电流及电场对结晶器铜板上电镀镍及其合金镀层性能的影响

论文摘要

结晶器是板坯连铸生产中的关键部件,其技术性能直接影响到铸坯的表面质量,连铸作业率等。上海宝山钢铁集团公司机械厂结晶器铜板电镀电流密度小,产能尚未得到充分发挥,因此增大电镀电流密度,提高生产效率,具有重要的实际意义。本文从工程应用出发,研究提高电镀电流密度的可行性,另外,设计了新型的阴极屏蔽装置,可以有效减少金属资源的浪费。本文详细研究了电流密度对结晶器铜板上电镀Ni及其合金镀层性能的影响。分别使用显微硬度仪、金相显微镜、表面粗糙度仪、铜库仑计以及螺旋测微仪等测试镀层相关性能。结果表明,对于氨基磺酸型Ni、Ni-Fe镀层,电镀电流密度提高10%,硫酸型Co-Ni镀层,电镀电流密度提高5%以后,3种镀层的维氏硬度、表面形貌、表面粗糙度、镀液电流效率变化不明显,都在标准范围之内。镀层厚度均匀性随电镀电流密度变化明显,分别下降了19%,22%和66%。能谱（EDS）测试表明Ni-Fe合金镀层中Fe元素含量随电镀电流密度上升而上升,Co-Ni镀层成分不变。使用X-射线衍射（XRD）测试研究镀层结构,结果表明3种镀层的晶体学常数及镀层择优生长晶面随电镀电流密度没有变化。以上结果表明3种镀层提高电流密度具有可行性。研究了阴阳极配置等电场因素和镀液搅拌强度对镀层性能的影响。结果显示电场对镀层性能的影响也集中体现在厚度均匀性上,当阴阳极面积比为1.11.2,阴阳极间距增大20%,使用导电性辅助阴极或PVC遮挡板时都有利于均匀的镀层厚度分布。增大镀液搅拌强度可少量提升镀层的硬度,显著改善镀层表面形貌,少量增加Ni-Fe合金镀层中Fe元素的含量。本文将基于ANSYS的有限元分析方法应用于电镀槽中电场的模拟与计算,并且用实验对ANSYS计算结果进行了验证。研究结果表明,使用ANSYS软件的前处理模块进行建模,采用自由网格划分工具,对阴阳极各自加载电压,计算阴极表面电场分布,计算结果与实验结果相符。进一步使用此方法研究了辅助阴极及阴极形状等对电场分布的影响,并通过使用宝钢工作镀槽相关参数建立有限元模型,设计了一种可以工业化应用的具有良好电场屏蔽作用的新型屏蔽装置。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 结晶器概论
• 1.2 结晶器镀层研究现状及分析
• 1.2.1 氨基磺酸体系电镀
• 1.2.2 纯镍镀层
• 1.2.3 镍-铁合金镀层
• 1.2.4 钴-镍合金镀层
• 1.3 电场的仿真与计算
• 1.3.1 数值模拟技术的工程应用
• 1.3.2 有限单元法
• 1.3.3 ANSYS 软件概述
• 1.3.4 ANSYS 电场分析
• 1.4 本论文的研究目的及课题来源
• 第2章 实验材料及方法
• 2.1 实验药品及仪器
• 2.2 工艺流程
• 2.3 ANSYS 计算环境及结果验证
• 2.3.1 ANSYS 计算环境
• 2.3.2 ANSYS 计算结果实验验证方法
• 2.4 镀层及镀液性能测试
• 2.4.1 镀层表面微观形貌测试
• 2.4.2 镀层硬度测试
• 2.4.3 镀层表面粗糙度测试
• 2.4.4 镀层成分及结构的测定
• 2.4.5 镀层厚度分布均匀性测试
• 2.4.6 镀液电流效率的测定
• 第3章 电流密度对镀层性能的影响研究
• 3.1 电流密度对Ni 镀层性能的影响
• 3.1.1 电流密度对Ni 镀层硬度的影响
• 3.1.2 电流密度对Ni 镀层表面形貌的影响
• 3.1.3 电流密度对Ni 镀层表面粗糙度的影响
• 3.1.4 电流密度对Ni 镀层表面厚度均匀性的影响
• 3.1.5 电流密度对镀Ni 液电流效率的影响
• 3.2 电流密度对Ni-Fe 镀层性能的影响
• 3.2.1 电流密度对Ni-Fe 镀层硬度的影响
• 3.2.2 电流密度对Ni-Fe 镀层表面形貌的影响
• 3.2.3 电流密度对Ni-Fe 镀层表面粗糙度的影响
• 3.2.4 电流密度对Ni-Fe 镀层表面厚度均匀性的影响
• 3.2.5 电流密度对Ni-Fe 镀液电流效率的影响
• 3.3 电流密度对Co-Ni 镀层性能的影响
• 3.3.1 电流密度对Co-Ni 镀层硬度的影响
• 3.3.2 电流密度对Co-Ni 镀层表面形貌的影响
• 3.3.3 电流密度对Co-Ni 镀层表面粗糙度的影响
• 3.3.4 电流密度对Co-Ni 镀层表面厚度均匀性的影响
• 3.3.5 电流密度对Co-Ni 镀液电流效率的影响
• 3.4 电流密度对合金镀层成分的影响
• 3.4.1 Ni-Fe 镀层
• 3.4.2 Co-Ni 镀层
• 3.5 电流密度对镀层晶体学参数的影响
• 3.5.1 Ni 镀层
• 3.5.2 Ni-Fe 镀层
• 3.5.3 Co-Ni 镀层
• 3.5.4 3 种镀层总体比较
• 3.6 本章小结
• 第4章 电场对镀层性能的影响研究
• 4.1 引言
• 4.2 阴阳极面积比对镀层性能的影响
• 4.2.1 阴阳极面积比对镀层硬度的影响
• 4.2.2 阴阳极面积比对镀层表面形貌的影响
• 4.2.3 阴阳极面积比对镀层表面粗糙度的影响
• 4.2.4 阴阳极面积比对镀层表面厚度均匀性的影响
• 4.3 阴阳极间距及辅助阴极对镀层厚度分布性能的影响
• 4.3.1 阴阳极间距对镀层厚度分布性能的影响
• 4.3.2 辅助阴极CAD 效果图
• 4.3.3 辅助阴极对镀层厚度均匀性的影响
• 4.4 镀液搅拌强度对镀层性能的影响
• 4.4.1 镀液搅拌强度对镀层硬度的影响
• 4.4.2 镀液搅拌强度对镀层表面形貌的影响
• 4.4.3 镀液搅拌强度对镀层表面粗糙度的影响
• 4.4.4 镀液搅拌强度对合金镀层成分的影响
• 4.5 本章小结
• 第5章 基于ANSYS 有限元方法的电镀槽中电场分布的研究
• 5.1 ANSYS 的计算过程及实验室镀槽研究与结果验证
• 5.1.1 导电性辅助阴极的作用
• 5.1.2 阴阳极面积比的影响
• 5.1.3 导电性辅助阴极与阴极间距的影响研究
• 5.1.4 阴极尖端圆滑化的作用
• 5.2 宝钢镀槽研究
• 5.2.1 基础有限元模型及计算过程
• 5.2.2 宝钢镀槽体系的改进
• 5.3 本章小结及展望
• 结论
• 参考文献
• 攻读学位期间发表的学术论文
• 致谢