CN102909325A

CN102909325A - 一种激光－感应复合熔覆修复连铸结晶器的方法

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Publication number: CN102909325A
Application number: CN2012104495358A
Authority: CN
Inventors: 周圣丰; 戴晓琴; 吴超; 张天佑
Original assignee: Nanchang Hangkong University
Current assignee: Nanchang Hangkong University
Priority date: 2012-11-12
Filing date: 2012-11-12
Publication date: 2013-02-06
Anticipated expiration: 2032-11-12
Also published as: CN102909325B

Abstract

一种激光－感应复合熔覆修复连铸结晶器的方法，该方法的特点是：首先，对连铸结晶器的破损部位进行除油、除锈、挖除裂纹或划伤、活化与电镀镍或化学镀镍处理；然后，采用激光－感应复合熔覆专用铜基合金粉末对连铸结晶器的破损部位进行修复，使用的专用铜基合金粉末的化学成分为：Ni 7～9wt.%，Sn 8～12wt.%，Al 5～15wt.%，Si 0.8～2%，余量为Cu。本发明可以在熔覆效率提高1～5倍的条件下，对连铸结晶器的破损部位进行激光－感应复合熔覆修复处理，克服了传统连铸结晶器修复涂层厚度薄、易剥落、导热率低的难题。

Description

一种激光-感应复合熔覆修复连铸结晶器的方法

技术领域

本发明涉及一种修复连铸结晶器的方法，尤其涉及一种激光－感应复合熔覆修复连铸结晶器的方法。

背景技术

连铸结晶器是一个强制水冷的无底钢锭模，主要由导热性非常好的铜或铜合金做内衬，外面套有夹套通水冷却，使高温钢液逐渐冷却凝固并在尽可能高的拉速下，形成所需规格、形状以及厚度均匀的铸坯。因此，连铸结晶器是连铸机非常重要的部件，被称之为连铸设备的“心脏”，其质量好坏对连铸生产和铸坯质量都有很大的影响。

随着连铸向高效化发展，连铸结晶器的使用寿命成为制约连铸生产的一项重要因素。对连铸结晶器进行修复，延长其使用寿命，对提高连浇率，保证铸坯质量，以及提高企业的技术经济效率具有十分重要的意义。修复连铸结晶器常规的方法有电镀硬铬（李虹. 连铸方坯结晶器电镀硬铬的工艺，材料保护，2001，34（5）：55）、等离子喷涂NiCr-Cr₃C₂涂层（陈健，刘雪飘，梁欢. 结晶器铬锆铜板表面等离子喷涂镍铬－碳化铬涂层的研究，材料导报，2010,11（24）：525－528）与激光熔覆镍基涂层（刑飞，侯丹辉，张翼飞，宫铭辉. 一种结晶器表面激光熔覆的合金涂层及其制备方法，中国发明专利，200810012662）等。其中，电镀层厚度较薄（一般小于0.3mm），与连铸结晶器形成结合力差的化学性结合；等离子喷涂层孔隙率高，与连铸结晶器之间呈机械性结合，服役一段时间后易剥落；尽管激光熔覆镍基涂层与连铸结晶器之间形成了结合强度高的冶金结合，但连铸结晶器对激光反射率高导致激光熔覆效率低，涂层易开裂。

近年来，可以在高效率条件下，将涂层内的热应力降低到最小程度，从而制备高性能的无裂纹涂层的激光－感应复合熔覆技术（Shengfeng Zhou，Yongjun Huang，Xiaoyan Zeng. Microstructure characteristics of Ni-based WC composite coatings by laser induction hybrid rapid cladding. Materials Science and Engineering: A，2008,480（1－2）：564－572）引起了人们的广泛兴趣。但是，关于采用激光－感应复合熔覆修复连铸结晶器的方法并未见文献报道。

发明内容

本发明的目的在于提供一种激光－感应复合熔覆修复连铸结晶器的方法。本发明所用的专用铜基合金粉末流动性好，与连铸结晶器具有十分优异的相容性与润湿性以及相近的热物理性能；在激光－感应复合熔覆修复之前，对连铸结晶器破损部位进行电镀镍或化学镀镍处理，提高连铸结晶器对激光束能量的吸收率；采用激光－感应复合熔覆修复连铸结晶器，不但可以提高连铸结晶器对激光束能量的利用率，也可以减小熔覆过程中的温度梯度，消除涂层中的气孔与裂纹等冶金缺陷，从而大幅度提高熔覆效率以及改善涂层的耐磨、耐腐与抗疲劳性能。因此，采用该方法修复连铸结晶器具有常规修复方法无法比拟的优势。

本发明是这样来实现的，其方法与步骤为：

（1）将专用铜基合金粉末放置于自动送粉器的装料斗内，对连铸结晶器破损部位进行除油、除锈、挖除裂纹或划伤、活化与电镀镍或化学镀镍处理；从而提高连铸结晶器破损部位对激光束能量的吸收率；

（2）将高频感应加热线圈与连铸结晶器破损部位之间的距离控制在2~15 mm内，调节感应加热功率，使连铸结晶器的破损部位被感应加热的温度为200~900℃，同时利用铜管对感应加热区吹入Ar气；

（3）将CO₂激光器产生的激光束与自动送粉器的粉末喷嘴定位于感应加热区内，实现激光热源与感应加热源的复合；利用粉末喷嘴将专用铜基合金粉末吹入激光－感应复合熔覆热源形成的熔池内，当激光－感应复合熔覆热源移开后，熔融的铜基合金粉末快速凝固结晶形成修复铜基合金涂层。其中，粉末喷嘴与连铸结晶器破损部位电镀镍层表面法向间的夹角为37~45°，粉末喷嘴与连铸结晶器破损部位电镀镍层垂直距离为12~20 mm；

（4）当激光－感应复合熔覆完一道之后，沿激光扫描速度的垂直方向移动数控机床，其移动的距离为激光光斑直径的30~70%；

（5）检测修复铜基合金涂层的厚度是否达到预期的要求，如果没有，将激光头沿Z轴方向上升一段距离ΔZ，该距离ΔZ为上一铜基合金涂层的厚度，然后重复步骤（2）－（4），直到修复铜基合金涂层达到所要求的厚度；

（6）对修复铜基合金涂层表面进行铣削与磨光，获得所要求的表面光洁度及尺寸精度。

本发明所述的合金粉末为专用铜基合金粉末，其化学成分为(按质量百分含量计算)：Ni 7~9 wt.%，Sn 8~12 wt.%，Al 5~15 wt.%，Si 0.8~2%，余量为Cu。

本发明在进行所述步骤（1）时，对连铸结晶器破损部位进行电镀或化学镀镍处理，电镀镍配方为：NiSO₄·7H₂O　250~350 g/l，NiCl₂·6H₂O　50~70 g/l，H₃BO₃　35~40 g/min，pH值为2~4，温度　55~65℃，电流密度　400~500A/m²；化学镀镍配方为：NiSO₄·7H₂O　15~30 g/l，NaH₂PO₂·H₂O　25~40 g/l，Na₃C₆H₅O₇·2H₂O　8~15 g/l，NH₄Cl　20~40 g/l，pH值为8~10；电镀或化学镀镍厚度为：3~20 μm。

本发明所述的连铸结晶器进行多道多层激光－感应复合熔覆修复处理，第一层激光－感应复合熔覆修复工艺参数为：激光功率为0.5~2 kW，光斑直径为3~5 mm，感应加热功率为40~50 kW，感应加热频率为80 kHz，激光扫描速度为1000~2500 mm/min，感应加热的温度为800~900℃，送粉率为80~100 g/min；第二层及更多层时激光－感应复合熔覆修复工艺参数为：激光功率为2~3 kW；光斑直径为3~5 mm；感应加热功率为30~40 kW；感应加热频率为80 kHz；激光扫描速度为3000~5000 mm/min；感应加热的温度为600~800℃，送粉率为120~150 g/min。

本发明的优点是：（1）对连铸结晶器破损部位进行激光－感应复合熔覆专用铜基合金粉末修复处理，修复涂层与连铸结晶器均为铜基合金，具有相近的热物理性能。（2）连铸结晶器破损部位进行电镀镍或化学镀镍以及感应加热后，大幅度提高了结晶器对激光束能量的吸收率，从而可以在熔覆效率提高1~5倍的条件下，在连铸结晶器破损部位获得无气孔与裂纹、与连铸结晶器呈冶金结合的修复涂层。（3）采用该方法对连铸结晶器进行激光－感应复合熔覆修复处理，修复涂层的厚度可控，稀释率低、显微组织细小且致密，具有优异的耐磨、耐蚀与耐疲劳性能，服役寿命可以提高约2~6倍。

附图说明

图1　激光－感应复合熔覆修复连铸结晶器装置示意图。

图2　连铸结晶器典型破损部位示意图。

图3　连铸结晶器典型破损部位电镀镍或化学镀镍宏观结构示意图。

图4　激光熔覆－感应复合熔覆修复连铸结晶器典型破损部位的宏观示意图。

图5　激光熔覆－感应复合熔覆修复连铸结晶器典型破损部位经机械加工后的宏观示意图。

具体实施方式

实施例1

连铸结晶器的化学成分为：Cr 0.5~1.5 wt.%，Zr 0.08~0.3 wt.%，余量为Cu，连铸结晶器破损部位的尺寸为：100mm×50mm×30 mm（长×宽×高），采用激光－感应复合熔覆修复的具体实施过程如图1、图2、图3、图4与图5所示：

（1）采用专用铜基合金粉末8进行激光感应复合熔覆修复处理，其化学成分为：Ni 8 wt.%，Sn 8.5 wt.%，Al 7 wt.%，Si 0.8 wt.%，余量为Cu，其平均粒径为65 μm，然后装入自动送粉器9的装料斗7内；

（2）将连铸结晶器14破损部位的表面进行除锈、除油与表面活化处理，采用电镀的方法在其表面电镀一层厚度为8 μm的镍合金19。其中，电镀镍配方为：NiSO₄·7H₂O　280 g/l，NiCl₂·6H₂O　55 g/l，H₃BO₃　37 g/min，pH值为2.5，温度　58℃，电流密度　420A/m²；

（2）将连铸结晶器14与安装有专用导磁体16的感应加热线圈10之间的距离调整为5 mm，通入电流至感应加热线圈10，并利用计算机1调节感应加热电源12的感应加热功率，使连铸结晶器14的破损部位被感应加热线圈10加热的温度为650~750℃，同时利用铜管18应加热区11吹入氩气作为保护气体，防止感应加热区11氧化；

（3）CO₂激光器2发出的激光束经过导光系统3传输到位于激光头4内的聚焦镜5形成光斑直径为3 mm的圆形光斑，然后将圆形光斑与自动送粉器9的粉末喷嘴6定位于感应加热区11内，实现激光热源与感应加热源的复合；利用矩形粉末喷嘴6将专用铜基合金粉末8吹入激光－感应复合熔覆热源形成的熔池17内，专用铜基合金粉末8在熔池17内发生熔化并在连铸结晶器14的破损部位电镀镍层19的表面铺开，当激光束与感应加热源移开后，熔融层冷却并凝固结晶形成修复铜基涂层15。其中，粉末喷嘴6与连铸结晶器14破损部位电镀镍层19表面法向间的夹角为37°，粉末喷嘴6与连铸结晶器14破损部位电镀镍层19垂直距离为15 mm；

（4）当激光－感应复合熔覆完一道之后，沿激光扫描速度的垂直方向移动数控机床，其移动的距离为2.4 mm。另外，在激光－感应复合熔覆修复连铸结晶器14的过程中，第一层的工艺参数为：激光功率为1.5 kW，感应加热功率为45 kW，感应加热频率为80 kHz，激光扫描速度为2500 mm/min，感应加热的温度为750℃，送粉率为85 g/min；第二层及更多层时激光－感应复合熔覆修复工艺参数为：激光功率为2.5 kW，感应加热功率为30 kW；感应加热频率为80 kHz；激光扫描速度为4000 mm/min；感应加热的温度为650℃，送粉率为130 g/min。

（5）检测修复铜基合金涂层15的厚度是否达到预期的要求，如果没有，将激光头沿Z轴方向上升一段距离ΔZ，该距离ΔZ为上一铜基合金涂层的厚度，然后重复步骤（2）－（4），直到修复铜基合金涂层15达到所要求的厚度；

（6）对修复铜基涂层15表面进行铣削与磨光，获得所要求的表面光洁度，其硬度达250 HRB。

实施例2

连铸结晶器的化学成分为：Co 2.0~3.0 wt.%，Be 0.2~0.8 wt.%，Ni 0.1~0.4 wt.%，Fe 0.2~0.5余量为Cu，连铸结晶器破损部位的尺寸为：90mm×60mm×25 mm（长×宽×高），采用激光－感应复合熔覆修复的具体实施过程如图1、图2、图3、图4与图5所示：

（1）采用专用铜基合金粉末8进行激光感应复合熔覆修复处理，其化学成分为：Ni 9 wt.%，Sn 8 wt.%，Al 12 wt.%，Si 1.2 wt.%，余量为Cu，其平均粒径为40 μm，然后装入自动送粉器9的装料斗7内；

（2）将连铸结晶器14破损部位的表面进行除锈、除油与表面活化处理，采用电镀的方法在其表面电镀一层厚度为12 μm的镍合金19。其中，化学镀镍配方为：NiSO₄·7H₂O　20 g/l，NaH₂PO₂·H₂O　30 g/l，Na₃C₆H₅O7·2H₂O　12 g/l，NH₄Cl　25 g/l，pH值为8；

（2）将连铸结晶器14与安装有专用导磁体16的感应加热线圈10之间的距离调整为5 mm，通入电流至感应加热线圈10，并利用计算机1调节感应加热电源12的感应加热功率，使连铸结晶器14的破损部位被感应加热线圈10加热的温度为700~800℃，同时利用铜管18应加热区11吹入氩气作为保护气体，防止感应加热区11氧化；

（3）CO₂激光器2发出的激光束经过导光系统3传输到位于激光头4内的聚焦镜5形成光斑直径为4 mm的圆形光斑，然后将圆形光斑与自动送粉器9的粉末喷嘴6定位于感应加热区11内，实现激光热源与感应加热源的复合；利用矩形粉末喷嘴6将专用铜基合金粉末8吹入激光－感应复合熔覆热源形成的熔池17内，专用铜基合金粉末8在熔池17内发生熔化并在连铸结晶器14的破损部位电镀镍层19的表面铺开，当激光束与感应加热源移开后，熔融层冷却并凝固结晶形成修复铜基涂层15。其中，粉末喷嘴6与连铸结晶器14破损部位电镀镍层19表面法向间的夹角为45°，粉末喷嘴6与连铸结晶器14破损部位电镀镍层19垂直距离为18 mm；

（4）当激光－感应复合熔覆完一道之后，沿激光扫描速度的垂直方向移动数控机床，其移动的距离为2.4 mm。另外，在激光－感应复合熔覆修复连铸结晶器14的过程中，第一层的工艺参数为：激光功率为1.8 kW，感应加热功率为45 kW，感应加热频率为80 kHz，激光扫描速度为2200 mm/min，感应加热的温度为800℃，送粉率为92 g/min；第二层及更多层时激光－感应复合熔覆修复工艺参数为：激光功率为2.7 kW，感应加热功率为35 kW；感应加热频率为80 kHz；激光扫描速度为4200 mm/min；感应加热的温度为700℃，送粉率为140 g/min。

（6）对修复铜基涂层15表面进行铣削与磨光，获得所要求的表面光洁度，其硬度达265 HRB。

实施例3

连铸结晶器的化学成分为：Cr 0.3~1.0 wt.%，Zr 0.1~0.5 wt.%，Fe　0.2~0.6 wt.%，Ti 0.1~0.3 wt.%，余量为Cu，连铸结晶器破损部位的尺寸为：100mm×50mm×30 mm（长×宽×高），采用激光－感应复合熔覆修复的具体实施过程如图1、图2、图3与图4所示：

（1）采用专用铜基合金粉末8进行激光感应复合熔覆修复处理，其化学成分为：Ni 8.7 wt.%，Sn 8 wt.%，Al 14.6 wt.%，Si 1.8 wt.%，余量为Cu，其平均粒径为60 μm，然后装入自动送粉器9的装料斗7内；

（2）将连铸结晶器14破损部位的表面进行除锈、除油与表面活化处理，采用电镀的方法在其表面电镀一层厚度为15 μm的镍合金19。其中，电镀镍配方为：NiSO₄·7H₂O　320 g/l，NiCl₂·6H₂O　68 g/l，H₃BO₃　40 g/min，pH值为3.5，温度　65℃，电流密度　480A/m²；

（2）将连铸结晶器14与安装有专用导磁体16的感应加热线圈10之间的距离调整为5 mm，通入电流至感应加热线圈10，并利用计算机1调节感应加热电源12的感应加热功率，使连铸结晶器14的破损部位被感应加热线圈10加热的温度为750~900℃，同时利用铜管18应加热区11吹入氩气作为保护气体，防止感应加热区11氧化；

（3）CO₂激光器2发出的激光束经过导光系统3传输到位于激光头4内的聚焦镜5形成光斑直径为3.5 mm的圆形光斑，然后将圆形光斑与自动送粉器9的粉末喷嘴6定位于感应加热区11内，实现激光热源与感应加热源的复合；利用矩形粉末喷嘴6将专用铜基合金粉末8吹入激光－感应复合熔覆热源形成的熔池17内，专用铜基合金粉末8在熔池17内发生熔化并在连铸结晶器14的破损部位电镀镍层19的表面铺开，当激光束与感应加热源移开后，熔融层冷却并凝固结晶形成修复铜基涂层15。其中，粉末喷嘴6与连铸结晶器14破损部位电镀镍层19表面法向间的夹角为37°，粉末喷嘴6与连铸结晶器14破损部位电镀镍层19垂直距离为18 mm；

（4）当激光－感应复合熔覆完一道之后，沿激光扫描速度的垂直方向移动数控机床，其移动的距离为2 mm。另外，在激光－感应复合熔覆修复连铸结晶器14的过程中，第一层的工艺参数为：激光功率为2 kW，感应加热功率为50 kW，感应加热频率为80 kHz，激光扫描速度为2500 mm/min，感应加热的温度为900℃，送粉率为100 g/min；第二层及更多层时激光－感应复合熔覆修复工艺参数为：激光功率为3 kW，感应加热功率为35 kW；感应加热频率为80 kHz；激光扫描速度为4800 mm/min；感应加热的温度为750℃，送粉率为140 g/min。

（6）对修复铜基涂层15表面进行铣削与磨光，获得所要求的表面光洁度，其硬度达280 HRB。

Claims

1.一种激光－感应复合熔覆修复连铸结晶器的方法，其特征是方法与步骤为：

（3）将CO₂激光器产生的激光束与自动送粉器的粉末喷嘴定位于感应加热区内，实现激光热源与感应加热源的复合；利用粉末喷嘴将专用铜基合金粉末吹入激光－感应复合熔覆热源形成的熔池内，当激光－感应复合熔覆热源移开后，熔融的铜基合金粉末快速凝固结晶形成修复铜基合金涂层，其中，粉末喷嘴与连铸结晶器破损部位电镀镍层或化学镀镍层表面法向间的夹角为37~45°，粉末喷嘴与连铸结晶器破损部位电镀镍层或化学镀镍层垂直距离为12~20 mm；

2.根据权利要求1所述的一种激光－感应复合熔覆修复连铸结晶器的方法，其特征在于所用合金粉末为专用铜基合金粉末，其化学成分为按质量百分含量计算：Ni 7~9 wt.%，Sn 8~12 wt.%，Al 5~15 wt.%，Si 0.8~2%，余量为Cu。

3.根据权利要求1所述的一种激光－感应复合熔覆修复连铸结晶器的方法，其特征在于对连铸结晶器破损部位进行电镀镍或化学镀镍处理，电镀镍配方为：NiSO₄·7H₂O　250~350 g/l，NiCl₂·6H₂O　50~70 g/l，H₃BO₃　35~40 g/min，pH值为2~4，温度　55~65℃，电流密度　400~500A/m²；化学镀镍配方为：NiSO₄·7H₂O　15~30 g/l，NaH₂PO₂·H₂O　25~40 g/l，Na₃C₆H₅O₇·2H₂O　8~15 g/l，NH₄Cl　20~40 g/l，pH值为8~10；电镀镍或化学镀镍厚度为：3~20 μm。

4.根据权利要求1所述的一种激光－感应复合熔覆修复连铸结晶器的方法，其特征是在于对连铸结晶器破损部位进行多道多层激光－感应复合熔覆修复处理，第一层激光－感应复合熔覆修复工艺参数为：激光功率为0.5~2 kW，光斑直径为3~5 mm，感应加热功率为40~50 kW，感应加热频率为80 kHz，激光扫描速度为1000~2500 mm/min，感应加热温度为800~900℃，送粉率为80~100 g/min；第二层及更多层时激光－感应复合熔覆修复工艺参数为：激光功率为2~3 kW；光斑直径为3~5 mm；感应加热功率为30~40 kW；感应加热频率为80 kHz；激光扫描速度为3000~5000 mm/min；感应加热的温度为600~800℃，送粉率为120~150 g/min。