CN101116900A - 一种在连续铸造结晶器表面制备强化涂层的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种在连续铸造结晶器表面制备强化涂层的方法，在对结晶器铜板或铜合金板表面进行预处理后，采用爆炸喷涂方法，将金属陶瓷粉末直接喷涂在结晶器铜板或铜合金板表面，形成表面强化涂层，所述的金属陶瓷粉末由合金与碳化物组成，优选为Ni－Cr合金与Cr3C2组成。本发明可以克服现有技术中存在的缺陷，既使得强化涂层与铜或铜合金基体间的结合性能较好，可以适用于结晶器的工作环境，又不需要制备中间过渡涂层，从而简化结晶器的制造和修复方法，降低了成本。本发明也可广泛适用于各种铜或铜合金表面的强化与修复。
Description
技术领域
本发明涉及对铜或铜合金基体表面制备强化涂层的方法，特别是对连续铸造结晶器铜板表面制备强化涂层的方法。
背景技术
连续铸钢是把高温钢水连续不断地浇铸成具有一定断面形状和一定尺寸规格铸坯的生产工艺过程。连续铸钢过程中，钢包中的熔融态钢水通过中间包连续注入结晶器并通过结晶器的一次冷却、辊子导向区域的二次喷淋冷却和/或随后的三次自然冷却，从而完成从液态钢水到钢毛坯的铸造凝固过程。结晶器需要将钢水带来的大量热量通过冷却水带走，并形成足够厚度结晶壳用以承载内部钢水的静压力。在工作过程中，结晶器内侧与1530～1570℃液态钢水接触，该温度已经超过结晶器材料本身的熔点，如果钢水直接接触结晶器表面就可能导致粘结漏钢，而过热也会导致表面纵裂纹的出现，因此在结晶器工作表面上需保持足够的保护液渣层。保护液渣连续渗漏到结晶壳与结晶器之间，起到润滑和降温作用。
从上面对整个连续铸钢过程的介绍，尤其是钢水通过结晶器阶段的描述可以看到结晶器作为连续铸钢机的核心部件，它的工况条件十分恶劣。在高温钢水与结晶器外侧高流量的冷却水同时作用下，导致结晶器上存在很大的温度梯度和热应力，可能导致变形和热裂纹；尽管有保护液渣和冷却水的隔热和降温作用，结晶器工作表面依然要承受近500℃的高温，那么氧化问题不可避免，同时冷却水和保护液渣还会造成化学腐蚀。另外，高温蒸汽引起的汽蚀；引锭、拉坯、结晶器振动产生的摩擦、磨损和调锥、调宽带来的划伤等。为了保障连铸的生产效率和铸坯质量，结晶器必须具备以下各项性能：a.具有良好的导热性；b.具有较高的高温强度；c.具有良好的抗变形能力；d.具有较高的表面精度；e.具有足够的硬度和耐磨性。
目前，结晶器通常采用添加了P、Ag或CrZr等的铜合金制造，提高其力学性能。但是铜合金材料在高温下受到钢液的侵蚀及凝固钢坯的摩擦，使得结晶器还是很容易损坏。为了提高结晶器表面性能，需要对结晶器工作表面进行强化处理。现在一般采用的技术方案是，在结晶器表面电镀铬，也有采用镍铁或镍钴等合金镀层对结晶器进行表面强化，但镀层在高温下硬度会下降较多，寿命仍不够理想。
某些金属或金属陶瓷具有很好的力学性能，可以作为结晶器表面强化材料，但是一般认为，如果采用传统热喷涂方法将金属或金属陶瓷直接喷涂在结晶器工作表面制备强化涂层，虽然可以明显提高结晶器表面的高温硬度，但强化涂层与铜或铜合金基体的结合性能较差，无法适应结晶器恶劣工况环境。因此，现有技术提供了一些方法来改善强化涂层与铜或铜合金基体间的结合性能，如：
中国专利03114437.3公开了一种通过制备中间过渡涂层来改善工作涂层与铜或铜合金基体间结合性能的方法。首先在经过预处理的基体表面喷涂金属陶瓷结合底层；再将工作涂层喷涂在结合底层上，工作涂层是镍基自溶合金涂层或含有镍基自溶合金的复合涂层。这样，在结合底层的作用下，工作涂层与基体的结合性能得以改善。
中国专利03114444.6公开了另一种通过制备中间过渡涂层来改善工作涂层与铜或铜合金基体间结合性能的方法。首先在经过预处理的基体表面喷涂过渡涂层，该过渡涂层的材料为铜基合金或以铜基合金为主的复合材料；再将工作涂层喷涂在过渡涂层上，工作涂层是含有镍基自溶合金的复合涂层；最后对涂层进行热处理，使过渡涂层发生熔化，将基体与工作涂层以冶金结合连接在一起。
通过制备中间过渡涂层方法，可以解决强化涂层与铜或铜合金基体间结合性能的问题，但是制备工艺流程较为复杂，需控制参数较多，成本也很高。
发明内容
本发明提供了一种在连续铸造结晶器表面制备强化涂层的方法，目的在于克服上述现有技术中存在的缺陷，既使得强化涂层与铜或铜合金基体间的结合性能较好，可以适用于结晶器的工作环境，又不需要制备中间过渡涂层，从而简化结晶器的制造和修复方法，降低了成本。本发明也可广泛适用于各种铜或铜合金表面的强化与修复。
为实现上述发明目的，本发明的技术方案是：
步骤一：对结晶器铜板或铜合金板表面进行预处理；
步骤二：根据结晶器表面实际服役温度约500℃，选择一种可用于爆炸喷涂的金属陶瓷粉末；
步骤三：采用爆炸喷涂方法，将金属陶瓷粉末直接喷涂在结晶器铜板或铜合金板表面，形成表面强化涂层。
所述的金属陶瓷粉末由合金与碳化物组成，优选Cr3C2占50-85％，Ni-Cr合金占15-50％，且Ni/Cr比为66.7/33.3-83.5/16.7。粉末粒度为10-105μm，最佳范围为20-70μm。
所述的爆炸喷涂方法采用氧气作为助燃气，燃气为乙炔或氢气，送粉气为氮气或氩气。助燃气的工作压力为0.25-0.5MPa，流量为0.8-1.35m3/h；燃气的工作压力为0.03-0.1MPa，流量为0.9-1.5m3/h；送粉气工作压力为0.12-0.16MPa；流量为0.22-0.45m3/h。从爆炸喷涂枪口至工件的表面距离为喷涂距离，其值为120-200mm，最佳范围为150-180mm。
表面强化涂层的厚度为100-700μm，最佳厚度为250-500μm。
由于爆炸喷涂利用直通管燃烧爆震或爆轰，所产生的冲击波具有更高的速度；另外，爆炸喷涂工作状态为间歇式，基体在喷涂过程中保持一个相对较低的温度，很好控制涂层与基体系统热应力的状态。基于这两方面的原因，使得强化涂层与基体的结合强度超过60MPa，可以适用于连续铸造结晶器的恶劣工作环境。如采用超音速喷涂方法，在铜或铜合金表面直接制备相同厚度的强化涂层，其结合强度一般在30MPa左右，本发明的结合性能提高了1倍。
在过渡族金属碳化物中，碳化铬的结构与其他碳化物的结构不同，其金属铬原子不成致密堆积排列，因而具有较低的熔点和密度，也容易为原子半径小的氧原子渗透和氧化。但由于Cr具有比C更强的对O2的亲和力，因而在升高温度时，能迅速使Cr氧化成Cr2O3薄膜，所生成的Cr2O3薄膜的体积远大于Cr原子，致密的Cr2O3薄膜紧密相连，形成一层十分致密且呈化学惰性的Cr2O3薄膜帘幕，从而使Cr3C2具有优异的耐高温氧化和耐蚀性能。Ni-Cr合金与Cr3C2陶瓷有着良好的润湿能力，从而使陶瓷颗粒与涂层的金属粘结相有足够的粘聚强度，由Ni-Cr合金作为粘结相，用Cr3C2陶瓷颗粒做强化硬质相，经过团聚、破碎或直接混合的Cr3C2-NiCr金属陶瓷具有稳定的抗高温磨损性能，其服役温度可超过550℃，亦可适用于连续铸造结晶器的工作环境。
本发明的有益效果在于：本发明可将选用的金属陶瓷直接喷涂于结晶器表面来制备强化涂层，既保证了结晶器的工作寿命，又简化了喷涂过程，大大减低了结晶器的制造或修复成本。
具体实施方式
根据本发明内容，给出以下两个实施例，对本发明做进一步的说明。
实施例1和2均包括以下步骤：
(1)爆炸喷涂结晶器铜板前使用工业酒精或丙酮或其它工业用化学试剂清除铜板表面的污渍后，用压缩空气吹拂至表面干燥；
(2)选用如发明内容所述金属陶瓷粉末在爆炸喷涂前进行去湿处理，提高粉末的流动性；
(3)爆炸喷涂金属陶瓷粉末至铜板工作表面而直接形成工作涂层，涂层厚度为250-500μm。
金属陶瓷粉末由Ni-Cr合金与Cr3C2组成，组分如下表：
| 工作涂层材料组分 | |||
| Cr3C2 | Ni | Cr | |
| 实施例1 | 60 | 32 | 8 |
| 实施例2 | 75 | 20 | 5 |
爆炸喷涂参数如下表：
| 氧气参数 | 燃气参数 | 送粉气参数 | 喷涂距离(mm) | ||||
| 压力(MPa) | 流量(m3/h) | 压力(MPa) | 流量(m3/h) | 压力(MPa) | 流量(m3/h) | ||
| 实施例1 | 0.25 | 1.0 | 0.1 | 1.2 | 0.12 | 0.25 | 170 |
| 实施例2 | 0.3 | 1.2 | 0.08 | 0.9 | 0.15 | 0.40 | 180 |
采用实施例1的方法制备的结晶器表面强化涂层，ASTM C633-79结合强度可以达到70MPa以上。采用实施例2的方法制备的结晶器表面强化涂层，ASTM C633-79结合强度可以达到60MPa以上。本发明提高了工作涂层与铜或铜合金基体间的结合性能，可以满足结晶器在苛刻工况条件下长时间工作的需要，延长了结晶器的工作寿命，又简化了喷涂过程，大大减低了结晶器的制造或修复成本。
Claims (8)
1.一种在连续铸造结晶器表面制备强化涂层的方法，其特征在于包括以下步骤：
步骤一：对结晶器铜板或铜合金板表面进行预处理；
步骤二：根据结晶器表面实际服役温度约500℃，选择一种可用于爆炸喷涂的金属陶瓷粉末；
步骤三：采用爆炸喷涂方法，将金属陶瓷粉末直接喷涂在结晶器铜板或铜合金板表面，形成表面强化涂层。
2.根据权利要求1所述的一种在连续铸造结晶器表面制备强化涂层的方法，其特征在于所述的金属陶瓷粉末由合金与碳化物组成。
3.根据权利要求2所述的一种在连续铸造结晶器表面制备强化涂层的方法，其特征在于所述的金属陶瓷粉末，合金为Ni-Cr合金，碳化物为Cr3C2，Cr3C2占50-85％，Ni-Cr合金占15-50％，且Ni/Cr比为66.7/33.3-83.5/16.7，上述化学成分组成按重量百分比计算。
4.根据权利要求1或2所述的一种在连续铸造结晶器表面制备强化涂层的方法，其特征在于所述的金属陶瓷粉末粒度为10-105μm，最佳范围为20-70μm。
5.根据权利要求1所述的一种在连续铸造结晶器表面制备强化涂层的方法，其特征在于所述的爆炸喷涂方法采用氧气作为助燃气，燃气为乙炔或氢气，送粉气为氮气或氩气。
6.根据权利要求5所述的一种在连续铸造结晶器表面制备强化涂层的方法，其特征在于所述的助燃气的工作压力为0.25-0.5MPa，流量为0.8-1.35m3/h；燃气的工作压力为0.03-0.1MPa，流量为0.9-1.5m3/h；送粉气工作压力为0.12-0.16MPa；流量为0.22-0.45m3/h。
7.根据权利要求5或6所述的一种在连续铸造结晶器表面制备强化涂层的方法，其特征在于从爆炸喷涂枪口至工件的表面距离为喷涂距离，其值为120-200mm，最佳范围为150-180mm。
8.根据权利要求1或2所述的一种在连续铸造结晶器表面制备强化涂层的方法，其特征在于所述的表面强化涂层的厚度为100-700μm，最佳厚度为250-500μm。
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| CN108070813A (zh) * | 2017-12-21 | 2018-05-25 | 安徽工业大学 | 结晶器铜板表面耐腐蚀Cr3C2-NiCr-铝硅复合硅氧烷复合涂层的制备方法 |
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