CN102899600A

CN102899600A - 电火花沉积原位反应硼化物陶瓷涂层及其制备方法

Info

Publication number: CN102899600A
Application number: CN2012103354390A
Authority: CN
Inventors: 潘太军; 冯宗建; 张保; 李�杰; 汪涛
Original assignee: Changzhou University
Current assignee: Changzhou University
Priority date: 2012-09-12
Filing date: 2012-09-12
Publication date: 2013-01-30

Abstract

本发明涉及一种连铸结晶器表面电火花沉积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，然后将供硼剂、催渗剂和填料复合材料作为沉积电极，在氩气保护下，将沉积电极固定于电火花沉积设备的工作枪中，将基体固定于电火花沉积设备阴极，启动电火花沉积设备，将电火花工作枪移动至连铸结晶器铜材工作表面沉积防护涂层，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

电火花沉积原位反应硼化物陶瓷涂层及其制备方法

技术领域

本发明涉及电火花沉积原位反应技术，具体涉及一种电火花沉积原位反应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。

电火花沉积的原理是利用脉冲电路的充放电原理，采用导电材料（硬质合金、金属陶瓷、石墨、耐蚀合金等）作为工作电极（阳极），在空气或特殊的气体中使之与被强化的金属工件（阴极）之间产生高频脉冲放电，在10^-5~10^-6S内电极与工件接触的部位达到8000℃~25000℃的高温，直接利用电火花放电的能量，将熔化的电极材料熔渗至工件表面，形成具有冶金特性的强化层，从而使工件的物理、化学和力学性能得到改善，提高工件的硬度、耐磨性、耐蚀性等表面性能。电火花沉积技术具有以下特点：（1）电火花沉积可在气体介质中进行，不需要真空装置。（2）电火花沉积过程能量输入少，热影响区非常小，形成的残余应力也很小，工件不易发生变形，沉积后不需重新进行热处理。（3）由于沉积层是电极和工件材料在放电瞬间高温高压条件下重新合金化而形成的合金层，并非简单的材料涂敷与堆积，因此其结合强度较高。（4）可自由选择电极材料。对于以提高耐磨性为目的的表面强化，可选用石墨电极或硬质合金；以修复磨损表面为目的的强化处理则可选用本体材料作为电极；以提高耐蚀性为目的的表面改性，可选用耐蚀合金作为电极。（5）电火花沉积过程操作灵活，一般几何形状的平面或曲面均可进行处理，并可对零件表面实施局部强化。（6）电火花沉积过程不产生任何的废液、废气，对环境没有任何不良影响，是一种绿色环保的金属表面强化工艺。

此外，与常规渗硼相比,电火花沉积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。电火花原位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，电火花沉积原位反应形成硼化物陶瓷涂层是一种功能梯度涂层，解决了常规电火花沉积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。

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，提出一种电火花沉积原位反应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：

一种电火花沉积原位反应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）电火花沉积

将供硼剂、催渗剂和填料复合材料作为沉积电极，将沉积电极固定于电火花沉积设备的工作枪中，将基体固定于电火花沉积设备阴极，启动电火花沉积设备，将电火花工作枪移动至连铸结晶器铜材基体工作表面沉积防护涂层。

作为对本发明的限定，本发明步骤（2）中设有氩气温度控制保护装置，采用侧吹氩气的方法防止连铸结晶器铜材基体和沉积电极发生氧化并控制连铸结晶器表面的温度，侧吹氩气的速度是12~18L/min。

作为对本发明的限定，本发明步骤（2）中所述的沉积电极采用供硼剂BC₄、催渗剂KBF、填料SiC和Cu作为原料在750~1000℃烧结而成，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（填料中5~50%Cu，余量为SiC）。这样配制的沉积电极材料与铜材表面的浸润性好，电火花沉积后易于清除，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。

步骤（2）中所述的电火花沉积设备电源功率为0.5~3KW、电压为40~100V、频率为100~2000HZ，电火花沉积时间为2~5min/cm²，整个电火花沉积过程中不锈钢辊表面的温度控制在室温到80℃。

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，所述的电火花沉积原位反应的硼化物陶瓷涂层的厚度为0.1~0.5mm；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。

采用上述的技术方案后，本发明取得的有益效果是：在连铸结晶器铜材工作表面采用电火花沉积技术，以供硼剂、催渗剂和填料复合材料为沉积电极，与连铸结晶器表面铜合金原位反应形成硼化物基陶瓷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。本发明的电火花沉积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的优点，且沉积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

（2）电火花沉积

将供硼剂（BC₄）、催渗剂（KBF）、填料（SiC、Cu）复合材料为沉积电极，复合材料中三者质量百分比为供硼剂10%、催渗剂10%、余量填料（填料中5%Cu，余量为SiC）作为原料在750~1000℃烧结而成；采用侧吹12~18L/min氩气对沉积区域进行保护，将沉积电极固定于电火花沉积设备的工作枪中，将基体固定于电火花沉积设备阴极，将电火花沉积设备电源功率设为0.5KW、电压设为40V、频率设为300HZ，启动电火花沉积设备，将电火花工作枪移动至连铸结晶器铜材工作表面沉积防护涂层，电火花沉积时间为5min/cm²，整个电火花沉积过程中不锈钢辊表面的温度控制在室温到80℃。

实施例2厚度为0.2mm的硼化物陶瓷涂层的制备

（1）基体预处理

（2）电火花沉积

将供硼剂（BC₄）、催渗剂（KBF）、填料（SiC、Cu）复合材料为沉积电极，复合材料中三者质量百分比为供硼剂10%、催渗剂10%、余量填料（填料中10%Cu，余量为SiC）作为原料在750~1000℃烧结而成；采用侧吹12~18L/min氩气对沉积区域进行保护，将沉积电极固定于电火花沉积设备的工作枪中，将基体固定于电火花沉积设备阴极，将电火花沉积设备电源功率设为1KW、电压设为60V、频率设为100HZ，启动电火花沉积设备，将电火花工作枪移动至连铸结晶器铜材工作表面沉积防护涂层，电火花沉积时间为3min/cm²，整个电火花沉积过程中不锈钢辊表面的温度控制在室温到80℃。

实施例3厚度为0.4mm的硼化物陶瓷涂层的制备

（1）基体预处理

（2）电火花沉积

将供硼剂（BC₄）、催渗剂（KBF）和填料（SiC、Cu）复合材料为沉积电极，复合材料中三者质量百分比为供硼剂10%、催渗剂10%、余量填料（填料中10%Cu，余量为SiC）作为原料在750~1000℃烧结而成；采用侧吹12~18L/min氩气对沉积区域进行保护，将沉积电极固定于电火花沉积设备的工作枪中，将基体固定于电火花沉积设备阴极，将电火花沉积设备电源功率设为3KW、电压设为100V、频率设为2000HZ，启动电火花沉积设备，将电火花工作枪移动至连铸结晶器铜材工作表面沉积防护涂层，电火花沉积时间为2min/cm²，整个电火花沉积过程中不锈钢辊表面的温度控制在室温到80℃。

实施例4厚度为0.5mm的硼化物陶瓷涂层的制备

（1）基体预处理

（2）电火花沉积

将供硼剂（BC₄）、催渗剂（KBF）和填料（SiC、Cu）复合材料为沉积电极，复合材料中三者质量百分比为供硼剂30%、催渗剂20%、余量填料（填料中50%Cu，余量为SiC）作为原料在750~1000℃烧结而成；采用侧吹12~18L/min氩气对沉积区域进行保护，将沉积电极固定于电火花沉积设备的工作枪中，将基体固定于电火花沉积设备阴极，将电火花沉积设备电源功率设为0.5KW、电压设为40V、频率设为500HZ，启动电火花沉积设备，将电火花工作枪移动至连铸结晶器铜材工作表面沉积防护涂层，电火花沉积时间为5min/cm²，整个电火花沉积过程中不锈钢辊表面的温度控制在室温到80℃。

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

1.一种电火花沉积原位反应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

（2）电火花沉积

2.如权利要求1所述的一种电火花原位反应硼化物陶瓷涂层的制备方法，其特征在于在步骤（2）的电火花沉积过程中，设有氩气温度控制保护装置，采用侧吹氩气的方法防止连铸结晶器铜材基体和沉积电极发生氧化并控制连铸结晶器表面的温度，侧吹氩气的速度是12~18L/min。

3.如权利要求1所述的一种电火花原位反应硼化物陶瓷涂层的制备方法，其特征在于步骤（2）中所述的沉积电极采用供硼剂BC₄、催渗剂KBF、填料SiC和Cu作为原料在750~1000℃烧结而成，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，填料中5~50%Cu，余量为SiC。

4.如权利要求1所述的一种电火花沉积原位反应硼化物陶瓷涂层的制备方法，其特征在于步骤（2）中所述的电火花沉积设备的电源功率为0.5~3KW、电压为40~100V、频率为100~2000HZ，电火花沉积时间为2~5min/cm²，整个电火花沉积过程中不锈钢辊表面的温度控制在室温到80℃。

5.一种根据权利要求1~4任一项所述的制备方法得到的电火花沉积原位反应硼化物陶瓷涂层，其特征是该涂层的厚度为0.1~0.5mm。

6.如权利要求5所述的电火花沉积原位反应硼化物陶瓷涂层，其特征在于该涂层中硼化物陶瓷相组成除Cu-B硼化物外，还可以包括Zr-B、Fe-B、Cr-B硼化物。