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电加工用Cu-ZrB_2复合镀层的制备及其电加工性能研究

张旻  
【摘要】:电极的制造一直是电加工方法制造模具过程中影响制造剧期与成本的主要因素之一,一种基于RP的铜电极电铸技术,为电极的快速制造提供了一条捷径。但是,由此制得的电极存在着铜电铸层电加工性能较差、易破损的问题,常常导致加工失败甚至模具报废。因此,对应一定的模具型腔深度,电极所需的铜电铸层厚度较大,由此引起电铸时间的大幅增加,严重影响了电极制造速度。 针对这一问题,本文提出了一种利用复合电沉积技术制备电火花电极材料的新方法,即在铜电铸层中添加导电性难熔微粒——ZrB_2,制备Cu-ZrB_2复合镀层以提高电极材料的抗电蚀性能。本文首先研究了脉冲电沉积Cu-ZrB_2复合镀层的制备工艺,然后采用表面分析技术(扫描电镜、电子探针)、X射线衍射仪、恒电位仪、差热分析及透射电镜研究了电沉积Cu-ZrB_2复合镀层的组织结构、沉积过程和基本性能,同时提出了脉冲电沉积条件下针对导电微粒的共沉积模型,最后研究了电沉积Cu-ZrB_2复合镀层的电加工性能并分析了复合镀层的电蚀过程。 研究结果表明,与直流沉积相比,使用脉冲电沉积可显著提高ZrB_2微粒的复合量,脉冲电源参数——平均电流密度、脉冲频率与占空比对ZrB_2微粒的共沉积均有影响,其中,占空比的影响最为显著。因此,在不改变其它共沉积条件的情况下,仅仅通过调整脉冲电源参数,即可方便的调整复合镀层中的ZrB_2含量。 ZrB_2微粒在复合镀层中分布均匀,金属铜在导电性ZrB_2微粒表面的直接沉积,使得微粒与基质金属铜间结合紧密。在电沉积过程中,ZrB_2微粒的加入提高了铜离子还原沉积的过电位,促进了铜沉积过程中的形核作用,使铜基体的晶粒得以细化、均匀。随着施镀时间的增加,镀层表面形成胞状形貌。在电沉积后期,织构的出现使镀层表面形貌向脊状形态转变。在脉冲电沉积模式下,氯离子对镀层的织构有强烈影响。随着氯离子浓度的增加,镀层织构由220方向迅速转变为200方向。ZrB_2微粒的加入促进了(111)晶面的生长,而氯离子浓度的进一步增加则可完全消除ZrB_2微粒的影响,说明氯离子对于铜沉积层的生长具有比ZrB_2微粒更强的作用力。 通过对ZrB_2微粒共沉积过程的分析,建立了导电微粒的脉冲复合共沉积模型,推导出了复合镀层中微粒共沉积的基本方程式。电沉积Cu-ZrB_2复合镀层工艺中的实验数据很好的满足了这一基本方程式,这证明了共沉积模型的合理性。依据脉冲电参数对ZrB_2复合量的影响,分析了ZrB_2微粒在阴极上受到的作用力,间接证明了微粒与电极间化学吸附力的存存。


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