結(jié)晶器作為連鑄機(jī)的“心臟”,是連鑄生產(chǎn)中非常重要的環(huán)節(jié),但其工作環(huán)境也是異常惡劣。作為熱量傳遞的載體,它的外表面受到冷卻水激冷的影響,內(nèi)表面又受到高溫鋼水的沖刷及凝固坯殼的高頻摩擦,很容易造成結(jié)晶器銅板產(chǎn)生變形、裂紋及磨損,進(jìn)而導(dǎo)致失效。為了延長(zhǎng)連鑄結(jié)晶器的服役壽命同時(shí)改善鑄坯質(zhì)量,常常對(duì)結(jié)晶器銅板進(jìn)行表面強(qiáng)化處理。在工業(yè)上,常采用在銅板表面電鍍一層鎳及鎳合金的方式進(jìn)行強(qiáng)化,但即便如此,這種表面鍍層依然面臨著相對(duì)硬度較低,耐磨損性不足,尤其是高溫機(jī)械性能差的特點(diǎn)。為進(jìn)一步解決這一問(wèn)題,本研究嘗試采用復(fù)合電鍍技術(shù),在常規(guī)鍍鎳液中加入微納米級(jí)的顆粒,通過(guò)顆粒與陽(yáng)極金屬的共沉積,以達(dá)到強(qiáng)化鍍層性能的效果,使其具有更強(qiáng)的硬度、耐磨性及耐高溫性能。本研究采用微納米復(fù)合電鍍技術(shù)在結(jié)晶器銅板基體表面制備出Ni/Al_2O_3復(fù)合鍍層,并對(duì)其制備工藝及相關(guān)性能進(jìn)行系統(tǒng)的分析研究。主要的研究?jī)?nèi)容及結(jié)果如下:(1)制備高硬度納米復(fù)合鍍層的最佳工藝制度確定以納米復(fù)合鍍層的顯微硬度為衡量指標(biāo),通過(guò)正交實(shí)驗(yàn)和單因素實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的方式,確定了制備高硬度Ni/Al_2O_3納米復(fù)合鍍層的最優(yōu)工藝參數(shù)為:陰極電流密度為4A/dm2、鍍液溫度為50℃、鍍液p H值為4、鍍液中納米Al_2O_3的添加量為30g/L。在最優(yōu)工藝參數(shù)下制得的純Ni鍍層與Ni/Al_2O_3納米復(fù)合鍍層顯微硬度分別為214HV和376HV。(2)Ni/Al_2O_3納米復(fù)合鍍層的性能研究與純Ni鍍層相比,納米復(fù)合鍍層的晶粒組織更細(xì)小,表面更平整且無(wú)明顯凹陷或凸起,組織更致密,納米Al_2O_3彌散均勻的分布于鍍層基質(zhì)金屬中。采用機(jī)械和超聲破碎相結(jié)合的分散方式得到的納米復(fù)合鍍層中納米顆粒無(wú)明顯的團(tuán)聚現(xiàn)象,分散較好。在最優(yōu)工藝參數(shù)下制得的納米復(fù)合鍍層的摩擦系數(shù)低于0.4,其磨損量也小于純Ni鍍層的1/2;Ni/Al_2O_3納米復(fù)合鍍層在3.5Wt.%的Na Cl溶液中的浸泡腐蝕失重僅約為純Ni鍍層的1/4。(3)Al_2O_3微粒尺寸對(duì)Ni/Al_2O_3復(fù)合鍍層性能的影響在最佳工藝參數(shù)下制得Ni/Al_2O_3微米復(fù)合鍍層和納米復(fù)合鍍層,并對(duì)比分析其性能。與微米復(fù)合鍍層相比,Ni/Al_2O_3納米復(fù)合鍍層的性能明顯優(yōu)于微米復(fù)合鍍層,且復(fù)合的納米顆粒尺寸越小鍍層的性能越好。(4)熱處理對(duì)Ni基鍍層性能的影響對(duì)Ni基復(fù)合鍍層進(jìn)行熱處理,能改善其顯微結(jié)構(gòu),同時(shí)能提高其機(jī)械性能。Ni/Al_2O_3微米復(fù)合鍍層的硬度在200℃左右達(dá)到峰值,超過(guò)200℃以后,其硬度值下降;復(fù)合50nm Al_2O_3微粒的Ni/Al_2O_3納米復(fù)合鍍層的硬度在400℃左右達(dá)到峰值,超過(guò)400℃以后,其硬度值下降;復(fù)合30nm Al_2O_3微粒的Ni/Al_2O_3納米復(fù)合鍍層的硬度在500℃左右達(dá)到峰值,超過(guò)500℃以后,其硬度值有所下降。在相同的熱處理溫度下,Ni/Al_2O_3微納米復(fù)合鍍層的耐高溫氧化性能比純Ni鍍層的好,且復(fù)合加入的Al_2O_3顆粒越小,復(fù)合鍍層的耐高溫氧化性能越好。
【學(xué)位單位】：重慶大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位年份】：2017
【中圖分類(lèi)】：TF341.6;TG174.4
【部分圖文】：

1 緒 論景生產(chǎn)鋼坯的最主要方法[1]，而結(jié)晶器又被比作是連鑄機(jī)的好壞直接影響到鑄坯質(zhì)量、連鑄的生產(chǎn)效率及生產(chǎn)鑄中鋼液凝固成型的重要導(dǎo)熱部件，其首要的功能就放出去，以形成足夠厚度的凝固坯殼，因此，對(duì)于結(jié)晶要求是導(dǎo)熱性能要好，這也是結(jié)晶器材料選擇銅的原晶器的工作環(huán)境異常惡劣，其在高溫鋼液和冷卻水的裂紋、若溫差過(guò)大還會(huì)出現(xiàn)變形；在保護(hù)渣的作用下拉坯、振動(dòng)條件下易引起磨痕與磨損，在錐度調(diào)整、劃傷等[2-4]，這些缺陷大多發(fā)生在結(jié)晶器銅板的表面，對(duì)于結(jié)晶器銅板來(lái)說(shuō)，其基本性能要求為：良好的導(dǎo)的軟化溫度、足夠好的耐磨性能和耐腐蝕性能[1]。

圖 1.2 結(jié)晶器銅板表面鍍層失效損傷實(shí)物照片(a 磨損;b 腐蝕;c 磨損、剝落;d 大片剝落)Fig.1.2 The damage’s real pHotos of coating on the surface of copper crystallizer(a: wear; b: corrosion; c: wear and spalling; d: bulk spalling)為了改善并提高連鑄結(jié)晶器的性能和壽命，通常從兩方面出發(fā)提出解決方法：一方面，提高結(jié)晶器銅板銅合金的性能，以提高銅板的剛度及強(qiáng)度，緩解結(jié)晶器銅板的變形；另一方面，對(duì)結(jié)晶器銅板進(jìn)行表面處理，以達(dá)到減少結(jié)晶器銅板裂紋產(chǎn)生、提高結(jié)晶器銅板表面硬度及耐磨性、改善銅板的潤(rùn)滑性作用，進(jìn)而提高結(jié)晶器的使用壽命[2, 6, 7]。另外，對(duì)銅板進(jìn)行表面涂覆，還可以有效避免鋼水與銅板直接接觸，對(duì)于減少銅直接進(jìn)入鋼液起阻隔作用，減少凝固坯殼星狀裂紋的產(chǎn)生。在本研究中主要對(duì)第二種方式即表面處理進(jìn)行論述。材料表面處理的方式有很多：比如電化學(xué)沉積（電鍍、電刷鍍）、化學(xué)沉積（化學(xué)鍍）、物理氣相沉積（PHysical Vapor Deposition，PVD）、化學(xué)氣相沉積（CVD）、熱噴涂、堆焊、激光束或電子束表面熔覆、熱浸鍍等。對(duì)于連鑄結(jié)晶器銅板的表

強(qiáng)化、Zener 釘扎效應(yīng)以及彌散強(qiáng)化，以下針對(duì)這幾種強(qiáng)化方式分別進(jìn)行。① 細(xì)晶強(qiáng)化細(xì)晶強(qiáng)化是一種廣泛適用于各種金屬材料的強(qiáng)化機(jī)制，其通過(guò)細(xì)化晶粒使材料的力學(xué)性能得到提高。通常來(lái)說(shuō)，晶粒越細(xì)小，材料具有更高的強(qiáng)度、塑性及韌性。其原理在于：細(xì)晶粒受到外力發(fā)生塑性變形可分散在更多內(nèi)進(jìn)行，塑性變形較均勻，應(yīng)力集中較��；此外，晶粒越細(xì)，晶界面積越界越曲折，越不利于裂紋及位錯(cuò)的擴(kuò)展。在復(fù)合鍍層的形成過(guò)程中，均勻彌散分布于鍍液中的納米顆粒能夠?yàn)榛|(zhì)的還原析出提供大量的成核核心，提高基質(zhì)金屬的形核率，使得鍍層晶粒數(shù)加，另外，彌散分布于基質(zhì)金屬中的納米微�？梢宰璧K鍍層基質(zhì)晶粒的長(zhǎng)大而得到晶粒更細(xì)小、均勻且表面更致密的復(fù)合鍍層[55, 56]，如圖 1.3 所示。米復(fù)合鍍層具有晶粒更細(xì)小的組織，納米顆粒的加入起到了細(xì)晶強(qiáng)化的效果
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