CN101532133B - 一种铜基结晶器表面激光熔敷方法 - Google Patents
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Abstract
一种铜基结晶器表面激光熔敷方法。其特征是依次包括如下步骤：①制备厚度为0.3～0.5mm的镍基过渡层；②采用混合模CO2激光束熔化过渡层；③采用超音速喷涂制备厚度为0.6～1.0mm的镍基或钴基合金工作层；④采用混合模CO2激光束熔化过渡层；⑤将激光熔敷层加工成光滑的表面。本发明的方法可在铜基材料上形成具有优良冶金结合的熔敷层。硬度与耐磨性实验结果表明：工作层硬度Hv350以上，比铜合金硬度提高了3倍以上；激光熔敷的镍基或钴基工作层磨损失重量为10mg左右，高温耐磨性比铜合金高5倍以上，起到了强化铜合金的效果。本发明的方法不仅适用于铜基结晶器的强化，也适用于各种铜基合金表面的强化。
Description
技术领域
本发明涉及一种表面激光熔敷方法，特别涉及一种在铜基结晶器表面的激光熔敷方法。
背景技术
铜基结晶器是连铸设备的“心脏”，其作用是将1300℃的钢水连续冷凝成钢坯，它由纯Cu、Cu-Ag、Cu-Cr或Cu-Cr-Zr等导热性好的合金制成。结晶器背面有通水冷却，因此其与钢水的接触温度一般在500℃左右。同时，已经凝固的钢坯对结晶器表面有一定的摩擦作用，使结晶器铜板容易被腐蚀、氧化和磨损，造成表面破坏，影响铸钢生产的连续性，严重时甚至引起漏钢事故。铜基结晶器在冶金行业是第二大耗材，中国每年消耗20亿元以上。
铜合金导热系数为386W/m*K，具有良好的导热性，是结晶器的首选材料，但强度、硬度低，因而导致铜基结晶器寿命低，制约了冶金工业的进步。钢铁生产中常采用电镀和热喷涂等表面技术对铜基结晶器进行表面强化，以增加结晶器的使用寿命。
中国专利号02131319.9公开了在方坯结晶器的内表面采用热喷涂耐热和耐磨的金属和陶瓷材料，增加了结晶器的耐磨性，提高了连铸坯的质量和性能。
中国专利号200510101301.4公开了采用超音速火焰喷涂方法，在喷涂的镍基材料中添加氧化铝粉末，将超音速火焰喷涂的结合强度提高到70MPa以上，并解决了喷涂粘喷嘴的问题，增加了工艺的可靠性。
200810140407.9的中国专利申请采用超音速火焰喷涂方法喷涂镍基合金涂层后，800～950℃下保温0.5～3小时，进行熔融扩散真空热处理，然后用氮气、氩气或氦气冷却降温；最后将冷却后的结晶器铜板在400～500℃下进行1～3小时的时效处理，使仅为机械结合的热喷涂涂层产生扩散，形成冶金结合，提高结合强度。
以上方法全部采用热喷涂技术。由于热喷涂技术制备的涂层与基体为机械结合，结合力低，一般只有30～50MPa，因此热喷涂技术的研究工作主要集中在如何提高涂层与铜基体的结合强度。虽然已有研究可通过粉末和工艺的调整，将结合强度增加到70MPa以上，但仍然太低，不能满足结晶器的要求。若采用真空热处理工艺可使涂层与基体形成冶金结合，但是不仅由于结晶器尺寸变化大，需要大的真空室，而且由于需要800～950℃的高温和长时间处理，容易使工件变形，需要后续校形加工，工艺复杂。
200610047995.2的中国专利申请公开了一种激光熔敷制备耐磨抗热涂层的方法，该法采用含有20％Cu的镍基粉末作为打底材料，先做等离子喷涂，经过激光重熔，获得韧性的过渡层后，再用激光快速熔敷制备钴基耐磨抗热涂层。为防止熔敷时产生裂纹，在激光熔敷之前，先在400～500℃下预热，之后，在250～350℃下进行5～7小时的去应力退火。
200710051962.X的中国专利申请公开的方法是在铜金属表面放置粉末、薄片或细丝后，采用高峰值功率的脉冲激光束照射，使其与铜金属表面形成冶金结合熔敷，重复激光处理过程，即得到所需厚度的熔敷层。
上述采用激光重熔过渡层的方法可以有效地解决铜基体对激光束吸收率低的难题。在过渡层中添加Cu成分，虽然能够增加与铜基体的互溶性，但会减少过渡层对激光束的吸收，容易造成熔化不良和铜基材料被氧化的缺陷。此外，在激光处理过程中采取预热方式，会导致铜基体的氧化，影响铜基体与熔敷层的结合。
发明内容
本发明的目的是克服现有热喷涂技术和激光熔敷技术的缺陷，使得在铜基材料上形成具有优良冶金结合的熔敷层。
为实现本发明的目的所采取的技术方案依次包括如下步骤：
①结晶器铜板除油、活化或粗化后，采用电刷镀、超音速火焰喷涂或电镀法制备厚度为0.3～0.5mm的镍基过渡层；
②采用混合模CO2激光束，激光波长为10.6μm，功率为4000～10000W；焦距为300mm的反射聚焦镜，将激光束聚集成3～6mm的光斑，控制扫描速度为1000～3000mm/min，扫描方式为搭接扫描，搭接率10～50％，扫描过程中，控制表面温度低于300℃，使过渡层熔化；
③粗化过渡层后，采用超音速喷涂制备厚度为0.6～1.0mm的镍基或钴基合金工作层；
④采用混合模CO2激光束，激光波长为10.6μm，功率为4000～10000W；焦距为300mm的反射聚焦镜，将激光束聚集成3～6mm的光斑，控制激光束的扫描速度为1000～3000mm/min，扫描方式为搭接扫描，搭接率10～50％，扫描过程中，控制表面温度低于300℃，使工作层熔化；
⑤将激光熔敷层加工成光滑的表面。
所述的过渡层为能够与铜无限固溶的镍基合金，镍基合金中的Ni含量为96～100％，C含量小于0.1％，Cr、Si、B总含量0～3.9％，其中以纯镍为最好。
所述的工作层中镍基合金的成份为：C含量0.1～0.3％，Cr、Si、B、W、Co、Mo、总含量4～6％，Fe含量0.9～3.7％，镍余量；钴基合金的成份为：C含量0.1～0.3％，Cr、Si、B、W总含量4～6％，Fe含量0.9～3.7％，钴余量。
在激光扫描过程中，非但不能采用保温措施，还必须采用加强冷却的措施，防止铜基体的氧化，产生过热和变形。因为激光束具有加热速度和冷却速度快的特点，激光扫描过程容易出现裂纹等缺陷，因此必须优化熔敷粉末，提高涂层和基体的相容性，实现涂层与铜基体的无缺陷冶金结合，防止裂纹的产生。
本发明的图1、2、3的金相检测表明：在铜合金-Ni基过渡层、Ni基过渡层-Ni基或Co基工作层界面上都形成冶金结合，其组织为激光重熔后的细小柱状枝晶组织。激光熔敷层扫描电镜成分分析结果表明：过渡层成分Cu含量20％左右，其余为Ni；工作层成分仍为镍基或钴基原始成分。硬度与耐磨性实验结果表明：工作层硬度Hv350以上，比铜合金硬度提高了3倍以上。在300℃下采用45#钢作为摩擦副，铜合金磨损失重量为80mg，激光熔敷的镍基或钴基工作层磨损失重量为10mg左右，证明该激光熔敷层高温耐磨性比铜合金高5倍以上，起到了强化铜合金的效果。本发明的方法不仅适用于铜基结晶器的强化，也适用于各种铜基合金表面的强化。
附图说明
图1为实施例1的激光熔敷表面的金相图；
图2为实施例2的激光熔敷表面的金相图；
图3为实施例3的激光熔敷表面的金相图。
具体实施方式
为详细说明本发明的技术方案，用以下实施例做详细说明。
实施例1
①将结晶器铜板用丙酮擦拭除油后，用TGY-1电净液除油和THY-2活化液活化，再刷TDY-102纯镍镀层，电压为10V。每次刷镀厚度0.05mm，6次刷镀后过渡层厚度为0.30mm；
②调整CO2激光束功率为4000W，将激光束聚集成3mm的光斑，控制光束的扫描速度为1000mm/min，对过渡层进行搭接扫描，搭接率10％，扫描过程中结晶器铜板背面采用强制水冷却，控制表面温度低于300℃；
③将过渡层喷砂粗化，进行超音速火焰喷涂，喷涂镍基合金，镍基合金中的Ni含量为96％，C含量0.1％，Cr、Si、B总含量3.9％，喷涂厚度为0.5mm；
④重复步骤②，激光熔敷工作层；
⑤用数控铣床将镍基合金工作层加工成光滑表面。
实施例2
①将结晶器铜板用丙酮除油后，喷砂粗化，粗糙度控制在Ra2～4μm，进行超音速火焰喷涂，喷涂材料为镍基合金粉，成分：C含量0.05％，Cr、Si、B总含量3.5％，Ni含量为96.45％，粒度范围+5～-25μm，喷涂厚度为0.4mm；
②调整CO2激光束功率为8000W，将激光束聚集成5mm的光斑，光束扫描速度为2000mm/min，搭接率30％，扫描过程中结晶器铜板背面采用强制水冷却，控制工件表面温度低于300℃；
③重复步骤①进行超音速喷涂镍基合金粉，粒度范围+5～-25μm，镍基粉合金中的Ni含量为96％，C含量0.1％，Cr、Si、B总含量3.9％，喷涂厚度为0.80mm；
④调整CO2激光束功率为7000W，将激光束聚集成5mm的光斑，光束扫描速度为2000mm/min，搭接率30％，扫描过程中结晶器铜板背面采用强制水冷却，控制工件表面温度低于300℃；
⑤采用平面磨床将激光熔敷镍基合金加工成光滑。
实施例3
①将结晶器铜板用丙酮擦拭除油后，放入镍盐溶液的镀槽中，镍盐溶液为硫酸镍100g/L、硫酸镁21g/L、硼酸14g/L、氯化钠4g/L，电压8V，电流密度2A/dm2，过渡层厚度为0.50mm；
②调整CO2激光束功率为10000W，将激光束聚集成6mm的光斑，激光束的扫描速度3000mm/min，搭接率控制在50％，扫描过程中结晶器铜板背面采用强制水冷却，控制工件表面温度低于300℃；
③将熔敷后的过渡层用丙酮除油后，喷砂粗化，粗糙度控制在Ra2～4μm，进行超音速火焰喷涂，喷涂材料为钴基合金粉末，钴基合金的成份为：C含量0.1％，Cr、Si、B、W总含量5％，Fe含量1％，钴余量；粒度范围+5～-25μm，喷涂厚度为1.0mm；
④重复步骤②，对工作层进行激光熔敷；
⑤采用数控铣床将激光熔敷的钴基合金加工成光滑的表面。
实施例1、2、3及其铜、银铜的硬度和磨损失重量测试结果见表1。
表1实施例及其铜、银铜的测试结果
注：耐磨性条件：T＝300℃；载荷200N；速度6m/min；时间15min；摩擦副为45#钢，硬度205Hv0.1，15S。
Claims (2)
1.一种铜基结晶器表面激光熔敷方法，其特征是依次包括如下步骤：
①结晶器铜板除油、活化或粗化后，采用超音速火焰喷涂或电镀法制备厚度为0.3～0.5mm的镍基过渡层；
②采用混合模CO2激光束，激光波长为10.6μm，功率为4000～10000W；焦距为300mm的反射聚焦镜，将激光束聚集成3～6mm的光斑，控制扫描速度为1000～3000mm/min，扫描方式为搭接扫描，搭接率10～50％，扫描过程中，控制表面温度低于300℃，使过渡层熔化；
③粗化过渡层后，采用超音速喷涂制备厚度为0.6～1.0mm的镍基或钴基合金工作层；
④采用混合模CO2激光束，激光波长为10.6μm，功率为4000～10000W；焦距为300mm的反射聚焦镜，将激光束聚集成3～6mm的光斑，控制激光束的扫描速度为1000～3000mm/min，扫描方式为搭接扫描，搭接率10～50％，扫描过程中，控制表面温度低于300℃，使工作层熔化；
⑤将激光熔敷层加工成光滑的表面。
2.根据权利要求1所述的铜基结晶器表面激光熔敷方法，其特征是所述电镀法是电刷镀。
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