專利名稱：一種在連鑄結(jié)晶器銅合金板表面制備高溫耐磨涂層的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及對銅合金板表面等離子噴涂高溫耐磨涂層的方法，特別是針對連鑄結(jié)晶器銅合金板表面制備高溫耐磨涂層的方法。
背景技術(shù)：
連鑄具有高效、節(jié)能的特點，是現(xiàn)代鋼鐵エ業(yè)中ー種常規(guī)的生產(chǎn)技木。結(jié)晶器是連鑄機的核心，是將鋼水注入其中，使鋼水外層形成連續(xù)的硬殼，隨后將其拉入支撐導(dǎo)向段的扇形段冷卻凝固，并拉出鑄坯的裝置，其技術(shù)性能將直接影響到連鑄設(shè)備的使用壽命、生產(chǎn)效率和鑄坯質(zhì)量。連鑄生產(chǎn)中，結(jié)晶器銅合金板工作表面與1530°C 1570°C的鋼液接觸，背面通過30 40°C的冷卻水，承受著鋼液靜壓力、摩擦力，存在巨大的溫度梯度和熱應(yīng)力。隨連鑄設(shè) 備大型化、高拉速和在線調(diào)寬技術(shù)的發(fā)展，連鑄生產(chǎn)效率得到大幅提高，結(jié)晶器銅合金板的熱負(fù)荷大幅増加，特別是彎月面附近結(jié)晶器銅合金板的表面溫度可達(dá)到300°C 350°C。彎月面處由于急冷急熱的反復(fù)熱應(yīng)力的作用，極易產(chǎn)生熱裂紋和熱變形等。高效連鑄技術(shù)的發(fā)展對結(jié)晶器銅合金板質(zhì)量提出了更高的要求，高強度、高耐磨性和良好的導(dǎo)熱性能成為衡量結(jié)晶器質(zhì)量優(yōu)劣的重要指標(biāo)，而提高其耐磨性成了延長結(jié)晶器銅合金板使用壽命的最有效的手段之一。最早且也較廣泛地用來提高結(jié)晶器銅合金板耐磨性的是電鍍層。但由于電鍍層硬度較低，其耐磨性特別是高溫耐磨性較差，不能大幅延長結(jié)晶器銅合金板的壽命。專利CN200610047995. 2采用等離子噴涂方法，在結(jié)晶器銅合金板表面預(yù)噴涂鎳基自熔性合金，然后用激光重熔，之后在經(jīng)重熔的鎳基層上再采用激光熔覆鈷基合金，最后進(jìn)行長時間的去應(yīng)カ熱處理。經(jīng)過這樣的處理，大幅度地提高了結(jié)晶器銅合金板的耐磨性倉^:。專利CN200910038846. 3采用熱噴涂方法先制備厚0. 3-0. 5mm的過渡層，將過渡層
用激光重熔后再噴砂處理，然后用超音速火焰噴涂的方法在過渡層上噴涂Ni基或Co基合金工作層，最后再對工作層進(jìn)行激光重熔。采用該エ藝后涂層致密度、結(jié)合強度和抗熱震性能均有較大的提高。專利CN1431336A采用等離子噴涂的方法在結(jié)晶器銅合金板表面制備CuAgP合金打底層，然后在打底層上分別制備Cr3C2-NiCr金屬陶瓷、DelelO50自熔合金和Ni基自熔合金層，井置于800 880°C溫度下進(jìn)行熱處理，使底層熔化，基材與底層、底層與面層間界面消失，涂層與基體形成冶金結(jié)合，極大地提高了涂層的結(jié)合強度、抗熱震性能，延長了結(jié)晶器的使用壽命。采用上述エ藝方法制備涂層，可以大幅提高涂層與基體的結(jié)合強度，涂層致密，改善了涂層的抗熱震性能，提高了結(jié)晶器銅合金板的耐磨性能，延長了其使用壽命。但是這些エ藝方法對設(shè)備等的要求較高，エ藝流程比較復(fù)雜，需要控制的參數(shù)較多，成本也較高，不利于實際生產(chǎn)應(yīng)用。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供了ー種在連鑄結(jié)晶器銅合金板表面制備高溫耐磨涂層的方法，目的是克服上述現(xiàn)有技術(shù)中存在的エ藝流程復(fù)雜、成本高的缺點，提高結(jié)晶器銅板的高溫耐磨性能，大幅延長結(jié)晶器銅板的使用壽命，并簡化工藝，降低生產(chǎn)成本。本發(fā)明也可以應(yīng)用于各種銅或銅合金表面強化或者修復(fù)。本發(fā)明的技術(shù)方案是ー種在連鑄結(jié)晶器銅合金板表面制備高溫耐磨涂層的方法，采用等離子噴涂方法將金屬陶瓷粉末噴涂于經(jīng)預(yù)處理的銅合金板表面形成厚度為0. 5mm的金屬陶瓷凃?qū)?；所述的金屬陶瓷粉末為Cr3C2-NiCr粉末，粒度為325目 500目，其中，Cr3C2占Cr3C2-NiCr粉末總質(zhì)量的70-80%，其余為NiCr合金粉末，NiCr合金粉末中Ni/Cr質(zhì)量比為80 :20。在經(jīng)預(yù)處理的銅合金板表面先噴凃打底層粉末形成打底層，再將金屬陶瓷粉末噴涂于打底層上形成總厚度為0. 5mm的金屬陶瓷涂層；所述的打底層粉末為NiAl粉末，質(zhì)量比 Ni/Al=80/20，粒度為 200 400 目。 噴凃所采用的主氣和送粉氣皆為氬氣、輔氣為氦氣，其中，主氣流量為54 64L min—1、送粉氣流量為6L mirT1 ;噴涂時的噴涂距離為90 140mm、噴涂功率為22 30kw、送粉速率為15 30g mirT1、噴槍移動速度為200mm s—1，控制銅合金板的溫度彡 150°C。預(yù)處理的銅合金板所述的預(yù)處理方法為采用機械或化學(xué)的方法清除結(jié)晶器銅合金板表面的油污和氧化層，然后用噴吵的方法對結(jié)晶器銅合金板表面進(jìn)行粗糙化處理。有益效果等離子焰流高溫區(qū)的溫度可達(dá)10000K以上，能夠充分熔化金屬陶瓷粉末，使其很好地沉積到銅合金表面上，涂層與基體的結(jié)合強度較高。并且，等離子噴涂エ藝操作簡單，沉積效率高，易于制備厚涂層，成本相對較低，涂層致密。Cr3C2-NiCr粉末中的Cr具有比C更強的對0的親和力，因而在高溫時，Cr能迅速氧化成致密的Cr2O3薄膜,從而使涂層具有優(yōu)異的耐高溫氧化和耐蝕性能AiCr合金與Cr3C2陶瓷有著良好的潤濕能力，能使涂層有足夠的內(nèi)聚強度，因而以NiCr合金為粘結(jié)相、Cr3C2陶瓷顆粒做強化硬質(zhì)相的Cr3C2-NiCr金屬陶瓷涂層作為工作涂層，具有優(yōu)異的抗高溫磨損性能，涂層硬度為88-90HRC，與WC-Co硬質(zhì)合金相當(dāng)，并能保持到600°C而不明顯下降，適用于連鑄結(jié)晶器的工作環(huán)境。采用NiAl作為打底層可增加工作涂層與基體的結(jié)合力。打底層表面比經(jīng)噴砂處理的基體表面更粗糙更不規(guī)則，能使工作涂層與之形成更強的機械結(jié)合；打底層熱膨脹系數(shù)介于基體和工作涂層之間，在機械及熱負(fù)荷下具有足夠的韌性，能緩解基體與工作層因熱膨脹系數(shù)不同而產(chǎn)生的熱失配應(yīng)力。此外，等離子噴涂過程中，Ni-Al會發(fā)生劇烈的放熱反應(yīng)，打底層可與基體之間形成微冶金結(jié)合，提高涂層的結(jié)合強度，改善涂層的抗熱震性能，延長其熱疲勞壽命。采用本發(fā)明的エ藝方法在結(jié)晶器銅合金板表面制備高溫耐磨涂層，涂層具有高的結(jié)合強度，抗熱震性能優(yōu)異，能大幅提高結(jié)晶器銅板的使用壽命。


圖lCr3C2_20NiCr涂層截面顯微形貌圖。圖2Cr3C2-25NiCr涂層截面顯微形貌圖。圖3Cr3C2_30NiCr涂層截面顯微形貌圖。圖4NiAl/Cr3C2-30NiCr復(fù)合涂層截面顯微形貌圖。
具體實施方式
以下是發(fā)明人給出的實施例，但本發(fā)明不限于這些實施例。ー種在連鑄結(jié)晶器銅合金板表面制備高溫耐磨涂層的方法步驟ー對結(jié)晶器銅合金板表面進(jìn)行合理的預(yù)處理，首先采用機械或化學(xué)的方法清除結(jié)晶器銅合金板表面的油污和氧化層，然后用噴吵的方法對結(jié)晶器銅合金板表面進(jìn)行粗糙化處理；步驟ニ 噴涂前將待噴涂粉末在100°C下保溫I I. 5h進(jìn)行烘干除濕，提高粉末的流動性；步驟三設(shè)定好等離子噴涂的各エ藝參數(shù)；步驟四引弧后先用等離子焰流預(yù)熱銅合金板至60°C左右，然后打開送粉器，將Cr3C2-NiCr金屬陶瓷粉末直接噴涂在銅合金板表面，或者先噴涂NiAl打底層粉末形成打底層后再噴涂上述金屬陶瓷粉末，從而在銅合金板表面形成強化涂層。步驟五噴涂過程中需控制銅合金板溫度不超過150°C，具體方法是采用測溫儀監(jiān)測銅合金板的溫度，當(dāng)溫度接近150°C時，暫停噴涂，待溫度下降后再噴涂；步驟六隨時檢測涂層厚度，當(dāng)涂層厚度達(dá)到約0. 5mm時結(jié)束噴涂。實施例I :在結(jié)晶器常用的CuCrZr合金表面等離子噴涂Cr3C2_20NiCr金屬陶瓷(Cr3C2_80%wt, NiCr-20% wt)。噴涂距離 90mm,主氣流量 54L mirT1,送粉速率 15g mirT1,功率 22kw,涂層厚約0. 5_。其涂層截面的顯微形貌見圖1，涂層的結(jié)合強度和熱疲勞壽命見表I。實施例2 在結(jié)晶器常用的CuCrZr合金表面等離子噴涂Cr3C2_25NiCr金屬陶瓷(Cr3C2_75%wt,NiCr-25% wt)。噴涂距離 140mm,主氣流量 64L .mirT1,送粉速率 30g .mirT1,功率 30kw,涂層厚約0. 5_。其涂層截面的顯微形貌見圖2，涂層的結(jié)合強度和熱疲勞壽命見表I。實施例3 在結(jié)晶器常用的CuCrZr合金表面等離子噴涂Cr3C2_30NiCr金屬陶瓷(Cr3C2_70%wt,NiCr-30% wt)。噴涂距離 130mm,主氣流量 64L .mirT1,送粉速率 25g .mirT1,功率 22kw,涂層厚約0. 5_。其涂層截面的顯微形貌見圖3，涂層的結(jié)合強度和熱疲勞壽命見表I。實施例4 在結(jié)晶器常用的CuCrZr合金表面先噴涂厚約0. Imm的NiAl打底層(Ni-80% wt,Al-20% wt)D噴涂距離120_，主氣流量SAL.min-1，送粉速率SOg.mirT1，功率20kw，然后在打底層上噴涂Cr3C2-30NiCr金屬陶瓷工作層(Cr3C2-70% wt，NiCr-30% wt)D制備工作層時，噴涂距離110mm，主氣流量57L mirT1，送粉速率20g mirT1，功率22kw。打底層和エ作層的總厚度約為0. 5mm。其涂層截面的顯微形貌見圖4，涂層的結(jié)合強度和熱疲勞壽命見表I。
從圖I 圖3可以看出當(dāng)金屬陶瓷中的NiCr含量(重量百分比)由20%増至30%、Cr3C2含量(重量百分比)相應(yīng)地由80%降至70%，涂層與經(jīng)噴砂處理后表面粗糙不平的銅合金基體間均呈犬牙交錯狀態(tài)，相互嵌合較好，實現(xiàn)了良好的機械結(jié)合，與基體間的結(jié)合強度和冷熱疲勞壽命(熱震壽命)均較高(見表I)。由圖4可見NiAl打底層與基體及Cr3C2-30NiCr金屬陶瓷(Cr3C2_70 % wt,NiCr-30% wt)工作層之間相互嵌合良好，涂層與基體間的結(jié)合強度同樣達(dá)到了較高的水平(表I);此外，由于打底層熱膨脹系數(shù)介于工作層與銅合金基體之間，降低了熱膨脹系數(shù)差異引起的熱失配應(yīng)力，提高了涂層抗熱震性能，熱疲勞壽命較高，熱震性能優(yōu)于無打底層的Cr3C2-NiCr金屬陶瓷涂層(表I)。很明顯，采用本發(fā)明在銅合金表面制備的金屬陶瓷涂層成復(fù)合金屬陶瓷涂層與基體間均有較高的結(jié)合強度和冷熱疲勞壽命，可以顯著延長結(jié)晶器銅板的使用壽命，降低連鑄生產(chǎn)成本且涂層制備エ藝也比較簡便。
表I涂層性能試驗結(jié)果
序 iJ涂 Ii結(jié) +MPa !沖+'C熱德MlfiIIWft 1 :+
劣施》ICr-,CrZONiCr4*i63
實!!舞:！C'r,C-25NiC>51Tl!
實鐘閨.1Cr￡r}HKiCrh\Xl
實鐵閨4NiAI/Cr.Cr-.'ONrrSI\>權(quán)利要求
1.一種在連鑄結(jié)晶器銅合金板表面制備高溫耐磨涂層的方法，其特征在于采用等離子噴涂方法將金屬陶瓷粉末噴涂于經(jīng)預(yù)處理的銅合金板表面形成厚度為0. 5mm的金屬陶瓷凃?qū)?；所述的金屬陶瓷粉末為Cr3C2-NiCr粉末，粒度為325目 500目，其中，Cr3C2占Cr3C2-NiCr粉末總質(zhì)量的70-80%，其余為NiCr合金粉末，NiCr合金粉末中Ni/Cr質(zhì)量比為 80 :20。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的在連鑄結(jié)晶器銅合金板表面制備高溫耐磨涂層的方法，其特征在于在經(jīng)預(yù)處理的銅合金板表面先噴凃打底層粉末形成打底層，再將金屬陶瓷粉末噴涂于打底層上形成總厚度為0. 5mm的金屬陶瓷涂層；所述的打底層粉末為NiAl粉末，質(zhì)量比 Ni/Al=80/20，粒度為 200 400 目。
3.根據(jù)權(quán)利要求I或2所述的在連鑄結(jié)晶器銅合金板表面制備高溫耐磨涂層的方法， 其特征在于噴凃所采用的主氣和送粉氣皆為氬氣、輔氣為氦氣，其中，主氣流量為54 64L min—1、送粉氣流量為6L mirT1 ;噴涂時的噴涂距離為90 140mm、噴涂功率為22 30kw、送粉速率為15 30g mirT1、噴槍移動速度為200mm s—1，控制銅合金板的溫度彡 150。。。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的在連鑄結(jié)晶器銅合金板表面制備高溫耐磨涂層的方法，其特征在于預(yù)處理的銅合金板所述的預(yù)處理方法為采用機械或化學(xué)的方法清除結(jié)晶器銅合金板表面的油污和氧化層，然后用噴吵的方法對結(jié)晶器銅合金板表面進(jìn)行粗糙化處理。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種在連鑄結(jié)晶器銅合金板表面制備高溫耐磨涂層的方法，一種在連鑄結(jié)晶器銅合金板表面制備高溫耐磨涂層的方法，采用等離子噴涂方法將金屬陶瓷粉末噴涂于經(jīng)預(yù)處理的銅合金板表面形成厚度為0.5mm的金屬陶瓷凃?qū)?；所述的金屬陶瓷粉末為Cr3C2-NiCr粉末，粒度為325目～500目，其中，Cr3C2占Cr3C2-NiCr粉末總質(zhì)量的70-80％，其余為NiCr合金粉末，NiCr合金粉末中Ni/Cr質(zhì)量比為8020。本發(fā)明制備的涂層結(jié)合強度高，抗熱震性能佳，熱疲勞壽命高，能滿足結(jié)晶器銅合金板的工作要求，顯著提高結(jié)晶器銅合金板的使用壽命。
文檔編號C23C4/10GK102851632SQ20121038284
公開日2013年1月2日 申請日期2012年10月11日 優(yōu)先權(quán)日2012年10月11日
發(fā)明者陳健, 劉雪飄, 梁歡, 崔庭, 方鍇 申請人:江蘇科技大學(xué)