CN102189370A - 结晶器铜板的冷喷涂修复方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种结晶器铜板的冷喷涂修复方法，该方法主要利用超音速硬质微粒在待修复铜板表面制备出具有自然流线型凹坑的毛化形貌，从而在保证表面满足冷喷涂修复要求的前提下，大大增加了结晶器待修复面的表面积；然后利用冷气动力喷涂技术填满上述毛化坑，形成多个结合面积增大的强化点，同时改善界面处的应力分布；最后对铜板表面进行整体喷涂修复，并进行退火和尺寸复原。采用该方法能够增大喷涂修复层与铜板表面的结合面积和结合强度，并提高了铜板修复层的热传导速率和抗交变热应力能力，从而延长了铜板的使用周期。

Description

结晶器铜板的冷喷涂修复方法

技术领域

本发明涉及结晶器修复技术，更具体地说，涉及一种结晶器铜板的冷喷涂修复方法。

背景技术

结晶器是金属连铸连轧机械设备，特别是金属板坯及金属薄带、薄板连铸设备中的关键部件之一。其主要作用是将融熔金属快速冷却、凝固成具有一定凝固厚度的板带坯，其中，与融熔金属相接触的铜板大都采用铜合金材料制造。结晶器的工作要求是在很短的时间内将高温液态金属凝固，同时自身要承受融熔金属的侵蚀和板带坯的磨损。在此过程中，结晶器铜板一面与融熔金属接触，另一面为水冷面，而铜合金材料的软化点在600℃左右，并且硬度相对较低，在生产中出现异常情况时，容易发生局部软化、变形、裂纹甚至损坏，进而会影响板型及表面质量。为此，经常需要对该铜板进行修复。另外，该铜板在正常使用过程中也会发生磨损或变形，当磨损达到一定程度不能满足使用要求时，也需要对其进行修复。

申请号为200410084779.6的中国专利公开了一种结晶器铜板修复方法，该方法采用气动力喷涂的方式，用高压压缩气体驱动微小金属颗粒，以足够高的速度直接撞击在铜板需要修复的表面上，使得微小颗粒发生足够的塑性变形而粘结在铜板的表面上，填充裂缝或磨损凹槽，形成新的表面。但是在实际使用过程中发现，采用直接撞击喷涂的方式，颗粒涂层与铜板表面的结合面积较小，结合强度较低，在修复层制备或后处理过程中很容易在界面出产生宏观开裂；冷热疲劳是一种衡量结晶器材料抗热振性能的常用方法，而采用上述方法所得的修复层界面的抗热变形性较差，涂层在受力或受热时容易脱落，25℃～400℃冷热疲劳次数一般不超过400次即出现宏观裂纹，从而影响了结晶器的修复效果及性能。

发明内容

针对现有技术中存在的上述缺点，本发明的目的是提供一种结晶器铜板的冷喷涂修复方法，修复方法能够增大修复涂层与结晶器铜板的结合面积以及结合力，从而提高铜板的修复效果及性能。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

该结晶器铜板的冷喷涂修复方法的具体步骤如下：

A.对结晶器铜板表面的磨损层进行平整以及喷砂毛化处理；

B.以高压气体为驱动介质并通过拉瓦尔喷嘴加速，将硬质颗粒冲蚀在铜板表面，并逐一形成分部在铜板表面的流线型圆凹坑；

C.以高压气体为驱动介质并通过拉瓦尔喷嘴加速，将与铜板材料相同的铜合金微粒逐一喷射各个凹坑内表面，使铜合金微粒在凹坑内表面发生塑性变形而形成粘接；

D.采用步骤C中的喷嘴及铜合金微粒对整个铜板表面进行整体连续喷涂；

E.对铜板表面的修复涂层进行退火处理；

F.按实际使用尺寸要求对铜板表面涂层进行机械加工，恢复其原有形状。

在步骤A中，采用铣削或磨削的方式进行平整；采用喷砂毛化后的铜板表面粗糙度围为Ra1.5～Ra3.5。

在步骤B中，所述的硬质颗粒通过喷嘴加速到600m/s以上，喷嘴的移动通过六轴工业机械手加持并点动实现，单点停留时间为20～40s，喷嘴的喷射方向与铜板的法向夹角小于15°；所述的凹坑在铜板表面均匀分布或随机分布，凹坑外圆直径范围为φ8～10mm；两相邻凹坑的中心距为凹坑外圆直径的两倍以上，凹坑中心深度范围为0.5～1.2mm，凹坑内壁粗糙度范围为Ra0.8～Ra2.0μm。

在步骤B中，所述的硬质微粒的材料选用氧化铝、氧化钛、氧化锆、氧化钇、二氧化硅、氮化硼、氮化硅、碳化硅、碳化钨、金刚石中的一种或两种以上的混合物；硬质颗粒的平均粒径范围为20～40μm。

在步骤C中，所述的铜合金微粒通过喷嘴加速到400～1200m/s，喷涂方向与铜板表面垂直，喷涂束斑中心与凹坑中心重合，喷涂后的凹坑中心涂层厚度范围为凹坑中心深度的0.8～1.2倍。

在步骤C中，所述的铜合金微粒形状为球形、椭球形，铜合金平均粒径范围为15～40μm；铜合金微粒的沉积速度范围为400～900m/s。

在步骤D中，所述的喷嘴通过机械手夹持，并以200～1000mm/s的移动速度和为喷嘴喷射束斑直径一半的间隙步长，连续实现铜板表面的整体喷涂。

在步骤E中，所述的退火温度的范围为750～950℃，保温时间为1.5～3小时，并在整个退火过程中采取氮气保护。

在步骤F中，根据铜板的实际使用尺寸要求，对退火后铜板的涂层表面进行铣削、刨削或磨削加工，实现铜板的尺寸复原。

在上述技术方案中，本发明的结晶器铜板的冷喷涂修复方法主要利用超音速硬质微粒在待修复铜板表面制备出具有自然流线型凹坑的毛化形貌，从而在保证表面满足冷喷涂修复要求的前提下，大大增加了结晶器待修复面的表面积；然后利用冷气动力喷涂技术填满上述毛化坑，形成多个结合面积增大的强化点，同时改善界面处的应力分布；最后对铜板表面进行整体喷涂修复，并进行退火和尺寸复原。采用该方法能够增大喷涂修复层与铜板表面的结合面积和结合强度，并提高了铜板修复层的热传导速率和抗交变热应力能力，从而延长了铜板的使用周期。

附图说明

图1是本发明的结晶器铜板的冷喷涂修复方法的流程图；

图2是用于本发明方法的喷涂装置的结构图；

图3是采用本发明方法在铜板表面填坑形成增强点的剖视图；

图4是采用本发明方法完成修复后的铜板表面剖视图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例进一步说明本发明的技术方案。

请参阅图1所示，本发明的结晶器铜板的冷喷涂修复方法的具体步骤如下：

步骤A，采用铣削或磨削方法获得平整的结晶器铜板表面，然后对整个结晶器铜板表面进行喷砂毛化，毛化后结晶器铜板表面粗糙度为Ra1.0～Ra3.5之间，最佳粗糙度范围为Ra1.5～Ra2.5。

步骤B，采用图2所示的喷涂装置10在铜板表面制备凹坑：利用高压气体驱动硬质颗粒，通过拉瓦尔喷嘴3加速至600m/s以上，使得具有极高速度的硬质颗粒冲蚀结晶器铜板1表面，在铜板1表面逐一形成流线型的圆凹坑2(见图3)；

在步骤B中，采用的驱动介质为高压气体，不涉及液态流体；喷嘴3的超音速硬质颗粒的喷射方向与铜板1表面的法向夹角设置为小于15°；

在步骤B中，硬质颗粒材料可以采用氧化铝、氧化钛、氧化锆、氧化钇、二氧化硅、氮化硼、氮化硅、碳化硅、碳化钨或金刚石，还可以采用上述两种或多种材料的混合物；

在步骤B中，硬质颗粒的形状可以是球形，也可以是其它不规则形状；硬质颗粒平均粒径范围为10～100μm，最佳粒径范围为20～40μm；

在步骤B中，喷嘴3的移动通过六轴工业机械手加持并点动实现，单点停留时间为1～60s，最佳停留时间20～40s；

在步骤B中，所得到的凹坑2外圆直径范围为4～12mm，最佳范围为8～10mm；两相邻凹坑2中心距为凹坑2外圆直径的两倍以上；

在步骤B中，所得到的凹坑2可均匀分布在结晶器铜板1表面，也可以根据需要随机分布；每个凹坑2的内壁粗糙度范围为Ra0.8～Ra2.0μm；凹坑2的中心深度范围为0.1～2mm，最佳范围为0.5-1.2mm。

步骤C，利用与待修复铜板材料相同的铜合金微粒替换步骤B中的硬质颗粒，采用相同的驱动介质，通过拉瓦尔喷嘴3加速至400～1200m/s，并逐一喷射在各个凹坑2的内表面，铜合金微粒经过强烈塑性变形，在凹坑2内表面形成粘接，从而形成能够增强后续修复结合面积以及结合强度的增强点4；

在步骤C中，喷嘴3的喷涂方向与铜板1表面相垂直，喷涂束斑中心与凹坑2中心重合；

在步骤C中，铜合金微粒的形状可以是球形，也可以是椭球形，平均粒径范围为5～80μm，最佳粒径范围为15～40μm；

在步骤C中，铜合金微粒的沉积速度范围为200～1200m/s，最佳范围为400～900m/s；

在步骤C中，喷涂后的凹坑中心涂层(即增强点4)的厚度范围为(0.5～1.5)h_k，最佳厚度范围(0.8～1.2)h_k，其中h_k为凹坑的中心深度。

步骤D，采用机械手以一定的直线运行速度和间隙步长，连续带动喷嘴3对整个结晶器铜板1表面进行垂直喷涂修复，形成铜板1表面修复层5(见图4)，其中，采用与步骤C中相同的喷嘴以及喷涂材料(即铜合金颗粒)，喷嘴3移动速度范围为50～1500mm/s，最佳移动速度范围为200～1000mm/s，而移动步长为喷嘴喷射束斑直径的1/2。

步骤E，对结晶器铜板1的修复层5进行退火处理，退火的温度范围为600～1200℃，最佳温度范围为750～950℃；保温时间为1～3小时，最佳时间为1.5～2小时；另外，在整个退火过程中需要采用氮气保护。

步骤F，进行结晶器铜板1的尺寸复原，即根据铜板1的实际使用尺寸要求，对退火后铜板的涂层表面进行铣削、刨削或磨削加工，实现铜板的尺寸复原。

采用本发明的修复方法，能够提高铜板表面与冷喷涂修复层之间的结合面积，使得其结合强度提高15％以上，铜板修复层的热传导速率较传统冷喷涂层提高10％以上，抗交变热应力能力也大幅提高，25℃～400℃的冷热疲劳次数可达到500次以上。

下面对本发明的方法进行具体举例说明：

实施例1

先对结晶器铜板表面铣削清除油污，然后进行表面喷砂处理，粗糙度为Ra1.8；增强凹坑制备所用驱动气体为氮气，硬质微粒为氧化铝，呈球形，平均粒径为23μm，喷射方向与结晶器铜板表面法线方向夹角为0°，硬质微粒速度为600m/s，喷嘴单点停留时间30s，凹坑外圆直径φ8mm，凹坑中心深度为1mm，增强凹坑在结晶器表面均匀分布，两相邻凹坑间距为24mm，所得凹坑内表面粗糙度Ra1.2μm；增强点修复所用铜合金微粒为球形，平均粒径为38μm，铜合金微粒喷涂方向与结晶器铜板表面垂直，喷涂束斑中心点与凹坑中心点重合，铜合金微粒速度为650m/s，增强点中心涂层厚度为1.1mm；整体结晶器表面冷喷涂修复层一次完成，机械手携带喷嘴移动速度为700m/s，移动步长为4mm；修复层退火温度为800℃，保温时间为2小时，氮气保护；退火后对表面修复层铣、磨配合加工恢复结晶器使用尺寸。获得的修复层的结合强度提高18％，热传导速率提高12％，25℃～400℃冷热疲劳次数可达到680次。

实施例2

先对结晶器铜板表面进行磨削，获得平整表面，然后进行表面喷砂处理，粗糙度为Ra2.3；增强凹坑制备所用驱动气体为氩气，硬质微粒为氧化钇，呈椭球形，平均粒径为28μm，喷射方向与结晶器铜板表面法线方向夹角为5°，硬质微粒速度为800m/s，喷嘴单点停留时间20s，凹坑外圆直径φ10mm，凹坑中心深度为0.9mm，增强凹坑在距结晶器四个边部100mm范围内均匀分布，两相邻凹坑间距为30mm，所得凹坑内表面粗糙度Ra1.2μm，中间无增强凹坑；增强点修复所用铜合金微粒为球形，平均粒径为22μm，铜合金微粒喷涂方向与结晶器铜板表面垂直，喷涂束斑中心点与凹坑中心点重合，铜合金微粒速度为700m/s，增强点中心涂层厚度为1.0mm；整体结晶器表面冷喷涂修复层一次完成，机械手携带喷嘴移动速度为400m/s，移动步长为5mm；修复层退火温度为850℃，保温时间为2小时，氮气保护；退火后对表面修复层铣、磨配合加工恢复结晶器使用尺寸。获得的修复层的结合强度提高15％，热传导速率提高10％，25℃～400℃冷热疲劳次数可达到620次。

实施例3

先对结晶器铜板表面进行磨削，获得平整表面，然后进行表面喷砂处理，粗糙度为Ra3.3；增强凹坑制备所用驱动气体为氩气，硬质微粒为氧化钇，呈不规则形状，平均粒径为64μm，喷射方向与结晶器铜板表面法线方向夹角为10°，硬质微粒速度为550m/s，喷嘴单点停留时间43s，凹坑外圆直径φ12mm，凹坑中心深度为0.8mm，增强凹坑在结晶器表面均匀分布，两相邻凹坑间距28mm，所得凹坑内表面粗糙度Ra1.6μm；增强点修复所用铜合金微粒为球形，平均粒径为18μm，铜合金微粒喷涂方向与结晶器铜板表面垂直，喷涂束斑中心点与凹坑中心点重合，铜合金微粒速度为680m/s，增强点中心涂层厚度为1.0mm；整体结晶器表面冷喷涂修复层一次完成，机械手携带喷嘴移动速度为200m/s，移动步长为3mm；修复层退火温度为900℃，保温时间为1.5小时，氮气保护；退火后对表面修复层铣、磨配合加工恢复结晶器使用尺寸。获得的修复层的结合强度提高20％，热传导速率提高18％，25℃～400℃冷热疲劳次数可达到830次。

实施例4

先对结晶器铜板表面进行磨削，获得平整表面，然后进行表面喷砂处理，粗糙度为Ra3.0；增强凹坑制备所用驱动气体为氦气，硬质微粒为氧化钇，呈不规则形状，平均粒径为85μm，喷射方向与结晶器铜板表面法线方向夹角为0°，硬质微粒速度为660m/s，喷嘴单点停留时间55s，凹坑外圆直径φ12mm，凹坑中心深度为1.7mm，增强凹坑在结晶器表面随机分布，两相邻凹坑间距大于50mm，所得凹坑内表面粗糙度Ra1.8μm；增强点修复所用铜合金微粒为球形，平均粒径为75μm，铜合金微粒喷涂方向与结晶器铜板表面垂直，喷涂束斑中心点与凹坑中心点重合，铜合金微粒速度为720m/s，增强点中心涂层厚度为2.0mm；整体结晶器表面冷喷涂修复层一次完成，机械手携带喷嘴移动速度为1300m/s，移动步长为6mm；修复层退火温度为880℃，保温时间为1.5小时，氮气保护；退火后对表面修复层铣、磨配合加工恢复结晶器使用尺寸。上述工艺制备的修复层的结合强度提高22％，热传导速率提高16％，25℃～400℃冷热疲劳次数可达到770次。

本技术领域中的普通技术人员应当认识到，以上的实施例仅是用来说明本发明，而并非用作为对本发明的限定，只要在本发明的实质精神范围内，对以上所述实施例的变化、变型都将落在本发明的权利要求书范围内。

Claims (9)

1.一种结晶器铜板的冷喷涂修复方法，其特征在于，

该修复方法的具体步骤如下：

A.对结晶器铜板表面的磨损层进行平整以及喷砂毛化处理；

B.以高压气体为驱动介质并通过拉瓦尔喷嘴加速，将硬质颗粒冲蚀在铜板表面，并逐一形成分部在铜板表面的流线型圆凹坑；

C.以高压气体为驱动介质并通过拉瓦尔喷嘴加速，将与铜板材料相同的铜合金微粒逐一喷射各个凹坑内表面，使铜合金微粒在凹坑内表面发生塑性变形而形成粘接；

D.采用步骤C中的喷嘴及铜合金微粒对整个铜板表面进行整体连续喷涂；

E.对铜板表面的修复涂层进行退火处理；

F.按实际使用尺寸要求对铜板表面涂层进行机械加工，恢复其原有形状。

2.如权利要求1所述的结晶器铜板的冷喷涂修复方法，其特征在于，

在步骤A中，采用铣削或磨削的方式进行平整；采用喷砂毛化后的铜板表面粗糙度围为Ra1.5～Ra3.5。

3.如权利要求1所述的结晶器铜板的冷喷涂修复方法，其特征在于，

在步骤B中，所述的硬质颗粒通过喷嘴加速到600m/s以上，喷嘴的移动通过六轴工业机械手加持并点动实现，单点停留时间为20～40s，喷嘴的喷射方向与铜板的法向夹角小于15°；所述的凹坑在铜板表面均匀分布或随机分布，凹坑外圆直径范围为8～10mm；两相邻凹坑的中心距为凹坑外圆直径的两倍以上，凹坑中心深度范围为0.5～1.2mm，凹坑内壁粗糙度范围为Ra0.8～Ra2.0μm。

4.如权利要求1或3所述的结晶器铜板的冷喷涂修复方法，其特征在于，

在步骤B中，所述的硬质微粒的材料选用氧化铝、氧化钛、氧化锆、氧化钇、二氧化硅、氮化硼、氮化硅、碳化硅、碳化钨、金刚石中的一种或两种以上的混合物；硬质颗粒的平均粒径范围为20～40μm。

5.如权利要求1所述的结晶器铜板的冷喷涂修复方法，其特征在于：

在步骤C中，所述的铜合金微粒通过喷嘴加速到400～1200m/s，喷涂方向与铜板表面垂直，喷涂束斑中心与凹坑中心重合，喷涂后的凹坑中心涂层厚度范围为凹坑中心深度的0.8～1.2倍。

6.如权利要求1或5所述的结晶器铜板的冷喷涂修复方法，其特征在于：

在步骤C中，所述的铜合金微粒形状为球形、椭球形，铜合金平均粒径范围为15～40μm；铜合金微粒的沉积速度范围为400～900m/s。

7.如权利要求1所述的结晶器铜板的冷喷涂修复方法，其特征在于：

在步骤D中，所述的喷嘴通过机械手夹持，并以200～1000mm/s的移动速度和为喷嘴喷射束斑直径一半的间隙步长，连续实现铜板表面的整体喷涂。

8.如权利要求1所述的结晶器铜板的冷喷涂修复方法，其特征在于：

在步骤E中，所述的退火温度的范围为750～950℃，保温时间为1.5～3小时，并在整个退火过程中采取氮气保护。

9.如权利要求1所述的结晶器铜板的冷喷涂修复方法，其特征在于：

在步骤F中，根据铜板的实际使用尺寸要求，对退火后铜板的涂层表面进行铣削、刨削或磨削加工，实现铜板的尺寸复原。

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