超聲電沉積制備電火花加工銅電極的研究

摘 要：電極在電火花加工中是影響其加工的質(zhì)量和效率的最主觀因素。在電極材料制備中，人們往往會選擇電沉積法。為使沉積層的質(zhì)量得到進(jìn)一步提高，在電解材料制備過程中引入了超聲場，并采用專業(yè)儀器設(shè)備對電鍍銅層微觀形貌進(jìn)行觀測，測試包括電火花耐電蝕性以及纖維硬度等多項性能。本文結(jié)合銅電極的加工實驗，探討超聲電沉積在銅電極加工中的優(yōu)越性。

關(guān)鍵詞：超聲電沉積;加工電極;微觀結(jié)構(gòu)

為了從根本上改善銅電極加工的質(zhì)量和效率，超聲電沉積法逐漸走進(jìn)了人們的視野。經(jīng)過一系列的實際制備試驗，不難發(fā)現(xiàn)利用超聲電沉積法制備的銅鑄層晶粒更加細(xì)微，質(zhì)地更加均勻，而且致密性也遠(yuǎn)高于其他制備方法下的平均水平;顯微硬度同比增長百分之二十以上;抗電蝕性能提升至一個新的水平;電極的耗損情況也大幅度降低。

1 原理

在特定介質(zhì)中，通過工件和專門工具電極之間進(jìn)行的脈沖性放電，使工件材料局部被瞬間放電產(chǎn)生的瞬時高溫熔化或氣化而蝕除，這種加工方法稱為電火花加工。由于靠放電時所產(chǎn)生的瞬時高溫來實現(xiàn)加工材料特定部分的去除，因此要求所加工的材料具有良好的導(dǎo)電性及熱學(xué)特性，與之相對應(yīng)的材料的強(qiáng)度、硬度等力學(xué)性能便不是非常重要了。正因如此，相比于傳統(tǒng)機(jī)械加工，在高硬度高強(qiáng)度等工材料和具有特殊復(fù)雜結(jié)構(gòu)的工件的加工過程中具有明顯的優(yōu)勢。

電極的加工工藝、導(dǎo)電性能與熱力學(xué)特性是影響電火花加工的加工質(zhì)量和加工效率的重要因素，加工電極的典型方法包括銑削、車削等機(jī)床加工法和粉末燒結(jié)法。利用機(jī)床的機(jī)加工方法誤差較大，精度普遍較低且制造成本高;而粉末燒結(jié)法則會導(dǎo)致加工而成的電極材料孔隙率較高，經(jīng)過燒結(jié)加工的顆粒間的結(jié)合強(qiáng)度較低，會直接影響成品電極的工作性能。相比而言，電沉積法則具有極高的重復(fù)精度與復(fù)制精度，對于具有復(fù)雜型面、微細(xì)紋路等特征的電火花電極的制造具有其他方法無法比擬的優(yōu)越性。

為提高電沉積法的沉積質(zhì)量，將超聲引入電沉積的加工環(huán)節(jié)，利用超聲波的空化效應(yīng)打碎處于正常生長進(jìn)程的晶粒，破壞其凝結(jié)生長的正常進(jìn)程，從而形成更小的晶核，同時因為空化效應(yīng)所產(chǎn)生的高壓可造成瞬時局部過冷化，進(jìn)一步減小了晶核的臨界半徑，最終使形核率大大提高。形核率增大，晶粒生長速度減小，使晶粒沉積物得到了細(xì)化，電沉積的沉積質(zhì)量得到極大提升。

2 流程

實驗對陽極材料以及陰極材料的選取十分嚴(yán)格。本實驗選取了尺寸合適的不銹鋼片作為陰極材料，選取含銅量為99.6%的磷銅板作為陽極材料，選取硫酸銅溶液作為電鑄溶液。具體來說，溶液中硫酸銅的濃度應(yīng)該維持在200-260克每升，硫酸的濃度應(yīng)該維持在60-80克每升，氯離子的濃度應(yīng)該限制在60-70毫克每升。除此以外，還要對其他一些必要數(shù)據(jù)進(jìn)行限定。比如，鍍液的溫度最高不能高于40攝氏度，最低不能低于30攝氏度;電流密度每平方分米不得超過5安培，不得低于3安培;而采用的超聲攪拌裝置，其震動頻率應(yīng)該為30千赫茲，功率為150瓦。此外，為增加精確性，前期需對陰極進(jìn)行反復(fù)清洗、除油以及酸洗等深度清理措施。

電沉積后，可以根據(jù)實際器具準(zhǔn)備情況，選取合適的觀測裝置觀察其微觀形貌，對試樣進(jìn)行封樣處理，進(jìn)行電化學(xué)拋光，并借助光學(xué)鏡像顯微鏡以及適當(dāng)型號的顯微硬度計分別測量其金像微觀結(jié)構(gòu)以及纖維硬度。這期間，要注意對加載質(zhì)量以及加載時間的把控，顯微硬度的結(jié)果取三次測量結(jié)果的平均值。

3 結(jié)果

通過使用超聲電沉積法制備電火花加工銅電極的實驗，發(fā)現(xiàn)超聲作用主要對電沉積銅層微觀組織結(jié)構(gòu)、電沉積同層顯微硬度以及電沉積銅抗電蝕性產(chǎn)生了影響。

3.1 電沉積銅層微觀組織結(jié)構(gòu)

為了清晰展現(xiàn)超聲法對電沉積銅層微觀組織結(jié)構(gòu)的作用狀況，將普通電沉積銅以及超聲電沉積銅兩種沉積模式下的沉積表面進(jìn)行對比。根據(jù)二者相應(yīng)的電子顯微圖以及金相微觀結(jié)構(gòu)圖，不難發(fā)現(xiàn)普通電沉積銅的銅晶粒的尺寸整體來說較大，且形狀不規(guī)律。可見，這些不可避免的存在于晶粒之間或大或小的縫隙，是直接導(dǎo)致晶粒致密性能薄弱的主要因素。相比之下，超聲電沉積銅的晶粒則完美地避免了上述缺陷，不僅晶粒的大小均勻，形狀更加規(guī)范統(tǒng)一，而且致密性也更加可靠。

在使用普通方法進(jìn)行電沉積時，所涉及到的金屬離子會受到擴(kuò)散作用的影響，但是這種擴(kuò)散現(xiàn)象在陰極表面而發(fā)生卻并非順暢無阻，而金屬離子擴(kuò)散難直接導(dǎo)致其成核速度緩慢，最終形成尺寸較大、形狀不規(guī)則的晶粒。引入超聲場制備銅電極，作用效果會大有不同。超聲作用產(chǎn)生的高速微射流使溶液的攪拌作用得到進(jìn)一步加強(qiáng)，對電極表面的清洗能力更加細(xì)致全面，使析氫聚集的氣泡得到快速、有效驅(qū)除，使金屬離子的擴(kuò)散效率得到顯著提升，從而打破了銅晶粒的正常生長模式，生成了體積更小的晶核，制備出的銅晶粒更加細(xì)微均勻。

3.2 電沉積銅層顯微硬度

在不同電流密度下的，經(jīng)過超聲電沉積后得到的成品銅層相比經(jīng)過普通電沉積后得到的成品銅層，其顯微硬度提高了20%以上。

隨著電流密度的增大，銅層的顯微硬度也會逐漸增加。在一般情況下，增大電流密度，陰極極化程度逐漸提高，則陰極過電位也會在一定程度上不斷增大，鍍層結(jié)晶的平均半徑也就會就越來越小。值得關(guān)注的是，晶粒的尺寸及致密性與材料的硬度密切相關(guān)，若晶粒具有越小的尺寸，則材料整體中所含的晶粒邊界總和也就會越多，則材料的硬度值將會越大，材料的致密性也就會越好，硬度值同樣也會越大。由于超聲作用加快了陰極的沉積過程，因而增大了形核機(jī)率，也就會得到平均半徑更加細(xì)小的晶粒以及致密性良好的電沉積成品銅層，硬度顯著提高。

3.3 電沉積銅抗電蝕性

在電火花加工過程中，由于中間級的能量要進(jìn)行分配，所以無論是正極還是負(fù)極都會受到放電能量的影響，工具電極的損耗也就因此而來。但在實際的電火花加工中，電極損耗是導(dǎo)致加工質(zhì)量和加工效率達(dá)不到滿意程度的最關(guān)鍵因素，所以也從電極損耗方面展開了探究。

電極損耗可以依據(jù)其性質(zhì)大致劃分為相對損耗和絕對損耗。由于相對損耗的概念比較模糊，因此相對損耗只作為一項參數(shù)用來比對工具電極耐損耗的程度，通常情況下用絕對損耗與加工速度的百分比來計算，其結(jié)果更為精準(zhǔn)、更符合實際損耗情況。在實際運(yùn)算中，分別對加工前、加工后被加工的工件、電極進(jìn)行準(zhǔn)確稱重，求出工件、電極加工前、后的重量差，分別除以各自的密度，得出其各自的體積，電極的體積與被加工工件的體積之比即為相對電極損耗率。在計算時務(wù)必注意，處于分子位置的是電極的質(zhì)量與密度之比，處于分母位置的則是工件的質(zhì)量與密度之比。

實驗選取了45鋼材質(zhì)的工件作為超聲電沉積法的材料，以煤油為工作液介質(zhì)對其進(jìn)行負(fù)極性加工。實驗顯示，在參數(shù)未發(fā)生改變的前提下，無論是普通電沉積銅法還是超聲電沉積銅法，其電極相對損耗率都會隨著脈寬的增加而下降。尤其是在14.2安培的峰值電流、75福特的基準(zhǔn)電壓以及10微秒的脈沖間隔的數(shù)據(jù)下，超聲電沉積銅的電極損耗率幾乎要比普通電沉積銅的電極損耗率低出20%。電火花加工中，材料的耐蝕性與微觀結(jié)構(gòu)是放在一起考慮的，銅晶粒越是粗大，那么這種材料在加工中被熔化或者氣化的可能性也就越高，所產(chǎn)生的電極相對損耗也就越大;反之，其電極相對損耗率越小，電加工性能就越高。

4 結(jié)論

在超聲持續(xù)作用下的超聲電沉積法和普通電沉積法所得到銅電極材料表面均為晶面擇優(yōu)取向，超聲電沉積所得成品銅層的擇優(yōu)取向程度比普通電沉積所得銅層更高，并且隨著電沉積時間的不斷增加，所得電沉積成品銅層厚度越厚，其表面晶粒擇優(yōu)取向程度也越發(fā)明顯。

晶粒平均半徑與顯微硬度成反比，隨著電沉積銅層內(nèi)部的晶粒平均半徑減小，其顯微硬度也會顯著增高，較普通電沉積銅層提高了五分之一。

5 結(jié)語

電火花銅電極材料的微觀結(jié)構(gòu)與其耐腐蝕性密切相關(guān)，銅晶生長越致密、粒結(jié)晶越細(xì)，則銅電極損耗越低、電加工性能越好。較普通電沉積銅而言，超聲電沉積銅的電極損耗率更低，具有更為廣闊的發(fā)展前景。因此，在未來的行業(yè)發(fā)展中，超聲電沉積制備電火花加工銅電極的研究力度應(yīng)該進(jìn)一步加大。

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基金項目：2018-GXJSK-6113，2018年天水市科技支撐項目

作者簡介：閆宮君（1978-），男，漢族，甘肅天水人，助理實驗師，主要從事數(shù)控加工及設(shè)備維護(hù)教學(xué)、研究工作。