CN107641806A - 一种薄带连铸结晶辊表面复合涂层及其制备方法 - Google Patents

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王万林
周乐君
朱晨阳
应国民
路程
余杰
张凯旋
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Abstract

本发明特别涉及一种薄带连铸结晶辊表面复合涂层及其制备方法。所述复合涂层由镍铜合金层和氮化钛层组成；其中镍铜合金层包覆于薄带连铸结晶辊表面；所述氮化钛层附着于镍铜合金层上；所述镍铜合金层的厚度大于等于3mm；所述氮化钛层的厚度为3‑5微米。本发明先采用超音速火焰喷涂技术对镍源粉末和铜源粉末组成的混合颗粒进行喷涂，经去应力退火后，再采用磁控溅射技术制备覆盖在镍基、铜基混合涂层上的氮化钛涂层，从而制备性能优异的复合涂层。该种合金、化合物复合涂层结合了合金导热高，氮化钛耐磨性好且与钢液润湿性能、润滑性好的优点，且磁控溅射涂层均匀性优异、致密度好，无需再进行其他表面处理。

Description

一种薄带连铸结晶辊表面复合涂层及其制备方法
技术领域
本发明涉及一种薄带连铸结晶辊表面处理方法，特别涉及一种薄带连铸结晶辊表面复合涂层及其制备方法。
背景技术
薄带连铸技术是21世纪钢铁工业最重要的一次技术革命，该技术将连续浇铸、轧制、甚至热处理集成一体，且生产出的薄带坯稍经冷轧就可以一次成形成为工业成品。因此，传统工艺的生产周期大大缩短，能源消耗及成本显著降低，且产品质量不低于甚至高于传统工艺。由于其显著缩短了生产周期，明显减小了劳动强度，并急剧降低了制造成本，被誉为“21世纪钢铁工业的新技术革命”。我国钢铁工业目前正面临着供给侧改革的压力，一方面淘汰落后产能，一方面钢铁行业面临着升级产品结构的重大挑战。基于薄带连铸技术“短流程、高效率、高集成、高品质”等技术特色，大力发展先进薄带连铸技术对提升我国钢铁行业技术、产品升级具有关键意义。在薄带连铸生产中，凝固钢液与结晶辊表面是直接接触的，涂层材料的使用将延长结晶辊的寿命，改善凝固或半凝固铸坯与结晶辊之间的润滑性能、传热性能，进一步的对坯壳初始凝固、铸坯脱模以及最终铸坯质量产生影响。
现已开发多种薄带连铸结晶辊涂层技术，如申请号：200910197646.2的专利，高耐磨结晶器或结晶辊表面复合涂层及其制造方法，公布了一种采用采用冷气动力喷涂复合涂层制备技术，通过金属或合金微粒发生强烈塑性变形粘附在结晶器或结晶辊表面形成复合涂层的方案。使用该技术制得涂层耐磨性优异，能够有效延长结晶辊使用寿命。但由于采用化合物增强体和金属颗粒结合，导致导热性相比纯金属而言有所下降，传热性能一般，同时其所设计的涂层中增强体颗粒在设备使用过程中，还存在与目标产物反应的情况；这导致设备在使用后期的性能急剧衰减。申请号：200610030213.4的专利，一种薄带连铸结晶辊表面电镀方法及其电镀液，公布了一种结晶辊表面镀镍的方法及其专用电镀液，所得金属镍镀层与基体结合力强、应力小、导热性好，但耐磨性相比陶瓷之类硬质涂层明显要差。
发明内容
考虑到现有多种薄带连铸结晶辊涂层制备技术，但基本没有能将好的导热性能及优异的耐磨及润滑性能结合的涂层技术。本发明提供了一种薄带连铸结晶辊表面复合涂层及其制备方法提供了一种新型复合涂层材料及其制备技术。所设计和制备的复合涂层，其主体为镍铜合金，其表层为氮化钛层。本发明通过调整镍铜合金的组分以及厚度，配合适当厚度的氮化钛层实现了导热性好、硬度及耐磨性较好的技术目的。
本发明一种薄带连铸结晶辊表面复合涂层，所述复合涂层由镍铜合金层和氮化钛层组成；其中镍铜合金层包覆于薄带连铸结晶辊表面；所述氮化钛层附着于镍铜合金层上；所述镍铜合金层的厚度大于等于3mm；所述氮化钛层的厚度为3-5微米。
本发明一种薄带连铸结晶辊表面复合涂层，所述镍铜合金层中，镍与铜的摩尔比为1：0.5-1。
本发明一种薄带连铸结晶辊表面复合涂层，所述镍铜合金层的厚度为3-5mm。
本发明一种薄带连铸结晶辊表面复合涂层的制备方法，包括下述步骤：
步骤一
对表面清洁、干燥的结晶辊进行表面毛化处理，得到粗糙度Ra为50-100微米的备用辊；
步骤二
按设计组分配取Ni源粉末和Cu源粉末，采用超音速火焰喷涂技术在备用辊表面制备一层镍铜合金层；得到待退火处理的薄带连铸结晶辊；
步骤三
对待退火处理的薄带连铸结晶辊；进行退火处理，得到退火后的薄带连铸结晶辊；所述退火处理的气氛选自氩气、氮气中的一种，所述退火的温度为700-800℃、时间为2-3h；
步骤四
以纯度大于等于99.99％的氮化钛作为靶材，通过磁控溅射，在退火后的薄带连铸结晶辊表面制备氮化钛层；所述氮化钛层的厚度为3-5微米。
本发明一种薄带连铸结晶辊表面复合涂层的制备方法，步骤二中Ni源粉末为Ni粉或Ni合金粉；所述Cu源粉末为Cu粉或Cu合金粉。
作为优选方案，本发明一种薄带连铸结晶辊表面复合涂层的制备方法，Ni源粉末的粒度为20-100微米；所述Cu源粉末的粒度为40-150微米。
作为优选方案，本发明一种薄带连铸结晶辊表面复合涂层的制备方法，超音速火焰喷涂时，控制焰流速度为400-450m/s、控制粒子速度为380-420m/s、控制火焰温度为2800-3100℃。超音速火焰喷涂时，备用辊表面温度一般会低于200℃。
作为优选方案，本发明一种薄带连铸结晶辊表面复合涂层的制备方法，磁控溅射制备氮化钛层时，控制磁控溅射功率为190-210w，喷涂时间为160-190min。磁控溅射时，所用气氛为高纯氩气或高纯氮气，所述高纯氩气或高纯氮气的纯度均大于等于99.99％。
本发明所设计和制备的薄带连铸结晶辊表面复合涂层的磨损量小于等于0.13g；峰值热流大于等于14.72MW/m2。
本发明所设计和制备复合涂层具有明显的多种涂层材料及方法优势结合特点。复合涂层主体为镍铜合金涂层，导热性好、硬度及耐磨性较好；而氮化钛层致密度极高，导热性较好、硬度及耐磨性极好，且与钢液间润湿性很好。而主体涂层镍铜合金涂层较厚，氮化钛涂层极薄，因此复合涂层导热性好；且复合涂层表层为氮化钛涂层带来了绝佳的硬度及耐磨性，润滑性能好，以及良好的润湿行为，能使钢液与结晶辊界面间的传热进一步提高。因此，本发明的新涂层综合性能明显优于现有涂层。除此之外，本发明所设计和制备的薄带连铸结晶辊在使用时，具有较长的使用寿命。同时由于本发明所设计和制备的薄带连铸结晶辊还改善凝固或半凝固铸坯与结晶辊之间的润滑性能、传热性能，这对坯壳初始凝固、铸坯脱模产生影响，最终可达到提高铸坯质量的目的。
附图说明
图1为薄带连铸结晶辊表面复合涂层的制备方法流程图
具体实施方式
实施例1
本实施例中，制备薄带连铸结晶辊表面复合涂层的步骤如下：
步骤一
取薄带连铸结晶辊(其材质为紫铜)，对其表面清洁、干燥的结晶辊进行表面毛化处理，得到粗糙度Ra为70微米的备用辊；
步骤二
按设计组分配取Ni粉和Cu粉，采用超音速火焰喷涂技术在备用辊表面制备一层镍铜合金层；得到待退火处理的薄带连铸结晶辊；所配取的Ni粉和Cu粉的摩尔比为1：0.8；所述Ni粉的粒度为40-80微米；所述Cu粉的粒度为70-100微米；
超音速火焰喷涂时，控制焰流速度为420m/s、控制粒子速度为400m/s、控制火焰温度为2950℃左右，备用辊的温度为180℃。
所得镍铜合金层的厚度为4.32毫米。
步骤三
对待退火处理的薄带连铸结晶辊；进行退火处理，得到退火后的薄带连铸结晶辊；所述退火处理的气氛为氩气，所述退火的温度为760℃、时间为2.4h；
步骤四
以纯度大于等于99.99％的氮化钛作为靶材，通过磁控溅射，在退火后的薄带连铸结晶辊表面制备氮化钛层；所述氮化钛层的厚度为4.13微米(涂层1)；磁控溅射时控制磁控溅射功率为200w，喷涂时间为180min。磁控溅射时采用高纯氩气作为保护气氛。
所得产品的结构为基底/镍铜合金层/氮化钛层。其磨损量以及峰值热流的检测值见表1。
对比例1
本对比例与实施例1相比较，只采用了实施例1中的步骤一(其中步骤一所用条件参数完全和实施例1一致)和步骤四；省去了步骤二和步骤三；且制备氮化钛层的工艺为：
在结晶辊表面采用超音速火焰喷涂氮化钛，完成复合涂层制备。得到氮化钛涂层厚度为4.42mm。(涂层2)所述超音速火焰喷涂氮化钛的工艺条件参数为控制焰流速度为410m/s、控制粒子速度为390m/s、控制喷涂温度为3100℃左右。
所得产品的结构为基底/氮化钛层。其磨损量以及峰值热流的检测值见表1。
对比例2
本对比例与实施例1相比较，只采用了实施例1中的步骤一(其中步骤一所用条件参数完全和实施例1一致)、步骤二(步骤二中稍微增加原料的用量)、步骤三(与实施例1的条件完全一致)；省去了步骤四；所得产品的结构为基底/铜镍合金层，铜镍合金层的厚度为4.38。其磨损量以及峰值热流的检测值见表1。
在本发明的实施例和对比例中，产品耐磨性能采用参数磨损量衡量，摩擦体为中碳钢、载荷为400N,,摩擦时间为30min。传热性能采用自主研发的热流测试装置进行测试，试样为低碳钢，质量为3.5g，温度为1520摄氏度(专利号：201610049659.5)，用峰值热流来评估。
表1涂层性能测试表
磨损量(g) 峰值热流(MW/m2)
涂层1 0.13 14.72
涂层2 0.15 5.34
涂层3 0.52 14.53
从上表结果可知，本发明复合涂层相比单一同厚度涂层有着明显的性能方面的优势，从耐磨性可推测出，该涂层较其他涂层使用寿命大幅度提高，从传热测试得出，该涂层传热性能更好，更加有利于热量释放，提高铸坯冷却速度，适用于高拉速薄带连铸生产。

Claims (9)

1.一种薄带连铸结晶辊表面复合涂层，其特征在于：所述复合涂层由镍铜合金层和氮化钛层组成；其中镍铜合金层包覆于薄带连铸结晶辊表面；所述氮化钛层附着于镍铜合金层上；所述镍铜合金层的厚度大于等于3mm；所述氮化钛层的厚度为3-5微米。
2.根据权利要求1所述的一种薄带连铸结晶辊表面复合涂层，其特征在于：所述镍铜合金层中，镍与铜的摩尔比为1：0.5-1。
3.根据权利要求1所述的一种薄带连铸结晶辊表面复合涂层，其特征在于：所述镍铜合金层的厚度为3-5mm。
4.一种制备如权利要求1-3任意一项所述薄带连铸结晶辊表面复合涂层的方法，其特征在于；包括下述步骤：
步骤一
对表面清洁、干燥的结晶辊进行表面毛化处理，得到粗糙度Ra为50-100微米的备用辊；
步骤二
按设计组分配取Ni源粉末和Cu源粉末，采用超音速火焰喷涂技术在备用辊表面制备一层镍铜合金层；得到待退火处理的薄带连铸结晶辊；
步骤三
对待退火处理的薄带连铸结晶辊；进行退火处理，得到退火后的薄带连铸结晶辊；所述退火处理的气氛选自氩气、氮气中的一种，所述退火的温度为700-800℃、时间为2-3h；
步骤四
以纯度大于等于99.99％的氮化钛作为靶材，通过磁控溅射，在退火后的薄带连铸结晶辊表面制备氮化钛层；所述氮化钛层的厚度为3-5微米。
5.根据权利要求4所述的一种薄带连铸结晶辊表面复合涂层的制备方法，其特征在于：步骤二中，Ni源粉末为Ni粉或Ni合金粉；所述Cu源粉末为Cu粉或Cu合金粉。
6.根据权利要求4所述的一种薄带连铸结晶辊表面复合涂层的制备方法，其特征在于：Ni源粉末的粒度为20-100微米；所述Cu源粉末的粒度为40-150微米。
7.根据权利要求4所述的一种薄带连铸结晶辊表面复合涂层的制备方法，其特征在于：超音速火焰喷涂时，控制焰流速度为400-450m/s、控制粒子速度为380-420m/s、控制火焰温度为2800-3100℃。
8.根据权利要求4所述的一种薄带连铸结晶辊表面复合涂层的制备方法，其特征在于：磁控溅射制备氮化钛层时，控制磁控溅射功率为190-210w，喷涂时间为160-190min；磁控溅射时，所用气氛为高纯氩气或高纯氮气，所述高纯氩气或高纯氮气的纯度均大于等于99.99％。
9.根据权利要求4所述的一种薄带连铸结晶辊表面复合涂层的制备方法，其特征在于：所制备的薄带连铸结晶辊表面复合涂层的磨损量小于等于0.13g；峰值热流大于等于14.72MW/m2。
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