CN103614753B - 一种连铸结晶器铜板镍钨合金电镀层热处理工艺 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种连铸结晶器铜板镍钨合金电镀层热处理工艺，该工艺是在真空热处理炉中，采用640～660℃保温1.5～1.8h并炉冷后，再在450～470℃下保温1～1.2h，与一次真空热处理相比，本热处理工艺能够使镀层的镀态显微硬度提高118～127HV，内应力降低34～42MPa，减缓被腐蚀速率0.008～0.014mm/a，抗腐蚀性能提高，耐热疲劳抗力增加32～42周次，明显提高了镀层的结合性能、耐磨性、抗热裂性、热疲劳抗力；生产实践验证中使结晶器平均寿命增加40炉，更为有效地提高连铸结晶器的寿命。
Description
技术领域
本发明属于表面处理技术领域，特别涉及一种连铸结晶器铜板镍钨合金电镀层热处理工艺。
背景技术
随着经济的不断发展，对连铸结晶器表面镀层的性能也提出了越来越高的要求，人们往往从开发性能优越的新型合金镀层及复合镀层来提高结晶器的通钢量，降低吨位成本。但目前，多数镀层涂层仍停留在研究阶段，没有得到实际的应用，所以已经不能单从获得新型镀层涂层来提高结晶器的通钢量。
连铸结晶器工作温度一般在400℃以上，对结晶器铜板电镀合金镀层后，往往会进行一次真空热处理，提高合金电镀层的显微硬度和耐腐蚀性能，降低内应力，但这种在某一温度范围下的一次热处理无法使各项性能同时达到最佳，研究者们会确定某一温度使综合性能达到相对最佳，但各项性能未能都达到最大程度的优化。
在电镀镍钨合金镀层后，经真空热处理，镀层硬度提高，但由于钨的上浮，镀层沿深度方向硬度变化较大，在镀层厚度0.3mm处的硬度大于表面的硬度，镀层沿表面形成含杂质的疏松组织，影响镀层表面硬度的提高。
发明内容
本发明是为了弥补上述不足，提供一种连铸结晶器铜板镍钨合金电镀层热处理工艺，该工艺能够提高镀层的镀态显微硬度，降低内应力，镀层与铜板结合性能更好，耐磨性、抗热裂性、热疲劳抗力也明显提高。
一种连铸结晶器铜板镍钨合金电镀层热处理工艺，所述电镀层中钨含量占镀层质量的44%以上，所述热处理工艺包括以下步骤：
①在真空热处理炉中640～660℃下保温1.5～1.8h，随炉冷却至≤100℃；
②在真空热处理炉中再进行450～470℃下保温1～1.2h的热处理，然后随炉冷却至≤100℃出炉。
当对镀层进行640～660℃下保温1.5～1.8h热处理时，镀层中镍向铜基扩散，形成镍铜合金层，该合金层有两种相态，分别为Ni2-Cu3和Ni-Cu2，在干摩擦滑动条件下，Cu-Ni-W合金镀层的摩擦系数降低，耐磨性得到改善，使镀层与铜结合更为紧密，获得良好的结合性能，同时扩散在镀层和基体金属晶格中的氢，在热处理过程中会被驱除一部分，减少了镀层的内应力，提高镀层的抗疲劳能力，随炉冷却至≤100℃出炉过程中，部分晶体会镀层会有脆性相析出，但镀层的硬度和韧性等性能需要进一步加强，通过使镍钨合金镀层在450～470℃保温1～1.2h，使一些析出到晶界外的晶体重新溶于晶格中，降低内应力，硬度、结合性能随之进一步提高，同时，与一次热处理相比，采用本技术方案的热处理，晶粒更加均匀细致，镀层高温耐磨性、抗热疲劳和抗高温氧化性能上均有不同程度的提高，而且，所述镍钨合金两次热处理耗时2.5～3h，与常规一次热处理所消耗时相差不大，但其显微硬度、耐磨性等性能明显提高，经检测，与一次热处理相比，本热处理工艺能够使镀层的镀态显微硬度提高118～127HV，内应力降低了34～42MPa，减缓被腐蚀速率0.008～0.014mm/a，抗腐蚀性能提高，耐热疲劳抗力增加32～42周次，明显提高了镀层的结合性能、耐磨性、抗热裂性、热疲劳抗力；经生产实践验证，本技术方案的热处理与一次真空热处理相比，能够使结晶器平均寿命增加40炉，更为有效地提高连铸结晶器的寿命。
具体实施例
实施例
对连铸结晶器铜板进行预处理后电镀，电镀液成分为：氨基磺酸镍40g/L、钨酸钠50 g/L、柠檬酸钠30 g/L、糖精钠1.5g/L、十二烷基硫酸钠0.3g/L、1，4丁炔二醇0.3g/L，调节pH=6.5，在电流密度4 A/dm2、温度55℃的条件下施镀，镀层厚度为1.2mm，所得镍钨合金镀层中，钨含量占镀层质量的46%。
对镀层进行检测，镀态显微硬度为587HV，内应力为242MPa；抗腐蚀性能测定：将镍钨合金电镀层放入30℃、1mol/L的HNO3腐蚀介质中浸泡100h，腐蚀速率为0.045mm/a；抗热疲劳性能测定：经15s从室温加热到800℃，保温l0s，水冷10s到100℃以下，15s再加热到800℃，如此冷热循环160周，试样均未发现任何裂纹。
分别对该镀层进行下面两种后续处理。
1）一次真空热处理：对镀层进行一次真空热处理时，当热处理温度超过200℃时，镀层的显微硬度随温度的升高而显著升高，而当热处理温度超过375℃时，镀层中因晶粒的长大导致弥散相明显减少，硬度降低；当处理时间超过1h，晶粒明显细化，硬度增加，而当处理时间超过3h，各项性能不再增加。故最终确定热处理工艺参数为：360～380℃下保温2.5～3 h，该条件下测得镀层性能分别为：
| 温度·时间 | 360℃2.5h | 360℃3h | 370℃2.5h | 370℃3h | 380℃2.5h | 380℃3h |
| 显微硬度（HV） | 1135 | 1139 | 1137 | 1140 | 1141 | 1144 |
| 内应力（MPa） | 151 | 153 | 153 | 155 | 156 | 159 |
| 被腐蚀速率(mm/a) | 0.030 | 0.028 | 0.028 | 0.027 | 0.025 | 0.024 |
| 抗热疲劳性能(周次) | 210 | 212 | 216 | 216 | 213 | 214 |
由上表可知，经过350～370℃下保温2.5～3 h的真空热处理，镀层显微硬度为1135～1144HV，内应力为151～159MPa，抗腐蚀性能即被腐蚀速率0.024～0.030mm/a，抗热疲劳性能210～216周次，而在370℃保温3h的条件下，镀层综合性能达到最优，但显微硬度和内应力并没有达到最理想状态。
2）本技术方案热处理工艺，包括以下步骤：
①在真空热处理炉中640～660℃下保温1.5～1.8h，随炉冷却至≤100℃；
②在真空热处理炉中再进行450～470℃下保温1.0～1.2h的热处理，然后随炉冷却至≤100℃出炉。
将镀层分为6组，对该热处理工艺验证，各组次具体温度与时间如下表所示：
| 组次 | 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 |
| ①中：温度（℃） | 640 | 640 | 650 | 650 | 660 | 660 |
| ①中：时间（h） | 1.5 | 1.8 | 1.5 | 1.8 | 1.5 | 1.8 |
| ②中：温度（℃） | 450 | 450 | 460 | 460 | 470 | 470 |
| ②中：时间（h） | 1.2 | 1.0 | 1.2 | 1.0 | 1.2 | 1.0 |
各组次测得镀层性能分别为：
| 组次 | 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 |
| 显微硬度（HV） | 1253 | 1256 | 1260 | 1262 | 1258 | 1256 |
| 内应力（MPa） | 123 | 120 | 118 | 117 | 119 | 120 |
| 被腐蚀速率(mm/a) | 0.019 | 0.019 | 0.017 | 0.016 | 0.016 | 0.017 |
| 抗热疲劳性能(周次) | 242 | 245 | 252 | 250 | 246 | 244 |
由上表可知，经两次热处理后，镀层显微硬度为1253～1262HV，内应力为117～123MPa，抗腐蚀性能即被腐蚀速率0.016～0.019mm/a，抗热疲劳性能242～252周次，两次热处理温度与时间分别约为650℃ 1.5～1.8h、460℃ 1.0～1.2h时达到最理想状态。
对比1）与2）的检测数据结果，如下：
由上表可知，本技术方案的热处理与一次真空热处理相比，能够使镀层的显微硬度提高118～127HV，内应力降低34～42MPa，被腐蚀速率减缓0.008～0.014mm/a，抗腐蚀性能提高，耐热疲劳抗力增加32～42周次。
生产实践：
某钢厂3台中薄板坯高拉速铸机结晶器，钢包容量150t，板坯尺寸为900mm×135mm，连铸机半径为5m，冶金长度24.2m，设计拉速为1.8～2.6m/min，铜板表面温度为160～180℃，结晶器热流密度为1.95～2.25Mw/m2,该高拉速铸机结晶器平均寿命为270炉。
该结晶器铜板电镀层经过如1）中所述的一次真空热处理后，铜板温度为115～125℃，结晶器热流密度为1.20～1.25Mw/m2，该高拉速铸机结晶器平均寿命延长为375炉，提高了中薄板坯连铸结晶器的寿命。
该结晶器铜板电镀层经过如2）中所述的热处理后，铜板温度为108～112℃，结晶器热流密度为1.12～1.17Mw/m2，该高拉速铸机结晶器平均寿命延长为415炉，大幅度提高了中薄板坯连铸结晶器的寿命。
由上述生产实践环节可知，本技术方案的热处理与一次真空热处理相比，能够有效减弱由于热流密度高、钢板工作温度高导致的铜板与涂层的热变形量大的问题，减缓镀层龟裂、镀层脱落、铜板裂纹等缺陷的发生，使结晶器平均寿命增加40炉，更为有效地提高连铸结晶器的寿命。
Claims (2)
1.一种连铸结晶器铜板镍钨合金电镀层热处理工艺，所述电镀层中钨含量占镀层质量的44%以上，其特征在于，所述热处理工艺包括以下步骤：
①在真空热处理炉中640～660℃下保温1.5～1.8h，随炉冷却至≤100℃；
②在真空热处理炉中再进行450～470℃下保温1～1.2h的热处理，然后随炉冷却至≤100℃出炉。
2.如权利要求1所述的一种连铸结晶器铜板镍钨合金电镀层热处理工艺，其特征在于，所述热处理工艺包括以下步骤：
①在真空热处理炉中650℃下保温1.5～1.8h，随炉冷却至≤100℃；
②在真空热处理炉中再进行460℃下保温1～1.2h的热处理，然后随炉冷却至≤100℃出炉。
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2013
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