CN109226705A - 用于结晶器铜板激光熔覆的合金粉末及熔覆方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种用于结晶器铜板激光熔覆的合金粉末及熔覆方法，本合金粉末由镍基合金粉末和钴基合金粉末混合而成，所述镍基合金粉末包括Al和Ni，其余为杂质；钴基合金粉末的主要成分为Co。本方法首先对结晶器铜板基体表面进行预处理，将镍基合金粉末和钴基合金粉末以一定比例混合后平铺于结晶器铜板基体表面；采用激光器将合金粉末熔覆于结晶器铜板基体表面形成一定厚度的熔覆层。本合金粉末可使铜合金结晶器表面得到较厚的冶金结合带，熔覆层与基底界面冶金结合良好，且无裂纹、杂质等缺陷，极大提高了铜合金结晶器的耐磨性和耐蚀性；本方法可精确控制熔覆层的厚度，具有能耗低、无污染、效率高、成本低的优点。

Description

用于结晶器铜板激光熔覆的合金粉末及熔覆方法
技术领域
本发明涉及材料科学与表面工程技术领域，尤其涉及一种用于结晶器铜板激光熔覆的合金粉末及熔覆方法。
背景技术
结晶器是一种水冷的钢锭模，是连铸机非常重要的部件，称之为连铸设备的“心脏”。其功能是将高温钢水在结晶器中连续冷凝至规定尺寸和几何形状的钢坯，以一定的速度平稳拉出，其技术性能将直接影响到铸锭的内部组织、表面质量、连铸机的拉速和生产效率等指标。
结晶器铜板在工作过程中由于长时间经受高温铁水的冲刷，存在较严重的摩擦和磨损，其损坏的主要形式是产生热裂纹、磨损和腐蚀；铜板表面的局部损坏又往往造成整个部件失效，最终导致设备报废。据统计一套结晶器的价格在7～12 万元，我国冶金企业每年结晶器铜的消耗在 20 亿元以上，是除了轧辊之外的第二大冶金耗材；而且铜及铜合金资源紧缺，价格有不断上涨的趋势；因此提高结晶器铜板表面的耐磨性和耐热性是提高经济效益和生产效率的根本措施，具有很好的科学研究意义和实际应用价值。
铜合金具有高的导电性、导热性及优良的成形性，广泛用于电力、电工、矿山、冶金及机械制造业，在冶金工业许多环节中，铜是许多关键部件的制作材料，例如，连续铸造的心脏结晶器就是采用铜合金制造，目前结晶器铜板材质主要是 Cr-Zr-Cu。但由于铜基的耐磨性很差，大大影响了结晶器的使用寿命，工程应用中常常需要对其进行表面涂覆或改性。
目前广泛使用的铜质结晶器一般采用电镀、热喷涂或渗镀等表面处理方法进行表面改性，以提高结晶器铜板的耐磨性和耐蚀性，但电镀技术存在以下缺点 ：(1)涂层与基材之间为物理结合而非冶金结合，在结晶器浇注时频繁的冷热疲劳、钢水及钢坯的冲击和摩擦经常引起涂层起皮剥落 ；(2)涂层内部存在电镀过程中形成的针孔、针状疏松等缺陷，降低涂层的抗氧化和磨损性能；(3)镀层硬度低，耐磨性差；而热喷涂和渗镀的工艺较难控制，且工艺成本较高，故在一定程度上降低了其强化效果。
激光熔覆（Laser Cladding）亦称激光包覆或激光熔敷，是一种新的表面改性技术，它通过在基材表面添加熔覆材料，并利用高能密度的激光束使之与基材表面薄层一起熔凝，在基层表面形成与其为冶金结合的添料熔覆层，激光熔覆技术可制备与基体形成冶金结合的特殊功能熔覆层，对环境无污染，还具有生产率高、成品率高以及综合成本低等特点。然而，由于结晶器中铜基体的热膨胀系数大（1.67×10-5/K），与许多材料浸润性差等，并与抗热、耐磨涂层结合力较差，因此选择适当的合金粉末在铜基材料形成无裂纹、冶金结合好、耐高温、耐磨损、高强度熔覆涂层，对提高结晶器的寿命至关重要。
专利文献( CN101775525A)公开了一种连铸结晶器铜板激光熔覆钴基合金涂层材料及工艺，该工艺复杂不宜操作，且生产效率很低，不能适应工业化生产的要求。专利文献( CN1932082) 公开了一种在结晶器表面激光快速熔覆制备耐磨抗热复合涂层工艺，其先进行等离子喷涂打底，再采用5kW CO2激光器进行重熔，然后进行激光熔覆；但是该工艺略显复杂，且等离子喷涂和高功率CO2 激光器设备体积庞大，价格昂贵，且存在塌边问题。另外，专利文献( CN103805989A)公开了一种铜合金结晶器表面激光熔覆梯度涂料的方法，其采用将两种合金粉末分别用金属粘接剂调成膏状物，然后在铜合金结晶器表面交替涂覆，最后进行激光熔覆；但其存在熔覆层中铜含量过高，进而造成铜板耐磨损、耐腐性性能大大降低。
本发明通过大功率、高熔覆速度的工艺方法和改性粉末制备出的激光熔覆层大大降低了铜含量，改善了结晶器的耐磨耐腐蚀性能，且大大提高了熔覆效率，有显著的经济效益和社会效益。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种用于结晶器铜板激光熔覆的合金粉末及熔覆方法，本合金粉末可使铜合金结晶器表面得到较厚的冶金结合带，熔覆层与基底界面冶金结合良好，且无裂纹、杂质等缺陷，极大提高了铜合金结晶器的耐磨性和耐蚀性；本方法可精确控制熔覆层的厚度，具有能耗低、无污染、效率高、成本低的优点。
为解决上述技术问题，本发明用于结晶器铜板激光熔覆的合金粉末由镍基合金粉末和钴基合金粉末混合而成，所述镍基合金粉末的成分为 4～6wt% 的Al，92～93.5wt%的Ni，其余为杂质；所述钴基合金粉末的成分为0.9～1.2 wt%的C、26.5～30.5 wt%的Cr、0.8～1.1wt %的Si、3.4～5.4wt %的W、1.0～2.0wt% 的Fe、1.2～2wt%的Ni，其余为Co。
一种采用上述合金粉末的结晶器铜板激光熔覆方法包括如下步骤：
步骤一、对结晶器铜板基体表面进行预处理，包括打磨、清洗、吹干处理；
步骤二、将镍基合金粉末和钴基合金粉末以7:3的比例充分混合均匀后平铺于结晶器铜板基体表面；
步骤三、采用激光器将合金粉末熔覆于结晶器铜板基体表面形成厚度为0.4～0.5mm的熔覆层。
进一步，所述镍基合金粉末和钴基合金粉末以7:3的比例充分混合后平铺于结晶器铜板基体表面的厚度为0.6～0.8mm。
进一步，所述激光器在激光熔覆处理过程中，激光光斑直径为3～5mm，激光功率为4200～5000 W，激光扫描速度为1200～1500mm/min，激光熔覆焊道搭接率为30～50%。
由于本发明用于结晶器铜板激光熔覆的合金粉末及熔覆方法采用了上述技术方案，即本合金粉末由镍基合金粉末和钴基合金粉末混合而成，所述镍基合金粉末包括Al和Ni，其余为杂质；钴基合金粉末的主要成分为Co。本方法首先对结晶器铜板基体表面进行预处理，将镍基合金粉末和钴基合金粉末以一定比例混合后平铺于结晶器铜板基体表面；采用激光器将合金粉末熔覆于结晶器铜板基体表面形成一定厚度的熔覆层。本合金粉末可使铜合金结晶器表面得到较厚的冶金结合带，熔覆层与基底界面冶金结合良好，且无裂纹、杂质等缺陷，极大提高了铜合金结晶器的耐磨性和耐蚀性；本方法可精确控制熔覆层的厚度，具有能耗低、无污染、效率高、成本低的优点。
附图说明
下面结合附图和实施方式对本发明作进一步的详细说明：
图1为采用本方法形成的熔覆层与基体结合区域的显微图；
图2为采用本方法形成的熔覆层表面到基体的显微硬度分布图。
具体实施方式
本发明用于结晶器铜板激光熔覆的合金粉末由镍基合金粉末和钴基合金粉末混合而成，所述镍基合金粉末的成分为 4～6wt% 的Al，92～93.5wt%的Ni，其余为杂质；所述钴基合金粉末的成分为0.9～1.2 wt%的C、26.5～30.5 wt%的Cr、0.8～1.1wt %的Si、3.4～5.4wt %的W、1.0～2.0wt% 的Fe、1.2～2wt%的Ni，其余为Co。
一种采用上述合金粉末的结晶器铜板激光熔覆方法包括如下步骤：
步骤一、对结晶器铜板基体表面进行预处理，包括打磨、清洗、吹干处理；
步骤二、将镍基合金粉末和钴基合金粉末以7:3的比例充分混合均匀后平铺于结晶器铜板基体表面；
步骤三、采用激光器将合金粉末熔覆于结晶器铜板基体表面形成厚度为0.4～0.5mm的熔覆层。
优选的，所述镍基合金粉末和钴基合金粉末以7:3的比例充分混合后平铺于结晶器铜板基体表面的厚度为0.6～0.8mm。
优选的，所述激光器在激光熔覆处理过程中，激光光斑直径为3～5mm，激光功率为4200～5000 W，激光扫描速度为1200～1500mm/min，激光熔覆焊道搭接率为30～50%。
实施例1
选取铜合金结晶器并对其基体表面进行预处理，然后在其表面预铺一层合金粉末，最后进行激光熔覆，合金粉末由镍基合金粉末和钴基合金粉混合而成，镍基合金粉末的成分为6wt%的 Al、92wt%的Ni，其余为杂质；钴基合金粉末的成分为1wt%的C、27wt%的Cr、1.1wt%的Si、4wt%的W、2.0wt% 的 Fe、1.2wt% 的Ni，其余为Co ；将两种合金粉末以7:3的比例充分混合均匀，然后通过专用机器人以一定速度将合金粉末均匀的平铺在预处理过的铜合金结晶器基体表面，最后采用激光器进行激光熔覆。
其中，合金粉末平铺的厚度为0.8mm，最终铜合金结晶器基体表面涂覆的熔覆层厚度为0.5mm。实施激光熔敷时，激光器型号为 LDF8000-60，波长λ=940～1060纳米，激光光斑直径为3mm，激光功率为5000W，激光扫描速度1200mm/min，激光熔覆焊道搭接率50%
实施例2
选取铜合金结晶器并对其基体表面进行预处理，然后在其表面预铺一层合金粉末，最后进行激光熔覆，合金粉末由镍基合金粉末和钴基合金粉混合而成，镍基合金粉末的成分为6wt% 的Al、92wt%的Ni，其余为杂质；钴基合金粉末的成分为1wt%的C、27wt%的Cr、1.1wt%的Si、4wt%的W、2.0wt% 的Fe、1.2wt% 的Ni，其余为 Co；将两种合金粉末以7:3的比例充分混合均匀，然后按一定厚度在预处理过的铜合金结晶器基体表面预铺，最后进行激光熔覆。
其中，合金粉末铺设的厚度为0.6mm，最终铜合金结晶器基体表面涂覆的熔覆层厚度为0.4mm。在激光熔敷处理过程中，激光器型号为LDF8000-60，波长 λ=940-1060纳米，激光光斑直径为5 mm，激光功率为4200W，激光扫描速度1200mm/min，激光熔覆焊道搭接率40%。
采用本合金粉末及熔覆方法制得的铜合金结晶器，对其表面进行熔覆层的合金化区域的组织和物相进行分析，如图1 所示，图中下部为基体2，上部熔覆层1，从图中可以看出，熔覆层1与基体2界面呈较好的冶金结合状态，界面无裂纹、杂质等缺陷；如图2所示，从图中可以看出，熔覆层的硬度值明显高于基体，熔覆层平均显微硬度在400HV 以上，而基体的显微硬度在100Hv左右，这是因为，激光熔覆处理后铜合金结晶器表面所获得的熔覆层为致密层，且在快速凝固过程中由于不均匀收缩所产生的位错与增强相颗粒之间、位错与位错之间的相互交织对熔覆层有强化作用。

Claims (4)

1.一种用于结晶器铜板激光熔覆的合金粉末，其特征在于：所述合金粉末由镍基合金粉末和钴基合金粉末混合而成，所述镍基合金粉末的成分为 4～6wt% 的Al，92～93.5wt%的Ni，其余为杂质；所述钴基合金粉末的成分为0.9～1.2 wt%的C、26.5～30.5 wt%的Cr、0.8～1.1wt %的Si、3.4～5.4wt %的W、1.0～2.0wt% 的Fe、1.2～2wt%的Ni，其余为Co。
2.一种采用权利要求1所述合金粉末的结晶器铜板激光熔覆方法，其特征在于本方法包括如下步骤：
步骤一、对结晶器铜板基体表面进行预处理，包括打磨、清洗、吹干处理；
步骤二、将镍基合金粉末和钴基合金粉末以7:3的比例充分混合均匀后平铺于结晶器铜板基体表面；
步骤三、采用激光器将合金粉末熔覆于结晶器铜板基体表面形成厚度为0.4～0.5mm的熔覆层。
3.根据权利要求2所述的结晶器铜板激光熔覆方法，其特征在于：所述镍基合金粉末和钴基合金粉末以7:3的比例充分混合后平铺于结晶器铜板基体表面的厚度为0.6～0.8mm。
4.根据权利要求2或3所述的结晶器铜板激光熔覆方法，其特征在于：所述激光器在激光熔覆处理过程中，激光光斑直径为3～5mm，激光功率为4200～5000 W，激光扫描速度为1200～1500mm/min，激光熔覆焊道搭接率为30～50%。
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