CN105478693B - 一种连铸辊式结晶器的制备方法 - Google Patents

一种连铸辊式结晶器的制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种连铸辊式结晶器的制备方法，所述结晶器辊面的基材为铜合金，铜合金的外面电镀镍镀层，铜合金的组成按质量百分比为：Ni：3‑5％；Be：0.05‑0.2％；Al：1‑2％，Zr：0.5‑1％；Mn：0.2‑0.4％；Mg：1‑3％；Sn：0.05‑0.1％；其余为Cu；所述的电镀镍镀层厚度为0.8‑1.6mm；所述制备方法包括如下步骤：1)制备水冷辊芯待用：2)熔炼并热锻；3)淬火并固溶；4)淬火并冷变形及时效处理：5)机加工，6)表面进行电镀处理；电镀工艺包括如下工艺步骤：(1)预处理；(2)电镀金属镍；7)将电镀好的辊面与水冷辊芯组装成成品。

Description

一种连铸辊式结晶器的制备方法
技术领域
本发明涉及电镀技术领域，尤其涉及一种连铸辊式结晶器的制备方法。
背景技术
薄带连铸技术是冶金及材料研究领域内的一项前沿技术，它改变了传统冶金工业中薄型钢材的生产过程。采用薄带连铸技术，将连续铸造、轧制、甚至热处理等整合为一体，使生产的薄带坯稍经冷轧就一次性形成工业成品，简化了生产工序，缩短了生产周期，其工艺线长度仅60m。它的出现正为钢铁工业带来一场革命。
薄带连铸技术工艺方案因结晶器的不同分为带式、辊式、辊带式等，其中双辊薄带连铸技术最具有发展前途。其工艺原理是将金属液注入一对反向旋转且内部通水冷却的结晶辊之间，使金属液在两辊间凝固形成薄带。在连续铸造过程中，接触钢液的结晶辊表面温度约为600℃，当结晶辊轧制出金属薄带的同时，原来接触钢液的结晶辊表面部分也旋转离开液态金属，暴露于空气中，其表面温度骤降至约200℃。由此可见，连铸过程中结晶辊表面所处的环境十分恶劣，结晶辊表面要承受着冷热疲劳与应力变形、高温氧化、钢液和保护渣导致的化学腐蚀、以及轧制拉坯对其产生的摩擦与磨损。因而，连铸结晶辊表面应具有良好的抗冷热疲劳性能、良好的导热性能、较高的机械强度以及较好的耐磨性和耐腐蚀性能。
为了提高结晶辊使用寿命、提高薄带连铸生产效率。与传统的方坯、板坯连铸结晶器一样，可以在结晶辊表面镀覆一层金属镍镀层。该金属镀层一方面可以调节结晶辊的热传递系数，以使辊面上的热交换过程更加均匀高效，另一方面还可以对结晶辊本体进行保护，减轻浇铸时产生的热应力和机械应力对结晶辊的损伤，避免轧制拉坯对结晶辊的磨损。表面性能得到改善的结晶辊，其使用寿命延长，从而降低了薄带连铸生产成本、提高了薄带连铸的生产效率和产品质量。
中国专利ZL200510020466.9介绍了一种双辊薄带连铸机辊面的涂镀金属的方法。该专利介绍了采用刷镀的方法在辊面获得含有纳米颗粒的复合镀层，该镀层具有硬度高、耐磨损的优点，由于可以采用高电流进行刷镀，因此镀层沉积速率快，镀覆时间短。该专利所介绍的刷镀方法，与电镀方法的镀层沉积机理不尽相同，所得镀层的结构与性能也不相同。相对于刷镀方法，电镀方法是在比较低的电流密度下进行的，因而其镀速相对较低，但也正是因为在这种相对较低的电流密度下，可使得沉积出的晶体内部位错和缺陷减少，获得低内应力、高延展性的镀层，这样的镀层与结晶辊基体结合力强，不易发生剥落、裂纹，抗冷热疲劳性能优异。虽然相对于刷镀方法，电镀方法所获得的镀层硬度相对较低，耐磨损性能可能有所减弱，但就结晶辊的使用工况而言，对镀层与基体的结合强度、抗冷热疲劳性能的要求更加侧重。
公开号为CN101126169A的中国专利申请公开了一种薄带连铸结晶辊表面电镀方法及其电镀液，虽然其镀层额内应力较小，抗热疲劳性能也比较优异，但经实践检验表明，其抗腐蚀性能不甚理想，对于部分自身腐蚀性较高的钢种不适用。
发明内容
本发明的目的在于提出一种连铸辊式结晶器的制备方法，该结晶器对辊面铜合金的组分进行了调整，使得强度更高，导热性能更好，同时在表面电镀镍处理，该电镀处理使得结晶器辊面在使用时除了具有较小的内应力以及优异的抗疲劳性能外，其还具有较好的抗腐蚀性能。
为达此目的，本发明采用以下技术方案：
一种连铸辊式结晶器的制备方法，所述结晶器包括辊芯和辊面，辊芯中空，通冷却水冷却，辊面的基材为铜合金，铜合金的外面电镀镍镀层，其中，铜合金的组成按质量百分比为：Ni：3-5％；Be：0.05-0.2％；Al：1-2％，Zr：0.5-1％；Mn：0.2-0.4％；Mg：1-3％；Sn：0.05-0.1％；其余为Cu；所述的电镀镍镀层厚度为0.8-1.6mm；所述制备方法包括如下步骤：
1)制备水冷辊芯待用：
2)根据上述成分范围冶炼的铜合金浇铸为铸锭，将铸锭在960-980℃加热炉内保温10小时后热锻成辊面形状，热锻的压缩比大于40％；
3)将热锻后的坯料进行淬火；并在1100-1130℃固溶处理，处理时间为5-10h；
4)固溶处理的坯料进行淬火；然后进行大于20％冷变形，并在400-550℃，保温8-30h进行时效处理：
5)时效处理后的辊面进行机加工，加工为成品形状，
6)表面进行电镀处理；电镀工艺包括如下工艺步骤：
(1)预处理：对连铸结晶辊表面进行有机溶剂清洗、碱脱脂、电解脱脂、酸浸蚀及活化处理；
(2)电镀金属镍：电镀液的组成为：氨基磺酸镍180-220g/l，硫酸镍30-50g/l，氯化镍20-30g/l，氯化锡20-30g/L，硼酸45-55g/l，十二烷基磺酸钠0.05-0.1g/l，柠檬酸钠10-14g/l，邻苯甲酰磺酰亚胺0.1-0.5g/l，丙酸0.2-0.6g/L；电镀工艺条件为：镀液温度40-46℃，pH 2.8-4.5，初始电流密度0.8-1.6A/dm2，正常电镀时电流密度2.0-4.0A/dm2，辊子转速12-20转/min，采用空气搅拌；直至电镀金属镍层的厚度为0.8-1.6mm为止；
7)将电镀好的辊面与水冷辊芯组装成成品。
本发明具有如下有益效果：
1)本发明对辊面铜合金的成分进行了调整，加入了Ni，Be，Al，Zr、Mn，Mg，Sn等元素发挥合金元素相互作用的优势，得到高强度和高导热性的铜合金材质，HBS大于230；软化温度大于570℃；导电率大于58％
2)本发明在现有技术的基础上，对连铸结晶器辊面电镀时的电镀金属镍的电镀液组成和工艺进行了改进，该纯镍电镀为镍锡联合电镀，以改善镀层的耐腐蚀性能；同时，针对在镀液中增加的氯化锡盐，调整了镀液的其余成分和组成，添加了络合剂柠檬酸钠以及添加剂邻苯甲酰磺酰亚胺等组分，以改善镀层性能，使得镀层在获得抗腐蚀性能的同时具有良好的抗热疲劳性能，以及较低的热应力，同时耐磨性提高。
3)针对改进的镀液成分，调整了电镀的工艺条件，使其与镀液成分相匹配和协调。
4)针对铜合金的成分改进，设计了相应的热处理工艺，使得固溶度提高，强化效果得以体现。
5)经检测，采用本发明的方法获得的镀层具有如下性能：镀层硬度为210-240Hv；镀层的内应力仅为28-42N/mm2。将镀有本发明镀层的基体进行冷热疲劳试验，在600℃温度下保温5分钟，然后在处于室温的水中淬火，再在600℃温度下保温5分钟，重复此类保温与淬火试验500次，结果发现，镀层与基体结合完好，镀层表面无裂纹、剥落、鼓泡等缺陷。采用镀有本发明镀层的结晶辊进行双辊薄带带钢连铸，经过连续浇铸40炉次后镀层完好。按照GB6461-2002盐雾评判标准进行测试，本发明的镀层远远高于标准规定的耐盐雾腐蚀时间，因此，本发明的镀层的耐腐蚀性能优异。
具体实施方式
实施例一
一种连铸辊式结晶器的制备方法，所述结晶器包括辊芯和辊面，辊芯中空，通冷却水冷却，辊面的基材为铜合金，铜合金的外面电镀镍镀层，其中，铜合金的组成按质量百分比为：Ni：3％；Be：0.2％；Al：1％，Zr：1％；Mn：0.2％；Mg：3％；Sn：0.05％；其余为Cu；所述的电镀镍镀层厚度为0.8mm；所述制备方法包括如下步骤：
1)制备水冷辊芯待用：
2)根据上述成分范围冶炼的铜合金浇铸为铸锭，将铸锭在960-980℃加热炉内保温10小时后热锻成辊面形状，热锻的压缩比大于40％；
3)将热锻后的坯料进行淬火；并在1100-1130℃固溶处理，处理时间为5-10h；
4)固溶处理的坯料进行淬火；然后进行大于20％冷变形，并在400-550℃，保温8-30h进行时效处理：
5)时效处理后的辊面进行机加工，加工为成品形状，
6)表面进行电镀处理；电镀工艺包括如下工艺步骤：
(1)预处理：对连铸结晶辊表面进行有机溶剂清洗、碱脱脂、电解脱脂、酸浸蚀及活化处理；
(2)电镀金属镍：电镀液的组成为：氨基磺酸镍180g/l，硫酸镍50g/l，氯化镍20g/l，氯化锡30g/L，硼酸45g/l，十二烷基磺酸钠0.1g/l，柠檬酸钠10g/l，邻苯甲酰磺酰亚胺0.5g/l，丙酸0.2g/L；电镀工艺条件为：镀液温度46℃，pH 2.8，初始电流密度1.6A/dm2，正常电镀时电流密度2.0A/dm2，辊子转速20转/min，采用空气搅拌；直至电镀金属镍层的厚度为0.8mm为止；
7)将电镀好的辊面与水冷辊芯组装成成品。
实施例二
一种连铸辊式结晶器的制备方法，所述结晶器包括辊芯和辊面，辊芯中空，通冷却水冷却，辊面的基材为铜合金，铜合金的外面电镀镍镀层，其中，铜合金的组成按质量百分比为：Ni：5％；Be：0.05％；Al：2％，Zr：0.5％；Mn：0.4％；Mg：1％；Sn：0.1％；其余为Cu；所述的电镀镍镀层厚度为1.6mm；所述制备方法包括如下步骤：
1)制备水冷辊芯待用：
2)根据上述成分范围冶炼的铜合金浇铸为铸锭，将铸锭在960-980℃加热炉内保温10小时后热锻成辊面形状，热锻的压缩比大于40％；
3)将热锻后的坯料进行淬火；并在1100-1130℃固溶处理，处理时间为5-10h；
4)固溶处理的坯料进行淬火；然后进行大于20％冷变形，并在400-550℃，保温8-30h进行时效处理：
5)时效处理后的辊面进行机加工，加工为成品形状，
6)表面进行电镀处理；电镀工艺包括如下工艺步骤：
(1)预处理：对连铸结晶辊表面进行有机溶剂清洗、碱脱脂、电解脱脂、酸浸蚀及活化处理；
(2)电镀金属镍：电镀液的组成为：氨基磺酸镍220g/l，硫酸镍30g/l，氯化镍30g/l，氯化锡20g/L，硼酸55g/l，十二烷基磺酸钠0.05g/l，柠檬酸钠14g/l，邻苯甲酰磺酰亚胺0.1g/l，丙酸0.6g/L；电镀工艺条件为：镀液温度40℃，pH 4.5，初始电流密度0.8A/dm2，正常电镀时电流密度4.0A/dm2，辊子转速12转/min，采用空气搅拌；直至电镀金属镍层的厚度为1.6mm为止；
7)将电镀好的辊面与水冷辊芯组装成成品。
实施例三
一种连铸辊式结晶器的制备方法，所述结晶器包括辊芯和辊面，辊芯中空，通冷却水冷却，辊面的基材为铜合金，铜合金的外面电镀镍镀层，其中，铜合金的组成按质量百分比为：Ni：4％；Be：0.1％；Al：1.5％，Zr：0.8％；Mn：0.3％；Mg：2％；Sn：0.08％；其余为Cu；所述的电镀镍镀层厚度为1.2mm；所述制备方法包括如下步骤：
1)制备水冷辊芯待用：
2)根据上述成分范围冶炼的铜合金浇铸为铸锭，将铸锭在960-980℃加热炉内保温10小时后热锻成辊面形状，热锻的压缩比大于40％；
3)将热锻后的坯料进行淬火；并在1100-1130℃固溶处理，处理时间为5-10h；
4)固溶处理的坯料进行淬火；然后进行大于20％冷变形，并在400-550℃，保温8-30h进行时效处理：
5)时效处理后的辊面进行机加工，加工为成品形状，
6)表面进行电镀处理；电镀工艺包括如下工艺步骤：
(1)预处理：对连铸结晶辊表面进行有机溶剂清洗、碱脱脂、电解脱脂、酸浸蚀及活化处理；
(2)电镀金属镍：电镀液的组成为：氨基磺酸镍200g/l，硫酸镍40g/l，氯化镍25g/l，氯化锡25g/L，硼酸50g/l，十二烷基磺酸钠0.08g/l，柠檬酸钠12g/l，邻苯甲酰磺酰亚胺0.3g/l，丙酸0.4g/L；电镀工艺条件为：镀液温度43℃，pH 3.6，初始电流密度1.2A/dm2，正常电镀时电流密度3.0A/dm2，辊子转速16转/min，采用空气搅拌；直至电镀金属镍层的厚度为1.2mm为止；
7)将电镀好的辊面与水冷辊芯组装成成品。
申请人声明，本发明通过上述实施例来说明本发明的详细工艺设备和工艺流程，但本发明并不局限于上述详细工艺设备和工艺流程，即不意味着本发明必须依赖上述详细工艺设备和工艺流程才能实施。所属技术领域的技术人员应该明了，对本发明的任何改进，对本发明产品各原料的等效替换及辅助成分的添加、具体方式的选择等，均落在本发明的保护范围和公开范围之内。

Claims (1)

1.一种连铸辊式结晶器的制备方法，所述结晶器包括辊芯和辊面，辊芯中空，通冷却水冷却，辊面的基材为铜合金，铜合金的外面电镀镍镀层，其特征在于，铜合金的组成按质量百分比为：Ni：3-5％；Be：0.05-0.2％；Al：1-2％，Zr：0.5-1％；Mn：0.2-0.4％；Mg：1-3％；Sn：0.05-0.1％；其余为Cu；所述铜合金HBS硬度大于230；软化温度大于570℃；导电率大于58％；所述的电镀镍镀层厚度为0.8-1.6mm；所述镀层硬度为210-240Hv；镀层的内应力为28-42N/mm2；所述制备方法包括如下步骤：
1)制备水冷辊芯待用：
2)根据上述成分范围冶炼的铜合金浇铸为铸锭，将铸锭在960-980℃加热炉内保温10小时后热锻成辊面形状，热锻的压缩比大于40％；
3)将热锻后的坯料进行淬火；并在1100-1130℃固溶处理，处理时间为5-10h；
4)固溶处理的坯料进行淬火；然后进行大于20％冷变形，并在400-550℃，保温8-30h进行时效处理：
5)时效处理后的辊面进行机加工，加工为成品形状，
6)表面进行电镀处理；电镀工艺包括如下工艺步骤：
(1)预处理：对连铸结晶辊表面进行有机溶剂清洗、碱脱脂、电解脱脂、酸浸蚀及活化处理；
(2)电镀金属镍：电镀液的组成为：氨基磺酸镍180-220g/l，硫酸镍30-50g/l，氯化镍20-30g/l，氯化锡20-30g/L，硼酸45-55g/l，十二烷基磺酸钠0.05-0.1g/l，柠檬酸钠10-14g/l，邻苯甲酰磺酰亚胺0.1-0.5g/l，丙酸0.2-0.6g/L；电镀工艺条件为：镀液温度40-46℃，pH2.8-4.5，初始电流密度0.8-1.6A/dm2，正常电镀时电流密度2.0-4.0A/dm2，辊子转速12-20转/min，采用空气搅拌；直至电镀金属镍层的厚度为0.8-1.6mm为止；
7)将电镀好的辊面与水冷辊芯组装成成品。
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Address after: No. 32, Pu tou new street, five li street, Yongchun County, Quanzhou, Fujian

Applicant after: A spring family farm in five li street, Yongchun County

Address before: Linxi in Hebei province Tangshan City Guye District 063100 West Building 2 Building 2 No. 9

Applicant before: Zhang Ying

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Effective date of registration: 20200701

Address after: 054000 Renxian Economic Development Zone, Xingtai City, Hebei Province (north of Youya street and west of Runde Road)

Patentee after: Xingtai Goldman Sachs Machinery Manufacturing Co., Ltd

Address before: 362600 No. 32, Putou New Street, Wuli Street Town, Yongchun County, Quanzhou City, Fujian Province

Patentee before: Aquan Family Farm, Wuli Street Town, Yongchun County

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