杏 玮

南京工业大学，江苏南京 211800

0 引言

金属复合材料是指利用复合技术或多种、化学、力学性能不同的金属冶金结合而形成的复合材料，其相较于单一金属材料具有更好的热膨胀性、强度、断裂韧性、冲击韧性、耐磨损性、电性能、磁性能等，因而被广泛应用于石油、化工、船舶、冶金、矿山、机械制造、电力、水利、交通、环保、压力容器制造、食品、酿造、制药等工业领域。

碳钢不锈钢复合板是一种以碳钢为基体，包覆不锈钢的复合材料，在化工、石油、核工业等各个领域都有很大用量，它不仅可以在等效的情况下降低成本40%～50%，节约替代了优质却昂贵的不锈钢，而且还较单一的不锈钢具有更好的力学性能和导热性和使用性能，具有较好的性价比。随各行业对金属复合材料的逐步认识及新技术、新工艺、新装备的使用要求，市场用量在不断增加[1]。

双金属复合材料的生产方法多种多样[2]。一般地，根据材料状态的不同可以分为两个大类——固/固相复合法和液/固相复合法。常见的固/固相复合法有轧制复合法、爆炸复含法、扩散焊接法和挤压复合法，而常见的液/固相复合法有铸造复合法和钎焊法[3]。

1 研究方法

本课题首先研究在碳钢不锈钢表面电镀镍钼磷合金的工艺，然后以电镀层作为钎料进行钎焊，最后对碳钢-不锈钢在不同道次的轧制处理下结合强度的变化进行研究。本文的研究大致路线如图1 和图2 所示。

图1 研究技术路线图

图2 轧制研究技术路线图

电镀镍钼磷研究：

1）Ni-Mo-P 电镀

将经过酸蚀预处理并且清洗吹干后的碳钢片按图3 所示的方式连接。碳钢片作为阴极，使用镍板作为电镀的阳极。镀液配制好后，使用5%氨水溶液调整镀液的pH 为10。将经过前处理的碳钢试样，迅速放入镀液中，并保证与阴极平行相对。阳极为镍板，同样需要保证连接无误，接触良好。为保证电力线在镀片的整个面分布均匀，需要调整碳钢与镍板的位置，使二者在镀液中呈平行的状态。通过调节滑动变阻器和电源电压的大小，控制好电流在设定的大小之后，即可实施电镀。电镀时，根据电镀面积调整电流，使电流密度稳定为2.5A/dm2，镀液温度在数显恒温水浴中维持在70℃，电镀时间为30min。

图3 直流电镀装置示意图

在施镀30min 后，关闭电镀电源，取出碳钢片和镍板。根据碳钢试片表面镀层的宏观形貌，对镀层质量有个初步的评价。评价的标准是镀层致密、光亮、无明显的气孔，得到的碳钢试样用蒸馏水清洗并吹干。

2）单因素法确定电镀 Ni-Mo-P 工艺参数

在碳钢表面电镀Ni-Mo-P 试验中，主盐浓度、温度、电流密度是比较重要的参数。本实验采用单因素比较法，固定其他各工艺参数，研究单一工艺参数的变化对镀层外观和镀层形貌的影响。从而初选碳钢表面沉积Ni-Mo-P 的工艺参数，每个单因素实验中，合理选择波动的范围。

①次亚磷酸钠的单因素实验

根据碳钢表面电镀Ni-Mo-P 的文献并结合本文的实际操作中选择的硫酸镍50g/L、钼酸钠5g/L，柠檬酸三钠为30g/L，温度为70℃，pH 值为10，电流密度2.5A/dm2。次亚磷酸钠浓度分别取：4g/L、6g/L、8g/L、10g/L、12g/L。

在上述的工艺参数条件下，在碳钢表面电镀沉积Ni-Mo-P，观察和测试镀层的质量，从而确定次亚磷酸钠浓度。

②硫酸镍的单因素实验

根据碳钢表面电镀Ni-Mo-P 相关文献并结合①操作中选择次亚磷酸钠的浓度。在实际电镀中，选择并固定次亚磷酸钠为上述镀层最好的对应浓度值，钼酸钠为5g/L，柠檬酸三钠为30g/L，设置电镀温度为70℃，溶液的pH 值为10，电流密度2.5A/dm2。硫酸镍浓度分别取：30g/L、40g/L、50g/L、60g/L、70g/L。

③钼酸钠的单因素实验

根据碳钢表面电镀Ni-Mo-P 的文献并结合①、②操作中选择的硫酸镍的浓度，在实际电镀中，选择并固定次亚磷酸钠和硫酸镍为上述镀层最好的对应的浓度值，柠檬酸三钠为30g/L，温度为70℃，pH 值为10，电流密度2.5A/dm2。其浓度分别取值1g/L、3g/L、5g/L、7g/L、9g/L。

④温度的单因素实验

根据碳钢表面电镀Ni-Mo-P 的文献并结合①、②、③操作中选择的硫酸镍、钼酸钠、次亚磷酸钠的浓度，在实际电镀中，选择并固定次亚磷酸钠、硫酸镍、钼酸钠为上述镀层最好的对应的浓度值，固定柠檬酸三钠为30g/L，pH 值为10，电流密度2.5A/dm2。选择温度范围为55℃、60℃、65℃、70℃、75℃。

⑤电流密度的单因素实验

根据碳钢表面电镀Ni-Mo-P 的文献并结合①、②、③操作中选择的硫酸镍、钼酸钠、次亚磷酸钠的浓度，在实际电镀中，选择并固定硫酸镍、钼酸钠、次亚磷酸钠为上述镀层最好的对应的浓度值，固定柠檬酸三钠为30g/L，温度为70℃，pH值为10。选择电流密度为2.3A/dm2、2.5A/dm2、2.7A/dm2、2.9A/dm2、3.1A/dm2。

2 结论

本文采用在碳钢表面预镀镍钼磷后再和不锈钢钎焊制备碳钢不锈钢复合材料，采用冷轧和热处理的方式对制备出的试样进行处理，对其冶金结合层的结合强度进行了测试和分析，得出一些主要结论如下：

1）对碳钢电镀镍钼磷合金时，选用硫酸镍的浓度为50g/L，次亚磷酸钠的浓度为8g/L，温度设定为70℃，电流密度设置为2.5A/dm2，pH 值为10，钼酸钠的浓度选用5 g/L～6g/L；

2）钎焊后的原始试样在焊缝附近聚集脆性相，出现分层结构，结合强度较差，在加热1000℃，保温30min 条件下剪切强度为80MPa；

3）通过轧制加热处理后的拉伸实验结果表明：轧制能够有效提高试样的结合强度，第一道次轧制后的结合强度为166.5MPa，第二道次轧制后的结合强度为207.6MPa，第三道次轧制后的结合强度就达到了218.5MPa，符合国标规定的碳钢不锈钢复合板的使用要求；

4）钎焊后的试样拉伸断口在扫描电镜下观察到脆性断口形貌，断面平齐，能观察到保持完好的晶粒。随着轧制的进行和道次增多，拉伸断面的滑移平台消失，平整区域逐渐减小直至消失不见，晶粒得到细化，结合强度得到强化。

[1]程挺宇.不锈钢/碳钢热轧复合工艺及性能[J].上海金属，2009，31(1):48-50.

[2]田雅琴，秦建平，李小红.金属复合板的工艺研究现状与发展[J].材料开发与应用，2006，1:40-43.

[3]白真权，李鹤林，刘道新，王献昉.模拟油田H2S/CO2环境中N80钢的腐蚀及影响因素研究[J].材料保护，2003，36(4):32-34.

[4]孙浩，王克鲁.不锈钢复合板生产方法和制备技术的讨论[J].上海金属，2005，27(1):50-54.

[5]李永松，沈怡琳.不锈钢复合板制作新工艺及市场前景的研究[J].Guangxi Machinery.2001，4:34-36.

[6]潘晓亮，高芝，谢世坤，左孝青.金属层状材料的复合技术及其新进展[J].安徽冶金，2008，4:20-23.