一種結(jié)晶器銅板hvof復(fù)合梯度涂層及其制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種結(jié)晶器銅板，尤其涉及的是一種結(jié)晶器銅板HV0F復(fù)合梯度涂層及其制備方法。
【背景技術(shù)】
[0002]連鑄已經(jīng)成為現(xiàn)代鋼鐵工業(yè)生產(chǎn)中常規(guī)的生產(chǎn)技術(shù)，據(jù)統(tǒng)計表明連鑄坯產(chǎn)量達到粗鋼產(chǎn)量的90%以上，與此同時高效連鑄機的使用對連鑄機冷卻部位一結(jié)晶器提出了更高的性能要求。例如:高結(jié)合力、高耐磨性、優(yōu)異的熱導(dǎo)率和良好的致密性等性能要求。因此，可以利用表面工程技術(shù)在結(jié)晶器銅板表面附上一層滿足性能要求的涂層，這樣既可以延長結(jié)晶器的使用壽命也可以降低制備成本。
[0003]目前，常見的技術(shù)方法是在結(jié)晶銅板表面進行電鍍來制備所需性能的涂層，如硬Cr鍍層、N1-Fe鍍層、N1-Co鍍層、N1-Cr復(fù)合鍍層和N1-Co_W鍍層。雖然電鍍層與銅板基體的結(jié)合力較高，但是由于其較低的硬度導(dǎo)致其耐磨性較差，使用壽命較短。另外，傳統(tǒng)的電鍍鉻、鈷技術(shù)對環(huán)境污染嚴重，尤其是其排放的六價鉻離子對水的污染非常嚴重，其是公認的致癌物。因此，世界各國對替代傳統(tǒng)電鍍鉻的新技術(shù)研究進行了大量的投入。
[0004]超音速火焰噴涂(HV0F)具有以下特點:(1)以高性能的表面與基體的配合獲得更加優(yōu)異的整體性能；(2)以較少的能源和材料獲得比基體材料更高的性能，具著的節(jié)能節(jié)材效果；(3)近零排放的表面工程新技術(shù)替代傳統(tǒng)表面工程技術(shù)，可大幅度減少對環(huán)境的負面影響。HV0F涂層具有優(yōu)良的機械性能，如高硬度、良好的耐蝕性和優(yōu)異的熱震性等性能，可以滿足一般高溫條件下的性能要求，降低了制作成本，延長了使用壽命并且HV0F是綠色環(huán)保的表面工程技術(shù)，可以達到對環(huán)境零污染排放。但是針對結(jié)晶器銅板而言，其工作條件極為苛刻，銅板的一側(cè)與30?40°C的冷卻水接觸，另一側(cè)與1570°C的鋼液接觸，隨著連鑄機作業(yè)率的提高，銅板所受的熱應(yīng)力將急劇增大。另外，在結(jié)晶器銅板末端部分，鋼坯對銅板的磨損加劇。因此，這就要求HV0F涂層應(yīng)該與銅板基體具有高的結(jié)合力，與結(jié)晶器銅板接近的膨脹系數(shù)與熱導(dǎo)率及良好的耐磨性。
[0005]HV0F涂層具有高的硬度，但是與銅板基體的物性相差比較大，因此限制了 HV0F涂層在結(jié)晶器銅板上的應(yīng)用。所以單一的HV0F涂層已經(jīng)不能滿足結(jié)晶器的性能滿足要求，主要是與HV0F涂層相比，銅板基體硬度低，從而降低了 HV0F涂層與銅板基體結(jié)合力。為了改善HV0F涂層與銅板基體的結(jié)合力，僅通過調(diào)整噴涂參數(shù)和涂層成分是不夠的。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供了一種結(jié)晶器銅板HV0F復(fù)合梯度涂層及其制備方法，提高產(chǎn)品的結(jié)合力、硬度、摩擦磨損和熱震性能。
[0007]本發(fā)明是通過以下技術(shù)方案實現(xiàn)的，本發(fā)明所述復(fù)合梯度涂層包括依次設(shè)置于基體上的粘結(jié)層、工作層；所述基體為CrZrCu合金，所述粘結(jié)層的內(nèi)部組織為NiCr固溶相，所述工作層的內(nèi)部組織包括NiCr固溶相、Cr3C2碳化物、Cr 7C3碳化物和少量非晶相。
[0008]作為本發(fā)明的優(yōu)選方式之一，所述粘結(jié)層的厚度為50?130 μ m。
[0009]作為本發(fā)明的優(yōu)選方式之一，所述工作層的厚度為200?300 μ m。
[0010]所述粘結(jié)層為HV0F制備得到的NiCr層，所述粘結(jié)層中NiCr的質(zhì)量含量為100%。[0011 ] 所述工作層為HV0F制備得到的NiCr-Cr3C2層，按質(zhì)量比，包括以下組分:NiCr40 ?60%，Cr3C240 ?60%。
[0012]所述復(fù)合梯度涂層在500°C時熱導(dǎo)率大于40W/m.K。
[0013]—種結(jié)晶器銅板HV0F復(fù)合梯度涂層的制備方法，包括以下步驟:
[0014](1)將CrZrCu合金試樣表面拋光，再進行噴丸處理，清洗后固定；
[0015](2)將上述清洗后的試樣固定，火焰預(yù)熱，然后進行NiCr粘結(jié)層的HV0F噴涂；
[0016](3)將噴有粘結(jié)層的試樣冷卻至室溫，清洗并吹干，將粉末換成NiCr-Cr3C2混合粉末，火焰預(yù)熱，然后進行NiCr-Cr3C2工作層的HV0F噴涂；
[0017](4)將制備完成的試樣在真空退火爐中進行退火。
[0018]所述步驟(1)中，試樣表面拋光至粗糙度< 0.8 μm，然后采用氧化鋁球進行噴丸，試樣表面粗糙度為2?6μπι。
[0019]所述步驟(2)中，NiCr粘結(jié)層的噴涂過程中，預(yù)熱溫度150?200°C，煤油流量控制在20?25L/h，氧氣流量控制在800?850NLPM，載氣流量控制在5.0?8.0NLPM，噴涂過程中控制基體表面溫度在180?250°C，噴涂時間為10?30min。
[0020]所述步驟(3)中，NiCr-Cr3C2工作層的噴涂過程中，煤油流量控制在23?27L/h，氧氣流量控制在820?860NLPM，載氣流量控制在6.0?8.5NLPM。噴涂過程中控制基體及粘結(jié)層表面平均溫度在200?250°C，噴涂時間為30?120min。
[0021]所述步驟(4)中，在真空爐中退火，退火溫度為550?800°C，退火時間為3?7h，
隨爐冷卻。
[0022]從基體-涂層系統(tǒng)進行考慮，為此引入了復(fù)合梯度涂層的概念，即在基體和HV0F涂層之間加一層粘結(jié)層，從而改善基體于涂層的結(jié)合力而又不影響HV0F工作層的機械性能。由于NiCr與銅板基體有著相似的物性，因此選取NiCr為粘結(jié)層最具有實際價值的過渡層之一。
[0023]純NiCr粘結(jié)層與基體CrZrCu和NiCr_Cr3C2工作層物性相近，能夠?qū)崿F(xiàn)基體和工作層間較好的結(jié)合；復(fù)合梯度涂層的設(shè)計不僅可以提高涂層的結(jié)合力及致密性，而且可以降低涂層的磨損率。通過退火后涂層截面結(jié)合處發(fā)生重融作用使得孔隙率明顯減少。
[0024]本發(fā)明相比現(xiàn)有技術(shù)具有以下優(yōu)點:本發(fā)明依次噴涂于基體表面的純NiCr粘結(jié)層和NiCr-Cr3C2工作層，各層界面相互匹配，因此涂層具有較高結(jié)合力強度；
[0025]本發(fā)明中由于復(fù)合梯度涂層各層硬度過渡緩和從而使得涂層具有很好的抗摩擦磨損性能，大大降低了涂層的磨損率；
[0026]本發(fā)明中由于復(fù)合梯度涂層結(jié)構(gòu)致密，含有金屬固溶相，故在500°C是依舊能夠保證良好的熱導(dǎo)率；
[0027]本發(fā)明中復(fù)合涂層在退火后具有超過50MPa的結(jié)合強度，在20N載荷下的磨損率低于10 13m3/Nm，相比于結(jié)晶器采用傳統(tǒng)電鍍層的磨損率10 9m3/Nm，500°C時熱導(dǎo)率大于40ff/m.K，大大提高了結(jié)晶器銅板的使用壽命，降低了生產(chǎn)成本和對環(huán)境的污染，將有利于結(jié)晶器銅板更廣闊的市場化發(fā)展。
【附圖說明】
[0028]圖1是實施例3制得涂層的SEM形貌圖；
[0029]圖2是實施例1?3制得NiCr-Cr3C2層的XRD圖；
[0030]圖3是實施例1?3制得涂層在500g載荷下涂層的顯微硬度圖；
[0031]圖4是實施例1?3制得涂層結(jié)合強度的拉伸測試圖；
[0032]圖5是實施例1?3制得涂層摩擦磨損性能圖；
[0033]圖6是實施例1?3制得涂層在500°C時熱導(dǎo)率測試圖。
【具體實施方式】
[0034]下面對本發(fā)明的實施例作詳細說明，本實施例在以本發(fā)明技術(shù)方案為前提下進行實施，給出了詳細的實施方式和具體的操作過程，但本發(fā)明的保護范圍不限于下述的實施例。
[0035]實施例1
[0036]將市場購買的CrZrCu銅合金樣品(塊、棒)進行機械拋光至表面粗糙度^ 0.6μπι，采用氧化鋁球進行噴丸粗化處理至表面粗糙度2?6μπι，然后進行丙酮、無水乙醇超聲波清洗，然后放入酒精和丙酮中，先用超聲波清洗30分鐘，再用高壓氣槍將清洗后的樣品吹干并固定于超音速噴涂設(shè)備轉(zhuǎn)架上。設(shè)定機械手臂參數(shù)，利用火焰對基體進行預(yù)熱，基體表面溫度為180?250°C，煤油流量控制在23?27L/h，氧氣流量控制在820?860NLPM，載氣流量控制在6.0?8.5NLPM。打開粉末閥門重新設(shè)定機械臂參數(shù)，進行NiCr-Cr3C2工作層的噴涂。噴涂時間為10?30min，在基體上制得厚度為250 μ m的單一HV0F涂層，然后進行機械拋光至粗糙度< 0.1 μ m，然后進行丙酮、無水乙醇超聲清洗備用。
[0037]實施例2
[0038]將市場購買的CrZrCu銅合金樣品(塊、棒)進行機械拋光至表面粗糙度< 0.6 μ m，采用氧化鋁球進行噴丸粗化處理至表面粗糙度2?6 μ m，然后進行丙酮、無水乙醇超聲波清洗，然后放入酒精和丙酮中，先用超聲波清洗30分鐘，再用高壓氣槍將清洗后的樣品吹干并固定于超音速噴涂設(shè)備轉(zhuǎn)架上。設(shè)定機械手臂參數(shù)，利用火焰對基體進行預(yù)熱，基體表面溫度為180?250°C，煤油流量控制在20?25L/h，氧氣流量控制在800?850NLPM，載氣流量控制在5.0?8.0NLPM，打開粉末閥門重新設(shè)定機械臂參數(shù)，進行NiCr粘結(jié)層的噴涂。噴涂時間為10?30min，在基體上制得厚度為50?130 μπι的NiCr粘結(jié)層。
[0039]將制備有NiCr粘結(jié)層的試樣冷卻并用高壓氣槍吹凈，設(shè)定機械手臂參數(shù)，利用火焰對基體進行預(yù)熱，基體表面及粘結(jié)層平均溫度為200?250°C，煤油流量控制在23?27L/h，氧氣流量控制在820?860NLPM，載氣流量控制在6.0?8.5NLPM。打開粉末閥門重新設(shè)定機械臂參數(shù)，進行NiCr-Cr3C2工作層的噴涂。噴涂時間為30?50min，制得厚度為200?300 μ m的NiCr_Cr3C2工作層，然后進行機械拋光至粗糙度< 0.1 μ m，然后進行丙酮、無水乙醇超聲清洗備用。
[0040]實施例3
[0041]將市場購買的CrZrCu銅合金樣品(塊、棒)進行機械拋光至表面粗糙度^ 0.6 μ m，采用氧化鋁球進行噴丸粗化處理至表面粗糙度2?6 μ m，然后進行丙酮、無水乙醇超聲波清洗，然后放入酒精和丙酮中，先用超聲波清洗30分鐘，再用高壓氣槍將清洗后的樣品吹干并固定于超音速噴涂設(shè)備轉(zhuǎn)架上。設(shè)定機械手臂參數(shù)，利用火焰對基體進行預(yù)熱，基體表面溫度為200°C，煤油流量控制在23L/h，氧氣流量控制在825NLPM，載氣流量控制在7.0NLPM，打開粉末閥門重新設(shè)定機械臂參數(shù)，進行NiCr粘結(jié)層的噴涂。噴涂時間為20min，在基體上制得厚度為100 μπι的NiCr粘結(jié)層。
[0042]將制備有NiCr粘結(jié)層的試樣冷卻并用高壓氣槍吹凈，設(shè)定機械手臂參數(shù)，利用火焰對基體進行預(yù)熱，基體表面及粘結(jié)層平均溫度為225°C，煤油流量控制在25L/h，氧氣流量控制在840NLPM，載氣