Ｎｉ－ＺｒＯ_２納米復合鍍層在結晶器中的應用

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

關鍵詞：納米材料；復合鍍層；結晶器

1引言

在現代鋼鐵工業中，連續鑄鋼技術(以下簡稱“連鑄”)的出現是一次重大的技術革命。連鑄機的結晶器對鍍層的性能提出了很高的要求：首先鍍層韌性要好，內應力低，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的限制，600℃以上時，目前開發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，但是內應力卻急劇增加。因此，將Ni-ZrO2納米復合鍍層引入實際的連鑄機結晶器電鍍層的制造，在生產實踐當中必然會起到積極的作用。

2Ni-ZrO2納米復合鍍層的實驗室設計和研究

本課題應用的納米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中的氨基磺酸鎳電鍍工藝，以便更好地適應將來實際生產的需要。實驗使用GW/ML－MS銷盤式高溫摩擦磨損實驗機，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。實驗中對摩擦副進行加熱，達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生的摩擦力，以磨損一定時間后摩擦力的穩定值來計算摩擦系數。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。實驗結果取三次有效實驗數據的平均值。

3實驗的結果和討論

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，材料的性質就要下降。并且鍍層達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生的機理。“逾滲”這個詞是1954年英國人Broadbent，在一次關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，納米顆粒的團聚明顯減少。但是當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合沉積金屬鈷，可以減少納米顆粒的團聚，提高復合鍍層的性能。

結論

在科技高速發展的今天，對材料的使用性能也提出了更高的要求，納米復合材料是在復合材料的特性上疊加了納米材料的優點，使材料的可變結構參數及復合效應得到充分的發揮，是一種高性能的復合材料。

設計并制作工業實驗設備，使用本實驗最佳工藝條件，在方管結晶器中使用Ni－ZrO2納米復合鍍層。新研發的鎳基納米復合鍍層在保證結晶器正常傳熱的基礎上，顯著提高其內表面的耐磨性，有效延長了結晶器的使用壽命。實驗結晶器的使用壽命平均4000噸，大大降低鋼廠的生產成本，減少環境污染，提高連鑄機作業率，取得了較好的效果。