CN102851632A

CN102851632A - 一种在连铸结晶器铜合金板表面制备高温耐磨涂层的方法

Info

Publication number: CN102851632A
Application number: CN2012103828433A
Authority: CN
Inventors: 陈健; 刘雪飘; 梁欢; 崔庭; 方锴
Original assignee: Jiangsu University of Science and Technology
Current assignee: Jiangsu University of Science and Technology
Priority date: 2012-10-11
Filing date: 2012-10-11
Publication date: 2013-01-02

Abstract

本发明公开了一种在连铸结晶器铜合金板表面制备高温耐磨涂层的方法，一种在连铸结晶器铜合金板表面制备高温耐磨涂层的方法，采用等离子喷涂方法将金属陶瓷粉末喷涂于经预处理的铜合金板表面形成厚度为0.5mm的金属陶瓷凃层；所述的金属陶瓷粉末为Cr₃C₂-NiCr粉末，粒度为325目～500目，其中，Cr₃C₂占Cr₃C₂-NiCr粉末总质量的70-80％，其余为NiCr合金粉末，NiCr合金粉末中Ni/Cr质量比为80：20。本发明制备的涂层结合强度高，抗热震性能佳，热疲劳寿命高，能满足结晶器铜合金板的工作要求，显著提高结晶器铜合金板的使用寿命。

Description

一种在连铸结晶器铜合金板表面制备高温耐磨涂层的方法

技术领域

本发明涉及对铜合金板表面等离子喷涂高温耐磨涂层的方法，特别是针对连铸结晶器铜合金板表面制备高温耐磨涂层的方法。

背景技术

连铸具有高效、节能的特点，是现代钢铁工业中一种常规的生产技术。结晶器是连铸机的核心，是将钢水注入其中，使钢水外层形成连续的硬壳，随后将其拉入支撑导向段的扇形段冷却凝固，并拉出铸坯的装置，其技术性能将直接影响到连铸设备的使用寿命、生产效率和铸坯质量。

连铸生产中，结晶器铜合金板工作表面与1530℃～1570℃的钢液接触，背面通过30～40℃的冷却水，承受着钢液静压力、摩擦力，存在巨大的温度梯度和热应力。随连铸设备大型化、高拉速和在线调宽技术的发展，连铸生产效率得到大幅提高，结晶器铜合金板的热负荷大幅增加，特别是弯月面附近结晶器铜合金板的表面温度可达到300℃～350℃。弯月面处由于急冷急热的反复热应力的作用，极易产生热裂纹和热变形等。高效连铸技术的发展对结晶器铜合金板质量提出了更高的要求，高强度、高耐磨性和良好的导热性能成为衡量结晶器质量优劣的重要指标，而提高其耐磨性成了延长结晶器铜合金板使用寿命的最有效的手段之一。最早且也较广泛地用来提高结晶器铜合金板耐磨性的是电镀层。但由于电镀层硬度较低，其耐磨性特别是高温耐磨性较差，不能大幅延长结晶器铜合金板的寿命。

专利CN200610047995.2采用等离子喷涂方法，在结晶器铜合金板表面预喷涂镍基自熔性合金，然后用激光重熔，之后在经重熔的镍基层上再采用激光熔覆钴基合金，最后进行长时间的去应力热处理。经过这样的处理，大幅度地提高了结晶器铜合金板的耐磨性能。

专利CN200910038846.3采用热喷涂方法先制备厚0.3-0.5mm的过渡层，将过渡层用激光重熔后再喷砂处理，然后用超音速火焰喷涂的方法在过渡层上喷涂Ni基或Co基合金工作层，最后再对工作层进行激光重熔。采用该工艺后涂层致密度、结合强度和抗热震性能均有较大的提高。

专利CN1431336A采用等离子喷涂的方法在结晶器铜合金板表面制备CuAgP合金打底层，然后在打底层上分别制备Cr₃C₂-NiCr金属陶瓷、Delelo50自熔合金和Ni基自熔合金层，并置于800～880℃温度下进行热处理，使底层熔化，基材与底层、底层与面层间界面消失，涂层与基体形成冶金结合，极大地提高了涂层的结合强度、抗热震性能，延长了结晶器的使用寿命。

采用上述工艺方法制备涂层，可以大幅提高涂层与基体的结合强度，涂层致密，改善了涂层的抗热震性能，提高了结晶器铜合金板的耐磨性能，延长了其使用寿命。但是这些工艺方法对设备等的要求较高，工艺流程比较复杂，需要控制的参数较多，成本也较高，不利于实际生产应用。

发明内容

本发明提供了一种在连铸结晶器铜合金板表面制备高温耐磨涂层的方法，目的是克服上述现有技术中存在的工艺流程复杂、成本高的缺点，提高结晶器铜板的高温耐磨性能，大幅延长结晶器铜板的使用寿命，并简化工艺，降低生产成本。本发明也可以应用于各种铜或铜合金表面强化或者修复。

本发明的技术方案是：一种在连铸结晶器铜合金板表面制备高温耐磨涂层的方法，采用等离子喷涂方法将金属陶瓷粉末喷涂于经预处理的铜合金板表面形成厚度为0.5mm的金属陶瓷凃层；所述的金属陶瓷粉末为Cr₃C₂-NiCr粉末，粒度为325目～500目，其中，Cr₃C₂占Cr₃C₂-NiCr粉末总质量的70-80％，其余为NiCr合金粉末，NiCr合金粉末中Ni/Cr质量比为80：20。

在经预处理的铜合金板表面先喷凃打底层粉末形成打底层，再将金属陶瓷粉末喷涂于打底层上形成总厚度为0.5mm的金属陶瓷涂层；所述的打底层粉末为NiAl粉末，质量比Ni/Al=80/20，粒度为200～400目。

喷凃所采用的主气和送粉气皆为氩气、辅气为氦气，其中，主气流量为54～64L·min^-1、送粉气流量为6L·min^-1；喷涂时的喷涂距离为90～140mm、喷涂功率为22～30kw、送粉速率为15～30g·min^-1、喷枪移动速度为200mm·s^-1，控制铜合金板的温度≤150℃。

预处理的铜合金板所述的预处理方法为：采用机械或化学的方法清除结晶器铜合金板表面的油污和氧化层，然后用喷吵的方法对结晶器铜合金板表面进行粗糙化处理。

有益效果：

等离子焰流高温区的温度可达10000K以上，能够充分熔化金属陶瓷粉末，使其很好地沉积到铜合金表面上，涂层与基体的结合强度较高。并且，等离子喷涂工艺操作简单，沉积效率高，易于制备厚涂层，成本相对较低，涂层致密。

Cr₃C₂-NiCr粉末中的Cr具有比C更强的对O的亲和力，因而在高温时，Cr能迅速氧化成致密的Cr₂O₃薄膜，从而使涂层具有优异的耐高温氧化和耐蚀性能。NiCr合金与Cr₃C₂陶瓷有着良好的润湿能力，能使涂层有足够的内聚强度，因而以NiCr合金为粘结相、Cr₃C₂陶瓷颗粒做强化硬质相的Cr₃C₂-NiCr金属陶瓷涂层作为工作涂层，具有优异的抗高温磨损性能，涂层硬度为88-90HRC，与WC-Co硬质合金相当，并能保持到600℃而不明显下降，适用于连铸结晶器的工作环境。

采用NiAl作为打底层可增加工作涂层与基体的结合力。打底层表面比经喷砂处理的基体表面更粗糙更不规则，能使工作涂层与之形成更强的机械结合；打底层热膨胀系数介于基体和工作涂层之间，在机械及热负荷下具有足够的韧性，能缓解基体与工作层因热膨胀系数不同而产生的热失配应力。此外，等离子喷涂过程中，Ni-Al会发生剧烈的放热反应，打底层可与基体之间形成微冶金结合，提高涂层的结合强度，改善涂层的抗热震性能，延长其热疲劳寿命。

采用本发明的工艺方法在结晶器铜合金板表面制备高温耐磨涂层，涂层具有高的结合强度，抗热震性能优异，能大幅提高结晶器铜板的使用寿命。

附图说明

图1Cr₃C₂-20NiCr涂层截面显微形貌图。

图2Cr₃C₂-25NiCr涂层截面显微形貌图。

图3Cr₃C₂-30NiCr涂层截面显微形貌图。

图4NiAl/Cr₃C₂-30NiCr复合涂层截面显微形貌图。

具体实施方式

以下是发明人给出的实施例，但本发明不限于这些实施例。

一种在连铸结晶器铜合金板表面制备高温耐磨涂层的方法：

步骤一：对结晶器铜合金板表面进行合理的预处理，首先采用机械或化学的方法清除结晶器铜合金板表面的油污和氧化层，然后用喷吵的方法对结晶器铜合金板表面进行粗糙化处理；

步骤二：喷涂前将待喷涂粉末在100℃下保温1～1.5h进行烘干除湿，提高粉末的流动性；

步骤三：设定好等离子喷涂的各工艺参数；

步骤四：引弧后先用等离子焰流预热铜合金板至60℃左右，然后打开送粉器，将Cr₃C₂-NiCr金属陶瓷粉末直接喷涂在铜合金板表面，或者先喷涂NiAl打底层粉末形成打底层后再喷涂上述金属陶瓷粉末，从而在铜合金板表面形成强化涂层。

步骤五：喷涂过程中需控制铜合金板温度不超过150℃，具体方法是采用测温仪监测铜合金板的温度，当温度接近150℃时，暂停喷涂，待温度下降后再喷涂；

步骤六：随时检测涂层厚度，当涂层厚度达到约0.5mm时结束喷涂。

实施例1：

在结晶器常用的CuCrZr合金表面等离子喷涂Cr₃C₂-20NiCr金属陶瓷（Cr₃C₂-80％wt，NiCr-20％wt）。喷涂距离90mm，主气流量54L·min^-1，送粉速率15g·min^-1，功率22kw，涂层厚约0.5mm。其涂层截面的显微形貌见图1，涂层的结合强度和热疲劳寿命见表1。

实施例2：

在结晶器常用的CuCrZr合金表面等离子喷涂Cr₃C₂-25NiCr金属陶瓷（Cr₃C₂-75％wt，NiCr-25％wt）。喷涂距离140mm，主气流量64L·min^-1，送粉速率30g·min^-1，功率30kw，涂层厚约0.5mm。其涂层截面的显微形貌见图2，涂层的结合强度和热疲劳寿命见表1。

实施例3：

在结晶器常用的CuCrZr合金表面等离子喷涂Cr₃C₂-30NiCr金属陶瓷（Cr₃C₂-70％wt，NiCr-30％wt）。喷涂距离130mm，主气流量64L·min^-1，送粉速率25g·min^-1，功率22kw，涂层厚约0.5mm。其涂层截面的显微形貌见图3，涂层的结合强度和热疲劳寿命见表1。

实施例4：

在结晶器常用的CuCrZr合金表面先喷涂厚约0.1mm的NiAl打底层（Ni-80％wt，Al-20％wt）。喷涂距离120mm，主气流量54L·min^-1，送粉速率30g·min^-1，功率20kw，然后在打底层上喷涂Cr₃C₂-30NiCr金属陶瓷工作层（Cr₃C₂-70％wt，NiCr-30％wt）。制备工作层时，喷涂距离110mm，主气流量57L·min^-1，送粉速率20g·min^-1，功率22kw。打底层和工作层的总厚度约为0.5mm。其涂层截面的显微形貌见图4，涂层的结合强度和热疲劳寿命见表1。

从图1～图3可以看出：当金属陶瓷中的NiCr含量（重量百分比）由20％増至30％、Cr₃C₂含量（重量百分比）相应地由80％降至70％，涂层与经喷砂处理后表面粗糙不平的铜合金基体间均呈犬牙交错状态，相互嵌合较好，实现了良好的机械结合，与基体间的结合强度和冷热疲劳寿命（热震寿命）均较高（见表1）。

由图4可见：NiAl打底层与基体及Cr₃C₂-30NiCr金属陶瓷（Cr₃C₂-70％wt，NiCr-30％wt）工作层之间相互嵌合良好，涂层与基体间的结合强度同样达到了较高的水平（表1）；此外，由于打底层热膨胀系数介于工作层与铜合金基体之间，降低了热膨胀系数差异引起的热失配应力，提高了涂层抗热震性能，热疲劳寿命较高，热震性能优于无打底层的Cr₃C₂-NiCr金属陶瓷涂层（表1）。

很明显，采用本发明在铜合金表面制备的金属陶瓷涂层戓复合金属陶瓷涂层与基体间均有较高的结合强度和冷热疲劳寿命，可以显著延长结晶器铜板的使用寿命，降低连铸生产成本且涂层制备工艺也比较简便。

表1涂层性能试验结果

Figure 2012103828433100002DEST_PATH_IMAGE001

Claims

1.一种在连铸结晶器铜合金板表面制备高温耐磨涂层的方法，其特征在于：采用等离子喷涂方法将金属陶瓷粉末喷涂于经预处理的铜合金板表面形成厚度为0.5mm的金属陶瓷凃层；所述的金属陶瓷粉末为Cr₃C₂-NiCr粉末，粒度为325目～500目，其中，Cr₃C₂占Cr₃C₂-NiCr粉末总质量的70-80％，其余为NiCr合金粉末，NiCr合金粉末中Ni/Cr质量比为80：20。

2.根据权利要求1所述的在连铸结晶器铜合金板表面制备高温耐磨涂层的方法，其特征在于：在经预处理的铜合金板表面先喷凃打底层粉末形成打底层，再将金属陶瓷粉末喷涂于打底层上形成总厚度为0.5mm的金属陶瓷涂层；所述的打底层粉末为NiAl粉末，质量比Ni/Al=80/20，粒度为200～400目。

3.根据权利要求1或2所述的在连铸结晶器铜合金板表面制备高温耐磨涂层的方法，其特征在于：喷凃所采用的主气和送粉气皆为氩气、辅气为氦气，其中，主气流量为54～64L·min^-1、送粉气流量为6L·min^-1；喷涂时的喷涂距离为90～140mm、喷涂功率为22～30kw、送粉速率为15～30g·min^-1、喷枪移动速度为200mm·s^-1，控制铜合金板的温度≤150℃。

4.根据权利要求3所述的在连铸结晶器铜合金板表面制备高温耐磨涂层的方法，其特征在于：预处理的铜合金板所述的预处理方法为：采用机械或化学的方法清除结晶器铜合金板表面的油污和氧化层，然后用喷吵的方法对结晶器铜合金板表面进行粗糙化处理。