镀Ni-Cu盘条生产焊丝的研究

  随着我国“十五”计划的进行，大量的大型工程项目启动，船舶、重型机械、压力容器、石油化工、管道运输和海洋工程等行业都不同程度地对焊丝性能提出更新的要求，因此对现行焊丝的生产工艺需进一步深入研究。
     焊丝生产一般采用电镀铜或化镀铜方法，用此工艺生产的镀铜焊丝，镀层的常见缺陷在于其不均匀性以及结合力和致密度较差。含有杂质的丝材表面镀铜时会导致镀层的不连续性，从而使焊丝的耐蚀性及导电性不好。为此，波兰某大学的教授直接采用镀Ni-Cu盘条生产焊丝的新工艺进行了研究，克服了单纯镀铜工艺的一些缺点，获得了良好效果，但此法有待进一步的实践验证。以下对此研究作一介绍。
    1  试验
    1.1 试验用原材料及试验方法
    根据波兰标准，该项试验采用了Sp4N、SpG3S1和SpG1等钢种的Ø5.5mm盘条试样。镀层的厚度通过重量法获得；镀层的结合力通过钢丝自身缠绕、摩擦及钢丝弯曲试验等方法进行评估。
    1.2 镀液配方及工艺参数
    盘条经过表面处理后，先电镀镍，再电镀铜。镍镀液的配方为：ρ(NiSO₄?7H₂O)=300g/L；ρ(NiCl₂?6H₂O)=30g/L；ρ(H₃BO₃)=30g/L。其工艺参数为：温度40-45℃，电流密度4A/dm²。铜镀液的配方为：ρ(CuSO₄?5H₂O)=285g/L；ρ(H₂SO)=70g/L。其工艺参数为：室温，电流密度（10，20，30）A/dm²。
    2  镀层的研究
    2.1 镀镍层的研究
    在镀镍工序中，把经过表面处理的SpG3S1钢种的盘条浸入镍镀液中，电镀时间为1.5-60s，计算沉积下来的镍的含量，结果（见表1）显示出法拉弟原则（与时间对应的金属沉积量）在15-60s内得以显现，在15s内的镍沉积层厚度足满足进一步镀铜的需要。

表1  Ø5.5mm盘条(SpG3S1)的镍层沉积时间与其平均厚度

  为了评估盘条表面处理对镍沉积层厚度及结合力的影响，对在侵入H₂SO₄、HNO₃+H₂SO₄化学酸洗及高压蒸汽除鳞3种工艺过程下表面处理的盘条进行15s镀镍，结果（见表2）显示在所有表面处理方法中，蒸汽除鳞后的镀层最好。
    在试验过程中发现相同的工艺周期里，钢种对镍沉积层厚度没有影响。
    2.2 镀铜层的研究
    为了对镀铜层进行深入研究，试样采用SpG3S1钢种Ø5.5mm盘条，均先进行15s镀镍，然后对试样分别进行15s、30s、60s的电化学镀铜沉积工艺的研究，电流密度分别为（10，20，30）A/dm²，结果见表3。

表3  电流密度和沉积时间对镀铜层平均厚度的影响

  在给定的工艺条件（电流和周期）下，这些结果显示镀铜层的平均厚度是令人满意的，并在任一情况下可以重复。铜层对钢的结合力依赖于镍层的结合力。
    2.3 润滑剂对镀层拉拔的影响
    为了测定润滑剂类型对拉拔后铜层厚度的影响，试样采用了YD-3、有机脂乳剂、钠皂粉、钙皂粉和油等5类润滑剂。试样预镀镍后，再进行镀铜。镀铜时选用电流密度为30A/dm²、电镀沉积时间为60s的最厚镀铜层，即镀铜层的平均厚度为4.881μm，从Ø5.5mm分别拉拔至Ø4.96mm、Ø3.99mm、Ø3.00mm，在不同润滑条件下测试镀铜层厚度，检验结果见表4。

表4  润滑剂类型对拉拔钢丝铜层厚度的影响

  结果表明，采用钙皂润滑剂效果最好，它能最小限度地减少镀层厚度。采用液体润滑剂效果最差，与钙皂相比，它使剩余铜层厚度减少55%。
    3  不同条件下拉拔试验的研究
    3.1 拉拔对镀铜层厚度的影响
    拉拔工艺如下。
    Ø5.50--4.96--4.47--3.99--3.45--3.00--2.60--2.30--2.01--1.80--1.55mm
    盘条拉拔过程中，除了选用钙皂润滑剂外，不再涂敷其它润滑载体。拉丝模角为2α=12°。钢丝镀铜层变化的测定结果见表5。
    数据表明钢丝镀铜层的厚度随着拉拔道次的增加而减少。假定钢和铜层的性能均匀一致，并且变化也均匀的情况下，对总延伸系数、芯部和镀铜层的分析显示：最初镀铜层厚度的减少是由于镀层的延伸，镀层的延伸系数（10.58-14.70）与钢丝的延伸系数12.59几乎是等同的。
    3.2 拉拔对Ni-Cu镀层结合力的影响
    对Ø1.55mm钢丝的Ni-Cu镀层的结合力进行研究。表3中，盘条处理采用蒸汽除鳞方法，镍层厚度为0.319μm。铜支厚度按电流密度（10，20，30）A/dm²、电镀时间（15s、30s、60s）进行试验；结合力分别按摩擦、缠绕、弯曲（见表2）等方法试验，有效结果百分比均为100%，说明镍与钢基体结合力很好。为了进一步研究拉拔对电化学沉积的Ni-Cu层与钢丝之间结合力的影响，通过拉拔各道次镀层致密度x的测定来进行分析，用镀层中空隙总量与试样镀层总表面积的比率来测定镀层在拉拔中的完整性，即：

x=b/a

式中：x为拉拔各道次镀层致密度；

b为空隙总量；

a为试样表面积。

已拉拔钢丝的不同直径和电化学工艺的不同参数的研究结果见表6。

表5  不同工艺条件下拉拔后铜层厚度的变化

表6  拉拔钢丝Ni-Cu层致密度(x=b/a)试验结果

  结果表明：Ni-Cu层完整性良好，并且随着拉拔总压缩率的增加，镀层致密性也增加，随着铜层厚度的加大，通过拉拔，钢丝表面的致密性也明显提高。
    3.3 退火工艺对铜层的影响
    考虑到钢丝由Ø5.50mm拉拔至Ø1.55mm后硬化程度太高，对半成品的热处理可能性作了分析，看其是否能无需酸洗而进一步拉拔。将Ø5.50mm盘条拉拔至3.99mm，进行退火处理。盘条具有镍层(4A/dm²；15s）及4.881μm厚的铜层（30A/dm²；60s）。钢丝上铜层的平均厚度为3.080μm。
    氩气气氛炉中，钢丝在660-680℃进行3h退火处理，并且在空气中冷却6.5h。在热处理退火过程中发现：（1）铜的颜色由白―红变成深褐色；（2）退火后镀层结合力良好；（3）退火后铜含量减少，详细结果见表7。

表7  Ø3.99mm镀铜钢丝退火对铜层质量减少的影响

  用上述方法热处理的钢丝(3.99mm)，采用钙皂润滑剂拉拔至1.55mm，在此过程中发现：（1）镀铜层结合力良好；（2）钢丝颜色与未经热处理的钢丝颜色相似；（3）铜层厚度更薄，即Ø1.55mm钢丝上铜层的平均厚度为1.11μm，而未经退火的盘条拉拔至1.55mm的钢丝，其镀层平均厚度为1.26μm。
    保护气氛中的退火工艺对铜层厚度影响极微，与Ø5.50mm盘条直接拉拔的钢丝相比，镀层厚度减少了10%-12%。
    4  结论
    （1）镍层及铜层厚度取决于电流―时间参数以及易于控制的镀液成分；
    （2）盘条通过蒸汽除鳞可获得具有最好结合力的厚度的镀层；
    （3）镀镍再镀铜的盘条可以从Ø5.5mm拉拔至Ø1.55mm，而镀层具有很高的结合力和致密度；
    （4）采用钙基皂粉润滑剂进行拉拔，效果看好。铜层厚度的减少与其延伸系数有关，而与镀层的磨耗无关。
    （5）Ø3.99mm半成品及铜层在保护气氛中的处理显示：该热处理不会有损镀层质量及由半成品拉拔的钢丝。保护气氛的退火工艺不需要（钢丝）再镀铜，并且使小直径（约1.0mm）钢丝的生产有了可能。