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銅基電鍍Ni-P合金二維梯度鍍層的制備
楊杰,趙祖欣,尚淑珍,張修慶
(華東理工大學(xué)機(jī)械與動力工程學(xué)院承壓系統(tǒng)安全科學(xué)教育部重點(diǎn)實(shí)驗室,上海200237)
摘要：通過改變電鍍過程中攪拌速度、電流密度和pH值的大小，在銅基體上制備了Ni-P合金二維梯度鍍層。其優(yōu)點(diǎn)在于鍍層中含磷量與硬度在縱向與鍍層厚度方向兩個方向上均有梯度變化。設(shè)計的二維梯度鍍層不僅硬度高、與實(shí)際工作條件相匹配，且這種二維梯度設(shè)計可大大提高鍍層的耐磨性與結(jié)合強(qiáng)度，從而延長鍍層的壽命。對鍍層進(jìn)行400℃熱處理，熱處理后鍍層保持良好的二維梯度，表層硬度可達(dá)1080HV，與基體的結(jié)合強(qiáng)度也有一定程度的提高。
關(guān)鍵詞：結(jié)晶器;Ni-P合金;二維梯度鍍層;硬度
中圖分類號：TQ153;TG113.2文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A文章編號：1001-3814(2011)12-0127-03
隨著鋼鐵企業(yè)的不斷發(fā)展與可持續(xù)發(fā)展理念的不斷深入，其核心部件連鑄結(jié)晶器引起人們越來越多的關(guān)注。連鑄結(jié)晶器壽命的長短不僅關(guān)系著生產(chǎn)效率的高低、效益的增減，更是與原材料的節(jié)約、資源的充分利用有著莫大的聯(lián)系。近年來，國內(nèi)外很多學(xué)者一直致力于此項研究，以求最大限度地延長連鑄結(jié)晶器的壽命[1-3]，一般采取在銅基體表面鍍覆一層或幾層合金鍍層的方法來延長結(jié)晶器的壽命。連鑄結(jié)晶器工作時，鋼水從結(jié)晶器上口注入，經(jīng)結(jié)晶器內(nèi)腔冷卻，形成固體鋼坯，由拉矯機(jī)自結(jié)晶器下口拉出[4]。沿結(jié)晶器高度方向上熱流逐漸降低，且結(jié)晶器下口處坯殼較厚且硬[5]，這就要求結(jié)晶器從上口到下口，耐磨性越來越好;從下口到上口，導(dǎo)熱性越來越好。文獻(xiàn)[6]中提到，合金鍍層內(nèi)部多層梯度化的設(shè)計，可以有效提高鍍層的抗磨性能。于是作者設(shè)想制得一種鍍層，使其同時滿足在縱向與鍍層厚度方向兩個方向上均有梯度變化。
作者曾經(jīng)選用電鍍的方法，以得到耐磨性好、壽命長的銅基Ni-P合金鍍層為目的做了大量實(shí)驗。在實(shí)驗過程中發(fā)現(xiàn)，銅基電鍍Ni-P合金鍍層的硬度與耐磨性主要和攪拌、電流密度、pH值以及陰陽極距離有關(guān)。以此為依據(jù)，在實(shí)驗過程中通過改變攪拌速度、電流密度，以及利用電鍍過程中pH值的波動，研制了在縱向與鍍層厚度方向兩個方向上含P量與硬度均有梯度變化的二維梯度鍍層。
1·實(shí)驗部分
1.1鍍層設(shè)計與制備
為減小鍍層的內(nèi)應(yīng)力，本實(shí)驗采用氨基磺酸系配方在銅基體上鍍鎳做底，采用硫酸鎳配方在鎳層上鍍鎳磷合金。
氨基磺酸系配方為：氨基磺酸鎳400g/L，硼酸30g/L，氯化鎳10g/L，加入適量潤濕劑，調(diào)節(jié)pH=4.5，在電流密度4A/dm2、溫度60℃的條件下施鍍15min。硫酸鎳配方為：硫酸鎳240g/L，氯化鎳45g/L，硼35g/L，亞磷酸15g/L，加入適量潤濕劑。
從電流密度、攪拌、pH三個方面綜合考慮，采用表1所示條件施鍍，得到的梯度鍍層在鍍層厚度方向上梯度層數(shù)為5、總厚度約70μm。將這5層鍍層分別稱為鍍鎳層、鎳磷一層、鎳磷二層、鎳磷三層、鎳磷四層。前4層每一層厚度為10μm，為保證鍍層的表面硬度，鎳磷四層的鍍層厚度超過30μm。由于施鍍槽較深，攪拌方式為鍍槽底部的攪拌轉(zhuǎn)動帶動鍍液形成漩渦，攪拌速度從鍍液底部到最上層依次遞減。而縱向的梯度就是依靠這種攪拌速度的不同而形成的。
電鍍時采用純鎳板為陽極，采用經(jīng)過鍍前預(yù)處理的純銅板做陰極。單面施鍍，實(shí)際施鍍面積為10cm×2.5cm。鎳板與銅板尺寸相近，兩者豎直平行懸掛于鍍液中。
