷20g/L、氯化鈉10g/L，硼酸30g/L，添加劑；對(duì)于鍍層的硬度而言，鍍液最優(yōu)工藝配方為：硫酸鎳270g/L、硫酸鈷30g/L、氯化鈉20g/L，硼酸30g/L，添加劑。綜合抗拉強(qiáng)度和硬度最優(yōu)鍍液配方為：硫酸鎳270g/L、硫酸鈷20g/L、氯化鈉10g/L，硼酸30g/L，添 加劑。

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