CN102864453B - 激光熔覆原位合成硼化物陶瓷涂层及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种连铸结晶器表面激光熔覆原位合成的硼化物陶瓷涂层及其制备方法，该涂层是按照以下步骤制备的，首先对基体进行预处理，然后采用预置粉末或同步送粉激光熔覆的方式，将供硼剂、催渗剂和填料粉末采用球磨机进行充分混合并干燥后做为熔覆材料，在氩气保护下，调节激光熔覆工艺参数，使熔覆材料与连铸结晶器基体表面原位反应形成所述的硼化物陶瓷涂层，该涂层组织致密、无气孔和裂纹且与基体呈冶金结合，涂层显微硬度值在HV700左右，可提高连铸结晶器寿命1~2倍以上，实现了对现有高能耗、高污染、高成本的复合电镀、热喷涂等连铸结晶器表面强化工艺的取代，具有显著的经济和社会效益。
Description
技术领域
本发明涉及激光熔覆技术，具体涉及一种激光熔覆原位合成硼化物陶瓷涂层及其制备方法。
背景技术
在炼钢生产中，连铸具有高效、节能的特点，到2004年我国的连铸比已达到了96%。连铸结晶器是连铸机的心脏，其技术性能将直接影响到铸坯的表面质量、连铸机拉速、连铸作业率等指标。高效连铸技术的发展对连铸结晶器质量提出了更高的要求，是否具有高导热性和高抗变形能力、高强度和高表面精度、高硬度和高耐磨性、高耐腐蚀性和低吨钢成本以及足够长的工作寿命成为衡量连铸结晶器质量好坏的重要指标。连铸结晶器的表面是影响其性能的关键，在高温钢水与冷却水的共同作用下，连铸结晶器铜板承受着高温氧化、冷热疲劳而产生的热裂纹，温度梯度过大而产生的变形，冷却水与保护渣引起的化学腐蚀以及高温蒸汽引起的气蚀、引锭、拉坯，振动产生的摩擦、磨损和调锥度，在线调宽带来的划伤等。因此，改善连铸结晶器表面性能对提高其寿命、降低产品成本具有重要的意义。
目前国内外应用最多的是在连铸结晶器表面电镀或热喷涂制备Cr、Ni、Ni-Co、Ni-Cr、Ni-Fe等涂（镀）层，以提高连铸结晶器铜合金的耐磨性和耐蚀性。由于这两种方法制备的涂层与基体是机械结合，而不是冶金结合，在连铸结晶器使用过程中常会由于热疲劳，涂层易于发生剥落起皮，引起连铸结晶器的报废和连铸停产；涂层存在着疏松、气孔、夹杂等缺陷，显著影响涂层性能和使用寿命。而且，由于电镀工艺复杂，产生大量的化学废液，是典型的高能耗、高污染工艺，因此电镀工业当前属于国家严格控制发展的产业；热喷涂技术工作过程中会引入大量的热，使涂层材料极易氧化，造成组织改变，并会在连铸结晶器本体产生很大的热应力和热变形。
近年来，出现了大功率CO2激光器在结晶器铜板表面进行激光熔覆工艺的研究，激光熔覆是一种新的表面改性技术，通过在基体工作表面添加熔覆材料并利用高功率密度的激光束使之与基体工作表面薄层一起熔凝的方法，在基体工作表面形成与其为冶金结合且无气孔、裂纹等缺陷的高性能表面涂层。该技术可以将高熔点的合金材料或陶瓷材料熔覆在低熔点的基体工作表面，以较低的成本在基体上制备出高性能的表面涂层，与电镀、热喷涂等涂层相比，具有结合强度高、熔层组织细密均匀的特点，而且激光熔覆的快速熔凝过程还可以获得微米或纳米晶结构涂层，除此之外激光熔覆工件前处理工艺简单，且熔覆不需要在真空环境下进行，工件尺寸基本不受限制，是一种比较理想的表面改性技术。
此外，与常规渗硼相比，激光熔覆原位反应形成的硼化物陶瓷涂层工艺具有能量密度高、加热时间短、工件变形小等优点,尤其是适于进行局部渗硼处理,这是常规渗硼工艺所无法比拟的。激光熔覆反应形成硼化物陶瓷涂层在工艺上具有操作方便,易于实现自动化、无公害、可节省能源等优点；在性能方面硼化物涂层具有高硬度、高耐磨性和高抗腐蚀能力。此外，激光熔覆原位反应形成硼化物陶瓷涂层是一种功能梯度涂层，解决了常规激光熔覆制备耐磨耐蚀涂层工艺所存在的由于涂层材料与金属基体之间的热膨胀系数等物理性能差别很大，使涂层与金属基体之间的匹配性不好，沉积层易产生裂纹等缺陷，严重影响沉积层质量的技术难题。鉴于以上背景知识，电火花沉积原位反应形成硼化物陶瓷涂层工艺在材料表面强化工程中具有广泛的应用前景。
然而，目前的涂层仅由一些常规的激光熔覆粉末组成，在结晶器表面大面积熔覆时仍然存在裂纹、气孔等缺陷，或存在合金涂层与基体熔覆性能差、熔覆工艺不稳定等问题；应用时有涂层耐磨性差、易剥落等具体性能表现。因此，找到合适的激光熔覆粉末与工艺，提高连铸结晶器的表面强化问题，具有重要的意义。
发明内容
本发明要解决的技术问题是：针对现有电镀、热喷涂等连铸结晶器铜材表面强化工艺存在的缺点，提出一种激光熔覆原位合成硼化物陶瓷涂层及其制备工艺，来解决连铸结晶器铜材表面强化问题。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：
一种激光熔覆原位合成的硼化物陶瓷涂层的制备方法，该方法是按照以下步骤进行的：
（1）基体预处理
对加工好的连铸结晶器铜材基体工作表面进行除油、除锈预处理，得到光亮平整的表面；
（2）激光熔覆
采用预置粉末或同步送粉激光熔覆的方式，将供硼剂、催渗剂和填料粉末采用球磨机进行充分混合并干燥后做为熔覆材料，在氩气保护下，调节激光熔覆工艺参数，使熔覆材料与连铸结晶器铜材基体表面原位反应形成硼化物陶瓷涂层。
作为对本发明的限定，本发明所述的供硼剂为BC4、催渗剂为KBF、填料为SiC，三者的质量百分含量分别为供硼剂10~30%，催渗剂10~20%，余量填料，三者的粒度均为300目。这样配制的熔覆材料与铜材表面的浸润性好，激光熔覆后易于清除，且原位形成硼化物陶瓷涂层均匀、致密、无裂纹，涂层与基体呈冶金结合。
此外，为了获得具有特定宏观力学、微观组织结构的均匀致密的涂层，必须根据粉末种类、数量和粒度的不同，选择合适的激光熔覆工艺参数。激光熔覆工艺参数主要包括激光功率、光斑直径、激光扫描速度、熔覆材料的添加方式等。功率密度的增加、扫描速度减小、熔覆层平整度增加、开裂倾向减少，但功率过大，扫描速度太慢，会造成熔覆层合金烧损，稀释率增加，热影响区增大，激光熔覆层宽度主要由光斑尺寸决定，熔覆材料化学成分对熔覆层质量影响最大、最复杂，一般情况下，碳、硼含量高，熔覆层硬度高、开裂倾向大；镍、钴含量高，开裂倾向小；硅、硼含量高，熔覆层平整度高。因此，只有各工艺参数之间实现良好的搭配，才能获得符合实际性能要求的涂层。鉴于此，本发明所述的激光熔覆工艺参数为：激光功率1000~2500W、光斑直径Φ2~4mm、光斑移动速度5~20mm/s，激光熔覆过程采用侧吹12~18L/min氩气对熔覆区域进行保护。
为使耐磨耐蚀涂层具有理想的耐腐蚀性能、耐磨损性能和耐热疲劳性能，且与基体结合强度最佳，作为优选，所述的激光熔覆原位合成的硼化物陶瓷涂层的厚度为0.1~1mm；该涂层中硼化物陶瓷相组成除Cu-B硼化物外，根据所采用的连铸结晶器铜材基体合金成分的不同还可以包括Zr-B、Fe-B、Cr-B等硼化物。
采用上述技术方案后，本发明取得的有益效果是：本发明所述的硼化物陶瓷耐磨耐蚀涂层具有优异的耐腐蚀性能、耐热疲劳性能和耐磨性能，且与连铸结晶器铜材工作表面呈冶金结合；能有效提高连铸结晶器的使用寿命。本发明的激光熔覆原位反应形成耐磨耐蚀涂层的制备工艺，具有生产设备及工艺简单、操作方便、易于实现自动化、无公害、可节省能源等优点，且熔覆不需要在真空环境下进行，工件尺寸基本不受限制，因此可以用于加工复杂表面或者大尺寸连铸结晶器。制备的涂层组织致密、无气孔和裂纹且与基体呈冶金结合，涂层显微硬度值在HV700左右，可提高连铸结晶器寿命1~2倍以上，实现了对现有高能耗、高污染、高成本的复合电镀、热喷涂等连铸结晶器表面强化工艺的取代，具有显著的经济和社会效益。
具体实施方式
本发明将就以下实施例作进一步说明，但应了解的是，这些实施例仅为例示说明之用，而不应被解释为本发明实施的限制。
实施例1：厚度为0.1mm的硼化物陶瓷涂层的制备
（1）基体预处理
对加工好的连铸结晶器铜材基体工作表面进行除油、除锈预处理，得到光亮平整的表面；
（2）激光熔覆
采用预置粉末激光熔覆的方式，以供硼剂、催渗剂、填料粉末为熔覆材料，其中按质量百分含量供硼剂10%BC4、催渗剂10%KBF和余量填料粉末SiC，粒度为300目。采用球磨机进行充分混合并干燥后，在氩气保护下，调节激光熔覆工艺参数，激光功率1500W、光斑直径Φ4mm、光斑移动速度10mm/s；激光熔覆过程采用侧吹12~18L/min氩气对熔覆区域进行保护，使熔覆材料与连铸结晶器铜材基体表面原位反应形成所述的硼化物陶瓷涂层。
实施例2厚度为0.5mm的硼化物陶瓷涂层的制备
（1）基体预处理
对加工好的连铸结晶器铜材基体工作表面进行除油、除锈预处理，得到光亮平整的表面；
（2）激光熔覆
采用同步送粉激光熔覆的方式，以供硼剂、催渗剂、填料粉末为熔覆材料，其中按质量百分含量供硼剂10%BC4、催渗剂10%KBF和余量填料粉末SiC，粒度为300目。采用球磨机进行充分混合并干燥后，在氩气保护下，调节激光熔覆工艺参数，激光功率2000W、光斑直径Φ4mm、光斑移动速度20mm/s；激光熔覆过程采用侧吹12~18L/min氩气对熔覆区域进行保护，使熔覆材料与连铸结晶器铜材基体表面原位反应形成所述的硼化物陶瓷涂层。
实施例3厚度为1mm的硼化物陶瓷涂层的制备
（1）基体预处理
对加工好的连铸结晶器铜材基体工作表面进行除油、除锈预处理，得到光亮平整的表面；
（2）激光熔覆
采用预置粉末激光熔覆的方式，以供硼剂、催渗剂、填料粉末为熔覆材料，其中按质量百分含量供硼剂10%BC4、催渗剂10%KBF和余量填料粉末SiC，粒度为300目。采用球磨机进行充分混合并干燥后，在氩气保护下，调节激光熔覆工艺参数，激光功率2500W、光斑直径Φ2mm、光斑移动速度15mm/s；激光熔覆过程采用侧吹12~18L/min氩气对熔覆区域进行保护，使熔覆材料与连铸结晶器铜材基体表面原位反应形成所述的硼化物陶瓷涂层。
实施例4厚度为1mm的硼化物陶瓷涂层的制备
（1）基体预处理
对加工好的连铸结晶器铜材基体工作表面进行除油、除锈预处理，得到光亮平整的表面；
（2）激光熔覆
采用同步送粉激光熔覆的方式，以供硼剂、催渗剂、填料粉末为熔覆材料，其中按质量百分含量供硼剂30%BC4、催渗剂20%KBF和余量填料粉末SiC，粒度为300目。采用球磨机进行充分混合并干燥后，在氩气保护下，调节激光熔覆工艺参数，激光功率2500W、光斑直径Φ4mm、光斑移动速度15mm/s；激光熔覆过程采用侧吹12~18L/min氩气对熔覆区域进行保护，使熔覆材料与连铸结晶器铜材基体表面原位反应形成所述的硼化物陶瓷涂层。
实施例5厚度为1mm的硼化物陶瓷涂层的制备
（1）基体预处理
对加工好的连铸结晶器铜材基体工作表面进行除油、除锈预处理，得到光亮平整的表面；
（2）激光熔覆
采用预置粉末激光熔覆的方式，以供硼剂、催渗剂、填料粉末为熔覆材料，其中按质量百分含量供硼剂30%BC4、催渗剂20%KBF和余量填料粉末SiC，粒度为300目。采用球磨机进行充分混合并干燥后，在氩气保护下，调节激光熔覆工艺参数，激光功率1000W、光斑直径Φ4mm、光斑移动速度5mm/s；激光熔覆过程采用侧吹12~18L/min氩气对熔覆区域进行保护，使熔覆材料与连铸结晶器铜材基体表面原位反应形成所述的硼化物陶瓷涂层。
以上述依据本发明的理想实施例为启示，通过上述的说明内容，相关工作人员完全可以在不偏离本项发明技术思想的范围内，进行多样的变更以及修改。本项发明的技术性范围并不局限于说明书上的内容，必须要根据权利要求范围来确定其技术性范围。
Claims (3)
1.一种激光熔覆原位合成硼化物陶瓷涂层的制备方法，其特征在于该方法是按照以下步骤进行的：
(1)基体预处理
对加工好的连铸结晶器铜材基体工作表面进行除油、除锈预处理，得到光亮平整的表面；
(2)激光熔覆
采用预置粉末或同步送粉激光熔覆的方式，将质量百分含量分别10～30％的供硼剂BC4、10～20％的催渗剂KBF、余量为填料SiC的粉末采用球磨机进行充分混合并干燥后做为熔覆材料，调节激光熔覆工艺参数，其中激光熔敷工艺参数为：激光功率1000～2500W、光斑直径Φ2～4mm、光斑移动速度5～20mm/s、激光熔覆过程采用侧吹12～18L/min氩气对熔覆区域进行保护，使熔覆材料与连铸结晶器铜材基体表面原位反应形成硼化物陶瓷涂层。
2.一种根据权利要求1所述的制备方法得到的激光熔覆原位合成硼化物陶瓷涂层，其特征是该涂层的厚度为0.1～1mm。
3.根据权利要求2所述的一种激光熔覆原位合成硼化物陶瓷涂层，其特征在于该涂层中硼化物陶瓷相组成除Cu-B硼化物外，还包括Zr-B、Fe-B、Cr-B硼化物。
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