CN103895280B - 一种非晶/纳米晶冷却辊的修复复合层及制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于材料科学技术领域，具体涉及一种非晶/纳米晶冷却辊的修复复合层及制备方法；该复合层由两层构成，连接基材的为铜基合金层，其按重量百分比计算其成分为：Ni？7~9%，Sn？8~12%，Co？5~15%，Si？0.8~2%，余量为Cu；另外一层为镍基合金层，其选自Ni-Co合金、Ni-P合金、Ni-Fe合金、Ni-Cr合金中的一种，其中Ni在合金中的重量含量为60-75%；制备方法，由以下步骤组成，冷却辊表面预处理、电镀铜基合金层、高功率激光器宽带熔覆镍基合金层；本发明制得的复合涂层均匀致密、耐磨性和耐热性优异，并且具有熔覆效率高、冷却辊对激光束能量吸收率高的特点。
Description
技术领域
本发明属于材料科学技术领域，具体涉及一种非晶/纳米晶冷却辊的修复复合层及制备方法。
技术背景
非晶/纳米晶合金是由超急冷凝固，合金凝固时原子来不及有序排列结晶，得到的固态合金是长程无序结构，没有晶态合金的晶粒、晶界存在。现在的非晶/纳米晶生产技术是将1300℃的合金钢水浇到高速旋转的通水冷却的同辊上，瞬间冷却到200℃以下，形成非晶/纳米晶。
非晶/纳米晶冷却辊是生产非晶/纳米晶合金带材的关键设备，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，使高温钢液瞬间冷却形成非晶/纳米晶薄带，非晶/纳米晶冷却辊质量好坏对非晶/纳米晶带材的生产和铸坯质量都有很大的影响。因此对非晶/纳米晶冷却辊进行修复，提高其耐磨性和耐热性，延长其使用寿命，对提高带材成型率，以及提高企业的技术经济效率具有十分重要的意义。在铜合金表面进行表面修复的方法有很多种，常见的有电镀和化学镀。但是电镀层厚度较薄（一般小于0.3mm），与基体形成结合力差的化学性结合；等离子喷涂层孔隙率高，与铜基体之间呈机械性结合，服役一段时间后易剥落。随着激光技术的广泛应用，非晶/纳米晶冷却辊表面涂层也可以采用激光熔覆技术制备，但是需要解决激光熔覆层出现的裂纹问题，而且直接在冷却辊上进行激光熔覆，冷却辊对激光束能量的吸收率低。
中国发明专利申请CN1932082A公开了一种《在结晶器表面快速熔覆制备耐磨抗热复合涂层工艺》，其工艺过程为A、结晶器铜板表面预处理；B、等离子喷涂预沉积打底合金；C、高功率激光器快速熔覆打底合金；D、高功率激光器宽带熔覆钴基合金；E、后续热处理。该专利选取与镍基自熔合金粉末（Ni-Cu-Si-B)作为打底层，在高功率低阶模起弧条件下进行激光快速熔覆，后期与铜板形成牢固的冶金结合，实现和机体材料良性的韧性；然后采用Co基合金，在结晶器铜板上进行送粉法激光宽带熔覆处理，形成均匀致密的优良抗热耐磨复合涂层。
但是上述冷却辊的修复方法，存在下述缺陷：1、需要先等离子喷涂打底，再采用5KWCO2激光器重熔，然后进行激光熔覆，工艺复杂，且等离子喷涂和高功率CO2激光器设备体积庞大，价格昂贵；2、虽然采用镍基合金粉末打底与Co基合金结合，解决了激光熔覆层裂纹的问题，但是由于在激光熔覆前对镍基合金层进行了重熔，是Co基合金的激光熔覆效率较低，冷却辊对激光束能量的吸收率低。
发明内容
为解决上述问题，本发明的目的在于提供一种非晶/纳米晶冷却辊的修复复合层，并提供该复合层的制备方法，使制得的复合涂层均匀致密、耐磨性和耐热性优异，并且具有熔覆效率高、冷却辊对激光束能量吸收率高的特点。
本发明的技术方案为：一种非晶/纳米晶冷却辊的修复复合层，该复合层由两层构成，连接基材的为铜基合金层，其按重量百分比计算其成分为：Ni7~9%，Sn8~12%，Co5~15%，Si0.8~2%，余量为Cu；另外一层为镍基合金层，其选自Ni-Co合金、Ni-P合金、Ni-Fe合金、Ni-Cr合金中的一种，其中Ni在合金中的重量含量为60-75%。
优化的，铜基合金层与镍基合金层的厚度比为1：1-2。
优化的，镍基合金层的粉末为球形或者椭球形，其粒度为109-250μm。
本发明提供的非晶/纳米晶冷却辊的修复复合层的制备方法，由以下步骤组成，
步骤一，冷却辊表面预处理
去除非晶/纳米晶冷却辊表面氧化层并清洗缺陷部位；
步骤二，电镀铜基合金层
在非晶/纳米晶冷却辊表面电镀铜基合金粉末，所述铜基合金粉末按重量百分比计算其成分为：Ni7~9%，Sn8~12%，Co5~15%，Si0.8~2%，余量为Cu；
步骤三，高功率激光器宽带熔覆镍基合金层
采取同步送粉方式喂入合金粉末，采用宽带熔覆方法在电镀铜基打底层上，熔覆镍基合金，所述镍基合金选自Ni-Co合金、Ni-P合金、Ni-Fe合金、Ni-Cr合金中的一种，其中Ni在合金中的重量含量为60-75%。
优化的，步骤二中电镀采用卧式电镀槽，镀液温度为40-50℃，电流密度为30-35mA/cm2，镀液采用空气搅拌。
优化的，步骤三中熔覆参数为：
熔覆功率P为3000-8000W
光斑直径为2-6mm
熔覆扫描速度V为5-8m/min
搭接率为40%-60%。
本发明的铜基合金层采用铜作为主要元素，与采用其他基体元素的合金相比，其与冷却辊基体匹配度更高，同时，加入适量的Ni、Sn、Co、Si能够使电镀涂层工艺性能好，防止其脱落，并具有增加激光吸收率的作用。本发明的镍基合金层利用了Ni和电镀涂层Cu有良好的相容性，同时辅助以Co、P、Fe、Cr，具有增强耐磨性、耐热性、耐腐蚀和抗疲劳性能的作用。
经过高功率激光器宽带熔覆镍基合金层后，镍基合金层与铜基合金层融和为一体，并与冷却辊形成牢固的冶金结合。
铜基合金的电镀过程中没有对目数的限制，镍基合金层粉末采用流动性好的球形或者椭球形，其粒度为109-250μm时与铜基合金层的结合及其耐磨性、耐热性、耐腐蚀和抗疲劳性能的更好。
本发明的有益效果在于：1、本发明采用电镀铜基合金层和激光熔覆镍基合金层结合的方式，使制得的复合涂层与冷却辊表面形成良好的冶金结合，并且具有均匀致密、耐磨性和耐热性优异，耐腐蚀和抗疲劳性能强等特点，延长了冷却辊的使用寿命，对企业具有重要的生产和经济价值；2、本发明所采用的铜基合金粉末流动性好，与冷却辊具有十分优异的相容性与润湿性以及相近的热物理性能；在激光熔覆修复之前，通过在冷却辊的表层电镀铜基合金层，不紧避免了涂层中的气孔与裂纹等冶金缺陷，而且提高了冷却辊对激光束能量的吸收率，提高了熔覆效率；3、本发明采用的铜基合金仅由5种金属构成，镍基合金仅由两种金属构成，组成简单，易于操作，有利于提高生产效率，且容易取得，没有昂贵的稀有金属，造价低；4、本发明仅采用预处理、电镀和激光熔覆三个步骤，操作简单，用时短，有利于提高生产效率。
附图说明
图1为本发明冷却辊基体和涂层之间形成冶金结合的组织结构图。
具体实施方式
下面结合附图和实施方式具体说明本发明。
本实施方式提供的非晶/纳米晶冷却辊的修复复合层，该复合层由两层构成，连接基材的为铜基合金层，其按重量百分比计算其成分为：Ni7~9%，Sn8~12%，Co5~15%，Si0.8~2%，余量为Cu；另外一层为镍基合金层，其选自Ni-Co合金、Ni-P合金、Ni-Fe合金、Ni-Cr合金中的一种，其中Ni在合金中的重量含量为60-75%。
其中，铜基合金层与镍基合金层的厚度比为1：1-2。
其中，镍基合金层的粉末为球形或者椭球形，其粒度为109-250μm。
本实施方式提供的非晶/纳米晶冷却辊的修复复合层的制备方法，由以下步骤组成，
步骤一，冷却辊表面预处理
去除非晶/纳米晶冷却辊表面氧化层并清洗缺陷部位；
步骤二，电镀铜基合金层
在非晶/纳米晶冷却辊表面电镀铜基合金粉末，所述铜基合金粉末按重量百分比计算其成分为：Ni7~9%，Sn8~12%，Co5~15%，Si0.8~2%，余量为Cu；
步骤三，高功率激光器宽带熔覆镍基合金层
采取同步送粉方式喂入合金粉末，采用宽带熔覆方法在电镀铜基打底层上，熔覆镍基合金，所述镍基合金选自Ni-Co合金、Ni-P合金、Ni-Fe合金、Ni-Cr合金中的一种，其中Ni在合金中的重量含量为60-75%。
步骤二中电镀采用卧式电镀槽，镀液温度为40-50℃，电流密度为30-35mA/cm2，镀液采用空气搅拌。
步骤三中熔覆参数为：
熔覆功率P为3000-8000W
光斑直径为2-6mm
熔覆扫描速度V为5-8m/min
搭接率为40%-60%。
本实施方式提供了3个实施例，其采用的具体参数如下表所述：
表1
| 实施例1 | 实施例2 | 实施例3 | |
| 铜基合金层 | Ni 7%，Sn 12%，Co 10%，Si 1.5%，余量为Cu | Ni 9%，Sn 8%，Co 15%，Si 2%，余量为Cu | Ni 8%，Sn 10%，Co 5%，Si 0.8%，余量为Cu |
| 镍基合金层 | Ni 60%， Co 40% | Ni 65%，P 35% | Ni 75%，Fe 25% |
| 镀液温度 | 40℃ | 45℃ | 50℃ |
| 电流密度 | 30mA/cm2 | 33mA/cm2 | 35mA/cm2 |
| 熔覆功率P | 5000W | 3000W | 8000W |
| 光斑直径为 | 2mm | 4mm | 6mm |
| 熔覆扫描速度 | 5m/min | 5m/min | 8m/min |
| 搭接率为 | 50% | 40% | 60% |
本实施方式的铜基合金层采用铜作为主要元素，与采用其他基体元素的合金相比，其与冷却辊基体匹配度更高，同时，加入适量的Ni、Sn、Co、Si能够使电镀涂层工艺性能好，防止其脱落，并具有增加激光吸收率的作用。本实施方式的镍基合金层利用了Ni和电镀涂层Cu有良好的相容性，同时辅助以Co、P、Fe、Cr，具有增强耐磨性、耐热性、耐腐蚀和抗疲劳性能的作用。
经过高功率激光器宽带熔覆镍基合金层后，镍基合金层与铜基合金层融和为一体，并与冷却辊形成牢固的冶金结合，如附图1所示。
铜基合金的电镀过程中没有对目数的限制，镍基合金层粉末采用流动性好的球形或者椭球形，其粒度为109-250μm时与铜基合金层的结合及其耐磨性、耐热性、耐腐蚀和抗疲劳性能的更好。
本实施方式的特点在于：1、本实施方式采用电镀铜基合金层和激光熔覆镍基合金层结合的方式，使制得的复合涂层与冷却辊表面形成良好的冶金结合，并且具有均匀致密、耐磨性和耐热性优异，耐腐蚀和抗疲劳性能强等特点，延长了冷却辊的使用寿命，对企业具有重要的生产和经济价值；2、本实施方式所采用的铜基合金粉末流动性好，与冷却辊具有十分优异的相容性与润湿性以及相近的热物理性能；在激光熔覆修复之前，通过在冷却辊的表层电镀铜基合金层，不紧避免了涂层中的气孔与裂纹等冶金缺陷，而且提高了冷却辊对激光束能量的吸收率，提高了熔覆效率；3、本实施方式采用的铜基合金仅由5种金属构成，镍基合金仅由两种金属构成，组成简单，易于操作，有利于提高生产效率，且容易取得，没有昂贵的稀有金属，造价低；4、本实施方式仅采用预处理、电镀和激光熔覆三个步骤，操作简单，用时短，有利于提高生产效率。
Claims (4)
1.一种非晶/纳米晶冷却辊的修复复合层，其特征在于：该复合层由两层构成，连接基材的为铜基合金层，其按重量百分比计算其成分为：Ni7~9%，Sn8~12%，Co5~15%，Si0.8~2%，余量为Cu；另外一层为镍基合金层，其选自Ni-Co合金、Ni-P合金、Ni-Fe合金、Ni-Cr合金中的一种，其中Ni在合金中的重量含量为60-75%；
铜基合金层与镍基合金层的厚度比为1：1-2；
镍基合金层的粉末为球形或者椭球形，其粒度为109-250μm。
2.根据权利要求1所述的非晶/纳米晶冷却辊的修复复合层的制备方法，其特征在于：由以下步骤组成，
步骤一，冷却辊表面预处理
去除非晶/纳米晶冷却辊表面氧化层并清洗缺陷部位；
步骤二，电镀铜基合金层
在非晶/纳米晶冷却辊表面电镀铜基合金粉末，所述铜基合金粉末按重量百分比计算其成分为：Ni7~9%，Sn8~12%，Co5~15%，Si0.8~2%，余量为Cu；
步骤三，高功率激光器宽带熔覆镍基合金层
采取同步送粉方式喂入合金粉末，采用宽带熔覆方法在电镀铜基打底层上，熔覆镍基合金，所述镍基合金选自Ni-Co合金、Ni-P合金、Ni-Fe合金、Ni-Cr合金中的一种，其中Ni在合金中的重量含量为60-75%。
3.根据权利要求2所述的非晶/纳米晶冷却辊的修复复合层的制备方法，其特征在于：步骤二中电镀采用卧式电镀槽，镀液温度为40-50℃，电流密度为30-35mA/cm2，镀液采用空气搅拌。
4.根据权利要求3所述的非晶/纳米晶冷却辊的修复复合层的制备方法，其特征在于：步骤三中熔覆参数为：
熔覆功率P为3000-8000W
光斑直径为2-6mm
熔覆扫描速度V为5-8m/min
搭接率为40%-60%。
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