Ｎｉ－ＺｒＯ_２納米復(fù)合鍍層在結(jié)晶器中的應(yīng)用

摘要：文章對Ni-ZrO2納米復(fù)合鍍層的性質(zhì)進(jìn)行實驗室研究，Ni-ZrO2納米復(fù)合鍍層由金屬鎳以及彌散分布于其中的高硬度ZrO2納米微粒構(gòu)成，該納米復(fù)合鍍層具有高硬度、高耐磨性、良好的耐高溫性能以及低內(nèi)應(yīng)力等特點。實驗結(jié)果證明使用效果要比電鍍鉻鍍層有了大幅度提高。

關(guān)鍵詞：納米材料；復(fù)合鍍層；結(jié)晶器

1引言

在現(xiàn)代鋼鐵工業(yè)中，連續(xù)鑄鋼技術(shù)(以下簡稱“連鑄”)的出現(xiàn)是一次重大的技術(shù)革命。連鑄機(jī)的結(jié)晶器對鍍層的性能提出了很高的要求：首先鍍層韌性要好，內(nèi)應(yīng)力低，耐熱沖擊；其次要在高溫下有很好的耐磨性能。

由于受到金屬自身性質(zhì)的限制，600℃以上時，目前開發(fā)的各種金屬鍍層的高溫耐磨性能并不盡如人意。而且金屬鍍層的另一個問題是加大合金比例時，耐磨性是提高了，但是內(nèi)應(yīng)力卻急劇增加。因此，將Ni-ZrO2納米復(fù)合鍍層引入實際的連鑄機(jī)結(jié)晶器電鍍層的制造，在生產(chǎn)實踐當(dāng)中必然會起到積極的作用。

2Ni-ZrO2納米復(fù)合鍍層的實驗室設(shè)計和研究

本課題應(yīng)用的納米ZrO2晶粒平均粒徑30nm，表面積為190m2·g－1，真空包裝。試樣基體采用紫銅塊，鍍層以鎳為基體。鍍槽采用1000ml燒杯，以水浴控制鍍液溫度。電鍍電源為KGS型高頻脈沖開關(guān)電源，輸出直流電壓0～8V，輸出電流0～200A。

實驗的工藝流程部分參考了工業(yè)中的氨基磺酸鎳電鍍工藝，以便更好地適應(yīng)將來實際生產(chǎn)的需要。實驗使用GW/ML－MS銷盤式高溫摩擦磨損實驗機(jī)，其原理如圖1所示。試樣為銷（球）/盤式接觸方式，載荷施加于銷（球）試樣上，盤試樣轉(zhuǎn)動，形成對磨副之間的相對滑動摩擦磨損。實驗中對摩擦副進(jìn)行加熱，達(dá)到并控制要求的溫度；檢測摩擦副在一定載荷和滑動速度下產(chǎn)生的摩擦力，以磨損一定時間后摩擦力的穩(wěn)定值來計算摩擦系數(shù)。磨損量以“失重法”計算，測定塊試樣在一定的實驗條件下磨損失重。實驗結(jié)果取三次有效實驗數(shù)據(jù)的平均值。

3實驗的結(jié)果和討論

對于不同體系，納米粒子加入越多，耐磨性肯定是增強(qiáng)的。但試驗表明納米粒子的加入量有某個臨界值，超過這個值，材料的性質(zhì)就要下降。并且鍍層達(dá)到最佳摩擦性能所需要的顆粒含量是不同的。

運用逾滲原理（the percolation theory），可以很好的說明臨界值產(chǎn)生的機(jī)理。“逾滲”這個詞是1954年英國人Broadbent，在一次關(guān)于蒙特卡羅計算方法的討論會上提出的。

如圖2所示，電鍍時間為30s，鍍液中添加1.5g·l-1的ZrO2納米粒子的鍍層表面形貌照片表明：隨著沉積層中鈷含量的增加，納米顆粒的團(tuán)聚明顯減少。但是當(dāng)鍍液中氨基磺酸鈷的含量大于1.2 g·l-1后，對鍍層中納米粒子的分散狀態(tài)的影響逐漸減小。

圖2ZrO2納米顆粒在鍍層上的沉降(a 純鎳鍍層; b 鎳鍍層＋1.5 g·l-1ZrO2納米鍍層；c鎳鍍層＋1.5 g·l-1ZrO2＋1.2 g·l-1氨基磺酸鈷)

使用調(diào)整后的鍍液，加入不同含量的鈷，試樣的硬度都在710Hv左右，無明顯變化，但高溫摩擦性能變化很大。其中以鍍液中氨基磺酸鈷含量為1.2 g·l-1的效果最好。這證明了在鍍層中復(fù)合沉積金屬鈷，可以減少納米顆粒的團(tuán)聚，提高復(fù)合鍍層的性能。

結(jié)論

在科技高速發(fā)展的今天，對材料的使用性能也提出了更高的要求，納米復(fù)合材料是在復(fù)合材料的特性上疊加了納米材料的優(yōu)點，使材料的可變結(jié)構(gòu)參數(shù)及復(fù)合效應(yīng)得到充分的發(fā)揮，是一種高性能的復(fù)合材料。

設(shè)計并制作工業(yè)實驗設(shè)備，使用本實驗最佳工藝條件，在方管結(jié)晶器中使用Ni－ZrO2納米復(fù)合鍍層。新研發(fā)的鎳基納米復(fù)合鍍層在保證結(jié)晶器正常傳熱的基礎(chǔ)上，顯著提高其內(nèi)表面的耐磨性，有效延長了結(jié)晶器的使用壽命。實驗結(jié)晶器的使用壽命平均4000噸，大大降低鋼廠的生產(chǎn)成本，減少環(huán)境污染，提高連鑄機(jī)作業(yè)率，取得了較好的效果。