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1、上砂工艺对复合电沉积立方氮化硼镀层性能的影响李卫平，王志伟，刘慧丛，朱立群（北京航空航天大学 材料科学与工程学院，北京，100191）E-mail:liweiping摘 要：采用复合电沉积法制备了镍-CBN（立方氮化硼）复合镀层。使用GE-5数码照相机、扫描电镜及能谱仪对复合镀层进行表征，并对复合镀层的磨削性能进行测试。研究结果表明，在瓦特镀镍体系中采用埋砂法上砂20min，电流密度控制在0.5-0.75A*dm-2时，可得到CBN颗粒分布均匀的复合镀层，其中CBN体积分数达到47%以上；CBN前处理工艺对CBN分布状态有较大影响，经过H2SO4处理后再经镀液浸泡的CBN表面润湿性良好，可有效
2、改善复合镀层中CBN分布的均匀性，获得CBN密度高、磨削性能优良的复合镀层。关键词：立方氮化硼，复合电沉积，上砂工艺 ，前处理，磨削性能中图分类号：TQ153.1;TB3331. 引言现代磨削加工正朝着追求磨削表面高精度、高效率的方向发展。难加工材料的应用越来越多，这就要求磨削工具有高效、耐久、可靠与经济的特点。含CBN磨具正是应运而生的一种具有广阔发展前景的磨削工具1-4。复合电沉积法5是制备含CBN磨具的重要方法，有关复合电沉积金刚石颗粒的研究较多6-13，以CBN为复合颗粒的前处理、电镀工艺及复合镀层性能研究报道相对不多。本文以粒径为220m的CBN为沉积颗粒，使用埋砂法制备了镍CBN复
3、合镀层，通过优化上砂工艺和CBN颗粒的前处理工艺，对比研究不同前处理工艺对复合镀层磨削性能的影响，为制备含大粒径CBN颗粒的磨削工具提供实验依据。2. 实验及表征方法2.1实验装置及镀液成分实验装置图如图1所示，镀液配方及实验参数范围如表2所示。1-稳压电源 2-阳极 3-镀液 4-镀槽 5-阴极图1 实验装置图表1 镀液配方及工艺参数 药品名称用量硫酸镍(g/L)氯化镍(g/L)硼酸(g/L)添加剂M(g/L)镀液温度pH30050360.140-503-52.2 电镀将经过前处理的A3碳钢片预留出2cm*2cm的电镀面积，在稀H2SO4（10%）中浸泡10s活化处理后，用去离子水清洗迅速放
4、入镀槽，将电流密度控制为0.5A/dm2预镀10min。预镀之后断电，将经过前处理的CBN均匀撒在工件的电镀区域，确保CBN颗粒均匀分布，采用不同的上砂时间及电流密度以考察上砂工艺对复合镀层的影响；完成上砂过程后断电，用去离子水将工件上没有固定住的浮砂冲洗掉，将电流密度控制在1.5A/dm2，持续加厚镀4小时，对制备好的复合镀层进行相应的性能测试。2.3 CBN含量计算称量试样电镀前、镀后质量并分别记为M0、Mt，复合镀层质量M=Mt-M0；由电解第一定律理论公式计算复合镀层中镍的理论质量；式中m为镀镍质量（g），为电流效率（根据经验取96%），K=1.096g/(A·h) 为镍的电
5、化学当量，I 为电流(A)，t为总时间（h）。复合镀层中CBN的质量M1=M-m，则CBN质量分数；进而可通过下试计算出CBN体积分数：式中v为CBN在复合镀层中的体积分数，M1为CBN质量（g），为镍的密度（8.9g/cm3）， 1为CBN的密度（3.45g/cm3），d为镀镍层的厚度，d1为CBN的平均粒径（220m）。2.4镀层的形貌观察及表面成分分析采用爱国者GE-5数码观测王观察复合镀层表面形貌。采用日立S530型扫描电镜和Link ISIS能谱仪观察镀层的表面及断面形貌并分析镀层的成分。2.5 磨削性能测试测试装置为沈阳仪器仪表工艺研究所生产的PMI型试验机和PMJ电源。载荷为0.
6、85kg，磨损介质为薄碳钢片，尺寸为15.5cm*1cm，试样磨损面积2cm2，磨损速率为每秒一个行程，实验前先对试样和被磨钢片称重，进行5组磨削实验，每组被磨钢片磨削行程数分别为250，500，1000，2000和4000。每组磨削实验之后对试样和被磨钢片称重，观察镀层表面形貌。1）磨削失重的计算磨削失重以每组磨损时间内镀层单位面积的磨损质量表示，即式中m表示磨削失重(mg/cm2)，w表示磨损n次后的镀层失重(g)，S为镀层面积(cm2)。2）磨削比的计算磨削比是指磨损单位重量的磨具所磨去的工件体积或重量，它是表示磨具使用经济性的一个指标。用符号G表示，计算公式为： 式中G表示磨削比，W2
7、表示被磨钢片失重（mg），W1表示复合镀层失重（mg）磨削比越大，表示磨损单位重量的镀层可以磨去更多的金属，磨具的使用越经济。3. 实验结果和讨论3.1 上砂工艺优选设定三个上砂时间15min、20min、30min和三个上砂电流密度0.5 A*dm-2、0.75 A*dm-2和1.0 A*dm-2，具体工艺条件组合所得上砂结果如表2所列。表2 不同上砂工艺的上砂结果上砂电流密度（A*dm-2）上砂时间（min）上砂质量（g）CBN质量分数（%）CBN体积分数（%）CBN在复合镀层表面的分布情况0.51520300.16670.19280.209438.9542.3044.0045.2447.
8、5748.70密度低，较不均匀密度高，均匀密度高，重叠较多0.751520300.17250.19470.173339.5343.1538.9445.6548.1445.23密度较，较不均匀密度高，均匀密度高，重叠多1.01520300.16710.15420.206138.5436.3442.6544.9443.3147.81密度一般，较不均匀密度高，重叠多密度高，重叠严重图2、图3和分别为为上砂时间15分钟、20分钟时不同电流密度下得到的复合镀层表面形貌照片。观察0.5A*dm-2、0.75A*dm-2两个上砂电流下的复合镀层表面形貌，并分析表3-1的上砂结果可以发现：当上砂时间为15mi
9、n时，CBN在复合镀层中的密度比上砂20min的复合镀层要小，而且CBN分布不均匀。这说明在一定范围内，上砂时间增加，CBN在复合镀层中的均匀程度也随之增加。而当上砂时间增加至30分钟时，CBN有较多的重叠现象。因此，20min是较理想的上砂时间。（a）电流密度0.5A*dm-2 （b）电流密度0.75 A*dm-2 （c）电流密度1.0 A*dm-2图2 不同电流密度下上砂15min所得复合镀层表面照片（a）电流密度0.5A*dm-2 （b）电流密度0.75 A*dm-2 （c）电流密度1.0A*dm-2图3 不同电流密度下上砂20min所得复合镀层表面照片由电解定律可知，当上砂时间不变时，
10、上砂电流越大，镍的沉积量越多。因此，大电流密度有利于CBN颗粒的固定。但是在实际上砂过程中，CBN颗粒平铺在作为阴极的基体金属上，厚度不是一层而是有多层。当电流密度比较低的时候，Ni2+还原的速率比较低，外界大量镀液中的Ni2+能够及时补充CBN颗粒覆盖层中被还原的Ni2+。当增大电流后，一方面可以加快Ni2+的还原速度，促进镍的沉积，有利于镀层厚度的增加；另一方面，增大电流，加快Ni2+的消耗后， 容易产生浓差极化影响复合镀层的质量。由表2可知，上砂电流密度为1.0A*dm-2时制得的复合镀层中CBN含量相对于较低的电流密度并没有显著增加，有的甚至有所降低，而且CBN颗粒重叠现象较为严重。电
11、流密度为0.5 A*dm-2 和0.75A*dm-2时制得的镀层中CBN含量均匀且重叠很少。因此，0.5-0.75 A*dm-2为较优的上砂电流密度。图4为复合镀层表面SEM形貌，通过分析CBN表面一点的EDS成分可知CBN表面有硼、氮、镍三种原子，重量百分比分别为50.62%、39.57%、9.81%。其中硼和氮是组成CBN的基本元素，而镍则有可能是在电镀过程中沉积在了CBN表面上。图5为含CBN复合镀层断面的SEM照片。从图中可以看出CBN颗粒是镶嵌在基质金属镍中的，一些底层的CBN颗粒表面也沉积了一层镍，覆盖在上面的CBN颗粒会随着镍的沉积重叠在底层CBN颗粒上。这可能是导致CBN颗粒重
12、叠的一个原因。 图4 含CBN复合镀层表面SEM形貌图 图5 含CBN复合镀层断面SEM照片3.2 CBN前处理工艺对上砂效果的影响采用埋砂法上砂20min，电流密度控制在0.5-0.75A*dm-2，分别用四种不同的CBN前处理工艺制备复合镀层。所得复合镀层中CBN分布情况及形貌如表3和图6所示。从表3中复合镀层中CBN的分布情况可知，仅用去离子水清洗并浸泡CBN所得到复合镀层中CBN分布不均匀，有团聚现象，如图6（a）所示。而采用了后三种CBN前处理的方法（见图6b、c、d）制得的复合镀层中CBN分布的均匀且密度高。表3 不同CBN前处理工艺及制备的复合镀层CBN分布情况前处理工艺序号（1
13、）（2）（3）（4）CBN前处理工艺去离子水50浸泡清洗，去离子水浸泡待用硫酸50浸泡清洗，去离子水浸泡待用硫酸50浸泡清洗，镀液浸泡待用硫酸50浸泡清洗，添加剂M溶液浸泡待用复合镀层中CBN分布情况密度高，不均匀，有CBN团聚现象密度高，分布均匀密度高，分布均匀密度高，分布均匀说明：1、H2SO4清洗为使用纯H2SO4在50浸泡CBN30min，用去离子水清洗至中性。 2、添加剂M溶液浓度为1g/L。由于CBN颗粒不导电，CBN主要是依靠沉积在阴极的镍的机械镶嵌作用固定在复合镀层中的。CBN颗粒如果没有被镀液润湿，就不能被镍基质金属紧密的包覆，CBN颗粒容易在复合镀层的使用中脱落，从而影响复
14、合镀层的整体性能。采用去离子水清洗和浸泡CBN的方法，很难使CBN颗粒完全润湿，这就导致了图3-5（a）所示的局部区域出现CBN团聚的现象。采用硫酸浸泡的前处理方法可以除去CBN颗粒中有可能夹杂的金属杂质，还有可能使CBN颗粒带有一些具有活性的氢原子，使得CBN更容易被镀液润湿。而采用硫酸处理后再使用镀液浸泡，由此获得的复合镀层中CBN颗粒分布更加均匀，结合力更好。硫酸处理后再用1g/L的添加剂M溶液浸泡，是利用M溶液中含有的表面活性剂，来降低溶液表面张力，使溶液能够更好地润湿CBN颗粒。而且M溶液镀液的成分之一，并不会影响镀液性能。从图6（c-d）可以看出，复合镀层中颗粒分布均匀，可见硫酸浸
15、泡对CBN的预处理和CBN的复合电沉积过程产生了积极的影响。（a）去离子水50清洗后去离子水浸泡 （b）硫酸50清洗后去离子水浸泡（c）硫酸50清洗后镀液浸泡 （d）硫酸50清洗后M溶液浸泡图6 不同CBN前处理工艺制备的复合镀层表面形貌为了进一步研究硫酸处理后，采用去离子水、镀液、以及M溶液浸泡对复合镀层的性能影响，分别对这三种处理方式制备的复合镀层进行磨削性能测试。图7和图8分别是三种CBN前处理工艺制备的镀层的磨削失重和磨削比。由图7中散点趋势可以看出，CBN经过镀液浸泡处理后的复合镀层失重最小，M溶液处理的次之，而去离子水处理的则失重最大。采用镀液浸泡和M溶液浸泡两种前处理工艺的复合镀
16、层经过1000个磨削行程后失重变化平稳，而经过去离子水前处理制得的镀层磨削失重则波动较大且呈上升趋势。这说明使用镀液浸泡CBN这种前处理方式获得的复合镀层CBN能够被镍基质金属较好地包覆，二者之间的结合较好，复合镀层更加耐磨，寿命更长。从图3-7不同复合镀层的磨削比数据看来，对CBN采用硫酸处理后再经镀液浸泡的前处理方式所制备的复合镀层的磨削比，整体大于采用去离子水和M溶液浸泡CBN所得的镀层。磨削比大说明相应的复合镀层在磨损单位质量时磨去的工件质量更多，复合镀层的经济性更加突出。由此可见，相对于其他两种CBN前处理方式，采用镀液浸泡CBN的前处理方式所获得的复合镀层的磨削性能相对更为优良。图
17、7 CBN经硫酸处理后不同浸泡方式对复合镀层的磨削失重的影响图8 CBN经硫酸处理后不同浸泡方式对复合镀层磨削比的影响4. 结论在制备含CBN复合镀层的过程中，上砂工艺是影响CBN在复合镀层中的分布状态（密度，均匀性等）的主要因素。在瓦特镀镍体系中采用埋砂法上砂20min，电流密度控制在0.5-0.75A*dm-2时，可得到CBN颗粒分布均匀的复合镀层，其中CBN体积分数达到47%以上。同时，CBN前处理工艺对颗粒在复合镀层中的结合状态具有显著的影响，经过硫酸处理并采用镀液浸泡后的CBN润湿性好，在复合镀层中分布均匀，与基体金属结合良好，可显著提高复合镀层的磨削性能。参考文献1 李启泉,刘书锋
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21、tingsLi Weiping, Wang Zhiwei, Liu Huicong, Zhu LiqunSchool of Materials Science and Engineering, Beihang University, Beijing 100191AbstractNi-CBN composite coatings were prepared by composite electrodeposition. The composite coatings were characterized by GE-5 digital camera, SEM and EDS. And the gr
22、inding performance was tested. The results indicate that the optimum electrodeposition parameters of CBN embedding process were 20min, 0.5-0.75A*dm-2 through burying sands method in Watt nickel plating system. In this technics, the CBN has more than 47% in volume fraction. Whats more, it distributes
23、 uniformly and has almost no overlap. The pretreatment of CBN shows a considerable influence on distribution of CBN. Composite coating with CBN pretreated by the H2SO4 and plating bath has better grinding performance and the CBN distributes uniformly in the composite coating.Keywords: CBN, Composite electrodepositon, Embedding methods, Pretreatment, Grinding performance