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袁和平， 高航， 郭東明
(大連理工大學(xué)精密與特種加工教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，遼寧大連 116024)
摘要：修整是多層電鍍超硬磨粒砂輪精密磨削的關(guān)鍵技術(shù)之一.電鍍鎳鈷合金硬度和強(qiáng)度高，是理想的超硬磨料砂輪結(jié)合劑;但同時(shí)也導(dǎo)致砂輪修整困難.為此對(duì)鎳鈷合金鍍層的電解修整機(jī)理進(jìn)行了研究.首先，根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)電極電位的理論分析了鎳鈷合金電解修整的可行性;然后，采用電化學(xué)分析儀測(cè)試了鎳鈷合金鍍層在NaNO3溶液中的極化曲線，表明極化曲線存在鈍化區(qū);最后，進(jìn)行了電解修整鎳鈷合金鍍層CBN砂輪試驗(yàn)，結(jié)果表明對(duì)于2V和5V的電解修整電壓，較高的電解電壓有利于電鍍鎳鈷合金超硬磨料砂輪電解修整.
關(guān)鍵詞：鎳鈷合金鍍層;電鍍砂輪;電解修整;超硬磨粒
中圖分類號(hào)：TG706文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A
文章編號(hào)：1000-8608(2012)02-0197-06
0 引 言
電鍍超硬磨粒砂輪廣泛應(yīng)用于難加工材料磨削等領(lǐng)域，特別是在高速與超高速磨削中占有主導(dǎo)地位[1].然而，大部分傳統(tǒng)電鍍超硬磨粒砂輪磨粒僅為單層，不可修整，無(wú)法通過(guò)修整消除砂輪形狀誤差;砂輪最終精度過(guò)度依賴于基體和安裝精度，特別是精密和超精密加工用砂輪磨粒非常細(xì)小，對(duì)電鍍砂輪形狀和安裝精度要求非常苛刻.多層電鍍超硬磨粒砂輪可以通過(guò)修整解決以上問(wèn)題，發(fā)揮傳統(tǒng)電鍍砂輪優(yōu)勢(shì)，然而阻礙其推廣應(yīng)用的難點(diǎn)之一是缺乏相應(yīng)的砂輪修整技術(shù).
由于電鍍砂輪結(jié)合劑常采用鎳及其合金鍍層，采用磨削修銳法等接觸式方法存在磨粒損耗嚴(yán)重、效率低的問(wèn)題.非接觸式修整方式如EDM(放電修整)效率低且設(shè)備難以與磨床整合[2];激光修銳技術(shù)主要適用于樹(shù)脂或青銅結(jié)合劑砂輪[3]，對(duì)鎳基金屬難以實(shí)現(xiàn);ELID(在線電解修整)技術(shù)已成功用于金屬結(jié)合劑砂輪修整，然而，其原理是修整過(guò)程中達(dá)到砂輪表面生成鈍化膜與鈍化膜被機(jī)械刮除去除的平衡，去除效率較低，主要適用于細(xì)粒度和超細(xì)粒度超硬磨粒砂輪[4～6];且砂輪結(jié)合劑多為鑄鐵、青銅等金屬，未見(jiàn)報(bào)道用于鎳及其合金鍍層的砂輪修整.
鎳鈷合金鍍層耐磨性和耐蝕性都優(yōu)于純鎳鍍層，是電鍍砂輪最常用的結(jié)合劑之一.本文以電鍍鎳鈷合金CBN砂輪為例，對(duì)鎳鈷合金鍍層超硬磨粒砂輪的電解修整機(jī)理進(jìn)行研究.
1 電解修整的理論基礎(chǔ)與測(cè)試分析
1.1 理論基礎(chǔ)
砂輪的使用對(duì)形狀精度和磨粒出刃高度有很高的要求，在鎳鈷合金鍍層砂輪的電解修整中，為了保證金屬結(jié)合劑的均勻去除，選擇鎳基合金精密電解加工中常用的以NaNO3溶液為主要成分的電解液.根據(jù)電化學(xué)理論，標(biāo)準(zhǔn)電極電位的高低，決定了在一定條件下對(duì)應(yīng)金屬離子參與電極反應(yīng)的順序[7].在陽(yáng)極一側(cè)可能的電極反應(yīng)及相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)電極電位值為：
1.2 鎳鈷合金鍍層陽(yáng)極極化曲線測(cè)試
研究鎳鈷鍍層的電解修整，最關(guān)心的是陽(yáng)極極化過(guò)程及其特征.為此，測(cè)定鎳鈷合金鍍層在NaNO3溶液中的極化曲線考察其陽(yáng)極極化特征.試樣是用C45鋼作為基體，在如表1所示電鍍液和電鍍工藝規(guī)范操作下電鍍沉積約0.5mm的鎳鈷合金鍍層.切割制成鍍層尺寸為1mm×1mm的小方塊，連接導(dǎo)線后其他表面用環(huán)氧樹(shù)脂密封，鍍層用600目、1 000目、1 500目砂紙逐級(jí)拋光，用丙酮擦拭后備用.
采用Parastat 2273型電化學(xué)工作站測(cè)量鍍層在質(zhì)量分?jǐn)?shù)為6%的NaNO3溶液中的極化曲線.環(huán)境溫度約為21℃，所有溶液均使用去離子水配制.電極系統(tǒng)為三電極體系，工作電極為待測(cè)合金鍍層，參比電極為飽和甘汞電極(SCE)，輔助電極為鉑電極(2mm×2mm×0.3mm).測(cè)量極化曲線的參數(shù)設(shè)定為起始電位-0.1V，終止電位1.8V，掃描速度為5mV/s.
圖1是測(cè)得的鎳鈷合金鍍層在6%的NaNO3溶液中的極化曲線，隨著掃描電位從0到約1.3V(本節(jié)所述電位均為相對(duì)SCE)，陽(yáng)極極化曲線出現(xiàn)了典型的鈍化區(qū)(約0.3V至0.7V)，在此階段合金表面被氧化生成鈍化膜;鈍化膜形成之后阻礙了反應(yīng)的進(jìn)一步進(jìn)行，因此0.7V至1.3V電流密度基本為零;而電位高于1.3V以后(超鈍化區(qū))，氧化膜被擊破，電流密度隨著電位的提高明顯增加，鎳鈷合金發(fā)生陽(yáng)極溶解反應(yīng)，電解修整中電壓應(yīng)該處在此區(qū)域.
因此，極化曲線測(cè)試分析表明，電鍍鎳鈷合金鍍層在6%的NaNO3溶液中存在明顯鈍化區(qū)，電解修整中加工面對(duì)應(yīng)大電流密度而被高速溶解;而非加工面則對(duì)應(yīng)電流密度低，即相應(yīng)處于極化曲線的鈍化狀態(tài)，由于得到保護(hù)而不被加工，這對(duì)于提高砂輪表面鍍層的平整性和精度具有重要的實(shí)際意義.
2 電解修整試驗(yàn)裝置與方法
電鍍砂輪樣件為環(huán)形工作面(外徑54mm，內(nèi)徑30mm)，采用表1所示的鍍液與操作條件，磨粒為140/170目CBN，復(fù)合電鍍工藝參數(shù)與常規(guī)電鍍工具制備工藝基本相同[8]，采用埋砂法逐層上砂.電鍍3層磨粒，最后砂輪表面鍍層特意加厚至磨粒被埋沒(méi)，以便于考察電解修整效果.為了獲得砂輪表面磨粒隨修整時(shí)間的變化規(guī)律，將砂輪切割成小塊試樣安裝到主軸上，每隔30min取下一塊試件清洗烘干后以備觀測(cè).
圖2為電鍍多層CBN磨粒砂輪電解修整試驗(yàn)示意圖.試驗(yàn)裝置為自研制，采用無(wú)級(jí)調(diào)速電機(jī)帶動(dòng)主軸低速旋轉(zhuǎn)，主軸是磨床用精密主軸，并用千分尺裝置調(diào)整陰極和陽(yáng)極之間間隙;電解液主要成分是質(zhì)量分?jǐn)?shù)為6%的NaNO3溶液，電解液經(jīng)隔膜泵以2.0L/min的流速噴射到砂輪與陰極之間.采用紫銅作為固定式陰極，初始修整間隙為0.3mm，修整電壓分別為2V和5V.采用Keyence VHX-600E超景深顯微鏡分別觀測(cè)磨粒頂端和結(jié)合劑表面，記錄高度差值即為實(shí)測(cè)磨粒出刃高度值，采用Quanta 200掃描電鏡對(duì)修整后砂輪表面形貌進(jìn)行觀測(cè).
3 結(jié)果與分析
3.1 電解修整電壓對(duì)磨粒出刃高度的影響
圖3顯示了在不同修整電壓下，磨粒的出刃高度h隨修銳時(shí)間的變化規(guī)律.當(dāng)修整電壓為2V時(shí)，磨粒出刃高度隨修銳時(shí)間的增加變化不明顯，基本沒(méi)有金屬結(jié)合劑的去除.主要原因是，電解液采用鈍性的NaNO3溶液，當(dāng)陰陽(yáng)極間的電壓未達(dá)到超鈍化電壓時(shí)，陽(yáng)極基本呈鈍化狀態(tài)，表面生成氧化膜對(duì)金屬形成保護(hù)，氧化膜未去除則鎳鈷合金不能發(fā)生陽(yáng)極溶解反應(yīng).
而當(dāng)電解電壓為5V時(shí)，砂輪表面結(jié)合劑金屬處于超鈍化狀態(tài)，鎳鈷合金處于活化溶解狀態(tài).隨著電解修銳時(shí)間的增加，磨粒漸漸露出金屬表面，出刃高度不斷增加.當(dāng)修銳時(shí)間達(dá)到120min時(shí)，磨粒平均出刃高度達(dá)到42μm，而此粒度CBN磨粒平均直徑為98μm，平均出刃高度占磨粒粒徑42.9%，符合常規(guī)電鍍砂輪磨粒出刃高度要求.
3.2 不同電解修整電壓下的砂輪表面形貌
當(dāng)電解電壓為2V時(shí)，根據(jù)磨粒出刃高度隨修銳時(shí)間的變化規(guī)律可以判斷主要是發(fā)生鈍化反應(yīng)，金屬表面生成致密氧化膜阻止了電解溶解反應(yīng)的進(jìn)行.而由于金屬鍍層表面總是難免有針孔和裂紋等缺陷，容易在局部發(fā)生點(diǎn)蝕，如圖4為試樣表面典型點(diǎn)蝕照片.
圖5和6為電解修整電壓分別為2V與5V的砂輪樣件表面形貌掃描電鏡圖片.從圖5(b)、(c)、(d)可以明顯看到在電解電壓為2V時(shí)，鎳鈷合金試樣表面覆蓋有一層顏色較深的物質(zhì)及附著碎片(圖5(c)框內(nèi)及邊緣白色起皮物質(zhì))，據(jù)此分析認(rèn)為是生成的陽(yáng)極氧化膜.而從圖6可以看到，電解電壓為5V的試樣表面不再是最初電鍍產(chǎn)生的光滑表面.在高倍顯微照片上，可清晰看到表面被溶解去除形成微小凹坑和小孔.
3.3 電解歷程中砂輪表面形貌觀察與分析
通過(guò)掃描電鏡觀察修整前的砂輪試樣(圖7)及在電解電壓5V下每修整30min的試樣(圖8～10和圖6).從一系列圖片的對(duì)比可以清楚地看到，在電解電壓為5V時(shí)，隨著時(shí)間的推移，鎳鈷合金結(jié)合劑電鍍砂輪表面由最初電鍍形成的具有堆積隆起、晶界裂紋的表面，高點(diǎn)被溶解去除(見(jiàn)圖8(b)、(c)所畫(huà)框)，最初電鍍形成的低洼處的金屬在修整初期幾乎無(wú)溶解小孔，而凹坑外腐蝕孔的分布明顯稠密.可用鎳鈷合金的電化學(xué)極化曲線解釋，電解中低洼處離子交換性較差、電位較低而處于鈍化區(qū)，金屬被氧化膜保護(hù).
隨著電解時(shí)間增加到60min，結(jié)合劑表面溶解小坑不斷累積交錯(cuò)，最初較大的低洼的底部也開(kāi)始出現(xiàn)溶解小孔，見(jiàn)圖9(c).結(jié)合劑金屬被逐漸溶解去除，磨粒裸露高度不斷增加.值得注意的是，從圖9、10和圖6中觀測(cè)磨粒周圍發(fā)現(xiàn)，金屬結(jié)合劑沒(méi)有出現(xiàn)集中腐蝕，電鍍形成的晶界處也沒(méi)有出現(xiàn)優(yōu)先腐蝕形成大的裂紋，這對(duì)于修整后的超硬磨料砂輪保持與傳統(tǒng)單層電鍍砂輪相近的結(jié)合強(qiáng)度具有重要的實(shí)際意義.
以上證據(jù)表明，采用質(zhì)量分?jǐn)?shù)為6%的NaNO3溶液電解修整多層磨粒鎳鈷合金結(jié)合劑電鍍砂輪的機(jī)理是：采用鈍性電解液，電解修整電壓高于鎳鈷合金鈍化電壓時(shí)，離陰極近的鎳鈷合金金屬被溶解，距離遠(yuǎn)的金屬生成鈍化膜被保護(hù)，鎳鈷合金金屬被均勻電解去除而逐漸露出磨粒，且未發(fā)生磨粒周圍金屬優(yōu)先腐蝕而破壞磨粒把持強(qiáng)度的現(xiàn)象.
4·結(jié) 論
(1)標(biāo)準(zhǔn)電極電位的理論分析表明鎳鈷合金鍍層電解修整的陽(yáng)極溶解反應(yīng)可行，且鈷比鎳的優(yōu)先反應(yīng)不明顯，電解修整中鎳鈷合金基本均勻溶解;
(2)對(duì)鎳鈷合金鍍層在6%的NaNO3溶液中的極化曲線測(cè)試分析表明，陽(yáng)極極化曲線在0.3V(vs.SCE)至0.7V(vs.SCE)出現(xiàn)了典型的鈍化區(qū)，電位高于1.3V(vs.SCE)為超鈍化區(qū)，對(duì)實(shí)際電解修整中提高砂輪表面的平整性和精度有利;
(3)采用2V的電解電壓對(duì)多層電鍍鎳鈷合金CBN砂輪修整時(shí)，磨粒出刃高度隨時(shí)間基本不變，表面反應(yīng)以生成鈍化膜為主，局部容易出現(xiàn)點(diǎn)蝕現(xiàn)象;
(4)在5V的電解電壓對(duì)多層電鍍鎳鈷合金CBN砂輪修整過(guò)程中，結(jié)合劑金屬被均勻溶解，磨粒逐漸露出砂輪表面，經(jīng)2h修整后磨粒平均出刃高度達(dá)到磨粒粒徑的42.9%，符合常規(guī)電鍍砂輪磨粒出刃高度要求;
(5)采用5V的電解電壓對(duì)多層電鍍鎳鈷合金CBN砂輪修整時(shí)，鎳鈷合金鍍層表面高點(diǎn)被均勻電化學(xué)溶解，低洼處先被保護(hù)，隨著修整時(shí)間的推移而被均勻溶解整平，未發(fā)生磨粒周圍金屬局部集中腐蝕現(xiàn)象，保證了磨粒把持強(qiáng)度與常規(guī)電鍍砂輪一致.
參考文獻(xiàn)：略
