滚镀法制备磁性磨料的工艺研究

张涛，金洙吉*，王鹏川

（大连理工大学精密与特种加工教育部重点实验室，辽宁 大连 116024）

随着科技的发展，工业上对零件的表面光整加工技术和棱边精加工技术提出了越来越高的要求，同时人们对一些零件精密度和微小化的要求也日趋苛刻[1]。为了解决这些问题，人们开发了磁力研磨加工这种新的表面加工方法。将既具有导磁能力又具有切削能力的磁性磨料置于梯度磁场中，磨料在磁场的束缚作用下形成磨料刷，并压覆在被加工表面，随着磨料与加工表面的相对运动，磨料中的磨粒相实现了具有柔性的研磨加工[2]。磁力研磨光整加工具有高效率、高精度和高表面质量的特点，并且柔性高，适合非磁性的平面、球面、内外圆柱面和其他复杂型面的加工。磁力研磨在日本、美国及德国等地已经成功实现工业应用，如三维切削曲面研磨、复杂形状电火花加工面精加工等[3]。在国内，该技术尚处于实验室研究阶段，主要是因为目前磁性磨料的制备是限制磁性研磨技术发展的一大瓶颈[4-6]。磁性磨料主要由铁磁相、磨粒相组成，如图1。目前，学者们提出的磁性磨料制备方法主要包括粘结法、烧结法、铸造法等。粘结法是通过结合剂将铁磁相和磨粒相粘接到一起，烧结法是在高温高压下将铁磁相熔融后直接与磨粒相烧结到一起。这些方法制造的磁性磨料均有一定的局限。粘结法和烧结法作为磁性磨料制备的主要方法，在制备过程中将铁磁相和磨粒相经粘结或烧结制成一块整体磨料后，需要将这些成块的磨料进行破碎、筛分，这个过程大大降低了基体对磨粒的把持力，并且使得磨粒在磨料的 表面分布不均匀，而铸造法对选用磨粒相的密度和耐高温性有着苛刻的要求。因此，研究开发一种新型的磁性磨料制备方法有重要意义[7]。

图1 球状和棒状磁性磨料示意图 Figure 1 Schematic diagrams of spherical and rod-like magnetic abrasives

化学镀镍由于具有优异的均镀能力以及镀层硬度高、耐蚀性好等优点，在各行业得到广泛的应用[8]。采用化学复合镀制备的高硬度耐磨镀层也越来越多地应用到机械、化工、电子等行业[9-10]。本文选取Q235 铁丝作为磁性磨料的铁磁相，粒径10 μm 的人造金刚石微粒作为磁性磨料的磨粒相，将化学镀镍层作为磁性磨料的结合剂，在铁丝表面进行化学复合镀。由于镀镍层与钢铁基体的结合力高，并且镀层硬度高，这样镀层一方面可以与铁磁相紧密结合，另一方面可以对镶嵌于其中的磨粒相有较大的把持力。通过化学复合镀制备的磁性磨料无需粉碎，从而解决现阶段其他方法中由于粉碎而导致的磁性磨料寿命较短的问题。另外，通过控制复合镀参数，可以使得磨粒相均匀分布在铁磁相表面，解决烧结法、粘结法经粉碎后磨粒相分布不均的问题。

磨粒相在铁磁相表面的沉积均匀性会直接影响磁性磨料在磁性研磨中的加工效果，是化学复合镀制备磁性磨料中需要解决的主要问题。本文借鉴电镀中小零件的滚镀工艺并加以改进，采用复合镀 + 滚镀的方式制备磁性磨料。由于施镀表面是曲面而非平面，并且微米级的磨粒相颗粒重而容易沉积，因此滚筒转速和镀液的搅拌速率不能过低，以确保磨粒相有一部分悬浮。但滚筒转速和搅拌速率过高，又会使磨粒相获得较大的动能而不易沉积到铁磁相表面；对滚筒采取“旋转──静止──旋转”的间隔旋转方式，可以保证磨粒相有足够的时间沉积到铁磁相表面，并被沉积的镀层金属镶嵌住。由于磨粒相的加入量会影响最终的复合镀层形貌，因此本文探究滚筒转速、机械搅拌速率、磨粒加入量和滚筒旋转间隔时间4 个因素对磨粒相沉积的影响。

实验所用的化学镀液已通过前期实验优化获得。与通常使用的酸性镀液相比，碱性化学镀具有施镀温度低、能耗小、镀层硬度高、耐磨性好等优点。故本文采用碱性镀液进行化学复合镀。

1 实验

1.1 材料及仪器

铁磁相为Q235 材质的铁丝，直径0.37 mm，长度3 ～ 5 mm；磨粒相为直径10 μm 的人造金刚石微粒(郑州中南杰特超硬材料有限公司)。主要试剂：硫酸镍、次磷酸钠和氨水，分析纯，天津市大茂化学试剂厂；柠檬酸钠，分析纯，沈阳达森化工产品有限公司；辅助配位剂、加速剂，沈阳新兴试剂厂；稳定剂，天津市博迪化工有限公司。

采用常州国华电气有限公司生产的HH-2 型数显恒温水浴锅控制镀液温度，采用日本KEYENCE 公司生产的VHX-600E 型超景深显微镜观察镀层表面形貌，采用美国Zygo 公司生产的NV5000 5022S 型3D 表面轮廓仪测量表面粗糙度。滚镀设备为自制的滚镀实验台，主要由步进电机、直流电源、编码器、滚筒、镀槽、加热装置、搅拌装置等构成。磁性磨料性能检测设备为自制的专用磁力研磨实验台。

1.2 化学镀工艺

1.2.1 预处理

(1) 铁磁相预处理：首先使用砂纸打磨铁丝表面，以去除锈蚀层及氧化层，然后浸于自制化学除油液中，放置在超声波清洗器加热震荡20 min，进行化学除油；最后置于7%盐酸中活化1 min。以上各步骤之间需要用冷水冲洗。

(2) 磨粒相预处理：将适量金刚石微粉分散于去离子水中，加入表面活性剂后置于超声波清洗器中对微粉进行充分震荡分散，然后置于0.1 mol/L 的NaOH 溶液中煮沸0.5 h，以清除金刚石表面的油污。对金刚石冲洗过滤后，置于10%(质量分数)HNO3中煮沸20 min，去除其中含有的金属杂质。将酸洗后的金刚石加入去离子水中制成悬浊液，调节悬浊液pH = 7 后将其烘干，并将烘干后的金刚石浸泡在镀液中备用。

1.2.2 化学复合镀

化学镀Ni–P 合金配方如下：

待镀液温度升至设定温度后，将处理好的铁磁相置于滚筒中，10 min 后加入定量金刚石磨粒相，进行化学复合镀30 min，然后将磨料表面冲洗并吹干。因磨粒相的沉积是持续进行的，为了使磨粒相能均匀沉积在铁磁相表面，采用滚筒间歇转动的方式，滚筒每转动120°就停止一段时间，以使得沉积在铁磁相表面的磨粒相能充分地被镀层金属固定。

1.3 磨料性能检测

采用自制的专用磁性研磨设备对制备的磨料进行性能检测。试验参数如下：加工件材料为304 不锈钢圆片(直径70 mm)，磁极表面磁感应强度620 mT，磁性磨料用量20 g，加工间隙3 mm，主轴转速600 r/min，主轴径向往复进给速率1.5 mm/s。

1.4 复合镀层表面形貌评价

表面形貌的评价要通过超景深显微镜对镀层进行观察后，根据施镀情况好坏(包括磨粒相的沉积量、磨粒相在整个铁磁相表面的分布均匀性和磨粒相在镀层中的镶嵌深度等)进行评分。评分标准见表1，共分5 级，介于两级之间的取中间值进行评分。部分镀层表面形貌与评价分数对照见图2。

表1 复合镀层表面形貌得分评价标准 Table 1 Scoring criteria of surface morphology of composite deposit

图2 部分镀层表面形貌照片及其相应的评分 Figure 2 Images of surface morphologies of some deposits and their corresponding scores

2 结果与讨论

2.1 滚筒转速对复合镀层表面形貌的影响

选择搅拌速率400 r/min，磨粒相加入量0.3 g/L，滚筒转动间隔6 min，研究滚筒转速对复合镀层表面形貌的影响，结果见图3。从图3可以看出，在滚筒转速低于7°/s 时，表面形貌得分随转速增加而提高；当转速高于7°/s 时，表面形貌得分随转速增加而下降。在转速较低时，铁磁相在滚筒内翻转较缓慢，磨粒相有机会均匀沉积在铁磁相表面；随着转速的增大，这种沉积的均匀性越来越好；但当转速进一步增大时，铁磁相在滚筒内翻滚比之前剧烈，磨粒相来不及被镀层金属固定在铁磁相表面，而且铁磁相之间的相互碰撞也会导致沉积在其表面的磨粒相脱落，最终导致沉积下来的磨粒相减少，使得表面形貌得分降低。

2.2 磨粒相加入量对复合镀层表面形貌的影响

选择滚筒转速7°/s，搅拌速率400 r/min，滚筒转动间隔6 min，磨粒相加入量对复合镀层表面形貌的影响见图4。需要说明的是，因为铁磁相体积过小，为了防止铁磁相从滚筒中漏出，滚筒上开出的孔隙很小；磨粒相是直接滴加进滚筒中的，导致滚筒中的磨粒相浓度大于滚筒外镀液中磨粒相的浓度。由于滚筒中的磨粒相浓度无法精确测量，因此，图4中的磨粒相浓度为根据实际加入量计算得出的磨粒相理论浓度。磨粒相浓度对复合镀层表面形貌的影响主要体现在复合镀层中磨粒的沉积量，浓度过低时复合镀层中磨粒相太少，浓度过高又会导致磨粒相在镀层中团聚，磨粒相聚集混杂在一起势必会降低镀层对单颗磨粒相的把持力。从图4可以看出，磨粒相质量浓度超过0.3 g/L 时，复合镀层表面形貌得分接近，但镀液稳定性已不相同。比表面积很大的金刚石磨粒相会吸附镀液中的稳定剂和配位剂，导致镀液稳定性变差。当磨粒相质量浓度为0.6 g/L 时，施镀完毕时镀液已由最初的深蓝色变为淡蓝色；而当磨粒相质量浓度为0.4 g/L 时，施镀完毕时镀液颜色为蓝色。从镀液稳定性和成本控制方面考虑，选择0.4 g/L 为最终的磨粒相加入量。

图3 滚筒转速对复合镀层表面形貌的影响 Figure 3 Effect of rotation speed of barrel on surface morphology of composite coating

图4 磨粒相的质量浓度对复合镀层表面形貌的影响 Figure 4 Effect of mass concentration of abrasive particles on surface morphology of composite coating

2.3 滚筒转动的时间间隔对复合镀层表面形貌的影响

选择滚筒转速7°/s，磨粒相加入量0.4 g/L，搅拌速率400 r/min，滚筒转动时间间隔对复合镀层表面形貌的影响见图5。滚筒转动时间间隔直接影响镀层金属对磨粒相的包裹程度。当转动时间间隔为1 min 时，镀层金属包裹磨粒相太浅，滚筒转动过程中，铁磁相跌落并相互碰撞过程中极易使刚刚沉积到其表面的磨粒相脱落。当滚筒转动时间间隔过长时，又会导致沉积到底层与上层铁磁相上的磨粒相数量有差距，进而影响磨粒相分布的均匀性。由图5可知，5 min 为最佳的滚筒转动时间间隔，此时镀层的表面形貌得分最高。

2.4 镀液搅拌速率对复合镀层表面形貌的影响

选择滚筒转速7°/s，磨粒相加入量0.4 g/L，滚筒转动时间间隔5 min，镀液搅拌速率对复合镀层表面形貌的影响见图6。对镀液进行搅拌的主要目的是防止磨粒相沉降，兼有使镀液成分混合均匀和促进生成的氢气排出的作用。磨粒相为微米级颗粒，很容易沉降，当搅拌速率为200 r/min 时，加入的磨粒相沉积到容器底部；搅拌速率为300 ～ 500 r/min 时，磨粒相悬浮数量增多，同时搅拌速率增加使得磨粒相沉降到铁磁相表面，进而被镀层金属固定下来的几率减小，这两种因素共同作用下使得该阶段的复合镀层表面形貌得分不变；当搅拌速率达到600 r/min， 在强烈搅拌的作用下，复合镀层中的磨粒相数量变少。剧烈的搅拌还会使镀液中氨水等挥发加快，影响施镀效果。由图6可知，300 r/min 为合适的镀液搅拌速率。总体上，搅拌速率对镀层形貌的影响弱于其他因素。

图5 滚筒转动时间间隔对复合镀层表面形貌的影响 Figure 5 Effect of interval of barrel rotation on surface morphology of composite coating

图6 搅拌速率对复合镀层表现形貌的影响 Figure 6 Effect of stirring rate on surface morphology of composite coating

2.5 镀层表面形貌

综上所述，滚镀法制备磁性磨料的较佳工艺条件为：滚筒转速7°/s，磨粒相加入量0.4 g/L，滚筒转动时间间隔5 min，镀液搅拌速率300 r/min。以该工艺制备的磁性磨料在不同放大倍数下的表面形貌照片见图7。可以看出，磨粒相在整个镀层表面都有沉积且分布较均匀，磨粒相在镀层表面有少量团聚现象，磨粒相大部分体积被镀层镶嵌包裹。由于滚筒转速、机械搅拌速率等的最优参数选择与铁磁相和磨粒相的大小有直接关系，因此针对不同体积的铁磁相和不同粒径的磨粒相，需要选择不同的复合镀工艺参数。

2.6 化学复合镀磁性磨料的性能评价

首先对制备的磁性磨料进行热处理，即将其置于热处理炉中加热到400 °C 后保温1 h，然后随炉冷却至室温，从而进一步提高镀层的硬度和韧性。再将经过热处理的磁性磨料置于专用研磨机上对不锈钢片进行磁力研磨，研磨时间对镀层表面粗糙度的影响见图8。可以看出，研磨15 min 后，工件表面粗糙度Ra从1.84 μm 降低到0.5 μm 左右，随后工件表面粗糙度不再降低。因为受到磨料粒径的限制，大幅度地降低表面粗糙度较为困难，但该种磨料的使用寿命已比烧结法制备的磁性磨料长。由于烧结法制备的磁性磨料粒径小，研磨后工件表面粗糙度Ra可达0.2 μm，但其使用寿命仅为5 min 左右。下一步可应用滚镀法开发更小粒径的磁性磨料，以达到进一步降低工件表面粗糙度的目的。

图7 复合镀层的表面形貌照片 Figure 7 Images of surface morphology of composite coating

图8 加工时间与工件表面粗糙度的关系 Figure 8 Relationship between processing time and surface roughness of workpiece

3 结论

(1) 通过实验确定了较优的复合镀制备磁性磨料的工艺规范：滚筒转速7°/s，磨粒相加入量0.4 g/L，滚筒转动时间间隔5 min，机械搅拌速率300 r/min。获得的磁性磨料中磨粒相在铁磁相表面分布均匀。

(2) 在影响磨粒相分布均匀性的4 个因素中，滚筒转动时间间隔的影响最大，机械搅拌速率的影响最小。

(3) 对制备的磁性磨料进行400 °C/1 h 的热处理后，置于专用研磨机上对不锈钢片进行磁力研磨15 min，工件表面粗糙度Ra从1.84 μm 降低到0.5 μm 左右。该磁性磨料能够满足磁性研磨的使用要求。

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