超声电沉积制备电火花加工铜电极的研究

摘 要：电极在电火花加工中是影响其加工的质量和效率的最主观因素。在电极材料制备中，人们往往会选择电沉积法。为使沉积层的质量得到进一步提高，在电解材料制备过程中引入了超声场，并采用专业仪器设备对电镀铜层微观形貌进行观测，测试包括电火花耐电蚀性以及纤维硬度等多项性能。本文结合铜电极的加工实验，探讨超声电沉积在铜电极加工中的优越性。

关键词：超声电沉积;加工电极;微观结构

为了从根本上改善铜电极加工的质量和效率，超声电沉积法逐渐走进了人们的视野。经过一系列的实际制备试验，不难发现利用超声电沉积法制备的铜铸层晶粒更加细微，质地更加均匀，而且致密性也远高于其他制备方法下的平均水平;显微硬度同比增长百分之二十以上;抗电蚀性能提升至一個新的水平;电极的耗损情况也大幅度降低。

1 原理

在特定介质中，通过工件和专门工具电极之间进行的脉冲性放电，使工件材料局部被瞬间放电产生的瞬时高温熔化或气化而蚀除，这种加工方法称为电火花加工。由于靠放电时所产生的瞬时高温来实现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导电性及热学特性，与之相对应的材料的强度、硬度等力学性能便不是非常重要了。正因如此，相比于传统机械加工，在高硬度高强度等工材料和具有特殊复杂结构的工件的加工过程中具有明显的优势。

电极的加工工艺、导电性能与热力学特性是影响电火花加工的加工质量和加工效率的重要因素，加工电极的典型方法包括铣削、车削等机床加工法和粉末烧结法。利用机床的机加工方法误差较大，精度普遍较低且制造成本高;而粉末烧结法则会导致加工而成的电极材料孔隙率较高，经过烧结加工的颗粒间的结合强度较低，会直接影响成品电极的工作性能。相比而言，电沉积法则具有极高的重复精度与复制精度，对于具有复杂型面、微细纹路等特征的电火花电极的制造具有其他方法无法比拟的优越性。

为提高电沉积法的沉积质量，将超声引入电沉积的加工环节，利用超声波的空化效应打碎处于正常生长进程的晶粒，破坏其凝结生长的正常进程，从而形成更小的晶核，同时因为空化效应所产生的高压可造成瞬时局部过冷化，进一步减小了晶核的临界半径，最终使形核率大大提高。形核率增大，晶粒生长速度减小，使晶粒沉积物得到了细化，电沉积的沉积质量得到极大提升。

2 流程

实验对阳极材料以及阴极材料的选取十分严格。本实验选取了尺寸合适的不锈钢片作为阴极材料，选取含铜量为99.6%的磷铜板作为阳极材料，选取硫酸铜溶液作为电铸溶液。具体来说，溶液中硫酸铜的浓度应该维持在200-260克每升，硫酸的浓度应该维持在60-80克每升，氯离子的浓度应该限制在60-70毫克每升。除此以外，还要对其他一些必要数据进行限定。比如，镀液的温度最高不能高于40摄氏度，最低不能低于30摄氏度;电流密度每平方分米不得超过5安培，不得低于3安培;而采用的超声搅拌装置，其震动频率应该为30千赫兹，功率为150瓦。此外，为增加精确性，前期需对阴极进行反复清洗、除油以及酸洗等深度清理措施。

电沉积后，可以根据实际器具准备情况，选取合适的观测装置观察其微观形貌，对试样进行封样处理，进行电化学抛光，并借助光学镜像显微镜以及适当型号的显微硬度计分别测量其金像微观结构以及纤维硬度。这期间，要注意对加载质量以及加载时间的把控，显微硬度的结果取三次测量结果的平均值。

3 结果

通过使用超声电沉积法制备电火花加工铜电极的实验，发现超声作用主要对电沉积铜层微观组织结构、电沉积同层显微硬度以及电沉积铜抗电蚀性产生了影响。

3.1 电沉积铜层微观组织结构

为了清晰展现超声法对电沉积铜层微观组织结构的作用状况，将普通电沉积铜以及超声电沉积铜两种沉积模式下的沉积表面进行对比。根据二者相应的电子显微图以及金相微观结构图，不难发现普通电沉积铜的铜晶粒的尺寸整体来说较大，且形状不规律。可见，这些不可避免的存在于晶粒之间或大或小的缝隙，是直接导致晶粒致密性能薄弱的主要因素。相比之下，超声电沉积铜的晶粒则完美地避免了上述缺陷，不仅晶粒的大小均匀，形状更加规范统一，而且致密性也更加可靠。

在使用普通方法进行电沉积时，所涉及到的金属离子会受到扩散作用的影响，但是这种扩散现象在阴极表面而发生却并非顺畅无阻，而金属离子扩散难直接导致其成核速度缓慢，最终形成尺寸较大、形状不规则的晶粒。引入超声场制备铜电极，作用效果会大有不同。超声作用产生的高速微射流使溶液的搅拌作用得到进一步加强，对电极表面的清洗能力更加细致全面，使析氢聚集的气泡得到快速、有效驱除，使金属离子的扩散效率得到显著提升，从而打破了铜晶粒的正常生长模式，生成了体积更小的晶核，制备出的铜晶粒更加细微均匀。

3.2 电沉积铜层显微硬度

在不同电流密度下的，经过超声电沉积后得到的成品铜层相比经过普通电沉积后得到的成品铜层，其显微硬度提高了20%以上。

随着电流密度的增大，铜层的显微硬度也会逐渐增加。在一般情况下，增大电流密度，阴极极化程度逐渐提高，则阴极过电位也会在一定程度上不断增大，镀层结晶的平均半径也就会就越来越小。值得关注的是，晶粒的尺寸及致密性与材料的硬度密切相关，若晶粒具有越小的尺寸，则材料整体中所含的晶粒边界总和也就会越多，则材料的硬度值将会越大，材料的致密性也就会越好，硬度值同样也会越大。由于超声作用加快了阴极的沉积过程，因而增大了形核机率，也就会得到平均半径更加细小的晶粒以及致密性良好的电沉积成品铜层，硬度显著提高。

3.3 电沉积铜抗电蚀性

在电火花加工过程中，由于中间级的能量要进行分配，所以无论是正极还是负极都会受到放电能量的影响，工具电极的损耗也就因此而来。但在实际的电火花加工中，电极损耗是导致加工质量和加工效率达不到满意程度的最关键因素，所以也从电极损耗方面展开了探究。

电极损耗可以依据其性质大致划分为相对损耗和绝对损耗。由于相对损耗的概念比较模糊，因此相对损耗只作为一项参数用来比对工具电极耐损耗的程度，通常情况下用绝对损耗与加工速度的百分比来计算，其结果更为精准、更符合实际损耗情况。在实际运算中，分别对加工前、加工后被加工的工件、电极进行准确称重，求出工件、电极加工前、后的重量差，分别除以各自的密度，得出其各自的体积，电极的体积与被加工工件的体积之比即为相对电极损耗率。在计算时务必注意，处于分子位置的是电极的质量与密度之比，处于分母位置的则是工件的质量与密度之比。

实验选取了45钢材质的工件作为超声电沉积法的材料，以煤油为工作液介质对其进行负极性加工。实验显示，在参数未发生改变的前提下，无论是普通电沉积铜法还是超声电沉积铜法，其电极相对损耗率都会随着脉宽的增加而下降。尤其是在14.2安培的峰值电流、75福特的基准电压以及10微秒的脉冲间隔的数据下，超声电沉积铜的电极损耗率几乎要比普通电沉积铜的电极损耗率低出20%。电火花加工中，材料的耐蚀性与微观结构是放在一起考虑的，铜晶粒越是粗大，那么这种材料在加工中被熔化或者气化的可能性也就越高，所产生的电极相对损耗也就越大;反之，其电极相对损耗率越小，电加工性能就越高。

4 结论

在超声持续作用下的超声电沉积法和普通电沉积法所得到铜电极材料表面均为晶面择优取向，超声电沉积所得成品铜层的择优取向程度比普通电沉积所得铜层更高，并且随着电沉积时间的不断增加，所得电沉积成品铜层厚度越厚，其表面晶粒择优取向程度也越发明显。

晶粒平均半径与显微硬度成反比，随着电沉积铜层内部的晶粒平均半径减小，其显微硬度也会显著增高，较普通电沉积铜层提高了五分之一。

5 结语

电火花铜电极材料的微观结构与其耐腐蚀性密切相关，铜晶生长越致密、粒结晶越细，则铜电极损耗越低、电加工性能越好。较普通电沉积铜而言，超声电沉积铜的电极损耗率更低，具有更为广阔的发展前景。因此，在未来的行业发展中，超声电沉积制备电火花加工铜电极的研究力度应该进一步加大。

參考文献：

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基金项目：2018-GXJSK-6113，2018年天水市科技支撑项目

作者简介：闫宫君（1978-），男，汉族，甘肃天水人，助理实验师，主要从事数控加工及设备维护教学、研究工作。