低碳钢表面电沉积镍涂层材料设计及其性能研究

论文摘要

低碳钢有较高的塑性、强度和价格低廉而广泛用于许多领域,但是由于耐腐蚀性差、耐磨性能不强很大程度上限制了其在许多要求较高领域的应用。采用低碳钢表面电沉积其他金属可以取长补短,增加它的应用性。例如镀镍钢带可以用于高性能手机电池壳。采用电镀工艺比较成熟而且综合性能比较高的镍涂层可以有效提高低碳钢的防腐性能,增加耐磨性。以往电镀镍涂层一般是采用镀薄镍层,但是这样在容易成型过程中露出基体表面。而且如果热处理工艺不恰当容易造成镀层和基板的脱落,从而失去了镀层的保护作用,或者基体元素的暴露率过高,降低了镀层的防腐性能。本文主要采用低应力氨基磺酸盐镀镍工艺,通过在低碳钢表面沉积上厚镍层,以避免裸露基体。在热力学方面,结合相图原理采用合适的热处理工艺,使镀层和基体形成单相固溶体相,以提高较高界面强度,并消除随着镀镍层厚度增加和扩散热处理过程中产生的残余应力。动力学方面,分析了热处理之后断面的浓度分布,采用俣野扩散系数求法和Matlab编写的小程序求解了铁镍互扩散系数。采用动态极化曲线法测试了不同热处理工艺下的腐蚀性能。调整热处理工艺,以保证在得到较高界面强度和机械性能的前提下控制浓度分布和露铁率。为了进一步降低露铁率,提高防腐性能,以动力学作为原理,分别研究了在基体和镀层分别添加扩散阻挡层Cr、Sn、Zn和Mo后的各项性能。结果表明,采用合适的热处理,扩散阻挡层的添加不仅在热力学方面能满足不添加时的效果,而且可以有效降低铁的扩散,提高防腐性能和其他机械性能。本论文主要的创新点有:采用镀厚镍涂层;基于相图原理,采用合适的热处理工艺得到单相组织结构,而且表面光亮;从动力学原理出发,通过添加不同扩散阻挡层以提高防腐性能。

论文目录

• 中文摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 金属腐蚀定义
• 1.1.1 金属腐蚀分类
• 1.1.2 金属的破坏性形式
• 1.2 金属材料的选用和防腐措施
• 1.2.1 正确选用材料
• 1.2.2 防腐的措施
• 1.3 镀镍的发展及应用
• 1.3.1 镀镍的发展
• 1.3.2 镀镍钢带的应用和经济前景
• 1.4 课题选择的目的及意义
• 1.5 论文的选题依据
• 1.6 论文的内容简介
• 第二章 电沉积镍镀层的制备及表征方法
• 2.1 电沉积基本原理和装置
• 2.1.1 电沉积原理
• 2.1.2 镀镍特点
• 2.1.3 电极反应
• 2.2 电沉积镀前处理
• 2.2.1 镀前处理的重要性
• 2.2.2 基体材料制备
• 2.2.3 电沉积溶液槽
• 2.3 电沉积工艺
• 2.3.1 电沉积配液
• 2.3.2 涂层厚度测量
• 2.4 涂层性能检测
• 2.4.1 涂层性能检测重要性
• 2.4.2 涂层孔隙率测试
• 2.4.3 涂层结合力测试
• 2.5 镀后性能表征方法
• 2.5.1 X射线衍射分析
• 2.5.2 表面形貌观察
• 2.5.3 界面结合力测试
• 2.5.4 耐磨性能测试
• 2.5.5 拉伸力学性能测试
• 2.5.6 表面显微硬度测试
• 2.5.7 腐蚀性能测试
• 2.6 小结
• 第三章 镀层组织与性能关系
• 3.1 引言
• 3.2 实验过程
• 3.2.1 热处理工艺条件选择
• 3.2.2 样品制备
• 3.3 实验结果与讨论
• 3.3.1 镀层结构分析
• 3.3.2 表面形貌分析
• 3.3.3 镀层结合力分析
• 3.3.4 镀层力学性能分析
• 3.3.5 表面显微硬度分析
• 3.4 小结
• 第四章 动力学条件与镀层性能关系
• 4.1 引言
• 4.2 镍铁界面扩散的基本原理及分析
• 4.2.1 互扩散系数求解原理
• 4.2.2 互扩散系数求解编程
• 4.3 低碳钢/镍镀层界面分析
• 4.3.1 实验
• 4.3.2 断面形貌观察
• 4.3.3 断面成分浓度曲线
• 4.3.4 扩散系数求解
• 4.3.5 耐蚀性能测试
• 4.4 纯组元自扩散系数计算
• 4.4.1 引言
• 4.4.2 计算方法
• 4.4.3 计算结果
• 4.4.4 讨论
• 4.4.5 结论
• 4.5 小结
• 第五章 扩散阻挡对界面组织及性能的影响
• 5.1 引言
• 5.1.1 细晶强化
• 5.1.2 固溶强化
• 5.2 Cr阻挡层的制备工艺与性能表征
• 5.2.1 Cr阻挡层原理
• 5.2.2 电沉积Cr阻挡层
• 5.2.3 性能表征
• 5.2.4 结果与讨论
• 5.3 Zn阻挡层的制备工艺与性能表征
• 5.3.1 Zn阻挡层原理
• 5.3.2 电沉积Zn阻挡层
• 5.3.3 性能表征
• 5.3.4 结果与讨论
• 5.4 Sn阻挡层的制备工艺与性能表征
• 5.4.1 Sn阻挡层原理
• 5.4.2 电沉积Sn阻挡层
• 5.4.2 性能表征
• 5.4.4 结果与讨论
• 5.5 Mo阻挡层的制备工艺与性能表征
• 5.5.1 Mo阻挡层原理
• 5.5.2 电沉积Mo阻挡层
• 5.5.3 性能表征
• 5.5.4 结果与讨论
• 5.6 小结
• 第六章 总结与展望
• 6.1 总结
• 6.2 展望
• 参考文献
• 硕士期间研究成果
• 致谢