CuCo2Be铜合金表面镀层性能研究

江 苏 科 技 大 学本 科 毕 业 设 计（论文）学 院 材料科学与工程 专 业 金属材料工程 学生姓名 王忠政 班级学号 0640602223 指导教师 王冀恒 二零一零年六月江苏科技大学本科毕业论文CuCo2Be 铜合金表面镀层性能研究CuCo2Be copper alloy surface coating performance江苏科技大学本科毕业设计（论文）IV摘 要铍钴铜合金是一种对应力腐蚀敏感的合金，为提高合金的耐磨性、耐蚀性及抗氧化能力，在现有的条件下，采用普通镀镍工艺。本课题通过对铍钴铜采用普通电镀镀镍工艺的研究，提高合金的性能。本论文重点叙述了电流、电镀时间等参数的选择以及镀层性能分析的研究。加载电流方式有脉冲和直流两种；电镀时间则在1min 到 50min 之间选择；利用维氏硬度 MH-5 型硬度测试机、X 射线衍射(XRD)、扫描电镜(SEM)、光学显微镜对不同镀镍工艺参数所得镍镀层的组织结构与性能进行了研究。通过以上镀层的性能分析，直流与脉冲相比较，脉冲电镀阴极动的镀层的表面形貌良好，致密性好，硬度稳定。电镀工艺最佳工艺采用脉冲电镀的阴极搅拌。关键词：CuCo2Be 、电镀、化学镀、镀镍江苏科技大学本科毕业设计（论文）VAbstractKeywords: CuCo2Be，Electroplating ，Electroless plating，Nickel plated overlay江苏科技大学本科毕业设计（论文）VI目 录第一章 绪论 11.1 研究背景 11.2 表面保护技术 11.2.1 热喷涂 21.2.2 电镀与化学镀技术 21.2.3 气相沉积技术 21.3 电镀镀镍 21.3.1 普通镀镍 31.3.2 光亮镀镍 41.3.3 化学镀镍 41.3.4 以次磷酸钠为还原剂 61.3.5 以硼化物为还原剂 61.3.6 已肼为还原剂 61.4 本文主要内容 6第二章 铍钴铜合金组织及性能 82.1 铍钴铜合金材料 82.2 实验条件 82.3 CuCo2Be 的热处理 82.3.1 固溶处理 92.3.2 时效处理 102.4 小结 12第三章 镀层工艺研究 133.1 电镀镀镍工艺 133.1.1 实验条件 13江苏科技大学本科毕业设计（论文）VII3.1.2 电镀镍前预处理 133.1.3 电镀镍工艺摸索 143.2 化学镀镍工艺 153.3 复合镀镍钴合金工艺 1第四章 镀层性能研究 34.1 镀层孔隙率 34.2 镀层显微硬度 34.3 镀层 XRD 分析 54.4 镀层能谱分析 74.5 镀层形貌分析 84.6 镀层的热震实验 134.7 小结 13结 论 14致 谢 15参 考 文 献 16江苏科技大学本科毕业设计（论文）1第一章 绪论1.1 研究背景水平连铸工艺要求结晶器内壁铜套材质要有良好的传热性能、硬度、耐磨性、强度、刚度及高的软化温度、低热膨胀系数。现在水平连铸机结晶器常采用铍钴铜合金作为其结晶器铜套，铍钴铜合金在使用寿命和导热率等方面比模具钢要好。铍钴铜铜合金是高强度、耐热、导电铜合金。但是铍钴铜是一种对应力腐蚀敏感的合金，其缺陷表现为腐蚀裂纹 1。有的铜套裂纹呈间断状，有的是周向封闭裂纹，裂纹方向均为垂直于铜套轴心线；铜套从裂纹到进水口区域未被水垢覆盖部分呈紫红色，从裂纹到出口端呈合金本色或呈黑色；裂纹区域无宏观塑性变形。在铍钴铜套端面内外表面温差达到 300 ，内表面温度高于外表面温度，外表面承受了热拉伸应力，且方向与铜套轴线平行。CuCo2Be 铜套服役中，外表面承受了热拉伸应力；有腐蚀裂纹的铜套其裂纹方向垂直于铜套表面拉伸应力方向，裂纹源在与冷却水接触的外表面，裂纹表面与“隧洞”基体氧化，形成了钝化膜；铜套开裂宏观上是脆性断裂；裂纹沿晶界分布。可以认为铜套在役开裂是应力腐蚀开裂，水中铁离子是造成 CuCo2Be 铜套钝化膜破裂的影响因素，因而采用防应力腐蚀措施(如改变环境介质，提高冶金质量，进行表面涂镀等)，应能控制铜套发生应力腐蚀开裂。铜套服役中开裂、冷却水窜入铜套内， 引起中间包钢水喷溅，威胁生产人员及设备的安全，迫使生产中断。铍钴铜套连铸拉成率 56%,报废的主要原因是 “划伤 ”和 “钢水烫伤 ”，并未发现横裂 2。改进连铸工艺 ,拉成率分别提高到 70%和 80%，但 铍钴铜 套却出现大量横裂。 铍钴铜套人口处环状穿透性裂纹 3是因冷却水侧壁面出现膜态沸腾，导致材料过烧所致，致使其使用寿命还是不尽人意，使其生产成本增高、浪费能源、生产效率低下。单独只提高铜合金的性能，并不能大幅度提高铜合金的使用用寿命。所以采用表面保护技术提高材料的耐磨性和耐蚀性，在材料表面极易形成一层极薄的钝化膜，因而具有极高的化学稳定性。若能在铜合金结晶器内套表面形成一层耐磨、抗腐蚀、抗氧化的镀层对结晶器的使用寿命的提高将具有重大的意义。1.2 表面保护技术在采用表面保护技术 4时，主要是在不改变生产所要求的铜合金基体材料的组织性能的前提下，提高材料的耐磨性、耐蚀性及抗氧化。常用的材料表面防护技术有热喷涂、电镀、化学镀以及气相沉积技术。江苏科技大学本科毕业设计（论文）21.2.1 热喷涂热喷涂、喷焊、堆焊技术都是利用热能（如氧-乙炔火焰、电弧、等离子火焰等）将具有特殊性能的土层材料熔化后涂敷在工件上形成涂层的技术。热喷涂技术的特点：热喷涂的材料和使用基体材料广泛；基体温度低；操作灵活；涂层厚度范围宽。但热喷涂技术的局限性主要体现在热效率低，材料利用率低、浪费大和涂层与基体结合强度较低。1.2.2 电镀电镀是指在含有预镀金属的盐类溶液中，在电流的作用下，以被镀基体金属为阴极，以预镀金属或其他惰性导体为阳极，通过电解作用，在基体表面上获得结合牢固的金属膜的表面工程技术。合金电镀是在一种溶液中，两种或两种以上金属离子在阴极上共沉积，形成均匀细致镀层的过程。合金镀层在结晶致密性、镀层孔隙率、外观色泽、硬度、耐磨性、导磁性、减磨性和抗高温性等远远优于单金属电镀。电镀生产过程中排出大量的有害气体和生产废水，对环境有危害，并造成极大的资源浪费，残留大量泥渣难以处理。1.2.3 化学镀化学镀又称为无电解镀，指在无外加电流的状态下，借助合适的还原剂，使镀液中的金属离子还原成金属，并沉积到零件表面的一种镀覆方法。化学镀技术的镀层的厚度都是均匀的，得到的镀层致密，孔隙少、硬度高。但因溶液的稳定性较差，溶液的维护、调整和再生都比较麻烦，生产成本较高等因素而限制了在其他工业中的应用。1.2.4 气相沉积技术气相沉积技术是一种发展迅速，应用广泛的表面成膜技术，它不仅可以用来制备各种特殊力学性能（如超硬度、高耐蚀、耐热和抗氧化等）的薄膜涂层。气相沉积可分为物理气相沉积和化学气相沉积。物理气相沉积包括蒸发镀膜、溅射镀膜和离子镀膜；化学气相沉积包括普通、等离子增强、光化学反应、金属有机物等。1.3 电镀镍工艺的研究现状计算机技术在电镀技术中的应用已受到重视。应用计算机与近代分析技术结合对电镀工艺进行控制,除电镀时间、镀液的温度外,还对镀液的pH、金属离子浓度、江苏科技大学本科毕业设计（论文）3添加剂的消耗速度等测定、调整和维护。其目的是使工艺能控制在最佳状态,以保证产品质量,提高生产效率,这是电镀工艺科学管理和维护迈向自动化、现代化的发展方向。我国在电镀生产线上应用计算机控制也己做出了一定成绩,但与国外相比还有相当差距,值得我们高度重视。脉冲技术在电镀中的研究和应用已很普遍,特别在贵金属Au和Ag的电镀工艺中, 应用脉冲镀技术能获得致密、光亮的镀层。由于提高了镀层质量,可以减薄厚度,达到要求的性能指标,从而节约了贵金属的消耗。现在关于脉冲技术在电镀工艺中的应用研究,不仅限于贵金属电镀,在铝氧化及电解着色工艺,在电镀镍、锌及其合金工艺中,均已进行研究,应用前景广阔。在电镀技术中采用激光技术的研究是人们感兴趣的重要课题。已进行的研究结果表明,激光能加快电沉积速度。当激光能量密度为10 4w/cm2时,金属沉积速度可达102m/s ,是一种高速电镀新技术, 激光并能影响镀层结构,使晶粒细化,改善镀层质量。如采用计算机控制激光束的运动轨迹,可得到预期的复杂几何图形,不采用屏蔽措施便可进行选择性电镀, 且效率高,操作方便。另外, 镀后进行激光处理, 也会改变镀层结构, 如镀铬后进行激光处理,使表面铬向底层扩散, 形成新的合金层含Cr23C6碳化物, 从而提高镀层耐磨及抗蚀性能。我国对这一领域的研究还基本是空白, 需要组织力量开展工作。关于超声波在电镀技术中的应用,目前还只局限于前处理中的清先发表的研究结果表明,超声波能增进深孔电沉积,提高镀液均镀能力这方面的研究已受到人们的注意。外加磁场包括恒稳磁场和交变磁场对电镀过程的效应, 近年来已在镍、铜、铝、锡等电镀中进行了研究。结果表明,施加外磁场可以改善分散能力, 影响电极过程使扩散层减薄,导致极限电流密度增大,提高沉积速度,改善镀层质量(不易出现树枝状镀层)等。这