電化學(xué)蝕除YT15硬質(zhì)合金刀具表面的SEM分析

蔡 曉， 龐 桂 兵， 辛 開 開， 季 田， 王 帥， 徐 文 驥

( 1.大連工業(yè)大學(xué) 機(jī)械工程與自動(dòng)化學(xué)院, 遼寧 大連 116034；2.大連理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院， 遼寧 大連 116024 )

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電化學(xué)蝕除YT15硬質(zhì)合金刀具表面的SEM分析

蔡 曉1， 龐 桂 兵1， 辛 開 開1， 季 田1， 王 帥1， 徐 文 驥2

( 1.大連工業(yè)大學(xué) 機(jī)械工程與自動(dòng)化學(xué)院, 遼寧 大連 116034；2.大連理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院， 遼寧 大連 116024 )

以YT15為實(shí)驗(yàn)對象，對原始表面進(jìn)行統(tǒng)一加工條件下的研磨處理，使之具有一致的表面粗糙度，進(jìn)行電化學(xué)蝕除實(shí)驗(yàn)，獲得SEM圖像進(jìn)行分析對比。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，不同電解液獲得的表面微觀腐蝕形貌差異顯著，NaNO3鈍化成膜性能良好，表面膜厚而致密，不同電極電位的合金項(xiàng)組分蝕除效果差異明顯；NaOH沒有明顯的鈍化成膜現(xiàn)象，不同合金項(xiàng)組分的蝕除效果差異不顯著；H2SO4+H3PO4則有較薄而均勻的成膜能力，能有效抑制合金項(xiàng)的不均勻蝕除作用。

硬質(zhì)合金；電化學(xué)加工；電解液；微觀形貌

0 引 言

硬質(zhì)合金具有高強(qiáng)度、高硬度、高耐磨性和耐腐蝕性等特性[1-2]，硬質(zhì)合金刀具已成為目前工業(yè)生產(chǎn)中最廣泛應(yīng)用的刀具材料之一[3]。由于硬質(zhì)合金的物理力學(xué)特點(diǎn)，加工一直是個(gè)難點(diǎn)，目前廣泛應(yīng)用的硬質(zhì)合金加工方法主要是金剛石磨削加工和電火花加工等[4]。金剛石磨削加工效率較低，成本高，電火花加工難以獲得良好的表面質(zhì)量且效率較低。加工手段的缺失一定程度上限制了硬質(zhì)合金的推廣應(yīng)用。電化學(xué)加工[5]具有電極無損耗、加工效率受材料物理性質(zhì)影響小、可以一次成型零件等特點(diǎn)，成為難加工材料重要的加工方法。但是由于硬質(zhì)合金的多組分特性和電化學(xué)蝕除機(jī)理，硬質(zhì)合金電化學(xué)蝕除特性較碳鋼等金屬更為復(fù)雜。針對硬質(zhì)合金的難加工特性，研究者將電化學(xué)加工應(yīng)用于硬質(zhì)合金加工，進(jìn)行了相關(guān)實(shí)驗(yàn)研究和理論探討。Kelluer等[6]結(jié)合了交流阻抗分析法(EIS)與極化曲線分析法研究了WC晶粒尺寸對WC-Co合金在堿性溶液中腐蝕行為的影響；馬鋆等[7]通過實(shí)驗(yàn)測量得到Tafel曲線和Nyquist圖譜，研究了無金屬黏結(jié)相硬質(zhì)合金的電化學(xué)腐蝕行為；周紅等[8]針對鎢鉆鎳硬質(zhì)合金，研究了電解液配方對腐蝕行為的影響；陳淑芬等[10]研究了交流電化學(xué)加工鎢鉆硬質(zhì)合金時(shí)，負(fù)半周電流對腐蝕行為的影響?，F(xiàn)有對電化學(xué)加工硬質(zhì)合金的研究工作，多數(shù)是研究從粗糙到光滑的過程，導(dǎo)致定量分析時(shí)缺乏統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，對微觀蝕除規(guī)律難以分析準(zhǔn)確。本文以工業(yè)生產(chǎn)中常用的YT15為實(shí)驗(yàn)對象，對試件原始表面進(jìn)行統(tǒng)一的研磨處理，使其達(dá)到接近鏡面級的粗糙度(0.04～0.05 μm)，采用3種具有代表性的電解液NaNO3(中性非線性)、NaOH (堿性)、H2SO4+H3PO4(酸性)，通過掃描電鏡獲取表面微觀形貌，掌握和對比不同電解液條件下的表面成膜特性及形貌變化規(guī)律，為硬質(zhì)合金電化學(xué)加工提供依據(jù)。

1 實(shí)驗(yàn)方案

對試件進(jìn)行統(tǒng)一加工條件下的研磨處理，使實(shí)驗(yàn)結(jié)果更具有統(tǒng)一性和可比性。試件實(shí)物和研磨后的SEM如圖1所示。YT15的組分和電化學(xué)當(dāng)量值，如表1所示。主要實(shí)驗(yàn)條件如表2所示。實(shí)驗(yàn)原理如圖2所示。圖2(a)為采用NaNO3、NaOH的實(shí)驗(yàn)原理，試件置于夾具中并與電源正極相連，電解液從進(jìn)口流入，通過試件與陰極之間的間隙流出，通電后試件發(fā)生電化學(xué)蝕除。圖2(b)為采用H2SO4+H3PO4加工的實(shí)驗(yàn)原理，陰陽極以一定間隙置于電解液中，通過水浴加熱達(dá)到特定溫度。

a) 試件實(shí)物照片

(b) 原始表面SEM照片 (×5 000)

表1 YT15硬質(zhì)合金的主要成分及電化學(xué)當(dāng)量

表2 主要實(shí)驗(yàn)條件

圖2 實(shí)驗(yàn)原理圖

2 結(jié)果與分析

2.1 電解液及電流密度對表面形貌影響

2.1.1 NaNO3電解液的實(shí)驗(yàn)結(jié)果

采用NaNO3電解液在不同電壓及電流密度條件下獲得的表面SEM圖如圖3所示。隨著電流密度增加，表面呈現(xiàn)局部嚴(yán)重腐蝕，形成凹洼的斑點(diǎn)狀腐蝕坑，凸起部分以殘?jiān)问矫撀?，?dāng)電流密度升高時(shí)點(diǎn)蝕和剝落逐漸減少或消失。當(dāng)電流密度升高到2.19 A/cm2時(shí)，表面形成較致密的明顯鈍化膜，凹縫更加清晰，而后電流密度升高凹縫又逐漸減小。

2.1.2 NaOH電解液的實(shí)驗(yàn)結(jié)果

采用NaOH電解液在不同電壓及電流密度條件下獲得的試件表面SEM圖如圖4所示。同樣的電壓條件下，采用NaOH電解液得到了較NaNO3電解液更高的電流密度。當(dāng)電流密度從1.94 A/cm2變化至15.8 A/cm2時(shí)，表面腐蝕基本呈現(xiàn)均勻腐蝕，未出現(xiàn)明顯的凹洼和凹縫，電流密度變化對表面形貌影響的敏感性小。

圖3 以NaNO3為電解液獲得的SEM圖

圖4 以NaOH為電解液獲得的SEM圖

2.1.3 H2SO4+H3PO4電解液的實(shí)驗(yàn)結(jié)果

采用H2SO4+H3PO4電解液在不同電壓及電流密度條件下獲得的試件表面SEM圖如圖5所示。同樣的電壓條件下，H2SO4+H3PO4電解液獲得的電流密度高于NaNO3電解液但低于NaOH電解液。電流密度較小時(shí)，表面成膜均勻，蝕除效果也較均勻，隨著電流密度升高，產(chǎn)生了局部加速腐蝕，形成凹洼的斑點(diǎn)狀點(diǎn)蝕坑，電流密度繼續(xù)升高，凹縫加深, 微觀局部產(chǎn)生了材料殘?jiān)撀涞默F(xiàn)象。

圖5 以H2SO4+H3PO4為電解液獲得的

2.2 電解液對YT15加工效果的綜合分析

圖6 相同電壓(4 V)不同電解液的腐蝕效果(×5 000)

圖7 相同電流密度(4.13 A/cm2)不同電解液的腐蝕效果(×5 000)

3 結(jié) 論

對YT15硬質(zhì)合金，電化學(xué)腐蝕的陽極行為主要取決于電解液成分，溶膜反應(yīng)特征是影響硬質(zhì)合金表面腐蝕形貌的主要因素。NaNO3電化學(xué)加工鎢鈷鈦合金時(shí)，陽極不溶性產(chǎn)物主要是鎢的氧化物覆蓋于加工表面，形成選擇性腐蝕，表面材料不均勻去除明顯；NaOH中的OH-離子有較強(qiáng)的活化去膜能力，容易實(shí)現(xiàn)表面均勻蝕除；H2SO4+H3PO4成膜均勻，對合金的不均勻溶解具有良好抑制作用。

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SEM analysis of electrochemical corrosion machining on the surface of cement carbide YT15

CAI Xiao1, PANG Guibing1, XIN Kaikai1, JI Tian1, WANG Shuai1, XU Wenji2

( 1.School of Mechanical Engineering and Automation, Dalian Polytechnic University, Dalian 116034, China； 2.School of Mechanical Engineering, Dalian University of Technology, Dalian 116024, China )

The original surface of specimen was lapped under the unified processing condition to obtain the uniformed surface roughness using YT15 as material. The electrochemical machining experiment was carried out and SEM pictures were obtained. The result showed that micro corrosion morphologies on surface of different electrolytes were significantly different. NaNO3had good performance of passivation film, with thick and dense surface. The effect of different electrode potential on the corrosion of the alloy was obvious. NaOH had no obvious passivation film and no significant difference in different alloy parts. H2SO4+H3PO4had thin and uniform film forming ability, which could suppress the non-uniform corrosion effect effectively.

cemented carbide; electrochemical machining; electrolyte; microstructure

2015-04-08.

國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51275062)；遼寧省優(yōu)秀人才支持計(jì)劃項(xiàng)目(LR2014014)；大連市科技計(jì)劃項(xiàng)目(2015A11GX025).

蔡 曉(1988-)，男，碩士研究生；通信作者：龐桂兵(1975-)，男，教授.

TG713.1

A

1674-1404(2016)06-0482-04

CAI Xiao, PANG Guibing, XIN Kaikai, JI Tian, WANG Shuai, XU Wenji. SEM analysis of electrochemical corrosion machining on the surface of cement carbide YT15[J]. Journal of Dalian Polytechnic University, 2016, 35(6): 482-485.