CN103014794A - 结晶器铜板表面复合镀层的制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种结晶器铜板表面复合镀层的制备方法，该过程的实施需在电镀槽内设置两块阳极板、中部设有浆料输料管，铜板水平置于两块阳极板下方并在槽内水平往复移动。铜板在第一阳极板下电镀获得纯镍镀层后，移动至第二阳极板下，其间经电镀液润湿分散的纳米陶瓷颗粒浆料经浆料输料管均匀洒在铜板表面，铜板经第二阳极将纳米陶瓷颗粒均匀镶嵌于铜板的纯镍镀层表面，然后将铜板移至第一阳极板下，将镶嵌于纯镍镀层表面的纳米陶瓷颗粒加固，重复镶嵌和加固过程直至镀层满足工艺要求。本方法使结晶器铜板表面获得镍基复合镀层，有利于提高结晶器铜板耐高温、耐磨耐腐性能以及结晶器连续浇铸的通钢量及使用寿命。

Description

结晶器铜板表面复合镀层的制备方法

技术领域

本发明涉及一种结晶器铜板表面复合镀层的制备方法。

背景技术

结晶器作为整个钢材连续浇铸生产的核心装置，其质量的好坏直接影响到铸坯的质量和连铸机的作业效率。由于钢水直接通过结晶器表面冷却为铸坯，所以要求结晶器铜板具有传热好、耐高温、耐磨损、耐腐蚀等特点。通钢量是指通过结晶器的钢料数量，是反映结晶器寿命水平的重要指标，同时也是连铸生产控制水平的综合反映。目前结晶器大多采用含有微量铬和锆的铜板，最早有些钢厂直接使用裸铜板组装结晶器，结果不仅导致结晶器通钢量低、结晶器铜板修复率低、连铸成本高，而且伴随着钢水的直接冲刷，大量铜元素被携带进入钢水，使钢坯产生星型裂纹等质量缺陷，严重影响钢材连铸质量。由于结晶器在使用过程受到边缘磨损、宽面热裂纹、窄面收缩、高温摩擦、腐蚀等问题困扰，因此对结晶器铜板表面进行表面技术改性处理成为炼钢行业普遍关注的问题。目前结晶器铜板的表面处理技术有电镀、热喷涂、化学热处理、激光熔覆等，以在结晶器铜板表面制备镀层或涂层，并要求镀层或涂层与铜板基体结合牢固、耐磨性好、抗热腐蚀性强，从而改善结晶器表面性能，延长其使用寿命，提高连续浇铸时的通钢量。

然而，目前实际应用于连铸结晶器铜板的镀层，仅局限于Cr、Ni、Ni-Co、Ni-Fe、Co-Ni等一元和二元镀层，该镀层的耐高温、耐磨损、耐腐蚀性能并不理想；而多元合金和复合镀层仅停留在实验研究阶段，几乎没有应用于实际工业生产的。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种结晶器铜板表面复合镀层的制备方法，利用本方法使结晶器铜板表面获得掺杂有纳米陶瓷颗粒的镍基复合镀层，有利于提高结晶器铜板的耐高温、耐磨损、耐腐蚀性能，提高结晶器连续浇铸的通钢量及使用寿命。

为解决上述技术问题，本发明结晶器铜板表面复合镀层的制备方法包括如下步骤：

步骤一、电镀槽两端通过吊具分别设置第一阳极板和第二阳极板，第一阳极板和第二阳极板设置独立电镀电源，电镀槽中部设置连接浆料罐的浆料输料管，结晶器铜板作为阴极位于电镀槽内处于第一阳极板和第二阳极板下方，结晶器铜板经驱动机构驱动在电镀槽内水平往复移动；

步骤二、配制电镀槽内电镀液，电镀液为300~500g/L的氨基磺酸镍、10~30g/L的氯化镍、10~30g/L的硼酸、0.1~1g/L的十二烷基硫酸钠，并控制电镀液温度为40~55℃、pH值为3.5~4.5，电镀液通过空气搅拌；

步骤三、配制纳米陶瓷颗粒浆料，纳米陶瓷颗粒选自纳米氧化铝、纳米碳化硅、纳米氧化锆、纳米碳化钨或纳米碳化铬的一种，纳米陶瓷颗粒取所配制的电镀液在浆料罐中润湿分散，纳米陶瓷颗粒在电镀液中的含量为5~20 g/L，浆料罐配备搅拌机以防止纳米陶瓷颗粒沉降；

步骤四、结晶器铜板表面镀镍，结晶器铜板位于第一阳极板下方，开启连接第一阳极板的电镀电源，并控制电流密度为3~5A/dm²，持续时间20分钟，结晶器铜板表面获得纯镍镀层；

步骤五、启动结晶器铜板驱动机构，结晶器铜板自第一阳极板下方移至第二阳极板下方，同时经浆料输料管将陶瓷颗粒浆料均匀洒在铜板表面，开启连接第二阳极板的电镀电源，并控制电流密度为10~15A/dm²，持续时间5分钟，使纳米陶瓷颗粒镶嵌于结晶器铜板的纯镍镀层中；

步骤六、将结晶器铜板经驱动机构移至第一阳极板下方，开启连接第一阳极板的电镀电源，并控制电流密度为3~5A/dm²，持续时间20分钟，以加固镶嵌于结晶器铜板纯镍镀层中的纳米陶瓷颗粒；

步骤七、结晶器铜板纯镍镀层及其中的纳米陶瓷颗粒构成结晶器铜板的复合镀层，重复步骤五和步骤六，直至结晶器铜板复合镀层满足连铸工艺要求。    

进一步，上述第一阳极和第二阳极为内装含硫镍饼的阳极钛篮，。

由于本发明结晶器铜板表面复合镀层的制备方法采用了上述技术方案，即分别供电的两块阳极板板设于电镀槽两端，电镀槽中部设有浆料输料管，作为阴极的铜板位于两块阳极板下并在电镀槽内往复移动，配制氨基磺酸盐镀镍体系的电镀液并控制温度及PH值，配制纳米陶瓷颗粒浆料并润湿分散，铜板在第一阳极板下电镀获得纯镍镀层，移动铜板至第二阳极板下，其间纳米陶瓷颗粒浆料经浆料输料管注入电镀槽并洒在铜板表面，铜板经第二阳极板将纳米陶瓷颗粒均匀镶嵌于铜板的纯镍镀层中，开启电镀液空气搅拌，将铜板移至第一阳极板下方，经第一阳极板将镶嵌于铜板纯镍镀层中的纳米陶瓷颗粒加固，重复纳米陶瓷颗粒镶嵌和加固于铜板纯镍镀层中的过程，直至结晶器铜板复合镀层满足连铸工艺要求。本方法使结晶器铜板表面获得掺杂有纳米陶瓷颗粒的镍基复合镀层，且陶瓷颗粒含量高，分布均匀，有利于提高结晶器铜板的耐高温、耐磨损、耐腐蚀性能，提高了结晶器连续浇铸的通钢量及使用寿命。

附图说明

下面结合附图和实施方式对本发明作进一步的详细说明：

图1为本发明结晶器铜板表面复合镀层的制备方法电镀槽的布置示意图。

具体实施方式

如图1所示，本发明结晶器铜板表面复合镀层的制备方法包括如下步骤：

步骤一、电镀槽1两端通过吊具2、3分别设置第一阳极板4和第二阳极板5，第一阳极板4和第二阳极板5设置独立电镀电源，电镀槽1中部设置连接浆料罐的浆料输料管6，结晶器铜板7作为阴极位于电镀槽1内处于第一阳极板4和第二阳极板5下方，结晶器铜板7经驱动机构驱动在电镀槽1内水平往复移动；

步骤二、配制电镀槽内电镀液，电镀液为300~500g/L的氨基磺酸镍、10~30g/L的氯化镍、10~30g/L的硼酸、0.1~1g/L的十二烷基硫酸钠，并控制电镀液温度为40~55℃、PH值为3.5~4.5，电镀液通过空气搅拌；该电镀液为氨基磺酸盐镀镍体系，其优点是金属沉积速度快，宜采用高电流密度使陶瓷颗粒瞬间加固，并且镀液成分简单，易于管理，获得的镀层均匀、内应力低，适合得到较厚镀层。

步骤三、配制纳米陶瓷颗粒浆料，纳米陶瓷颗粒选自纳米氧化铝、纳米碳化硅、纳米氧化锆、纳米碳化钨或纳米碳化铬的一种，纳米陶瓷颗粒取所配制的电镀液在浆料罐中润湿分散，纳米陶瓷颗粒在电镀液中的含量为5~20 g/L，浆料罐配备搅拌机以防止纳米陶瓷颗粒沉降；

步骤四、结晶器铜板表面镀镍，结晶器铜板7位于第一阳极板4下方，开启连接第一阳极板4的电镀电源，并控制电流密度为3~5A/dm²，持续时间20分钟，结晶器铜板7表面获得纯镍镀层；

步骤五、启动结晶器铜板7驱动机构，结晶器铜板7自第一阳极板4下方移至第二阳极板5下方，同时经浆料输料管6向电镀槽1注入一直处于搅拌状态的纳米陶瓷颗粒浆料，纳米陶瓷颗粒浆料中的纳米陶瓷颗粒均匀平缓的洒在铜板7表面，在铜板7移至第二阳极板5下时，停止纳米陶瓷颗粒浆料的注入，开启连接第二阳极板5的电镀电源，并控制电流密度为10~15A/dm²，持续时间5分钟，使纳米陶瓷颗粒均匀镶嵌于结晶器铜板7的纯镍镀层中；

步骤六、开启电镀液的空气搅拌，将结晶器铜板7经驱动机构移至第一阳极板4下方，结晶器铜板7移动过程中，经电镀液的搅拌使未镶嵌至镀层的颗粒在搅拌的作用下脱离结晶器铜板7的纯镍镀层，开启连接第一阳极板4的电镀电源，并控制电流密度为3~5A/dm²，持续时间20分钟，以加固镶嵌于结晶器铜板7纯镍镀层中的纳米陶瓷颗粒；

步骤七、结晶器铜板7纯镍镀层及其中的纳米陶瓷颗粒构成结晶器铜板7的复合镀层，重复步骤五和步骤六，直至结晶器铜板7复合镀层满足连铸工艺要求。    

进一步，为得到良好的复合镀层，上述第一阳极板4和第二阳极板5采用内装有含硫镍饼的钛篮。

例一、以5cm×8cm的铜板为阴极，经过除油后置于电镀槽内进行复合电镀，

其镀液成分为：氨基磺酸镍                 500g/L

              氯化镍                     30g/L

              硼酸                       30g/L

润湿剂为十二烷基硫酸钠     0.2g/L

电镀液温度：50℃    PH值：4.2

 纳米陶瓷颗粒为纳米氧化铝    10g/L   

 镶嵌过程电流密度            15 A/dm²

 加固过程电流密度            3.5A/dm²   

 搅拌方式为空气搅拌  

将铜板置于电镀槽内，10g纳米氧化铝粉末加入到100ml镀液中进行搅拌润湿，电镀过程首先以第一阳极板按3.5A/dm²的电流密度进行镀镍，持续时间20min，然后移动铜板至第二阳极板并注入经过润湿的氧化铝浆料30ml，同时第二阳极板按电流密度15A/dm²，持续时间5min，将纳米氧化铝颗粒镶嵌于铜板的镀镍层中，开启空气搅拌，同时将铜板移至第一阳极板下，按照3.5A/dm²的电流密度进行颗粒加固过程，该过程约持续20min。然后按照上述镶嵌和加固程序持续3次后，取出铜板做相应分析。经金相分析铜板镀层由纯镍层和复合镀层组成，其中贴近铜板基体一层为纯镍层，纯镍层上方为复合镀层并经扫描电镜观察，发现纳米氧化铝颗粒均匀分布在镀层中。采用化学分析法，将1.5473g镀层用硝酸溶解后，离心沉淀，烘干得粉末质量为0.0726g。氧化铝陶瓷颗粒在镀层中的体积含量为10.11%，质量含量为4.69%。经显微硬度测试得复合镀层硬度达到334HV，纯镍镀层硬度为192HV。

例二、以5cm×8cm的铜板为阴极，经过除油后置于电镀槽内进行复合电镀，

其镀液成分为：氨基磺酸镍                 500g/L

氯化镍                     30g/L

硼酸                       30g/L

润湿剂为十二烷基硫酸钠     0.2g/L

电镀液温度：50℃    PH值：4.2

纳米陶瓷颗粒为纳米碳化硅   15g/L   

镶嵌过程电流密度           12 A/dm²

加固过程电流密度           4A/dm²

搅拌方式为空气搅拌   

将铜板置于电镀槽内，15克纳米碳化硅粉末加入到100ml镀液中进行搅拌润湿，电镀过程首先以第一阳极板按4A/dm²的电流密度进行镀镍，持续时间20min。然后移动铜板至第二阳极板并注入经过润湿的碳化硅浆料30ml，同时第二阳极板按电流密度12A/dm²，持续时间5min，将纳米碳化硅颗粒镶嵌于铜板的镀镍层中，开启空气搅拌，同时铜板移至第一阳极板下，按照4A/dm²的电流密度进行颗粒加固过程，该过程约持续20min。然后按照上述镶嵌和加固程序持续3次后，取出铜板做相应分析。经金相分析纳米碳化硅颗粒均匀分布在镀层中。采用化学分析法，将0.3202g镀层用硝酸溶解后，离心沉淀，烘干得粉末质量为0.0165g。碳化硅陶瓷颗粒在镀层中的体积含量为13.06%，质量含量为5.15%。经显微硬度测试得复合镀层的显微硬度为315HV。

本方法是将复合镀分解为镶嵌和加固两个过程，使纳米陶瓷颗粒均匀分布在镀层中，起到了弥散强化作用。通过本方法得到的复合镀层，陶瓷颗粒的体积含量达到10.11%，质量含量达到4.69%，其余为镍。通过显微硬度分析发现，未添加陶瓷颗粒时通过上述体系得到的纯镍镀层其显微硬度为192HV，而添加陶瓷颗粒后，由于弥散强化作用使镀层的显微硬度提高至315HV左右。且经金相分析陶瓷颗粒在镀层中均匀分布，纳米颗粒稍有团聚，平均粒径小于3微米。本方法制得的复合镀层完全适用于结晶器铜板，有利于提高结晶器铜板的耐高温、耐磨损、耐腐蚀性能，提高结晶器连续浇铸的通钢量及使用寿命。

Claims (2)

1.一种结晶器铜板表面复合镀层的制备方法，其特征在于本方法包括如下步骤：

步骤一、电镀槽两端通过吊具分别设置第一阳极板和第二阳极板，第一阳极板和第二阳极板设置独立电镀电源，电镀槽中部设置连接浆料罐的浆料输料管，结晶器铜板作为阴极位于电镀槽内处于第一阳极板和第二阳极板下方，结晶器铜板经驱动机构驱动在电镀槽内水平往复移动；

步骤二、配制电镀槽内电镀液，电镀液为300~500g/L的氨基磺酸镍、10~30g/L的氯化镍、10~30g/L的硼酸、0.1~1g/L的十二烷基硫酸钠，并控制电镀液温度为45~55℃、pH值为3.5~4.5，电镀液通过空气搅拌；

步骤三、配制纳米陶瓷颗粒浆料，纳米陶瓷颗粒选自纳米氧化铝、纳米碳化硅、纳米氧化锆、纳米碳化钨或纳米碳化铬的一种，纳米陶瓷颗粒用所配制的电镀液在浆料罐中润湿分散，纳米陶瓷颗粒在电镀液中的含量为5~20 g/L，浆料罐配备搅拌机以防止纳米陶瓷颗粒沉降；

步骤四、结晶器铜板表面镀镍，结晶器铜板位于第一阳极板下方，开启连接第一阳极板的电镀电源，并控制电流密度为3~5A/dm²，持续时间20分钟，结晶器铜板表面获得纯镍镀层；

步骤五、启动结晶器铜板驱动机构，结晶器铜板自第一阳极板下方移至第二阳极板下方，同时经浆料输料管将陶瓷颗粒浆料均匀洒在铜板表面，开启连接第二阳极板的电镀电源，并控制电流密度为10~15A/dm²，持续时间5分钟，使纳米陶瓷颗粒镶嵌于结晶器铜板的纯镍镀层中；

步骤六、将结晶器铜板经驱动机构移至第一阳极板下方，开启连接第一阳极板的电镀电源，并控制电流密度为3~5A/dm²，持续时间20分钟，以加固镶嵌于结晶器铜板纯镍镀层中的纳米陶瓷颗粒；

步骤七、结晶器铜板纯镍镀层及其中的纳米陶瓷颗粒构成结晶器铜板的复合镀层，重复步骤五和步骤六，直至结晶器铜板复合镀层满足连铸工艺要求。

2.根据权利要求1所述的结晶器铜板表面复合镀层的制备方法，其特征在于：所述第一阳极板和第二阳极板是阳极钛篮。

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