结晶器铜板电镀镀层设计与控制概述

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　　【摘  要】结晶器铜板是连铸机的核心部件，结晶器铜板电镀镀层质量对钢厂过钢起着至关重要作用，其镀层性能优劣是决定结晶器寿命的重要因素。铜板镀层由最初镀铬、镍铬、镍铁合金，逐步发展广泛应用于生产的镍钴合金。但是好的性能镀层，如不能进行合理的镀层设计和控制，其优良的使用性能也难以发挥出来，铜板吨钢数达不到要求，给供求双方带来较大的经济损失，可见结晶器铜板镀层合理化设计和控制是结晶器生产厂家提高结晶器铜板镀层使用寿命的关键所在。作为一名表面处理工作者，本论文针对镍钴与钴镍合金镀层、镀层应力处理、梯度镀层等设计与控制做了深入的论述，以为我国电镀事业的发展和完善做一点理论方面的探索。
　　【关键词】镀层设计;梯度镀层;组箱镀;钴镍合金;结晶器铜板
　　一、结晶器铜板电镀镀层现状
　　目前从各大结晶器铜板电镀企业和钢厂反馈统计上看，结晶器铜板电镀镀层存在很多不足之处。主要表现在：镀层不耐磨、脆性大、应力大导致的镀层使用寿命周期短;效率低、施镀周期长;施镀金属价格昂贵，成本高。针对结晶器铜板电镀镀层目前存在的诸多不足，详细论述四种关于结晶器铜板电镀镀层设计与控制方面的方式方法。具体如下：
　　二、镍钴合金镀层设计
　　钢厂拉钢数据表明，设计良好的镀层应该具备高强度、高耐磨性、抗热疲劳、强耐腐蚀性能。目前国内结晶器铜板镀层应用最广的是镍钴合金镀层，电镀镍钴合金溶液一般为氨基磺酸盐镀镍铬溶液中加钴盐。溶液配方具体为：氨基磺酸镍：400 g/L;氯化镍：8-12 g/L;硼酸：40 g/L;PH：4-5;温度：52-60℃。
　　钴含量对镍钴合金的硬度有很大的影响。在生产中不断探索前行中，我们不断地对镀槽镀液中钴量、镀层钴含量和相应镀层硬度的试验数据进行统计分析得出：一是在镀液其它成分浓度不变情况下，镀液钴盐浓度与镀层钴含量近乎成正比关系：镀液Co2+为1.0g/L时，镀层含钴量可达8%;镀液Co2+为3.0g/L时，镀层含钴量可达18%;镀液Co2+为6.0g/L时，镀层含钴量可达30%以上。二是镀层硬度随着钴含量增加而成增加趋势，具有正相关性。即镀层钴含量在7%以下时硬度能达到250HV，镀层钴含量到10%时硬度能达到300 HV，当镀层钴含量达到15%时硬度能达到380HV。数据统计表明在一定范围内镀层的硬度随钴含量的增加而增加，然而镀层硬度的增加对结晶器铜板镀层的设计是有益的。具体硬度增加的原因分析是溶质Co含量的增加使镍钴合金固溶体的强度增加，塑性和韧性降低，即产生固溶强化作用机理。在生产过程中，根据钢厂对拉钢量的要求保证槽液中钴盐浓度在一定的量，可得到成分均匀的镀层，达到镀层设计的目的。同时考虑高钴成本，建议可把镍钴合金镀层中的钴含量控制在15%—20%的范围内，可通过一定的分析设备手段对镀槽溶液浓度给予严格的控制，达到对镀层含量的准确把握。
　　三、钴镍合金镀层设计
　　目前，随着炼钢技术的发展，结晶器镀层材料越来越向高强度、高耐磨性方面发展。为了进一步提高镀层的耐磨性，提高结晶器铜板的使用寿命，国内相继发展了Ni-Co镀层和Co- Ni镀层，Co-Ni镀层的使用性能更好。在國内大板坯结晶器上有使用（宝钢板坯连铸机宽边铜板），一次使用寿命可过钢20万吨。
　　国内已有成型的钴-镍合金电镀工艺，但是由于技术壁垒的存在，这方面镀层技术的交流推广还需很长时期。因镀层钴量在80%-95%，投入成本大，可作为一种新工艺方面的技术储备满足市场的更高需求，也可适时推入市场，市场潜力巨大。钴-镍合金电镀是一种高钴低镍的电镀体系，这种体系中，较高的钴含量能大大的提高镀层的耐磨性与抗腐蚀能力，镀层有良好的热硬性和低应力，使得铜板的使用寿命大大提高。当合金钴含量控制在90%以上某个范围时同时具备良好硬度和韧性，此时的钴镍合金适合用于结晶器铜板高硬度耐磨功能性镀层的设计使用。通过专用钴镍合金镀液配方和复合型阳极装置电镀出的结晶器铜板镀层可以满足15万吨以上的过钢量，所以钴镍合金镀层新技术是今后应用的一个大方向。
　　四、镀层弱化应力的设计
　　结晶器铜板镀层应力大一直是困扰镀层质量方面的因素。无论是小于20%的低钴和大于80%的高钴镀层，均存在着应力，即使电镀体系中其它一点添加剂都不加入，在镀镍层引入钴也会使合金镀层的内应力增大，脆性增大。为了有效减少镀层中的应力可对电镀镀层进行如下的设计和控制。首先，在镀层设计时要严格控制好钴含量，钴含量控制在15%—20%的范围内较理想。其次，根据电镀过程通电量与合金镀层拉应力之间的关系，可在电镀开始一段时间内不往镀液中添加钴，随着电镀通电量的增加再添加钴，这种控制方法利于镀层初始阶段的应力减少控制，增加镀层的结合力。最后，经过适当的热处理使得应力得以释放，虽然通过热处理合金硬度会有一定程度的降低，但却在降低合金沉积层应力的同时，使镀层的延伸率得到提升，达到结晶器铜板镀层设计的目的。对镍钴体系电镀的铜板进行热处理，消除镀层应力热处理条件：温度250±10℃，时间2小时。
　　五、梯度镀层设计
　　用两块铜板面向直接组成镀槽（另外两面用堵板封死）进行的电镀工艺称为“组箱镀”。根据铜板镀层厚度的梯度要求，在电镀生产过程中可采用降低液面的方式，获得上薄下厚的镀层，能够满足铜板镀层厚度要求;同时可大大降低电镀成本，钴盐的市场价比镍盐市场价要贵出50元/公斤。另外通过控制铜板上口镀层厚度，也明显减少上镀镍材料消耗，同时减少镀层后续去除机加费用，提升机加效率。
　　在低应力电镀溶液体系电镀可控式Ni-Co合金镀层，采用套管装置控制液面以此设计出上薄下厚的镀层，上部控制在1-3mm，下部控制在2-4mm左右。如能在板材基体上数铣加工出与之配合的阶梯式形状，更有利上下镀层厚度的控制，铜板基体的加工形状设计在此不作赘述;随着通电量的累积，通过提高钴盐滴定量使得镀层钴含量在铜板上有更多的沉积。达到内少外多，上少下多的钴含量控制，在时间和空间上均达到了不同钴含量镀层设计。
　　上部较薄的含钴低的镀层其硬度低、韧性好，有效防止铜板在弯月面附近产生热裂纹;下部较厚的含钴多的外部镀层其硬度高、耐磨性好，大大提高了铜板的使用寿命。针对部位镀层进行不同的厚度和硬度设计，电镀出低应力镍钴合金镀层，既提升使用性能很好地保证了质量，又延长使用寿命，同时大大地降低了生产成本，面对现如今严峻的市场形势，降本增效对企业的生成经营将会做出积极贡献。
　　参考文献：
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　　[2]武刚，李宁等.电沉积Co-Ni合金镀层结构及硬度的研究.材料科学与工艺，2002.
　　[3]覃奇贤，封万起等.电沉积Ni-Co梯度合金的研究.Plating and Finishing，1999.
　　[4]方克明，张宏杰等.连铸机结晶器铜板用Ni-Co合金镀层的探讨.连铸，2003.
　　作者简介：
　　男，1980年出生，大学本科学历，2005年毕业于佳木斯大学金属材料工程与科学学院，2005-2013年工作于“秦皇岛首钢长白结晶器有限责任公司表面处理厂”，目前工作于“北京美中双合医疗器械股份有限公司”。
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