CuCo2Be銅合金表面鍍層性能研究

江 蘇 科 技 大 學本 科 畢 業(yè) 設(shè) 計（論文）學 院 材料科學與工程 專 業(yè) 金屬材料工程 學生姓名 王忠政 班級學號 0640602223 指導教師 王冀恒 二零一零年六月江蘇科技大學本科畢業(yè)論文CuCo2Be 銅合金表面鍍層性能研究CuCo2Be copper alloy surface coating performance江蘇科技大學本科畢業(yè)設(shè)計（論文）IV摘 要鈹鈷銅合金是一種對應(yīng)力腐蝕敏感的合金，為提高合金的耐磨性、耐蝕性及抗氧化能力，在現(xiàn)有的條件下，采用普通鍍鎳工藝。本課題通過對鈹鈷銅采用普通電鍍鍍鎳工藝的研究，提高合金的性能。本論文重點敘述了電流、電鍍時間等參數(shù)的選擇以及鍍層性能分析的研究。加載電流方式有脈沖和直流兩種；電鍍時間則在1min 到 50min 之間選擇；利用維氏硬度 MH-5 型硬度測試機、X 射線衍射(XRD)、掃描電鏡(SEM)、光學顯微鏡對不同鍍鎳工藝參數(shù)所得鎳鍍層的組織結(jié)構(gòu)與性能進行了研究。通過以上鍍層的性能分析，直流與脈沖相比較，脈沖電鍍陰極動的鍍層的表面形貌良好，致密性好，硬度穩(wěn)定。電鍍工藝最佳工藝采用脈沖電鍍的陰極攪拌。關(guān)鍵詞：CuCo2Be 、電鍍、化學鍍、鍍鎳江蘇科技大學本科畢業(yè)設(shè)計（論文）VAbstractKeywords: CuCo2Be，Electroplating ，Electroless plating，Nickel plated overlay江蘇科技大學本科畢業(yè)設(shè)計（論文）VI目 錄第一章 緒論 11.1 研究背景 11.2 表面保護技術(shù) 11.2.1 熱噴涂 21.2.2 電鍍與化學鍍技術(shù) 21.2.3 氣相沉積技術(shù) 21.3 電鍍鍍鎳 21.3.1 普通鍍鎳 31.3.2 光亮鍍鎳 41.3.3 化學鍍鎳 41.3.4 以次磷酸鈉為還原劑 61.3.5 以硼化物為還原劑 61.3.6 已肼為還原劑 61.4 本文主要內(nèi)容 6第二章 鈹鈷銅合金組織及性能 82.1 鈹鈷銅合金材料 82.2 實驗條件 82.3 CuCo2Be 的熱處理 82.3.1 固溶處理 92.3.2 時效處理 102.4 小結(jié) 12第三章 鍍層工藝研究 133.1 電鍍鍍鎳工藝 133.1.1 實驗條件 13江蘇科技大學本科畢業(yè)設(shè)計（論文）VII3.1.2 電鍍鎳前預(yù)處理 133.1.3 電鍍鎳工藝摸索 143.2 化學鍍鎳工藝 153.3 復(fù)合鍍鎳鈷合金工藝 1第四章 鍍層性能研究 34.1 鍍層孔隙率 34.2 鍍層顯微硬度 34.3 鍍層 XRD 分析 54.4 鍍層能譜分析 74.5 鍍層形貌分析 84.6 鍍層的熱震實驗 134.7 小結(jié) 13結(jié) 論 14致 謝 15參 考 文 獻 16江蘇科技大學本科畢業(yè)設(shè)計（論文）1第一章 緒論1.1 研究背景水平連鑄工藝要求結(jié)晶器內(nèi)壁銅套材質(zhì)要有良好的傳熱性能、硬度、耐磨性、強度、剛度及高的軟化溫度、低熱膨脹系數(shù)?，F(xiàn)在水平連鑄機結(jié)晶器常采用鈹鈷銅合金作為其結(jié)晶器銅套，鈹鈷銅合金在使用壽命和導熱率等方面比模具鋼要好。鈹鈷銅銅合金是高強度、耐熱、導電銅合金。但是鈹鈷銅是一種對應(yīng)力腐蝕敏感的合金，其缺陷表現(xiàn)為腐蝕裂紋 1。有的銅套裂紋呈間斷狀，有的是周向封閉裂紋，裂紋方向均為垂直于銅套軸心線；銅套從裂紋到進水口區(qū)域未被水垢覆蓋部分呈紫紅色，從裂紋到出口端呈合金本色或呈黑色；裂紋區(qū)域無宏觀塑性變形。在鈹鈷銅套端面內(nèi)外表面溫差達到 300 ，內(nèi)表面溫度高于外表面溫度，外表面承受了熱拉伸應(yīng)力，且方向與銅套軸線平行。CuCo2Be 銅套服役中，外表面承受了熱拉伸應(yīng)力；有腐蝕裂紋的銅套其裂紋方向垂直于銅套表面拉伸應(yīng)力方向，裂紋源在與冷卻水接觸的外表面，裂紋表面與“隧洞”基體氧化，形成了鈍化膜；銅套開裂宏觀上是脆性斷裂；裂紋沿晶界分布。可以認為銅套在役開裂是應(yīng)力腐蝕開裂，水中鐵離子是造成 CuCo2Be 銅套鈍化膜破裂的影響因素，因而采用防應(yīng)力腐蝕措施(如改變環(huán)境介質(zhì)，提高冶金質(zhì)量，進行表面涂鍍等)，應(yīng)能控制銅套發(fā)生應(yīng)力腐蝕開裂。銅套服役中開裂、冷卻水竄入銅套內(nèi)， 引起中間包鋼水噴濺，威脅生產(chǎn)人員及設(shè)備的安全，迫使生產(chǎn)中斷。鈹鈷銅套連鑄拉成率 56%,報廢的主要原因是 “劃傷 ”和 “鋼水燙傷 ”，并未發(fā)現(xiàn)橫裂 2。改進連鑄工藝 ,拉成率分別提高到 70%和 80%，但 鈹鈷銅 套卻出現(xiàn)大量橫裂。 鈹鈷銅套人口處環(huán)狀穿透性裂紋 3是因冷卻水側(cè)壁面出現(xiàn)膜態(tài)沸騰，導致材料過燒所致，致使其使用壽命還是不盡人意，使其生產(chǎn)成本增高、浪費能源、生產(chǎn)效率低下。單獨只提高銅合金的性能，并不能大幅度提高銅合金的使用用壽命。所以采用表面保護技術(shù)提高材料的耐磨性和耐蝕性，在材料表面極易形成一層極薄的鈍化膜，因而具有極高的化學穩(wěn)定性。若能在銅合金結(jié)晶器內(nèi)套表面形成一層耐磨、抗腐蝕、抗氧化的鍍層對結(jié)晶器的使用壽命的提高將具有重大的意義。1.2 表面保護技術(shù)在采用表面保護技術(shù) 4時，主要是在不改變生產(chǎn)所要求的銅合金基體材料的組織性能的前提下，提高材料的耐磨性、耐蝕性及抗氧化。常用的材料表面防護技術(shù)有熱噴涂、電鍍、化學鍍以及氣相沉積技術(shù)。江蘇科技大學本科畢業(yè)設(shè)計（論文）21.2.1 熱噴涂熱噴涂、噴焊、堆焊技術(shù)都是利用熱能（如氧-乙炔火焰、電弧、等離子火焰等）將具有特殊性能的土層材料熔化后涂敷在工件上形成涂層的技術(shù)。熱噴涂技術(shù)的特點：熱噴涂的材料和使用基體材料廣泛；基體溫度低；操作靈活；涂層厚度范圍寬。但熱噴涂技術(shù)的局限性主要體現(xiàn)在熱效率低，材料利用率低、浪費大和涂層與基體結(jié)合強度較低。1.2.2 電鍍電鍍是指在含有預(yù)鍍金屬的鹽類溶液中，在電流的作用下，以被鍍基體金屬為陰極，以預(yù)鍍金屬或其他惰性導體為陽極，通過電解作用，在基體表面上獲得結(jié)合牢固的金屬膜的表面工程技術(shù)。合金電鍍是在一種溶液中，兩種或兩種以上金屬離子在陰極上共沉積，形成均勻細致鍍層的過程。合金鍍層在結(jié)晶致密性、鍍層孔隙率、外觀色澤、硬度、耐磨性、導磁性、減磨性和抗高溫性等遠遠優(yōu)于單金屬電鍍。電鍍生產(chǎn)過程中排出大量的有害氣體和生產(chǎn)廢水，對環(huán)境有危害，并造成極大的資源浪費，殘留大量泥渣難以處理。1.2.3 化學鍍化學鍍又稱為無電解鍍，指在無外加電流的狀態(tài)下，借助合適的還原劑，使鍍液中的金屬離子還原成金屬，并沉積到零件表面的一種鍍覆方法?；瘜W鍍技術(shù)的鍍層的厚度都是均勻的，得到的鍍層致密，孔隙少、硬度高。但因溶液的穩(wěn)定性較差，溶液的維護、調(diào)整和再生都比較麻煩，生產(chǎn)成本較高等因素而限制了在其他工業(yè)中的應(yīng)用。1.2.4 氣相沉積技術(shù)氣相沉積技術(shù)是一種發(fā)展迅速，應(yīng)用廣泛的表面成膜技術(shù)，它不僅可以用來制備各種特殊力學性能（如超硬度、高耐蝕、耐熱和抗氧化等）的薄膜涂層。氣相沉積可分為物理氣相沉積和化學氣相沉積。物理氣相沉積包括蒸發(fā)鍍膜、濺射鍍膜和離子鍍膜；化學氣相沉積包括普通、等離子增強、光化學反應(yīng)、金屬有機物等。1.3 電鍍鎳工藝的研究現(xiàn)狀計算機技術(shù)在電鍍技術(shù)中的應(yīng)用已受到重視。應(yīng)用計算機與近代分析技術(shù)結(jié)合對電鍍工藝進行控制,除電鍍時間、鍍液的溫度外,還對鍍液的pH、金屬離子濃度、江蘇科技大學本科畢業(yè)設(shè)計（論文）3添加劑的消耗速度等測定、調(diào)整和維護。其目的是使工藝能控制在最佳狀態(tài),以保證產(chǎn)品質(zhì)量,提高生產(chǎn)效率,這是電鍍工藝科學管理和維護邁向自動化、現(xiàn)代化的發(fā)展方向。我國在電鍍生產(chǎn)線上應(yīng)用計算機控制也己做出了一定成績,但與國外相比還有相當差距,值得我們高度重視。脈沖技術(shù)在電鍍中的研究和應(yīng)用已很普遍,特別在貴金屬Au和Ag的電鍍工藝中, 應(yīng)用脈沖鍍技術(shù)能獲得致密、光亮的鍍層。由于提高了鍍層質(zhì)量,可以減薄厚度,達到要求的性能指標,從而節(jié)約了貴金屬的消耗?，F(xiàn)在關(guān)于脈沖技術(shù)在電鍍工藝中的應(yīng)用研究,不僅限于貴金屬電鍍,在鋁氧化及電解著色工藝,在電鍍鎳、鋅及其合金工藝中,均已進行研究,應(yīng)用前景廣闊。在電鍍技術(shù)中采用激光技術(shù)的研究是人們感興趣的重要課題。已進行的研究結(jié)果表明,激光能加快電沉積速度。當激光能量密度為10 4w/cm2時,金屬沉積速度可達102m/s ,是一種高速電鍍新技術(shù), 激光并能影響鍍層結(jié)構(gòu),使晶粒細化,改善鍍層質(zhì)量。如采用計算機控制激光束的運動軌跡,可得到預(yù)期的復(fù)雜幾何圖形,不采用屏蔽措施便可進行選擇性電鍍, 且效率高,操作方便。另外, 鍍后進行激光處理, 也會改變鍍層結(jié)構(gòu), 如鍍鉻后進行激光處理,使表面鉻向底層擴散, 形成新的合金層含Cr23C6碳化物, 從而提高鍍層耐磨及抗蝕性能。我國對這一領(lǐng)域的研究還基本是空白, 需要組織力量開展工作。關(guān)于超聲波在電鍍技術(shù)中的應(yīng)用,目前還只局限于前處理中的清先發(fā)表的研究結(jié)果表明,超聲波能增進深孔電沉積,提高鍍液均鍍能力這方面的研究已受到人們的注意。外加磁場包括恒穩(wěn)磁場和交變磁場對電鍍過程的效應(yīng), 近年來已在鎳、銅、鋁、錫等電鍍中進行了研究。結(jié)果表明,施加外磁場可以改善分散能力, 影響電極過程使擴散層減薄,導致極限電流密度增大,提高沉積速度,改善鍍層質(zhì)量(不易出現(xiàn)樹枝狀鍍層)等。這