CN104178761B

CN104178761B - 一种结晶辊表面锥形孔缺陷在线复原方法

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Publication number: CN104178761B
Application number: CN201310188445.2A
Authority: CN
Inventors: 梁永立; 史弼; 张宇军; 杨晓萍; 张俊宝
Original assignee: Baoshan Iron and Steel Co Ltd
Current assignee: Baoshan Iron and Steel Co Ltd
Priority date: 2013-05-20
Filing date: 2013-05-20
Publication date: 2017-06-23
Anticipated expiration: 2033-05-20
Also published as: CN104178761A

Abstract

一种结晶辊表面锥形孔缺陷在线复原方法，包括如下步骤：将结晶辊表面锥形孔缺陷内壁加工成柱状平底孔，再在其内壁上加工等间距分布的波浪纹理结构；然后利用高压气体与陶瓷颗粒对波浪纹理结构进行平滑和毛化处理；最后利用与结晶辊表面修复层相同的金属微粒撞击柱状平底孔底部及内壁，实现在线快速复原。本发明的整个修复过程对结晶辊基体无热影响，锥形孔缺陷修复区域与结晶辊表面修复层的微观组织一致，有效避免额外应力的产生，且两者的结合强度提高30％以上，热疲劳强度提高25％以上；本发明整个过程在线进行，工艺简单，实现了结晶辊表面修复层零去除，结晶辊表面修复效率提高30％以上，大幅度缩短修复周期，降低修复成本。

Description

一种结晶辊表面锥形孔缺陷在线复原方法

技术领域

本发明属于机械制造和炼钢连铸领域，特别涉及一种结晶辊表面锥形孔缺陷在线复原方法，具体是对结晶辊冷喷涂修复过程中修复层形成的锥形孔缺陷进行快速复原的方法。

背景技术

冷气动力喷涂修复(简称“冷喷涂修复”)铜质连铸结晶器或结晶辊技术是一项极具潜力的工件修复技术，该技术是利用高压气体携带金属微粒通过特殊的Laval喷嘴产生超音速气固双向流，高速飞行的金属微粒在完全固态下撞击待修复结晶器或结晶辊表面，金属微粒和基体表面材料同时发生剧烈塑性变形形成涂层，实现结晶器或结晶辊缺陷的修复。

但是，结晶辊冷喷涂修复是将工件夹持在回转机床或固定特殊夹具上，通过喷枪与工件之间的相互移动，实现整个表面的修复，在此过程中，受到基体表面清理、前处理、喷涂粉末颗粒的均匀性及参数波动等不确定因素的影响，极易在结晶辊1上的修复层2表面萌生锥形孔缺陷3，其典型形貌如图1所示。锥形孔缺陷一旦形成，则无法在常规修复过程中自行弥合、消失，并会伴随喷涂过程的进行不断长大，最终会导致整个修复涂层失效，造成巨大的经济损失。

发明内容

本发明的目的在于提供一种结晶辊表面锥形孔缺陷在线复原方法，对结晶辊基体无热影响，保持结晶辊基体组织稳定；锥形孔缺陷修复区域与结晶辊表面的修复层具有相同的微观结构，且两者界面为锯齿形咬合结构，无额外应力产生，结合强度高；能够在线进行，工艺简单，效率高，有效降低修复成本。

为达到上述目的，本发明的技术方案是，

一种结晶辊表面锥形孔缺陷在线复原方法，具体步骤如下：

1)孔缺陷内壁加工

将锥形孔缺陷内壁加工成柱状平底孔，然后，在柱状平底孔内壁上加工等间距分布的波浪纹理，相邻波浪纹理间距A＝(0.1～0.5)h，峰谷差值范围B＝(0.05～0.1)d，h和d分别为柱状平底孔的深度和直径；

2)内壁平滑处理

将高压气体与陶瓷颗粒形成气固双相流，其中，陶瓷颗粒喂粉速率为0.2～1L/h，形成的气固双相流以50～200m/s的速度冲击柱状平底孔内壁，进行机械研磨，去除机械加工过程中残留的边缘毛刺，获得流线型的内壁波浪纹理结构；同时，实现柱状平底孔内壁毛化处理，粗糙度范围为Ra1.5～4.5μm；

3)在线修复

调整喷枪位置和角度，利用高压驱动气体驱动与结晶辊表面修复层相同的金属微粒撞击柱状平底孔底部及内壁，通过微锻、粘接，以250～1000m/s的沉积速度进行在线快速填充，直到整个柱状平底孔完全修复。

进一步，步骤1)中，将锥形孔缺陷内壁加工成柱状平底孔时，可以采用直接磨削方法，也可以采用钻孔和磨削两种方法组合；内壁磨削使用的磨头材料为刚玉或碳化硅，磨粒尺寸范围为50～400μm。

步骤1)中，柱状平底孔内壁粗糙度小于Ra0.8μm。

步骤1)中，采用预制的丝攻加工柱状平底孔内壁波浪纹理，丝攻材料为硬质合金钢。

又，步骤2)中，高压气体的含油量小于1mg/m³、最大含尘颗粒粒径小于1μm。

步骤2)中，高压气体为压缩空气或压缩氮气，压力范围为0.1～0.9MPa，预热温度范围为20～80℃；

步骤2)中，柱状平底孔内壁的波浪纹理的峰值密度RPc大于30个/厘米。

步骤2)中，陶瓷颗粒为烧结态α氧化铝、氧化锆、碳化钨或碳化硅，其中，陶瓷颗粒粒径范围为300～600μm，球形的陶瓷颗粒所占的体积比为50％～70％。

再，步骤3)中，喷枪射流方向与柱状平底孔底面法线一致，并保持喷枪与柱状平底孔相对静止，或喷枪射流方向以柱状平底孔底面中心为圆心周期性摆动，摆动角度α小于10°，摆动速度小于5°/s；喷枪出口与柱状平底孔底面距离D为(4～12)h，h为柱状平底孔的深度。

步骤3)中，高压驱动气体为氦气或氮气，纯度99％以上，压力范围为6～12MPa。

步骤3中)，金属微粒为纯铜、铜含量大于98％的铜合金、纯镍或镍含量大于95％的镍合金，其中，粒径小于28μm的金属微粒所占的体积比大于50％。

本发明的结晶辊表面锥形孔缺陷在线复原方法修复过程中，结晶辊基体温度小于40℃；锥形孔缺陷修复区域与整体修复层微观组织保持一致，并且，锥形孔缺陷修复区域与整体修复涂层的结合强度提高了30％以上，热疲劳强度提高了25％以上。

本发明的有益效果

1.本发明将锥形孔缺陷加工成柱状平底孔，并将柱状平底孔内壁加工成波浪纹理结构，使锥形孔缺陷修复区域与结晶辊表面的修复层界面为锯齿形咬合结构，结合强度提高30％以上，热疲劳强度提高25％以上；

2.与传统堆焊工艺相比，本发明的复原方法对结晶辊基体无热影响，不会对结晶辊基体的组织结构产生负面影响；

3.本发明的锥形孔缺陷修复区域与整体涂层微观组织保持一致，有效避免额外应力的产生；

4.本发明工艺简单，整个过程在线进行，实现了结晶辊表面修复层零去除，大大简化了结晶辊修复流程，大幅度缩短修复周期，降低修复成本，同时，结晶辊表面修复效率提高30％以上。

附图说明

图1为现有结晶辊修复过程中的典型锥形孔缺陷示意图；

图2为本发明将锥形孔缺陷内壁加工后的柱状平底孔示意图；

图3为本发明的柱状平底孔内壁波浪纹理结构示意图；

图4为本发明的喷枪射流角度示意图；

图5为本发明锥形孔缺陷修复初期形貌示意图；

图6为本发明锥形孔缺陷修复最终形貌示意图；

图7为本发明实施例1的锥形孔缺陷修复区域典型微观组织结构。

具体实施方式

下面结合实施例和附图对本发明做进一步说明。

参见图1～图6，本发明的结晶辊表面锥形孔缺陷在线复原方法，包括如下步骤：1)将锥形孔缺陷3内壁加工成柱状平底孔4，然后，在柱状平底孔4内壁上加工等间距分布的波浪纹理41；2)利用高压气体与陶瓷颗粒形成的气固双相流，以50～200m/s的速度冲击柱状平底孔4内壁，进行机械研磨，去除机械加工过程中残留的边缘毛刺，获得流线型的内壁纹理41结构；同时，实现柱状平底孔4内壁毛化处理；3)使喷枪5出口射流方向与柱状平底孔4缺陷底面法线方向保持一致；然后，利用高压驱动气体驱动与结晶辊1表面上的修复层2相同的金属微粒撞击柱状平底孔4底部及内壁，通过微锻、粘接，以250～1000m/s的沉积速度进行在线快速填充，直到整个柱状平底孔4完全修复。

下面结合具体实施例对本发明进行详细说明：

实施例1

1)结晶辊表面修复层为CrZrCu合金，锥形孔缺陷直径为深度4mm，采用钻孔与研磨结合的方法，加工成直径深度h＝5mm的柱状平底孔，内壁粗糙度为Ra0.6μm；利用淬火处理的Cr12MoV钢丝攻进行内壁纹理加工，加工成波浪纹理结构，相邻纹理间距A＝2.5mm，峰谷差值B＝0.25mm。

2)利用压力值为0.4MPa、预热温度50℃、含油量小于0.8mg/m³、最大含尘颗粒粒径小于0.6μm的压缩空气与粒径300μm的烧结态的α氧化铝颗粒形成的气固双相流进行内壁研磨，其中，陶瓷颗粒喂粉速率为0.2L/h，冲击速度128m/s，球形的陶瓷颗粒所占体积比例为63％；去除机械加工过程中残留的边缘毛刺，获得流线型的内壁纹理结构；同时，实现柱状平底孔内壁毛化处理，粗糙度范围为Ra1.5μm，波浪纹理毛化的峰值密度RPc为63个/厘米。

3)喷枪射流方向与柱状平底孔底面法线一致，并保持喷枪与柱状平底孔相对静止，喷枪出口与柱状平底孔底部距离D为20mm；利用纯度99.9％的氮气、压力为6.5MPa的高压驱动气体驱动含铜99.2％的CrZrCu合金撞击柱状平底孔底部及内壁，其中，CrZrCu合金粒径小于28μm微粒比例达到73％；通过微锻、粘接，以660m/s的沉积速度进行在线快速填充，直到整个柱状平底孔完全修复。

修复区域铜合金的微观组织如图7所示，该修复区域为致密的颗粒堆垛沉积结构，修复过程中结晶辊基体温度小于50℃；柱状平底孔修复区域与整体修复涂层的结合强度提高了25％，热疲劳强度提高了18％。

实施例2

1)结晶辊表面修复层为BeNiCu合金，锥形孔缺陷直径为深度5mm，采用钻孔与研磨结合的方法，加工成直径深度h＝5.5mm的柱状平底孔，内壁粗糙度为Ra0.7μm；利用V4钢丝攻进行内壁纹理加工，加工成波浪纹理结构，相邻纹理间距A＝2.0mm，峰谷差值B＝0.35mm。

2)利用压力值为0.5MPa、预热温度45℃、含油量小于0.7mg/m³、最大含尘颗粒粒径小于0.8μm的压缩空气与粒径360μm的氧化锆颗粒形成的气固双相流进行内壁研磨，其中，陶瓷颗粒喂粉速率为0.5L/h，冲击速度106m/s，球形的陶瓷颗粒所占体积比例为68％；去除机械加工过程中残留的边缘毛刺，获得流线型的内壁纹理结构；同时，实现柱状平底孔内壁毛化处理，粗糙度范围为Ra2.5μm，波浪纹理的峰值密度RPc为58个/厘米。

3)喷枪射流方向以柱状平底孔底面中心为圆心周期性摆动，以2.5°/s的速度摆动，摆动角度α为7.5°，喷枪出口与柱状平底孔底部距离D为50mm；利用纯度99.9％的氮气、压力为9MPa的高压驱动气体驱动含铜98.5％的BeNiCu合金撞击柱状平底孔底部及内壁，其中，BeNiCu合金粒径小于28μm微粒比例达到80％；通过微锻、粘接，以750m/s的沉积速度进行在线快速填充，直到整个柱状平底孔完全修复。

修复过程中结晶辊基体温度小于60℃；修复区域与整体修复涂层的结合强度提高了20％，热疲劳强度提高了22％。

实施例3

1)结晶辊表面修复层为纯铜，锥形孔缺陷直径为深度6mm，采用磨粒尺寸120μm刚玉磨头直接研磨加工成直径深度h＝7mm的柱状平底孔，内壁粗糙度为Ra0.45μm；利用高速钢丝攻进行内壁纹理加工，加工成波浪纹理结构，相邻纹理间距A＝2.2mm，峰谷差值B＝0.5mm。

2)利用压力值为0.7MPa、预热温度80℃、含油量小于0.9mg/m³、最大含尘颗粒粒径小于0.5μm的压缩空气与粒径580μm的碳化硅颗粒形成的气固双相流进行内壁研磨，其中，陶瓷颗粒喂粉速率为0.8L/h，冲击速度60m/s，球形的陶瓷颗粒所占的体积比例为53％；去除机械加工过程中残留的边缘毛刺，获得流线型的内壁纹理结构；同时，实现柱状平底孔内壁毛化处理，粗糙度范围为Ra3.5μm，波浪纹理的峰值密度RPc为33个/厘米。

3)喷枪射流方向以柱状平底孔底面中心为圆心周期性摆动，以1°/s的速度摆动，摆动角度α为5°，喷枪出口与柱状平底孔底部距离D为48mm；利用纯度99.9％的氮气、压力为7MPa的高压驱动气体驱动99.9％以上的纯铜撞击柱状平底孔底部及内壁，其中，粒径小于28μm纯铜微粒比例达到97％；通过微锻、粘接，以630m/s的沉积速度进行在线快速填充，直到整个柱状平底孔完全修复。

修复过程中结晶辊基体温度小于50℃；修补区域与整体修复涂层的结合强度提高了30％，热疲劳强度提高了25％。

实施例4

1)结晶辊表面修复层为纯镍，锥形孔缺陷直径为深度6mm，采用磨粒尺寸240μm碳化硅磨头直接研磨加工成直径深度h＝8mm的柱状平底孔，内壁粗糙度为Ra0.77μm；利用V4钢丝攻进行内壁纹理加工，加工成波浪纹理结构，相邻纹理间距A＝3.5mm，峰谷差值B＝0.7mm。

2)利用压力值为0.8MPa、预热温度75℃、含油量小于0.6mg/m³、最大含尘颗粒粒径小于0.5μm的压缩空气与粒径400μm的碳化钨颗粒形成的气固双相流进行内壁研磨，其中，陶瓷颗粒喂粉速率为1L/h，冲击速度95m/s，球形的陶瓷颗粒所占的体积比例为55％；去除机械加工过程中残留的边缘毛刺，获得流线型的内壁纹理结构；同时，实现柱状平底孔内壁毛化处理，粗糙度范围为Ra4.5μm，波浪纹理的峰值密度RPc为50个/厘米。

3)喷枪射流方向与柱状平底孔底面法线一致，并保持相对静止，喷枪出口与柱状平底孔底部距离D为42mm；利用纯度99.9％的氦气、压力为12MPa的高压驱动气体驱动纯镍撞击柱状平底孔底部及内壁，其中，纯镍粒径小于28μm微粒比例达到85％；通过微锻、粘接，以820m/s的沉积速度进行在线快速填充，直到整个柱状平底孔完全修复。

修复过程中结晶辊基体温度小于40℃，修补区域与整体修复涂层的结合强度提高了20％，热疲劳强度提高了22％。

Claims

1.一种结晶辊表面锥形孔缺陷在线复原方法，包括如下步骤：

1)孔缺陷内壁加工

将锥形孔缺陷内壁加工成柱状平底孔，柱状平底孔内壁粗糙度小于Ra0.8μm，然后，在柱状平底孔内壁上加工等间距分布的波浪纹理，相邻波浪纹理间距A＝0.1～0.5h，峰谷差值B＝0.05～0.1d，h和d分别为柱状平底孔的深度和直径，单位mm；

2)内壁平滑处理

3)在线修复

2.如权利要求1所述的结晶辊表面锥形孔缺陷在线复原方法，其特征在于，步骤2)中，高压气体的含油量小于1mg/m³、最大含尘颗粒粒径小于1μm。

3.如权利要求1或2所述的结晶辊表面锥形孔缺陷在线复原方法，其特征在于，步骤2)中，高压气体为压缩空气或压缩氮气，压力范围为0.1～0.9MPa，预热温度范围为20～80℃。

4.如权利要求1所述的结晶辊表面锥形孔缺陷在线复原方法，其特征在于，步骤2)中，陶瓷颗粒为烧结态α氧化铝、氧化锆、碳化钨或碳化硅，其中，陶瓷颗粒粒径为300～600μm，球形的陶瓷颗粒所占体积比为50％～70％。

5.如权利要求1所述的结晶辊表面锥形孔缺陷在线复原方法，其特征在于，步骤2)中，柱状平底孔内壁的波浪纹理的峰值密度RPc大于30个/厘米。

6.如权利要求1所述的结晶辊表面锥形孔缺陷在线复原方法，其特征在于，步骤3)中，喷枪射流方向与柱状平底孔缺陷底面法线方向一致，并保持喷枪与柱状平底孔相对静止，或喷枪射流方向以柱状平底孔底面中心为圆心周期性摆动，摆动角度α小于10°，摆动速度小于5°/s。

7.如权利要求1或6所述的结晶辊表面锥形孔缺陷在线复原方法，其特征在于，步骤3)中，喷枪出口与柱状平底孔底部距离D为4～12h，h为柱状平底孔的深度。

8.如权利要求1所述的结晶辊表面锥形孔缺陷在线复原方法，其特征在于，步骤3)中，高压驱动气体为氦气或氮气，纯度99％以上，压力范围为6～12MPa。

9.如权利要求1所述的结晶辊表面锥形孔缺陷在线复原方法，其特征在于，步骤3)中，金属微粒为纯铜、铜含量大于98％的铜合金、纯镍或镍含量大于95％的镍合金，其中，粒径小于28μm的金属微粒所占体积比大于50％。