电火花加工用铜基镍-氧化铝复合电极的制备及性能

赵成龙，李志永*，臧传武，路文文，王钦强

（山东理工大学机械工程学院，山东 淄博 255049）

【工艺开发】

电火花加工用铜基镍-氧化铝复合电极的制备及性能

赵成龙，李志永*，臧传武，路文文，王钦强

（山东理工大学机械工程学院，山东 淄博 255049）

以纯铜棒为基体，采用复合电镀技术制备了 Ni-Al2O3复合电极。镀液组成和工艺条件为：NiSO4·6H2O 250 ～ 300 g/L，NiCl2·6H2O 40 ～ 50 g/L，Al2O310 ～ 60 g/L，H3BO335 ～ 40 g/L，十二烷基硫酸钠0.05 g/L，pH 3 ～ 4，阴极平均电流密度2 ～ 6 A/dm2，温度30 ～ 70 °C，时间3 h。分析了镀液中Al2O3颗粒添加量、温度和阴极电流密度对Ni-Al2O3复合镀层Al2O3含量、均匀性和显微硬度的影响。分别以 Ni-Al2O3复合电极和纯铜电极为工具，对 W7Mo4Cr4V2Co5高速钢进行电火花加工(EDM)试验。在 Al2O3添加量30 g/L、阴极电流密度3 A/dm2、温度50 °C的条件下，所得镀层厚度为100 μm，Al2O3颗粒体积分数为14.48%，显微硬度为434.72 HV，综合性能最佳。Ni-Al2O3复合电极在EDM试验中的相对质量损耗约为纯铜电极的1/5，抗电蚀性更优。

镍；氧化铝；复合电极；电火花加工；抗电蚀性

First-author’s address:School of Mechanical Engineering, Shandong University of Technology, Zibo 255049, China

电火花加工是靠放电点放电时产生的瞬时高温来熔化、气化局部金属[1]。电火花加工中常用的电极材料是紫铜。紫铜电极拥有优良的导电性，但由于其熔点(1 083 °C)较低，在加工过程中易损耗而形成圆角，使加工效率和加工精度降低。相比较而言，镍具有较高的熔点(1 455 °C)，并且具有较高的比热容，在升高同样的温度时需消耗更高热量。在产生的热量相同时，Ni熔化抛出的成分较紫铜少，这就有效减少了电极的损耗。因此，镍非常适合充当电火花电极材料。若在铜电极表面电镀镍层，使电极表面覆盖一层抗电蚀的“外衣”，则能有效降低电极材料的损耗率。氧化铝具有化学性能稳定、导热系数高、热膨胀系数小、耐磨性好、熔点高和硬度高的特性。若利用电镀工艺将微粒Al2O3和Ni电镀到电火花紫铜电极外表面得到Ni-Al2O3复合镀层，则电极不仅拥有紫铜的强度及导电性，而且具有Ni-Al2O3复合镀层的优良热学性能，可使电极损耗明显降低。

为了探寻提高电火花电极材料抗电蚀性能的工艺和方法，本文将 Al2O3颗粒应用于镍电镀中制备了不同Al2O3含量的Ni-Al2O3复合镀层，分析了颗粒添加量、平均电流密度和电镀液温度对复合镀层Al2O3颗粒含量和显微硬度的影响，并通过EDM加工试验着重对比研究了该复合镀层和纯铜电极的抗电蚀性能。

1 实验

1. 1 电极材料预处理

阴极采用直径为6 mm、长60 mm的纯铜棒，阳极采用镍板(纯度≥99%)，阴、阳极面积之比为1∶3，极间距为30 mm。

电镀前，先用2 000目砂纸打磨纯铜电极表面去除划痕和污垢，然后依次进行洗涤、除油(Na3PO470 g/L，Na2CO350 g/L，NaOH 10 g/L)；阳极用盐酸进行表面活化。

1. 2 电镀Ni-Al2O3复合镀层

NiSO4·6H2O 250 ～ 300 g/L

NiCl2·6H2O 40 ～ 50 g/L

Al2O3(粒径1 μm，纯度99.99%) 10 ～ 60 g/L

H3BO335 ～ 40 g/L

十二烷基硫酸钠(SDS) 0.05 g/L

电流密度 2 ～ 6 A/dm2

pH 3 ～ 4

温度 30 ～ 70 °C

时间 3 h

所用试剂均为分析纯，镀液用去离子水配制。采用 WYK-3010直流稳压电源(广东易事特电源股份有限公司)，并配以转速可控的JB-1型数显温控磁力搅拌器(金坛市双捷实验仪器厂)进行搅拌和控温。

为使Al2O3颗粒能够充分润湿并均匀分散于镀液中，试验前先采用SK2210HP型超声清洗仪(上海科导超声仪器有限公司，频率53 kHz，功率100 W)超声搅拌30 min，再磁力搅拌1 h。

1. 3 性能表征

1. 3. 1 形貌和Al2O3含量

采用荷兰FEI公司生产的Sirion 200扫描电镜(SEM)观察试样的表面形貌。选用德国蔡司生产的Axio Lab.A1生物荧光相差显微镜检测复合镀层中氧化铝的分布情况，不同组分在生物荧光相差显微照片中会显示不同的颜色，因此采用其附带的软件分析照片中不同颜色占的面积百分比，便可估算出Al2O3的体积分数。

1. 3. 2 显微硬度

采用日本FUTURE-TECH公司生产的FT触摸屏FM800显微硬度计检测，载荷为50 g，加载时间是15 s，每个试样在不同位置测5次，取平均值。

1. 3. 3 抗电蚀性能

采用DM71精密电火花成型机(常州诚品机电有限公司)对比研究了Ni-Al2O3复合电极和纯铜电极的抗电蚀性能。试验工件为W7Mo4Cr4V2Co5高速钢。为了试验的一致性，在高速钢上加工了1个深10 mm的孔。试验前，对直径为6 mm的纯铜电极表面进行电镀，得到Ni-Al2O3复合电极。通过改变镀液的Al2O3添加量和平均电流密度，共制备了9种Ni-Al2O3复合材料电极。

为了提高对比度，采用较高的电规准，选用负极性加工，具体加工参数为：加工电压45 V，脉冲峰值电流4.5 A，脉冲宽度15 μs，脉冲间隙3 μs，单边侧面放电间隙25 μm，两次抬刀加工时间4 μs。电火花抗电蚀加工试验照片见图1。

按式(1)计算电极损耗率θ：

式中，m1q和m1h分别为工具电极材料EDM加工前和加工后的质量(g)，m2q和m2h分别为工件电极材料在EDM加工前和加工后的质量(g)。

图1 Ni-Al2O3复合电极的电火花加工试验照片Figure 1 Photos showing electrical discharge machining test with Ni-Al2O3composite electrode

2 结果与讨论

2. 1 Al2O3添加量对复合镀层的影响

当平均电流密度为3 A/dm2，温度为50 °C时，Al2O3添加量对复合镀层Al2O3含量和显微硬度的影响见图2。从中可知，当Al2O3添加量较低时，复合镀层的Al2O3含量也相对较低；随着Al2O3添加量的增大，复合镀层中Al2O3含量快速增大，显微硬度迅速提高，在添加量为30 g/L时达到最高，随后继续增大镀液的Al2O3添加量，复合镀层Al2O3含量反而呈小幅下降趋势，显微硬度也快速降低。

图2 镀液中Al2O3颗粒添加量对复合镀层中Al2O3含量和显微硬度的影响Figure 2 Effect of the dosage of Al2O3particles in bath on Al2O3content and microhardness of the composite coating

分析认为，当电镀液中Al2O3添加量增加时，单位时间内通过搅拌作用输送到阴极表面的颗粒数量增多， 颗粒进入镀层的概率就越大，镀层中 Al2O3含量随之增大，同时复合镀层的显微硬度提高。但当电镀液中 Al2O3质量浓度增大到30g/L后，复合镀层中Al2O3含量小幅降低，原因有两点：第一，颗粒因团聚及相互碰撞增多，向阴极移动的速率减慢，导致单位时间内嵌入镀层的Al2O3粒子减少；第二，在阴极表面吸附的颗粒数超过了基体金属的包容能力，大量不导电的颗粒团吸附在阴极表面，导致真实电流密度增大，引起过度析氢，阻碍了Al2O3颗粒的镶嵌，最终导致了复合镀层的显微硬度降低[2]。

图3为Al2O3添加量不同时复合镀层的扫描电镜照片，图中黑色片状物体为Al2O3颗粒。由图3可清晰看出不同Al2O3添加量下复合镀层中Al2O3的含量及均匀性。对比图3b和图3c可知，Al2O3添加量为30 g/L时复合镀层中Al2O3含量明显高于60 g/L时，图3c中Al2O3颗粒团聚现象严重。

图3 镀液中Al2O3颗粒添加量不同时所得复合镀层中Al2O3颗粒的分布情况Figure 3 Distribution of Al2O3particles in the composite coatings obtained with different dosages of Al2O3particles in bath

2. 2 平均电流密度对复合镀层的影响

当Al2O3添加量为30 g/L时，平均电流密度对复合镀层Al2O3含量和显微硬度的影响见图4。从中可见，随着平均电流密度的增大，复合镀层的Al2O3含量和显微硬度开始呈增大趋势，在平均电流密度为3 A/dm2时达到最大；此后继续增大平均电流密度，复合镀层的Al2O3含量和显微硬度呈快速下降趋势。

图4 平均电流密度对复合镀层中Al2O3含量和显微硬度的影响Figure 4 Effect of average current density on Al2O3content and microhardness of composite coating

分析认为，平均电流密度较小时，沉积的金属量较少，所能嵌入的颗粒数量也就有限。过电位 η与电流密度j有η = a + blg j的关系，其中a、b为塔菲尔系数，相同金属的a、b值相同。随着电流密度的增大，阴极过电位相应提高，电场力增强，即镀液中镍离子对Al2O3颗粒的包覆能力增强，使单位时间内嵌入镀层的颗粒增多，镀层显微硬度提高。但当电流密度增大到一定值后，镍离子还原速率增大，镍离子的沉积速率远远大于 Al2O3颗粒向阴极移动的速率，镀层中Al2O3含量降低。此外，阴极过电位增大又有可能导致氢气的析出量增多，氢气的冲击也会阻碍Al2O3颗粒与基体金属共沉积[3]。

图5为在不同阴极平均电流密度下制备的复合镀层的扫描电镜照片。由图5可以看出，随着阴极电流密度的增大，复合镀层中Al2O3含量先增多后减少。对比图3b和图5b可知，当Al2O3添加量30 g/L、镀液温度50 °C时，在平均电流密度3 A/dm2和4 A/dm2下所得复合镀层的形貌和Al2O3含量相近，因此选择电流密度为3 A/dm2。

图5 不同电流密度下所得复合镀层中Al2O3颗粒的分布Figure 5 Distribution of Al2O3particles in the composite coatings obtained at different current densities

2. 3 温度对复合镀层的影响

在Al2O3添加量30 g/L、平均电流密度3 A/dm2的条件下，温度对复合镀层Al2O3含量和显微硬度的影响如图6所示。

图6 镀液温度对复合镀层中Al2O3质量分数和镀层显微硬度的影响Figure 6 Effect of bath temperature on Al2O3content and microhardness of composite coating

由图6可见，随着镀液温度的升高，复合镀层的Al2O3含量和显微硬度迅速升高，当温度为50 °C时，镀层中Al2O3的含量达到最高，随着镀液温度再次升高，镀层中Al2O3含量及材料的显微硬度反而迅速降低。

分析认为，在复合电镀过程中，镀液中Al2O3颗粒的热运动会随着镀液温度的升高而加快，其动能相应地增加，这有利于氧化铝粒子向阴极表面的扩散，提高颗粒的复合电沉积速率。镀层中颗粒共沉积量的增加使镀层的硬度增加。但是当温度增大到一定值时，镀液中离子的平均动能较大，导致颗粒表面对溶液中阳离子的吸附能力降低，Al2O3颗粒反而难以吸附在阴极表面，从而不利于基质金属和颗粒的共沉积[4]。

图7为在不同的电镀液温度下制备的复合镀层的扫描电镜照片。从图7a可以看出，温度为30 °C时，复合镀层中的Al2O3很少，对比图7b和图7c可以发现，电镀液温度为50 °C时，复合镀层中Al2O3含量很高，当继续升高温度到60 °C时，复合镀层中Al2O3含量出现小幅降低。

图7 不同液温度下所得复合镀层中Al2O3颗粒的分布Figure 7 Distribution of Al2O3particles in the composite coatings obtained at different temperatures

综上可知，在Al2O3添加量30 g/L、阴极平均电流密度3 A/dm2、电镀液温度50 °C的条件下，复合镀层的显微硬度最高，达到434.72 HV，明显高于电镀镍的213.84 HV。此时用顺丰金SFJ0-12.7mm数显千分测厚规(测量范围0 ～ 12.7 mm，测量精度0.001 mm)测得镀层厚度为100 μm。该复合镀层中Al2O3含量为14.43 %。

2. 4 Ni-Al2O3复合电极的抗电蚀性能

其他工艺参数保持不变，改变镀液的Al2O3颗粒添加量和平均电流密度，得到9种不同的Ni-Al2O3复合电极。分别以纯铜电极和不同Ni-Al2O3复合电极为工具电极，W7Mo4Cr4V2Co5高速钢为工件电极，进行电火花加工试验，结果见表1。

表1 不同条件下所得Ni-Al2O3复合电极的EDM试验结果Table 1 EDM test result of Ni-Al2O3composite electrodes prepared under different conditions

由表1可知，Ni-Al2O3复合电极的抗电蚀性比纯铜电极好。Al2O3添加量为30 g/L、阴极平均电流密度为3 A/dm2时制备的复合电极抗电蚀性最好，EDM试验后电极的相对质量损耗为3.42%。图8所示为该条件下所得Ni-Al2O3复合电极和高速钢工件在EDM试验前后的照片。

图8 EDM试验前后Ni-Al2O3复合电极与高速钢工件的照片Figure 8 Photos of Ni-Al2O3composite electrode and high-speed steel workpiece before and after EDM test编者注：图8原为彩色，请见C1页。

3 结论

(1) 电镀制备Ni-Al2O3复合镀层的最优工艺条件为：NiSO4·6H2O 250 ～ 300 g/L，NiCl2·6H2O 40 ～ 50 g/L，Al2O330 g/L，H3BO335 ～ 40 g/L，十二烷基硫酸钠0.05 g/L，pH 3 ～ 4，阴极平均电流密度3 A/dm2，温度50 °C，时间3 h。此时复合镀层的厚度为100 μm，Al2O3含量为14.43%(体积分数)。

(2) 在最佳工艺条件下，Ni-Al2O3复合镀层的显微硬度为434.72 HV，明显高于电镀纯镍。

(3) 在最佳工艺条件下，Ni-Al2O3复合电极的抗电蚀性最好，其相对质量损耗率是纯铜电极的1/5左右。

[1]郭忠诚, 翟大成, 杨显万. 电沉积CeO2-Ni-W-P-SiC复合镀层组织结构的研究[J]. 电镀与涂饰, 2000, 19 (1)： 5-8.

[2]李忠学. Cr-Al2O3复合镀层的制备与研究[M]. 镇江： 江苏大学, 2006： 18-27.

[3]张欢, 郭忠诚, 韩夏云. 脉冲电沉积RE-Ni-W-P-SiC复合镀层工艺[J]. 机械工程材料, 2004, 28 (7)： 29-34.

[4]冯秋元, 李廷举, 金俊泽. 影响微粒复合沉积的诸因素[J]. 材料保护, 2006, 39 (5)： 35- 39.

[5]CHANG L M, AN M Z, GUO H F, et al. Microstructure and properties of Ni-Co/nano-Al2O3composite coatings by pulse reversal current electrodeposition [J]. Applied Surface Science, 2006, 253： 2132-2137.

[ 编辑：周新莉 ]

Preparation and properties of nickel-alumina composite electrode applied to electrical discharge machining

ZHAO Cheng-long, LI Zhi-yong*, ZANG Chuan-wu, LU Wen-wen, WANG Qin-qiang

A Ni-Al2O3composite electrode was prepared by electroplating with pure copper rod as substrate. The bath composition and process conditions are as follows： NiSO4·6H2O 250-300 g/L, NiCl2·6H2O 40-50 g/L, H3BO335-40 g/L, Al2O310-60 g/L, sodium dodecyl sulfate 0.05 g/L, temperature 30-70 °C, pH 3-4, cathodic current density 2-6 A/dm2, and time 3 h. The effects of Al2O3particles dosage in plating bath, temperature, and cathodic current density on Al2O3content, uniformity, and microhardness of the Ni-Al2O3composite coating were analyzed. The electrical discharge machining (EDM) of high-speed steel W7Mo4Cr4V2Co5was tested using the Ni-Al2O3composite electrode or a pure copper electrode as tool. The composite coating obtained with Al2O330 g/L at temperature 50 °C and cathodic current density 3 A/dm2has a thickness of 100 μm, Al2O3particles content 14.48vol.%, and microhardness of 434.72 HV, showing the optimal comprehensive performances. The relative weight loss of Ni-Al2O3composite electrode during EDM is 1/5 that of the pure copper electrode, indicating that Ni-Al2O3composite electrode has better electrical corrosion resistance.

nickel; alumina; composite electrode; electrical discharge machining; electrical corrosion resistance

TQ153.2

A

1004 -227X (2015) 20 - 1172 - 06

2015-06-04

2015-08-26

山东省自然科学基金（ZR2014EEM038）；山东省自然科学基金（ZR2014EL032）。

赵成龙（1990-），男，山东淄博人，在读硕士研究生，主要研究方向为特种加工。

李志永，教授，(E-mail) lzy761012@sdut.edu.cn。