连铸结晶器铜板表面微纳米复合镀层的制备及相关性能研究

发布时间：2020-10-19 11:32

　　 结晶器作为连铸机的“心脏”,是连铸生产中非常重要的环节,但其工作环境也是异常恶劣。作为热量传递的载体,它的外表面受到冷却水激冷的影响,内表面又受到高温钢水的冲刷及凝固坯壳的高频摩擦,很容易造成结晶器铜板产生变形、裂纹及磨损,进而导致失效。为了延长连铸结晶器的服役寿命同时改善铸坯质量,常常对结晶器铜板进行表面强化处理。在工业上,常采用在铜板表面电镀一层镍及镍合金的方式进行强化,但即便如此,这种表面镀层依然面临着相对硬度较低,耐磨损性不足,尤其是高温机械性能差的特点。为进一步解决这一问题,本研究尝试采用复合电镀技术,在常规镀镍液中加入微纳米级的颗粒,通过颗粒与阳极金属的共沉积,以达到强化镀层性能的效果,使其具有更强的硬度、耐磨性及耐高温性能。本研究采用微纳米复合电镀技术在结晶器铜板基体表面制备出Ni/Al_2O_3复合镀层,并对其制备工艺及相关性能进行系统的分析研究。主要的研究内容及结果如下:(1)制备高硬度纳米复合镀层的最佳工艺制度确定以纳米复合镀层的显微硬度为衡量指标,通过正交实验和单因素实验相结合的方式,确定了制备高硬度Ni/Al_2O_3纳米复合镀层的最优工艺参数为:阴极电流密度为4A/dm2、镀液温度为50℃、镀液p H值为4、镀液中纳米Al_2O_3的添加量为30g/L。在最优工艺参数下制得的纯Ni镀层与Ni/Al_2O_3纳米复合镀层显微硬度分别为214HV和376HV。(2)Ni/Al_2O_3纳米复合镀层的性能研究与纯Ni镀层相比,纳米复合镀层的晶粒组织更细小,表面更平整且无明显凹陷或凸起,组织更致密,纳米Al_2O_3弥散均匀的分布于镀层基质金属中。采用机械和超声破碎相结合的分散方式得到的纳米复合镀层中纳米颗粒无明显的团聚现象,分散较好。在最优工艺参数下制得的纳米复合镀层的摩擦系数低于0.4,其磨损量也小于纯Ni镀层的1/2;Ni/Al_2O_3纳米复合镀层在3.5Wt.%的Na Cl溶液中的浸泡腐蚀失重仅约为纯Ni镀层的1/4。(3)Al_2O_3微粒尺寸对Ni/Al_2O_3复合镀层性能的影响在最佳工艺参数下制得Ni/Al_2O_3微米复合镀层和纳米复合镀层,并对比分析其性能。与微米复合镀层相比,Ni/Al_2O_3纳米复合镀层的性能明显优于微米复合镀层,且复合的纳米颗粒尺寸越小镀层的性能越好。(4)热处理对Ni基镀层性能的影响对Ni基复合镀层进行热处理,能改善其显微结构,同时能提高其机械性能。Ni/Al_2O_3微米复合镀层的硬度在200℃左右达到峰值,超过200℃以后,其硬度值下降;复合50nm Al_2O_3微粒的Ni/Al_2O_3纳米复合镀层的硬度在400℃左右达到峰值,超过400℃以后,其硬度值下降;复合30nm Al_2O_3微粒的Ni/Al_2O_3纳米复合镀层的硬度在500℃左右达到峰值,超过500℃以后,其硬度值有所下降。在相同的热处理温度下,Ni/Al_2O_3微纳米复合镀层的耐高温氧化性能比纯Ni镀层的好,且复合加入的Al_2O_3颗粒越小,复合镀层的耐高温氧化性能越好。
【学位单位】：重庆大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2017
【中图分类】：TF341.6;TG174.4
【部分图文】：

1 绪 论景生产钢坯的最主要方法[1]，而结晶器又被比作是连铸机的好坏直接影响到铸坯质量、连铸的生产效率及生产铸中钢液凝固成型的重要导热部件，其首要的功能就放出去，以形成足够厚度的凝固坯壳，因此，对于结晶要求是导热性能要好，这也是结晶器材料选择铜的原晶器的工作环境异常恶劣，其在高温钢液和冷却水的裂纹、若温差过大还会出现变形；在保护渣的作用下拉坯、振动条件下易引起磨痕与磨损，在锥度调整、划伤等[2-4]，这些缺陷大多发生在结晶器铜板的表面，对于结晶器铜板来说，其基本性能要求为：良好的导的软化温度、足够好的耐磨性能和耐腐蚀性能[1]。

图 1.2 结晶器铜板表面镀层失效损伤实物照片(a 磨损;b 腐蚀;c 磨损、剥落;d 大片剥落)Fig.1.2 The damage’s real pHotos of coating on the surface of copper crystallizer(a: wear; b: corrosion; c: wear and spalling; d: bulk spalling)为了改善并提高连铸结晶器的性能和寿命，通常从两方面出发提出解决方法：一方面，提高结晶器铜板铜合金的性能，以提高铜板的刚度及强度，缓解结晶器铜板的变形；另一方面，对结晶器铜板进行表面处理，以达到减少结晶器铜板裂纹产生、提高结晶器铜板表面硬度及耐磨性、改善铜板的润滑性作用，进而提高结晶器的使用寿命[2, 6, 7]。另外，对铜板进行表面涂覆，还可以有效避免钢水与铜板直接接触，对于减少铜直接进入钢液起阻隔作用，减少凝固坯壳星状裂纹的产生。在本研究中主要对第二种方式即表面处理进行论述。材料表面处理的方式有很多：比如电化学沉积（电镀、电刷镀）、化学沉积（化学镀）、物理气相沉积（PHysical Vapor Deposition，PVD）、化学气相沉积（CVD）、热喷涂、堆焊、激光束或电子束表面熔覆、热浸镀等。对于连铸结晶器铜板的表

强化、Zener 钉扎效应以及弥散强化，以下针对这几种强化方式分别进行。① 细晶强化细晶强化是一种广泛适用于各种金属材料的强化机制，其通过细化晶粒使材料的力学性能得到提高。通常来说，晶粒越细小，材料具有更高的强度、塑性及韧性。其原理在于：细晶粒受到外力发生塑性变形可分散在更多内进行，塑性变形较均匀，应力集中较小；此外，晶粒越细，晶界面积越界越曲折，越不利于裂纹及位错的扩展。在复合镀层的形成过程中，均匀弥散分布于镀液中的纳米颗粒能够为基质的还原析出提供大量的成核核心，提高基质金属的形核率，使得镀层晶粒数加，另外，弥散分布于基质金属中的纳米微粒可以阻碍镀层基质晶粒的长大而得到晶粒更细小、均匀且表面更致密的复合镀层[55, 56]，如图 1.3 所示。米复合镀层具有晶粒更细小的组织，纳米颗粒的加入起到了细晶强化的效果
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本文编号：2847142