CN113770485A - 一种基于电镀镍中间层的铜-钢复合结构的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开的一种基于电镀镍中间层的铜‑钢复合结构的制备方法,具体操作步骤为:步骤1:待镀钢板的前处理:将钢基板表面的杂质清除干净,并放入稀盐酸溶液中进行表面活化,取出后用水将表面清洗干净;步骤2:将步骤1处理后的钢板放入配制好的电镀液中进行电镀,阳极材料为纯镍板;步骤3:将电镀完成后的钢板清洗干净并烘干,放入炉中进行除氢处理;步骤4:将处理后的钢板固定在焊机工作台上,采用熔化极气体保护焊技术,利用纯铜或铜合金焊丝在钢板表面堆焊铜层;步骤5:对制备完成的铜‑钢复合板进行热处理和表面处理。该方法可大大改善钢与铜的可焊性,增强界面的结合强度,提高铜‑钢双金属复合结构的性能和使用寿命。
Description
技术领域
本发明属于金属材料增材制造技术领域,具体涉及一种基于电镀镍中间层的铜-钢复合结构的制备方法。
背景技术
随着科技的发展和生活水平的提高,人类社会对各种先进材料的需求越来越大,复合材料就是其中的一种。复合材料兼具各组分材料的优点,而且可获得单一组分材料所不具备的性能,因此大量应用在航空航天、汽车、电子等诸多领域,在人类社会中发挥着越来越大的作用。铜-钢复合材料既有钢的高强度,也具备铜的高导电性、导热性、耐磨性等性能,广泛用于制造变压器壳体、低速重载轴承和轴套等部件。
目前,制造铜-钢双金属复合结构的方法主要有粉末冶金、电弧增材制造、选区激光熔化/烧结等。其中电弧增材制造是以电弧作为热源熔化焊丝,在基板上层层堆积直至零件成型的制造方法,具有成型效率高、成本低、材料利用率高等优点,可用于铜-钢复合构件的大批量生产。但铜和钢的熔点、热膨胀系数等物理性质差异较大,增材过程中易产生较大的残余应力,导致接头部位产生开裂;同时在铜/钢界面区域,铜容易渗入钢的晶界间从而产生渗透裂纹,导致铜-钢界面的结合强度较低,影响铜-钢复合结构的性能和使用寿命。因此,本发明采用电镀方法在铜-钢结合界面间制备镍中间层,改善界面的结合性能,提高铜-钢双金属复合结构的性能和使用寿命。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于电镀镍中间层的铜-钢复合结构的制备方法,该方法可大大改善钢与铜的可焊性,增强界面的结合强度,提高铜-钢双金属复合结构的性能和使用寿命。
本发明所采用的技术方案是,一种基于电镀镍中间层的铜-钢复合结构的制备方法,具体操作步骤为:
步骤1:待镀钢板的前处理:将钢基板表面的氧化物和油污等杂质清除干净,并放入稀盐酸溶液中进行表面活化,取出后用水将表面清洗干净;
步骤2:将步骤1处理后的钢板放入配制好的电镀液中进行电镀,阳极材料为纯镍板;
步骤3:将电镀完成后的钢板清洗干净并烘干,放入炉中进行除氢处理;
步骤4:将处理后的钢板固定在焊机工作台上,采用熔化极气体保护焊(GMAW)技术,利用纯铜或铜合金焊丝在钢板表面堆焊铜层;
步骤5:对制备完成的铜-钢复合板进行热处理和表面处理,以达到满足实际需求的组织性能和表面质量。
本发明的特征还在于,
步骤1中,钢基板表面清理时首先进行机械清理,然后采用碱液除油或酸洗方法清除残余油污。
步骤1中,表面活化所用稀盐酸溶液的浓度为50g/L~100g/L,活化处理时间控制在30s~50s。
步骤2中,电镀液以水为溶剂,其中溶质成分及浓度如下:硫酸镍200g/L~250g/L,氯化镍30g/L~50g/L,硼酸30g/L~40g/L;并加入pH值调节剂调节电镀液pH值为4.0~4.2;本发明所使用的pH值调节剂为盐酸、硫酸或硝酸。
步骤2中,电镀镍过程中的工艺参数为:电流密度1.5ASD~2.5ASD,温度45℃~55℃,时间10min~20min。
步骤3中,采用水或酒精清洗电镀完成后的钢板,并在50℃~70℃下完全烘干。
步骤3中,除氢处理的温度为180℃~240℃,保温8min~15min,炉冷。
步骤4中,电弧增材工艺为:焊接电流210A~230A,焊接电压24V~26V,焊接速度0.2m/min~0.4m/min,保护气体采用体积分数为99%的氩气。
步骤5中,热处理温度为380±20℃,保温时间2h~2.5h,炉冷。
步骤5中,表面粗糙度控制在Ra 3.2~Ra 6.4。
本发明的有益效果是:
(1)本发明基于电镀镍中间层的铜-钢复合结构制备方法,简化了待镀钢板的前处理工艺,大大提高了生产效率。
(2)本发明基于电镀镍中间层的铜-钢复合结构制备方法,采用的电镀液中无光亮剂、稳定剂等添加剂,降低了生产成本、提高了电镀液的利用率和镀层的均匀性。
(3)本发明基于电镀镍中间层的铜-钢复合结构制备方法,表面活化处理可保证镀层与钢基板间的结合性能良好,制备的镍镀层较为致密、表面质量较好,无漏镀、界面结合不良等缺陷。
(4)本发明基于电镀镍中间层的铜-钢复合结构制备方法,镀层的除氢处理同时相当于对基板进行了焊前预热处理,简化了工艺流程。
(5)本发明基于电镀镍中间层的铜-钢复合结构制备方法制备的镀层,可大大改善钢与铜的可焊性,增强界面的结合强度,提高铜-钢双金属复合结构的性能和使用寿命。
具体实施方式
下面结合具体实施方式对本发明进行详细说明。
本发明提供一种基于电镀镍中间层的铜-钢复合结构的制备方法,具体操作步骤为:
步骤1:待镀钢板的前处理:将钢基板表面的氧化物和油污等杂质清除干净,并放入稀盐酸溶液中进行表面活化,取出后用水将表面清洗干净;
步骤1中,钢基板表面清理时首先进行机械清理,然后采用碱液除油或酸洗方法清除残余油污。
步骤1中,表面活化所用稀盐酸溶液的浓度为50g/L~100g/L,活化处理时间控制在30s~50s。
步骤2:将步骤1处理后的钢板放入配制好的电镀液中进行电镀,阳极材料为纯镍板;
步骤2中,电镀液以水为溶剂,其中溶质成分及浓度如下:硫酸镍200g/L~250g/L,氯化镍30g/L~50g/L,硼酸30g/L~40g/L;并加入pH值调节剂调节电镀液pH值为4.0~4.2;本发明所使用的pH值调节剂为盐酸、硫酸或硝酸。
步骤2中,电镀镍过程中的工艺参数为:电流密度1.5ASD~2.5ASD,温度45℃~55℃,时间10min~20min。
步骤3:将电镀完成后的钢板清洗干净并烘干,放入炉中进行除氢处理;
步骤3中,采用水或酒精清洗电镀完成后的钢板,并在50℃~70℃下完全烘干。
步骤3中,除氢处理的温度为180℃~240℃,保温8min~15min,炉冷。
步骤4:将处理后的钢板固定在焊机工作台上,采用熔化极气体保护焊(GMAW)技术,利用纯铜或铜合金焊丝在钢板表面堆焊铜层;
步骤4中,电弧增材工艺为:焊接电流210A~230A,焊接电压24V~26V,焊接速度0.2m/min~0.4m/min,保护气体采用体积分数为99%的氩气。
步骤5:对制备完成的铜-钢复合板进行热处理和表面处理,以达到满足实际需求的组织性能和表面质量。
步骤5中,热处理温度为380±20℃,保温时间2h~2.5h,炉冷。
步骤5中,表面粗糙度控制在Ra 3.2~Ra 6.4。
实施例1
步骤1:待镀Q235钢板的前处理:对钢基板表面的氧化物和油污等杂质进行机械清理,并采用碱液除油或酸洗方法清除残余油污;然后放入浓度为50g/L的稀盐酸溶液中进行表面活化,活化处理时间控制在30s,活化处理后用水将表面清洗干净。
步骤2:将步骤1处理后的钢板放入配制好的电镀液中进行电镀,电镀液的溶质配比为:硫酸镍200g/L,氯化镍30g/L,硼酸30g/L,其余为水,并加入硫酸调节电镀液pH值为4.0;电镀镍工艺参数为:电流密度1.5ASD,温度45℃,时间15min;阳极材料采用纯镍板。
步骤3:将电镀完成后的钢板用水或酒精清洗干净,并在50℃下完全烘干;之后放入炉中进行除氢处理,除氢处理的温度为180℃,保温15min,炉冷。
步骤4:将处理后的钢板固定在焊机工作台上,采用熔化极气体保护焊(GMAW)技术,利用S201紫铜焊丝在钢板表面熔覆铜层,熔覆工艺为:焊接电流220A,焊接电压25V,焊接速度0.3m/min,保护气体采用体积分数为99%的氩气。
步骤5:对制备完成的铜-钢复合板进行热处理,热处理温度为380℃,保温时间2h,炉冷;之后进行表面处理,将铜-钢复合板的表面粗糙度控制在Ra 6.4,以达到满足实际需求的组织性能和表面质量。
实施例1中采用一种基于电镀镍中间层的铜-钢复合结构制备方法制备的铜-钢复合板,成型质量较好;对铜-钢复合板进行剪切强度测试,界面结合强度为180.3MPa。
实施例2
步骤1:待镀Q235钢板的前处理:对钢基板表面的氧化物和油污等杂质进行机械清理,并采用碱液除油或酸洗方法清除残余油污;然后放入浓度为100g/L的稀盐酸溶液中进行表面活化,活化处理时间控制在50s,取出后用水将表面清洗干净。
步骤2:将步骤1处理后的钢板放入配制好的电镀液中进行电镀,电镀液溶质配比为:硫酸镍225g/L,氯化镍40g/L,硼酸35g/L,其余为水,并加入硫酸调节电镀液pH值为4.1;电镀镍工艺参数为:电流密度2ASD,温度50℃,时间15min;阳极材料采用纯镍板。
步骤3:将电镀完成后的钢板用水或酒精清洗干净,并在70℃下完全烘干;之后放入炉中进行除氢处理,除氢处理的温度为200℃,保温15min,炉冷。
步骤4:将处理后的钢板固定在焊机工作台上,采用熔化极气体保护焊(GMAW)技术,利用S201紫铜焊丝在钢板表面堆焊铜层,堆焊工艺为:焊接电流220A,焊接电压25V,焊接速度0.3m/min,保护气体采用体积分数为99%的氩气。
步骤5:对制备完成的铜-钢复合板进行热处理,热处理温度为400℃,保温时间2h,炉冷;之后进行表面处理,将铜-钢复合板的表面粗糙度控制在Ra 3.7,以达到满足实际需求的组织性能和表面质量。
实施例2中采用一种基于电镀镍中间层的铜-钢复合结构制备方法制备的铜-钢复合板,成型质量较好;对铜-钢复合板进行剪切强度测试,界面结合强度为192.6MPa。
实施例3
步骤1:待镀Q235钢板的前处理:对钢基板表面的氧化物和油污等杂质进行机械清理,并采用碱液除油或酸洗方法清除残余油污;然后放入浓度为80g/L的稀盐酸溶液中进行表面活化,活化处理时间控制在40s,取出后用水将表面清洗干净。
步骤2:将步骤1处理后的钢板放入配制好的电镀液中进行电镀,电镀液溶质配比为:硫酸镍250g/L,氯化镍50g/L,硼酸40g/L,其余为水,并加入硫酸调节电镀液pH值为4.2;电镀镍工艺参数为:电流密度2.5ASD,温度55℃,时间15min;阳极材料采用纯镍板。
步骤3:将电镀完成后的钢板用水或酒精清洗干净,并在60℃下完全烘干;之后放入炉中进行除氢处理,除氢处理的温度为200℃,保温15min,炉冷。
步骤4:将处理后的钢板固定在焊机工作台上,采用熔化极气体保护焊(GMAW)技术,利用S201紫铜焊丝在钢板表面堆焊铜层,堆焊工艺为:焊接电流220A,焊接电压25V,焊接速度0.3m/min,保护气体采用体积分数为99%的氩气。
步骤5:对制备完成的铜-钢复合板进行热处理,热处理温度为390℃,保温时间2h,炉冷;之后进行表面处理,将铜-钢复合板的表面粗糙度控制在Ra 4.5,以达到满足实际需求的组织性能和表面质量。
实施例3中采用一种基于电镀镍中间层的铜-钢复合结构制备方法制备的铜-钢复合板,成型质量较好;对铜-钢复合板进行剪切强度测试,界面结合强度为186.6MPa。
实施例4
步骤1:待镀Q235钢板的前处理:对钢基板表面的氧化物和油污等杂质进行机械清理,并采用碱液除油或酸洗方法清除残余油污;然后放入浓度为90g/L的稀盐酸溶液中进行表面活化,活化处理时间控制在35s,取出后用水将表面清洗干净。
步骤2:将步骤1处理后的钢板放入配制好的电镀液中进行电镀,电镀液溶质配比为:硫酸镍225g/L,氯化镍40g/L,硼酸35g/L,其余为水,并加入硫酸调节电镀液pH值为4.1;电镀镍工艺参数为:电流密度2ASD,温度50℃,时间15min;阳极材料采用纯镍板。
步骤3:将电镀完成后的钢板用水或酒精清洗干净,并在60℃下完全烘干;之后放入炉中进行除氢处理,除氢处理的温度为220℃,保温15min,炉冷。
步骤4:将处理后的钢板固定在焊机工作台上,采用熔化极气体保护焊(GMAW)技术,利用S201紫铜焊丝在钢板表面堆焊铜层,堆焊工艺为:焊接电流210A,焊接电压24V,焊接速度0.2m/min,保护气体采用体积分数为99%的氩气。
步骤5:对制备完成的铜-钢复合板进行热处理,热处理温度为380℃,保温时间2h,炉冷;之后进行表面处理,将铜-钢复合板的表面粗糙度控制在Ra 6.4,以达到满足实际需求的组织性能和表面质量。
实施例4中采用一种基于电镀镍中间层的铜-钢复合结构制备方法制备的铜-钢复合板,成型质量较好;对铜-钢复合板进行剪切强度测试,界面结合强度为195.3MPa。
实施例5
步骤1:待镀Q235钢板的前处理:对钢基板表面的氧化物和油污等杂质进行机械清理,并采用碱液除油或酸洗方法清除残余油污;然后放入浓度为70g/L的稀盐酸溶液中进行表面活化,活化处理时间控制在40s,取出后用水将表面清洗干净。
步骤2:将步骤1处理后的钢板放入配制好的电镀液中进行电镀,电镀液溶质配比为:硫酸镍225g/L,氯化镍40g/L,硼酸35g/L,其余为水,并加入硫酸调节电镀液pH值为4.1;电镀镍工艺参数为:电流密度2ASD,温度50℃,时间15min;阳极材料采用纯镍板。
步骤3:将电镀完成后的钢板用水或酒精清洗干净,并在70℃下完全烘干;之后放入炉中进行除氢处理,除氢处理的温度为240℃,保温15min,炉冷。
步骤4:将处理后的钢板固定在焊机工作台上,采用熔化极气体保护焊(GMAW)技术,利用S211硅青铜焊丝在钢板表面堆焊铜层,堆焊工艺为:焊接电流230A,焊接电压26V,焊接速度0.4m/min,保护气体采用体积分数为99%的氩气。
步骤5:对制备完成的铜-钢复合板进行热处理,热处理温度为380℃,保温时间2h,炉冷;之后进行表面处理,将铜-钢复合板的表面粗糙度控制在Ra 3.2,以达到满足实际需求的组织性能和表面质量。
实施例5中采用一种基于电镀镍中间层的铜-钢复合结构制备方法制备的铜-钢复合板,成型质量较好;对铜-钢复合板进行剪切强度测试,界面结合强度为202.7MPa。
Claims (10)
1.一种基于电镀镍中间层的铜-钢复合结构的制备方法,其特征在于,具体操作步骤为:
步骤1:待镀钢板的前处理:将钢基板表面的杂质清除干净,并放入稀盐酸溶液中进行表面活化,取出后用水将表面清洗干净;
步骤2:将步骤1处理后的钢板放入配制好的电镀液中进行电镀,阳极材料为纯镍板;
步骤3:将电镀完成后的钢板清洗干净并烘干,放入炉中进行除氢处理;
步骤4:将处理后的钢板固定在焊机工作台上,采用熔化极气体保护焊技术,利用纯铜或铜合金焊丝在钢板表面堆焊铜层;
步骤5:对制备完成的铜-钢复合板进行热处理和表面处理。
2.根据权利要求1所述的一种基于电镀镍中间层的铜-钢复合结构的制备方法,其特征在于,步骤1中,钢基板表面清理时首先进行机械清理,然后采用碱液除油或酸洗方法清除残余油污。
3.根据权利要求1所述的一种基于电镀镍中间层的铜-钢复合结构的制备方法,其特征在于,步骤1中,表面活化所用稀盐酸溶液的浓度为50g/L~100g/L,活化处理时间控制在30s~50s。
4.根据权利要求1所述的一种基于电镀镍中间层的铜-钢复合结构的制备方法,其特征在于,步骤2中,电镀液以水为溶剂,其中溶质成分及浓度如下:硫酸镍200g/L~250g/L,氯化镍30g/L~50g/L,硼酸30g/L~40g/L;并加入pH值调节剂调节电镀液pH值为4.0~4.2。
5.根据权利要求1所述的一种基于电镀镍中间层的铜-钢复合结构的制备方法,其特征在于,步骤2中,电镀镍过程中的工艺参数为:电流密度1.5ASD~2.5ASD,温度45℃~55℃,时间10min~20min。
6.根据权利要求1所述的一种基于电镀镍中间层的铜-钢复合结构的制备方法,其特征在于,步骤3中,采用水或酒精清洗电镀完成后的钢板,并在50℃~70℃下完全烘干。
7.根据权利要求1所述的一种基于电镀镍中间层的铜-钢复合结构的制备方法,其特征在于,步骤3中,除氢处理的温度为180℃~240℃,保温8min~15min,炉冷。
8.根据权利要求1所述的一种基于电镀镍中间层的铜-钢复合结构的制备方法,其特征在于,步骤4中,电弧增材工艺为:焊接电流210A~230A,焊接电压24V~26V,焊接速度0.2m/min~0.4m/min,保护气体采用体积分数为99%的氩气。
9.根据权利要求1所述的一种基于电镀镍中间层的铜-钢复合结构的制备方法,其特征在于,步骤5中,热处理温度为380±20℃,保温时间2h~2.5h,炉冷。
10.根据权利要求1所述的一种基于电镀镍中间层的铜-钢复合结构的制备方法,其特征在于,步骤5中,表面粗糙度控制在Ra 3.2~Ra 6.4。
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