CN103805989A

CN103805989A - 一种铜合金结晶器表面激光熔覆梯度涂料的方法

Info

Publication number: CN103805989A
Application number: CN201410021468.9A
Authority: CN
Inventors: 王文焱; 元亚莎; 张豪胤; 许开辉; 谢敬佩; 王爱华; 王爱琴; 李继文; 李洛利
Original assignee: Henan University of Science and Technology
Current assignee: Henan University of Science and Technology
Priority date: 2014-01-17
Filing date: 2014-01-17
Publication date: 2014-05-21
Anticipated expiration: 2034-01-17
Also published as: CN103805989B

Abstract

本发明涉及金属表面改性技术，具体的说是一种铜合金结晶器表面激光熔覆梯度涂料的方法。选取铜合金结晶器并对其表面进行预处理，选取成分为4%~6%的Al、92%~93.5%的Ni，其余为杂质的镍基合金粉末，成分为0.9%~1.2%的C、26.5%~30.5%的Cr、0.8%~1.1%的Si、3.4%~5.4%的W、1.0%~2.0%的Fe、1.2%~2%的Ni，其余为Co的钴基合金粉末，将两种合金粉末分别用金属粘接剂调成膏状物，然后在铜合金结晶器表面交替涂覆，最后进行激光熔覆。本发明极大的提高了铜合金结晶器的耐磨性与耐蚀性，且所得涂层组织连续、平整，整个过程清洁无污染且成品率高。

Description

一种铜合金结晶器表面激光熔覆梯度涂料的方法

技术领域

本发明涉及金属表面改性技术，具体的说是一种铜合金结晶器表面激光熔覆梯度涂料的方法。

背景技术

铜及铜合金是人类历史上使用最早的金属材料之一，铜合金具有高的导电性、导热性及优良的成形性，广泛用于电力、电工、矿山、冶金及机械制造业，在冶金工业许多环节中，铜是许多关键部件的制作材料，例如，连续铸造的心脏——结晶器就是采用铜合金制造，结晶器是炼钢中连续铸钢的重要部件，其功能是将高温钢水在结晶器中连续冷凝至规定尺寸和几何形状的钢坯，以一定的速度平稳拉出，而且其技术性能将直接影响到铸锭的内部组织、铸坯的表面质量、连铸机的拉速和生产效率等指标；但由于铜基的耐磨性很差，大大影响了结晶器的使用寿命，工程应用中常常需要对其进行表面涂覆或改性。

目前广泛使用的铜质结晶器一般采用电镀和热喷涂、渗镀等表面处理方法进行表面改性，以提高结晶器铜板的耐磨性和耐蚀性，但由于电镀和热喷涂制备的涂层与基体是机械结合，而渗镀的工艺较难控制，且工艺成本较高，故在一定程度上降低了其强化效果。

激光熔覆（Laser Cladding）亦称激光包覆或激光熔敷，是一种新的表面改性技术，它通过在基材表面添加熔覆材料，并利用高能密度的激光束使之与基材表面薄层一起熔凝的方法，在基层表面形成与其为冶金结合的添料熔覆层，激光熔覆技术可制备与基体形成冶金结合的特殊功能涂层，对环境无污染，还具有生产率高、成品率高以及综合成本低等特点。然而，由于结晶器中铜基体的热膨胀系数大（1.67×10-5/K），与许多材料浸润性差等，并与抗热、耐磨涂层结合力较差，因此选择适当的合金粉末在铜基材料形成无裂纹、冶金结合好、耐高温、耐磨损、高强度熔覆涂层，对提高结晶器的寿命至关重要，而且，传统的激光熔覆通常都是在基体表面熔覆单层材料，对需进行表面改性处理的金属的性能的提升作用十分有限。

发明内容

为了解决上述技术问题，本发明提供一种铜合金结晶器表面激光熔覆梯度涂料的方法，能够极大的提高铜合金结晶器的耐磨性及耐腐蚀性。

本发明为解决上述技术问题所采用的技术方案为，一种铜合金结晶器表面激光熔覆梯度涂料的方法，选取铜合金结晶器并对其表面进行预处理，然后在其表面涂覆涂料层，最后进行激光熔覆，所述涂料层是由镍基合金粉末涂层和钴基合金粉涂层末交替形成的梯度涂层，所述的镍基合金粉末的成分为4%~6%的Al、92%~93.5%的Ni，其余为杂质；所述的钴基合金粉末的成分为0.9%~1.2%的C、26.5%~30.5%的Cr、0.8%~1.1%的Si、3.4%~5.4%的W、1.0%~2.0%的Fe、1.2%~2%的Ni，其余为Co；将上述两种合金粉末分别用金属粘接剂调成膏状物，然后按先涂镍基合金粉末后钴基合金粉末的顺序在预处理过的铜合金结晶器表面交替涂覆，最后进行激光熔覆。

上述方法中，铜合金的预处理过程为将其基体表面进行打磨、清洗、吹干处理。

需要注意的是，在将两种合金粉末分别调成膏状物之前，先将其研磨至平均粒径均≤2μm，并进行烘干处理。

作为优选的方案，镍基合金粉末所用的粘接剂为醋三纤维，钴基合金粉末所用的粘接剂为二丙酮醇溶液。

在铜合金结晶器上涂覆涂料层时，所涂覆的镍基合金粉末涂层和钴基合金粉末涂层的厚度均为0.1mm~0.2mm，最终铜合金结晶器表面涂覆的涂料层的总厚度为0.65mm~0.8mm。

在激光熔覆处理过程中，激光光斑大小1.5mm，脉宽为1.1ms，激光脉冲频率为40Hz，焊接功率为370W，激光扫描速度300mm/min，扫描半径R=1mm，扫描圈数为2。

有益效果：本发明一种铜合金结晶器表面激光熔覆梯度涂料的方法，从宏观上可以使得铜合金结晶器表面得到较厚的一层冶金结合带，且所涂覆的合金粉末与铜合金表面的结合区域较平整，涂层与基底界面冶金结合良好，而且通过显微组织分析发现此结合区无裂纹、杂质等缺陷，熔覆层内有大量细小均匀的鱼骨状树枝晶，极大的提高了铜合金结晶器的耐磨性与耐蚀性，组织连续、平整，整个过程清洁无污染且成品率高。

附图说明

图1为本发明的合金粉末熔覆后形成的熔覆层与基体结合区域的SEM图；

图2为本发明的合金粉末熔覆后形成的熔覆层的微观组织形貌；

图3为本发明的合金粉末熔覆后形成的熔覆层的XRD谱线标定图；

图4为本发明的合金粉末熔覆后形成的熔覆层的表面到基体的显微硬度分布图；

图5为本发明的合金粉末熔覆后形成的熔覆层的摩擦磨损系数的比较示意图。

具体实施方式

实施例一、

一种铜合金结晶器表面激光熔覆梯度涂料的方法，选取铜合金结晶器并对其表面进行预处理，然后在其表面涂覆涂料层，最后进行激光熔覆，所述涂料层是由镍基合金粉末涂层和钴基合金粉涂层末交替形成的梯度涂层，所述的镍基合金粉末的成分为4%的Al、92%的Ni，其余为杂质；所述的钴基合金粉末的成分为0.9%的C、26.5%的Cr、0.8%的Si、3.4%的W、1.0%的Fe、1.2%的Ni，其余为Co；将上述两种合金粉末分别用金属粘接剂调成膏状物，然后按先涂镍基合金粉末后钴基合金粉末的顺序在预处理过的铜合金结晶器表面交替涂覆，最后进行激光熔覆。

铜合金的预处理过程为将其基体表面进行打磨、清洗、吹干处理。

在将两种合金粉末分别调成膏状物之前，先将其研磨至平均粒径均≤2μm，并进行烘干处理。

镍基合金粉末所用粘接剂为醋三纤维，钴基合金粉末所用粘接剂为二丙酮醇溶液。

所述的镍基合金粉末涂层和钴基合金粉末涂层的厚度均为0.1mm~0.2mm，最终铜合金结晶器表面涂覆的涂料层的总厚度为0.65mm~0.8mm。

实施例二、

一种铜合金结晶器表面激光熔覆梯度涂料的方法，选取铜合金结晶器并对其表面进行预处理，然后在其表面涂覆涂料层，最后进行激光熔覆，所述涂料层是由镍基合金粉末涂层和钴基合金粉涂层末交替形成的梯度涂层，所述的镍基合金粉末的成分为5%的Al、93%的Ni，其余为杂质；所述的钴基合金粉末的成分为1.0%的C、28.5%的Cr、1.0%的Si、4%的W、1.5%的Fe、1.6%的Ni，其余为Co；将上述两种合金粉末分别用金属粘接剂调成膏状物，然后按先涂镍基合金粉末后钴基合金粉末的顺序在预处理过的铜合金结晶器表面交替涂覆，最后进行激光熔覆。

实施例三、

一种铜合金结晶器表面激光熔覆梯度涂料的方法，选取铜合金结晶器并对其表面进行预处理，然后在其表面涂覆涂料层，最后进行激光熔覆，所述涂料层是由镍基合金粉末涂层和钴基合金粉涂层末交替形成的梯度涂层，所述的镍基合金粉末的成分为6%的Al、93.5%的Ni，其余为杂质；所述的钴基合金粉末的成分为1.2%的C、30.5%的Cr、1.1%的Si、5.4%的W、2.0%的Fe、2%的Ni，其余为Co；将上述两种合金粉末分别用金属粘接剂调成膏状物，然后按先涂镍基合金粉末后钴基合金粉末的顺序在预处理过的铜合金结晶器表面交替涂覆，最后进行激光熔覆。

在上述实施例中实施激光熔敷时，采用的激光器型号为LCY-400 Nd：YAG激光器（波长λ＝1.06微米）进行激光熔覆，同时以氩气为保护气体对激光熔池进行保护，激光光斑直径为1.5mm，脉宽1.1ms，激光脉冲频率40Hz，焊接功率370W，激光扫描速度300mm/min，扫描半径R=1mm，扫描圈数2。保护气为氩气，氩气流动渠道有两个，一个与激光束同轴保护聚焦镜头，流速为1.2L/min，另一条保护气体通过整齐排列的直径为0.3mm的小洞保护激光焊熔池，流速为1.75L/min。

通过上述方法制得的铜合金结晶器，对其表面进行激光熔覆梯度涂料后的合金化区域的组织和物相分析结果如下，如图1所示的合金粉末熔覆后形成的熔覆层与基体结合区域的SEM图，图中上部基体，下部熔覆层，从图中可以看出，涂层与基底界面呈较好的冶金结合状态，界面无裂纹、杂质等缺陷；图2为本发明的合金粉末熔覆后形成的熔覆层的微观组织形貌，从图中可以看出，熔覆层内有大量细小均匀的鱼骨状树枝晶，组织连续、平整；图3为本发明的合金粉末熔覆后形成的熔覆层的XRD谱线标定图，从图中可以看出熔覆界面处有Ni、Co、AlNi₃、Cr₂₃C₆和Cr₇C₃等化合物生成，AlNi₃成分特有的微观组织结构在磨损过程中降低了与摩擦副之间的摩擦系数，从而起到了减磨的作用，另外多种碳化物的形成会使熔覆层的硬度显著提高，能够提高铜合金结晶器的耐磨性能；图4为本发明的合金粉末熔覆后形成的熔覆层从表面到基体的显微硬度分布图，从图中可以看出，熔覆层的硬度值明显高于基体，熔覆层平均显微硬度在300HV以上，而基体的显微硬度在100HV左右，这是因为，激光熔覆处理后铜合金结晶器表面所获得的熔覆层为致密层，且在快速凝固过程中由于不均匀收缩所产生的位错与增强相颗粒之间、位错与位错之间的相互交织对熔覆层有强化作用；图5为本发明的合金粉末熔覆后形成的熔覆层的摩擦磨损系数的比较示意图，从图中可以看出，激光熔覆后，铜合金结晶器表面的摩擦系数变小，提高了其耐磨性。

Claims

1.一种铜合金结晶器表面激光熔覆梯度涂料的方法，选取铜合金结晶器并对其表面进行预处理，然后在其表面涂覆涂料层，最后进行激光熔覆，其特征在于：所述涂料层是由镍基合金粉末涂层和钴基合金粉末涂层末交替形成的梯度涂层，

所述的镍基合金粉末的成分为4%~6%的Al、92%~93.5%的Ni，其余为杂质；所述的钴基合金粉末的成分为0.9%~1.2%的C、26.5%~30.5%的Cr、0.8%~1.1%的Si、3.4%~5.4%的W、1.0%~2.0%的Fe、1.2%~2%的Ni，其余为Co；

将上述两种合金粉末分别用金属粘接剂调成膏状物，然后按先涂镍基合金粉末后钴基合金粉末的顺序在预处理过的铜合金结晶器表面交替涂覆，最后进行激光熔覆。

2.根据权利要求1所述的一种铜合金结晶器表面激光熔覆梯度涂料的方法，其特征在于：铜合金的预处理过程为将其基体表面进行打磨、清洗、吹干处理。

3.根据权利要求1所述的一种铜合金结晶器表面激光熔覆梯度涂料的方法，其特征在于：在将两种合金粉末分别调成膏状物之前，先将其研磨至平均粒径均≤2μm，并进行烘干处理。

4.根据权利要求1所述的一种铜合金结晶器表面激光熔覆梯度涂料的方法，其特征在于：镍基合金粉末所用粘接剂为醋三纤维，钴基合金粉末所用粘接剂为二丙酮醇溶液。

5.根据权利要求1所述的一种铜合金结晶器表面激光熔覆梯度涂料的方法，其特征在于：在交替涂覆镍基合金粉末涂层和钴基合金粉涂层时，需等上一层涂层晾干后再进行下一层的涂覆。

6.根据权利要求1所述的一种铜合金结晶器表面激光熔覆梯度涂料的方法，其特征在于：所述的镍基合金粉末涂层和钴基合金粉末涂层的厚度均为0.1mm~0.2mm，最终铜合金结晶器表面涂覆的涂料层的总厚度为0.65mm~0.8mm。

7.根据权利要求1所述的一种铜合金结晶器表面激光熔覆梯度涂料的方法，其特征在于：在激光熔覆处理过程中，激光光斑大小1.5mm，脉宽为1.1ms，激光脉冲频率为40Hz，焊接功率为370W，激光扫描速度300mm/min，扫描半径R=1mm，扫描圈数为2。