CN103805813A - 一种连铸机结晶器铜板激光强化用梯度合金材料和方法 - Google Patents

Abstract

一种连铸机结晶器铜板激光强化用梯度合金材料和方法，在结晶器铬锆铜窄板工作面上，利用激光熔覆技术，先用镍基合金材料与基材过渡，再在镍基合金过渡层上熔覆特制的钴基合金材料，使结晶器铬锆铜窄板工作表面形成新的耐高温腐蚀和磨损的、具有超细化、高强韧性金相组织的梯度合金层。该钴基合金是在一种司太立合金基础上，通过添加Hf、B和Si元素，适当降低合金熔点，形成适合于激光熔覆的新型钴基合金材料。与现有的技术相比，本发明的有益效果是：通过提高结晶器窄板工作表面高温耐蚀耐磨性，实现失效结晶器激光修复与再制造，恢复和提高使用功能。有效解决了失效铬锆铜结晶器的修复难题，提高了铸坯质量，降低了吨钢浇铸成本。

Description

一种连铸机结晶器铜板激光强化用梯度合金材料和方法

技术领域

本发明涉及金属材料领域，尤其涉及一种连铸机结晶器铜板激光强化用梯度合金材料和方法。 

背景技术

结晶器是连铸机上的关键部件，其质量直接影响连铸坯表面质量、连铸机作业率和连铸坯成本。高效连铸技术的发展对结晶器质量提出了更高的要求，高强度、高耐磨性、耐腐蚀性和良好的导热性成为衡量结晶器质量的重要指标。板坯结晶器在使用过程中主要存在边缘磨损、宽面热裂纹、窄面收缩、腐蚀等问题。国内外使用的导热性好的铜质结晶器基材无法达到其使用要求，另外铜对大多数钢种而言是一种有害元素，受钢水冲刷进入钢坯中的铜会使铸坯表面产生星形裂纹，从而导致质量缺陷。合适的结晶器用基材以及对基材进行必要的表面处理是连铸生产必须具备的条件。 

目前对结晶器材质研究的重点是采用合适的表面处理技术，在结晶器表面通过电镀、化学镀、热喷涂、激光熔覆一种或几种材料，以获得特殊功能表面，在保证其导热性受镀层影响不大的情况下，获得与基体结合牢固、耐磨性好、抗热腐蚀性强的各种涂层，以改善结晶器表面性能、延长使用寿命、提高连铸坯质量，从而达到浇铸吨钢价格下降的目的。 

然而广泛应用的电镀、化学镀、热喷涂等表面处理方法虽然能提高结晶器铜板的耐磨性，但由于制备的涂层与基体是机械结合，而不是冶金物理结合，在结晶器使用过程中常会由于冷热疲劳,镀层易于发生剥落起皮，引起结晶器铜板的报废和连铸停产；涂层存在着疏松、针孔、杂质等缺陷，显著影响涂层的耐高温、抗磨损和冲刷性能，影响涂层的使用寿命；而且生产周期较长，生产成本高，直接影响钢厂的生产成本和耗费，另外，电镀、化学镀、热喷涂等技术存在排污排废问题，容易引起环境污染。 

发明内容

本发明的目的在于提供一种连铸机结晶器铜板激光强化用梯度合金材料和方法，在结晶器铬锆铜窄板工作面上，利用激光熔覆技术，先用镍基合金材料与基材过渡，再在镍基合金过渡层上熔覆特制的钴基合金材料，使结晶器铬锆铜窄板工作表面形成新的耐高温腐蚀和磨损的、具有超细化、高强韧性金相组织的梯度合金层。该钴基合金是在一种司太立 合金基础上，通过添加Hf、B和Si元素，适当降低合金熔点，形成适合于激光熔覆的新型钴基合金材料。通过提高结晶器窄板工作表面高温耐蚀耐磨性，实现失效结晶器激光修复与再制造，恢复和提高使用功能。 

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案实现： 

一种连铸机结晶器铜板激光强化用梯度合金材料，其特征在于，其各组成原料按重量百分比例配比如下： 

C：0.8～1.5%； 

Si：1.0～2.4%； 

Mn：0.5～1.5%； 

Fe：1.2～3.0%； 

Cr：26～34%； 

Ni：1.5～4.0%； 

W：4.0～12.0%； 

B：1.2～2.0%； 

Hf：0.2～0.5%； 

Co：余量； 

由上述成分组成钴基合金粉末。 

使用光纤激光器使连铸机结晶器铜板强化的方法，其特征在于，具体操作步骤如下： 

1）在结晶器铬锆铜窄板工作表面，先通过喷涂方式预置一层0.5mm～0.8mm镍基合金作为过渡层，经过400～500℃预热后使用光纤激光器进行激光重熔，再在过渡层上面激光熔覆钴基合金粉末； 

2）基材与复合熔覆层采取保温措施，使冷却速度减慢；熔覆结束后整体进行温度为350～450℃，时间为5～6小时的消除应力回火处理。 

所述的步骤1）镍基和钴基合金粉末总熔覆厚度1.5～1.8mm。 

所述的镍基合金为镍铬钼铌合金或哈氏合金粉末。 

所述的光纤激光器为6000W光纤激光器。 

所述的步骤1）激光熔覆工艺为：功率：4000～5500W；光斑直径：6.0～8.0mm；焦距： 340～400mm；扫描速度：2400～3200mm/min；预置粉厚度：0.5～1.0mm；粒度：-100～+270目，搭接率：30～50%。 

与现有的技术相比，本发明的有益效果是： 

1）结晶器铜板激光强化用梯度合金材料，是先用镍基合金材料与铜基材过渡，形成韧性良好、冶金结合牢固的过渡层，再在镍基合金基础上熔覆特制的钴基合金材料，形成复合梯度功能材料。 

2）结晶器铜板激光强化用梯度合金材料中的钴基合金，是在传统司太立钴基合金基础上，通过调整合金元素比例，适当添加B、Si和Hf元素，有效降低了合金熔点，形成适合于大面积激光熔覆的新型钴基合金材料。 

3）结晶器铜板激光强化用梯度合金，在喷涂、预热、保温和后热处理的条件下，顺利实现梯度功能材料的激光熔覆，且形成的复合合金粉末熔覆层获得了优越的激光加工性能，并适合在结晶器铬锆铜基材上实现大面积良好激光加工操作。 

4）结晶器铜板激光强化用梯度合金形成的复合合金层，在具有较理想的高温硬度（大于HRC45）和强度的同时，又降低了合金熔点和开裂倾向。从根本上解决并提高了表面新材料的抗裂性、成型性、表面平整性、工艺稳定性和成分均匀性。 

5）结晶器铬锆铜板经激光熔覆梯度合金处理后，不仅恢复了失效结晶器的重新使用，而且提高了高温抗氧化、耐腐蚀、耐磨损性能。可以取代现行镀铬的方法，有效解决了失效铬锆铜结晶器的修复难题，提高了铸坯质量，降低了吨钢浇铸成本，减少了结晶器的更换次数，为冶金连铸行业成功修复失效后的结晶器，提供了一种行之有效、经济适用的便捷方法和激光熔覆结晶器铜板专用的复合梯度功能合金粉末材料，应用市场广阔，经济效益和社会效益显著。 

具体实施方式

下面对本发明的具体实施方式进一步说明： 

一种连铸机结晶器铜板激光强化用梯度合金材料，其各组成原料按重量百分比例配比如下： 

C：0.8～1.5%； 

Si：1.0～2.4%； 

Mn：0.5～1.5%； 

Fe：1.2～3.0%； 

Cr：26～34%； 

Ni：1.5～4.0%； 

W：4.0～12.0%； 

B：1.2～2.0%； 

Hf：0.2～0.5%； 

Co：余量； 

由上述成分组成钴基合金粉末。 

使用光纤激光器使连铸机结晶器铜板强化的方法，其特征在于，具体操作步骤如下： 

1）在结晶器铬锆铜窄板工作表面，先通过喷涂方式预置一层0.5mm～0.8mm镍基合金作为过渡层，经过400～500℃预热后使用光纤激光器进行激光重熔，再在过渡层上面激光熔覆钴基合金粉末； 

2）基材与复合熔覆层采取保温措施，使冷却速度减慢；熔覆结束后整体进行温度为350～450℃，时间为5～6小时的消除应力回火处理。 

镍基和钴基合金粉末重熔覆厚度1.5～1.8mm；镍基合金为铬镍铁合金或哈氏合金粉末；光纤激光器为6000W光纤激光器。 

激光熔覆工艺为：功率：4000～5500W；光斑直径：6.0～8.0mm；焦距：340～400mm；扫描速度：2400～3200mm/min；预置粉厚度：0.5～1.0mm；粒度：-100目～270目，搭接率：30～50%。 

实施例1： 

采用6千瓦光纤激光器结合合适的工艺参数，对某失效的连铸机结晶器进行激光强化处理。 

将预置的镍基哈氏合金粉末熔覆形成打底过渡层，在预热条件下再熔覆一层钴基合金粉末材料，熔覆结束后立即整体360℃、6小时回火处理，在结晶器铜板表面形成梯度功能合金强化层。合金元素重量百分数是：C：1.2%；B：1.6%；Si：1.8%；Mn：0.8%；Fe：2.2%；Cr：31%；Ni：3.2～%；W：5.4%；Hf：0.4%；Co：余量。 

实施例2： 

采用6千瓦光纤激光器结合合适的工艺参数，对某失效的连铸机结晶器进行激光强化 处理。 

将喷涂预置的镍铬钼铌合金粉末经过激光熔覆形成打底过渡层，在预热条件下再熔覆一层钴基合金粉末材料，熔覆结束后立即整体380℃、5.5小时回火处理，在结晶器铜板表面形成梯度功能合金强化层。合金元素重量百分数是：C：1.0%；B：1.5%；Si：1.6%；Mn：1.1%；Fe：2.5%；Cr：32%；Ni：3.6%；W：6.8%；Hf：0.34%；Co：余量。 

实施例3： 

采用6千瓦光纤激光器结合合适的工艺参数，对某失效的连铸机结晶器进行激光强化处理。 

将喷涂预置的镍铬钼铌合金粉末经过激光熔覆形成打底过渡层，在预热条件下再熔覆一层钴基合金粉末材料，熔覆结束后立即整体400℃、5小时回火处理，在结晶器铜板表面形成梯度功能合金强化层。合金元素重量百分数是：C：1.3%；B：1.5%；Si：1.6%；Mn：1.2%；Fe：2.8%；Cr：32.8%；Ni：4.0%；W：5.8%；Hf：0.28%；Co：余量。 

强化后的结晶器经上连铸机使用检验效果良好，高温耐磨耐蚀性能大幅提高，结晶器使用寿命可提高1.2倍，延长了结晶器更换周期。 

试验表明，采用合适的激光强化处理参数，可以获得厚度超过1.5mm的表面梯度强化层。其显微组织由一定厚度的镍基材料过渡层与钴基材料强化层组成。过渡层与铜基材形成良好的冶金结合，强化层具有耐高温强化相，使硬度值达到HRC45以上。在整个强化层中硬度基本保持一致，硬化层的硬度分布几乎无梯度变化，这对提高结晶器铜板表面的耐磨损寿命十分重要。 

冶金生产实践证明，激光表面处理后的结晶器的过钢量可翻倍提高，且结晶器表面磨损均匀，速度明显减慢，强化效果十分明显。这样不仅大大降低了板坯连铸成本，减少了停机修换结晶器时间，提高了连铸机的生产效率，而且降低了轧钢工人的劳动强度。 

Claims (6)

1.一种连铸机结晶器铜板激光强化用梯度合金材料，其特征在于，其各组成原料按重量百分比例配比如下：

C：0.8～1.5%；

Si：1.0～2.4%；

Mn：0.5～1.5%；

Fe：1.2～3.0%；

Cr：26～34%；

Ni：1.5～4.0%；

W：4.0～12.0%；

B：1.2～2.0%；

Hf：0.2～0.5%；

Co：余量；

由上述成分组成钴基合金粉末。

2.采用权利要求1所述的材料强化连铸机结晶器铜板的方法，其特征在于，具体操作步骤如下：

1）在结晶器铬锆铜窄板工作表面，先通过喷涂方式预置一层0.5mm～0.8mm镍基合金作为过渡层，经过400～500℃预热后使用光纤激光器进行激光重熔，再在过渡层上面激光熔覆钴基合金粉末；

2）基材与复合熔覆层采取保温措施，使冷却速度减慢；熔覆结束后整体进行温度为350～450℃，时间为5～6小时的消除应力回火处理。

3.根据权利要求2所述的强化连铸机结晶器铜板的方法，其特征在于，所述的步骤1）镍基和钴基合金粉末总熔覆厚度1.5～1.8mm。

4.根据权利要求2所述的强化连铸机结晶器铜板的方法，其特征在于，所述的镍基合金为镍铬钼铌合金或哈氏合金粉末。

5.根据权利要求2所述的强化连铸机结晶器铜板的方法，其特征在于，所述的光纤激光器为6000W光纤激光器。

6.根据权利要求1所述的强化连铸机结晶器铜板的方法，其特征在于，所述的步骤1）激光熔覆工艺为：功率：4000～5500W；光斑直径：6.0～8.0mm；焦距：340～400mm；扫描速度：2400～3200mm/min；预置粉厚度：0.5～1.0mm；粒度：-100～+270目，搭接率：30～50%。