一种基于电镀镍中间层的铜-钢复合结构的制备方法
阅读说明：本技术 一种基于电镀镍中间层的铜-钢复合结构的制备方法 (Preparation method of copper-steel composite structure based on nickel electroplating intermediate layer ) 是由 李继红 雷龙宇 杜明科 张敏 高俊 郭钊 夏拓 张�林 于 2021-08-24 设计创作，主要内容包括：本发明公开的一种基于电镀镍中间层的铜-钢复合结构的制备方法,具体操作步骤为：步骤1：待镀钢板的前处理：将钢基板表面的杂质清除干净,并放入稀盐酸溶液中进行表面活化,取出后用水将表面清洗干净；步骤2：将步骤1处理后的钢板放入配制好的电镀液中进行电镀,阳极材料为纯镍板；步骤3：将电镀完成后的钢板清洗干净并烘干,放入炉中进行除氢处理；步骤4：将处理后的钢板固定在焊机工作台上,采用熔化极气体保护焊技术,利用纯铜或铜合金焊丝在钢板表面堆焊铜层；步骤5：对制备完成的铜-钢复合板进行热处理和表面处理。该方法可大大改善钢与铜的可焊性,增强界面的结合强度,提高铜-钢双金属复合结构的性能和使用寿命。(The invention discloses a preparation method of a copper-steel composite structure based on an electroplated nickel intermediate layer, which comprises the following specific operation steps: step 1: pretreatment of a steel plate to be plated: removing impurities on the surface of the steel substrate, putting the steel substrate into a dilute hydrochloric acid solution for surface activation, taking out the steel substrate, and cleaning the surface with water; step 2: putting the steel plate treated in the step 1 into prepared electroplating solution for electroplating, wherein the anode material is a pure nickel plate; and step 3: cleaning and drying the electroplated steel plate, and placing the steel plate into a furnace for dehydrogenation treatment; and 4, step 4: fixing the treated steel plate on a workbench of a welding machine, and overlaying a copper layer on the surface of the steel plate by using a pure copper or copper alloy welding wire by adopting a gas metal arc welding technology; and 5: and carrying out heat treatment and surface treatment on the prepared copper-steel composite plate. The method can greatly improve the weldability of steel and copper, enhance the bonding strength of the interface, improve the performance of the copper-steel bimetal composite structure and prolong the service life.)
技术领域
本发明属于金属材料增材制造技术领域，具体涉及一种基于电镀镍中间层的铜-钢复合结构的制备方法。
背景技术
随着科技的发展和生活水平的提高，人类社会对各种先进材料的需求越来越大，复合材料就是其中的一种。复合材料兼具各组分材料的优点，而且可获得单一组分材料所不具备的性能，因此大量应用在航空航天、汽车、电子等诸多领域，在人类社会中发挥着越来越大的作用。铜-钢复合材料既有钢的高强度，也具备铜的高导电性、导热性、耐磨性等性能，广泛用于制造变压器壳体、低速重载轴承和轴套等部件。
目前，制造铜-钢双金属复合结构的方法主要有粉末冶金、电弧增材制造、选区激光熔化/烧结等。其中电弧增材制造是以电弧作为热源熔化焊丝，在基板上层层堆积直至零件成型的制造方法，具有成型效率高、成本低、材料利用率高等优点，可用于铜-钢复合构件的大批量生产。但铜和钢的熔点、热膨胀系数等物理性质差异较大，增材过程中易产生较大的残余应力，导致接头部位产生开裂；同时在铜/钢界面区域，铜容易渗入钢的晶界间从而产生渗透裂纹，导致铜-钢界面的结合强度较低，影响铜-钢复合结构的性能和使用寿命。因此，本发明采用电镀方法在铜-钢结合界面间制备镍中间层，改善界面的结合性能，提高铜-钢双金属复合结构的性能和使用寿命。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于电镀镍中间层的铜-钢复合结构的制备方法，该方法可大大改善钢与铜的可焊性，增强界面的结合强度，提高铜-钢双金属复合结构的性能和使用寿命。
本发明所采用的技术方案是，一种基于电镀镍中间层的铜-钢复合结构的制备方法，具体操作步骤为：
步骤1：待镀钢板的前处理：将钢基板表面的氧化物和油污等杂质清除干净，并放入稀盐酸溶液中进行表面活化，取出后用水将表面清洗干净；
步骤2：将步骤1处理后的钢板放入配制好的电镀液中进行电镀，阳极材料为纯镍板；
步骤3：将电镀完成后的钢板清洗干净并烘干，放入炉中进行除氢处理；
步骤4：将处理后的钢板固定在焊机工作台上，采用熔化极气体保护焊(GMAW)技术，利用纯铜或铜合金焊丝在钢板表面堆焊铜层；
步骤5：对制备完成的铜-钢复合板进行热处理和表面处理，以达到满足实际需求的组织性能和表面质量。
本发明的特征还在于，
步骤1中，钢基板表面清理时首先进行机械清理，然后采用碱液除油或酸洗方法清除残余油污。
步骤1中，表面活化所用稀盐酸溶液的浓度为50g/L～100g/L，活化处理时间控制在30s～50s。
步骤2中，电镀液以水为溶剂，其中溶质成分及浓度如下：硫酸镍200g/L～250g/L，氯化镍30g/L～50g/L，硼酸30g/L～40g/L；并加入pH值调节剂调节电镀液pH值为4.0～4.2；本发明所使用的pH值调节剂为盐酸、硫酸或硝酸。
步骤2中，电镀镍过程中的工艺参数为：电流密度1.5ASD～2.5ASD，温度45℃～55℃，时间10min～20min。
步骤3中，采用水或酒精清洗电镀完成后的钢板，并在50℃～70℃下完全烘干。
步骤3中，除氢处理的温度为180℃～240℃，保温8min～15min，炉冷。
步骤4中，电弧增材工艺为：焊接电流210A～230A，焊接电压24V～26V，焊接速度0.2m/min～0.4m/min，保护气体采用体积分数为99％的氩气。
步骤5中，热处理温度为380±20℃，保温时间2h～2.5h，炉冷。
步骤5中，表面粗糙度控制在Ra 3.2～Ra 6.4。
本发明的有益效果是：
(1)本发明基于电镀镍中间层的铜-钢复合结构制备方法，简化了待镀钢板的前处理工艺，大大提高了生产效率。
(2)本发明基于电镀镍中间层的铜-钢复合结构制备方法，采用的电镀液中无光亮剂、稳定剂等添加剂，降低了生产成本、提高了电镀液的利用率和镀层的均匀性。
(3)本发明基于电镀镍中间层的铜-钢复合结构制备方法，表面活化处理可保证镀层与钢基板间的结合性能良好，制备的镍镀层较为致密、表面质量较好，无漏镀、界面结合不良等缺陷。
(4)本发明基于电镀镍中间层的铜-钢复合结构制备方法，镀层的除氢处理同时相当于对基板进行了焊前预热处理，简化了工艺流程。
(5)本发明基于电镀镍中间层的铜-钢复合结构制备方法制备的镀层，可大大改善钢与铜的可焊性，增强界面的结合强度，提高铜-钢双金属复合结构的性能和使用寿命。
具体实施方式
下面结合具体实施方式对本发明进行详细说明。
本发明提供一种基于电镀镍中间层的铜-钢复合结构的制备方法，具体操作步骤为：
步骤1：待镀钢板的前处理：将钢基板表面的氧化物和油污等杂质清除干净，并放入稀盐酸溶液中进行表面活化，取出后用水将表面清洗干净；
步骤1中，钢基板表面清理时首先进行机械清理，然后采用碱液除油或酸洗方法清除残余油污。
步骤1中，表面活化所用稀盐酸溶液的浓度为50g/L～100g/L，活化处理时间控制在30s～50s。
步骤2：将步骤1处理后的钢板放入配制好的电镀液中进行电镀，阳极材料为纯镍板；
步骤2中，电镀液以水为溶剂，其中溶质成分及浓度如下：硫酸镍200g/L～250g/L，氯化镍30g/L～50g/L，硼酸30g/L～40g/L；并加入pH值调节剂调节电镀液pH值为4.0～4.2；本发明所使用的pH值调节剂为盐酸、硫酸或硝酸。
步骤2中，电镀镍过程中的工艺参数为：电流密度1.5ASD～2.5ASD，温度45℃～55℃，时间10min～20min。
步骤3：将电镀完成后的钢板清洗干净并烘干，放入炉中进行除氢处理；
步骤3中，采用水或酒精清洗电镀完成后的钢板，并在50℃～70℃下完全烘干。
步骤3中，除氢处理的温度为180℃～240℃，保温8min～15min，炉冷。
步骤4：将处理后的钢板固定在焊机工作台上，采用熔化极气体保护焊(GMAW)技术，利用纯铜或铜合金焊丝在钢板表面堆焊铜层；
步骤4中，电弧增材工艺为：焊接电流210A～230A，焊接电压24V～26V，焊接速度0.2m/min～0.4m/min，保护气体采用体积分数为99％的氩气。
步骤5：对制备完成的铜-钢复合板进行热处理和表面处理，以达到满足实际需求的组织性能和表面质量。
步骤5中，热处理温度为380±20℃，保温时间2h～2.5h，炉冷。
步骤5中，表面粗糙度控制在Ra 3.2～Ra 6.4。
实施例1
步骤1：待镀Q235钢板的前处理：对钢基板表面的氧化物和油污等杂质进行机械清理，并采用碱液除油或酸洗方法清除残余油污；然后放入浓度为50g/L的稀盐酸溶液中进行表面活化，活化处理时间控制在30s，活化处理后用水将表面清洗干净。
步骤2：将步骤1处理后的钢板放入配制好的电镀液中进行电镀，电镀液的溶质配比为：硫酸镍200g/L，氯化镍30g/L，硼酸30g/L，其余为水，并加入硫酸调节电镀液pH值为4.0；电镀镍工艺参数为：电流密度1.5ASD，温度45℃，时间15min；阳极材料采用纯镍板。
步骤3：将电镀完成后的钢板用水或酒精清洗干净，并在50℃下完全烘干；之后放入炉中进行除氢处理，除氢处理的温度为180℃，保温15min，炉冷。
步骤4：将处理后的钢板固定在焊机工作台上，采用熔化极气体保护焊(GMAW)技术，利用S201紫铜焊丝在钢板表面熔覆铜层，熔覆工艺为：焊接电流220A，焊接电压25V，焊接速度0.3m/min，保护气体采用体积分数为99％的氩气。
步骤5：对制备完成的铜-钢复合板进行热处理，热处理温度为380℃，保温时间2h，炉冷；之后进行表面处理，将铜-钢复合板的表面粗糙度控制在Ra 6.4，以达到满足实际需求的组织性能和表面质量。
实施例1中采用一种基于电镀镍中间层的铜-钢复合结构制备方法制备的铜-钢复合板，成型质量较好；对铜-钢复合板进行剪切强度测试，界面结合强度为180.3MPa。
实施例2
步骤1：待镀Q235钢板的前处理：对钢基板表面的氧化物和油污等杂质进行机械清理，并采用碱液除油或酸洗方法清除残余油污；然后放入浓度为100g/L的稀盐酸溶液中进行表面活化，活化处理时间控制在50s，取出后用水将表面清洗干净。
步骤2：将步骤1处理后的钢板放入配制好的电镀液中进行电镀，电镀液溶质配比为：硫酸镍225g/L，氯化镍40g/L，硼酸35g/L，其余为水，并加入硫酸调节电镀液pH值为4.1；电镀镍工艺参数为：电流密度2ASD，温度50℃，时间15min；阳极材料采用纯镍板。
步骤3：将电镀完成后的钢板用水或酒精清洗干净，并在70℃下完全烘干；之后放入炉中进行除氢处理，除氢处理的温度为200℃，保温15min，炉冷。
步骤4：将处理后的钢板固定在焊机工作台上，采用熔化极气体保护焊(GMAW)技术，利用S201紫铜焊丝在钢板表面堆焊铜层，堆焊工艺为：焊接电流220A，焊接电压25V，焊接速度0.3m/min，保护气体采用体积分数为99％的氩气。
步骤5：对制备完成的铜-钢复合板进行热处理，热处理温度为400℃，保温时间2h，炉冷；之后进行表面处理，将铜-钢复合板的表面粗糙度控制在Ra 3.7，以达到满足实际需求的组织性能和表面质量。
实施例2中采用一种基于电镀镍中间层的铜-钢复合结构制备方法制备的铜-钢复合板，成型质量较好；对铜-钢复合板进行剪切强度测试，界面结合强度为192.6MPa。
实施例3
步骤1：待镀Q235钢板的前处理：对钢基板表面的氧化物和油污等杂质进行机械清理，并采用碱液除油或酸洗方法清除残余油污；然后放入浓度为80g/L的稀盐酸溶液中进行表面活化，活化处理时间控制在40s，取出后用水将表面清洗干净。
步骤2：将步骤1处理后的钢板放入配制好的电镀液中进行电镀，电镀液溶质配比为：硫酸镍250g/L，氯化镍50g/L，硼酸40g/L，其余为水，并加入硫酸调节电镀液pH值为4.2；电镀镍工艺参数为：电流密度2.5ASD，温度55℃，时间15min；阳极材料采用纯镍板。
步骤3：将电镀完成后的钢板用水或酒精清洗干净，并在60℃下完全烘干；之后放入炉中进行除氢处理，除氢处理的温度为200℃，保温15min，炉冷。
步骤4：将处理后的钢板固定在焊机工作台上，采用熔化极气体保护焊(GMAW)技术，利用S201紫铜焊丝在钢板表面堆焊铜层，堆焊工艺为：焊接电流220A，焊接电压25V，焊接速度0.3m/min，保护气体采用体积分数为99％的氩气。
步骤5：对制备完成的铜-钢复合板进行热处理，热处理温度为390℃，保温时间2h，炉冷；之后进行表面处理，将铜-钢复合板的表面粗糙度控制在Ra 4.5，以达到满足实际需求的组织性能和表面质量。
实施例3中采用一种基于电镀镍中间层的铜-钢复合结构制备方法制备的铜-钢复合板，成型质量较好；对铜-钢复合板进行剪切强度测试，界面结合强度为186.6MPa。
实施例4
步骤1：待镀Q235钢板的前处理：对钢基板表面的氧化物和油污等杂质进行机械清理，并采用碱液除油或酸洗方法清除残余油污；然后放入浓度为90g/L的稀盐酸溶液中进行表面活化，活化处理时间控制在35s，取出后用水将表面清洗干净。
步骤2：将步骤1处理后的钢板放入配制好的电镀液中进行电镀，电镀液溶质配比为：硫酸镍225g/L，氯化镍40g/L，硼酸35g/L，其余为水，并加入硫酸调节电镀液pH值为4.1；电镀镍工艺参数为：电流密度2ASD，温度50℃，时间15min；阳极材料采用纯镍板。
步骤3：将电镀完成后的钢板用水或酒精清洗干净，并在60℃下完全烘干；之后放入炉中进行除氢处理，除氢处理的温度为220℃，保温15min，炉冷。
步骤4：将处理后的钢板固定在焊机工作台上，采用熔化极气体保护焊(GMAW)技术，利用S201紫铜焊丝在钢板表面堆焊铜层，堆焊工艺为：焊接电流210A，焊接电压24V，焊接速度0.2m/min，保护气体采用体积分数为99％的氩气。
步骤5：对制备完成的铜-钢复合板进行热处理，热处理温度为380℃，保温时间2h，炉冷；之后进行表面处理，将铜-钢复合板的表面粗糙度控制在Ra 6.4，以达到满足实际需求的组织性能和表面质量。
实施例4中采用一种基于电镀镍中间层的铜-钢复合结构制备方法制备的铜-钢复合板，成型质量较好；对铜-钢复合板进行剪切强度测试，界面结合强度为195.3MPa。
实施例5
步骤1：待镀Q235钢板的前处理：对钢基板表面的氧化物和油污等杂质进行机械清理，并采用碱液除油或酸洗方法清除残余油污；然后放入浓度为70g/L的稀盐酸溶液中进行表面活化，活化处理时间控制在40s，取出后用水将表面清洗干净。
步骤2：将步骤1处理后的钢板放入配制好的电镀液中进行电镀，电镀液溶质配比为：硫酸镍225g/L，氯化镍40g/L，硼酸35g/L，其余为水，并加入硫酸调节电镀液pH值为4.1；电镀镍工艺参数为：电流密度2ASD，温度50℃，时间15min；阳极材料采用纯镍板。
步骤3：将电镀完成后的钢板用水或酒精清洗干净，并在70℃下完全烘干；之后放入炉中进行除氢处理，除氢处理的温度为240℃，保温15min，炉冷。
步骤4：将处理后的钢板固定在焊机工作台上，采用熔化极气体保护焊(GMAW)技术，利用S211硅青铜焊丝在钢板表面堆焊铜层，堆焊工艺为：焊接电流230A，焊接电压26V，焊接速度0.4m/min，保护气体采用体积分数为99％的氩气。
步骤5：对制备完成的铜-钢复合板进行热处理，热处理温度为380℃，保温时间2h，炉冷；之后进行表面处理，将铜-钢复合板的表面粗糙度控制在Ra 3.2，以达到满足实际需求的组织性能和表面质量。
实施例5中采用一种基于电镀镍中间层的铜-钢复合结构制备方法制备的铜-钢复合板，成型质量较好；对铜-钢复合板进行剪切强度测试，界面结合强度为202.7MPa。