CN110512207A - 激光制造与再制造结晶器铜板用复合粉末材料及其制造方法 - Google Patents

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Abstract

一种激光制造与再制造结晶器铜板用复合粉末材料及制造方法，复合粉末由过渡层粉末材料、防腐功能层粉末材料和防腐耐磨功能层粉末材料组成；其中：过渡层材料：Al：5‑10%、Cr：0.5‑1.5%、P:0.01‑0.3%、Ni：余量；防腐功能层材料：C：0.2‑1.0%、Cr：15‑20%、Mo：5‑10%、Si：0.1‑0.5%、Nb：2‑4%、Al：0.2‑0.8%，Ni：余量；防腐耐磨功能层材料：C：0.02‑0.20%、Cr：20‑26%、Mo：5‑9%、Si：0.1‑0.5%、Ni：5.0‑10.0%、Fe：1.0‑3.0%、W:2.0‑4.0%、Co：余量及其他不可避免的杂质元素。这种复合合金材料是通过激光熔覆的加工方式，在失效的结晶器铜板工作面上，形成结合力良好、抗氧化、耐腐蚀、耐磨损、具有较高强度且显著提高结晶器铜板使用寿命的熔覆层。

Description

激光制造与再制造结晶器铜板用复合粉末材料及其制造方法
技术领域
本发明涉及一种复合铜板的制造方法，特别是涉及一种钢厂用连铸机结晶器用复合铜板的制造方法。
背景技术
结晶器是钢铁连铸生产中的关键设备，它不仅是一个高效强大的换热器，更是连铸过程中钢水的净化器，决定了后续连铸坯的质量，从而影响到轧材的质量，生产作业率等一系列指标。而铜板作为结晶器的核心部件在使用过程中会出现热裂纹、磨损、腐蚀等问题，因此具有良好的导热性，高强度，高耐磨性和耐腐蚀性的结晶器铜板对连铸技术的发展有着重大意义。
随着激光器及激光熔覆技术的发展，采用激光熔覆技术制造结晶器铜板有了快速提高。但由于铜具有高反射率，导热快，润湿与黑色金属润湿差等特点，导致目前由于材料和工艺等原因，在激光熔覆结晶器铜板过程中存在着界面结合力差，微裂纹，未熔合等缺陷。
申请号201610852006 .0采用先电镀再重熔覆方法制备过渡层然后再熔覆镍基或钴基功能层。
申请号201310657301.7通过先喷涂再重熔的方式制备镍基过渡层，然后再熔覆功能层的方式制造结晶器铜板
申请号200810012662.5采用在铜板直接熔覆镍基自熔合金的方式制备熔覆层。
申请号201811157328 .9采用镍基和钴基粉末混合后直接在铜板上直接熔覆。虽然获得了无裂纹的熔覆层。
上述方法部分采用了电镀或喷涂的方法先制备涂层然后再用激光重熔的方式获得激光熔覆层，该方法不仅工艺复杂成本高，并且由于电镀的存在还会对环境造成污染；而在铜板上直接熔覆的合金粉末的方法，由于粉末合金度高在熔覆过程中，工艺控制较难并且不稳定，加之熔覆过程中铜的稀释，很容易在界面处形成裂纹。
发明内容
本发明的目的在于解决现有技术存在的上述问题，提供用于激光制造与再制造结晶器铜板具有梯度复合功能的激光熔覆材料与激光熔覆工艺，针对结晶器铜板在使用过程中的不同部位的失效形式不同熔覆具有特定性能的激光熔覆层，从而提高结晶器铜板的使用寿命。
为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：一种激光制造与再制造结晶器铜板用复合粉末材料，由过渡层粉末材料、防腐功能层粉末材料和防腐耐磨功能层粉末材料组成；其中：用于激光制造与再制造结晶器复合铜板的过渡层粉末材料，该粉末材料由以下组分按质量百分比组成：Al：5-10%、Cr：0.5-1.5%、P:0.01-0.3%、Ni：余量；
用于激光制造与再制造结晶器复合铜板的防腐功能层粉末材料，该粉末材料由以下组分按质量百分比组成：C：0.2-1.0%、Cr：15-20%、Mo：5-10%、Si：0.1-0.5%、Nb：2-4%、Al：0.2-0.8%，Ni：余量；
用于激光制造与再制造结晶器复合铜板的防腐耐磨功能层粉末材料，该粉末材料由以下组分按质量百分比组成：C：0.02-0.20%、Cr：20-26%、Mo：5-9%、Si：0.1-0.5%、Ni：5.0-10.0%、Fe：1.0-3.0%、W:2.0-4.0%、Co：余量及其他不可避免的杂质元素。
一种激光制造与再制造结晶器复合铜板的制造方法，包括以下步骤：废弃结晶器铜板预处理，在铜板整个工作面熔覆过渡层，然后在整个过渡层表面熔覆防腐功能层，最后在距铜板下口（或连铸坯出口）边缘1/3~1/2区域熔覆防腐耐磨功能层。
一种激光制造与再制造结晶器复合铜板的制造方法，具体包括以下步骤：
（1）结晶器铜板预处理
去除铜板表面疲劳层，根据激光制造与再制造结晶器铜板最终成品设计的熔覆层厚度对铜板工作面进行加工，去除铜板表面水、油等污染物；
（2）过渡层熔覆
用半导体光纤输出激光器（激光器波长为：808-1040nm）在铜板整个表面采用边铺粉边熔覆的方式熔覆一层过渡层合金材料；
所述过渡层合金材料成分：Al：5-10%、Cr：0.5-1.5%、P:0.01-0.3%、Ni：余量；
激光熔覆工艺：功率密度：358~720W/mm2，焦距300~400mm，扫描速度：1500~2000mm/min，单层熔覆厚度：0.5-1.0mm，搭接率：30%~40%，保护气氛：氩气大于15L/min（纯度>99.99%）；
（3）防腐功能层熔覆
用半导体光纤输出激光器（激光器波长为：808-1040nm）在铜板整个过渡表面熔覆1层或2层防腐功能层合金材料；
所述防腐功能层合金材料成分：C：0.2-1.0%、Cr：15-20%、Mo：5-10%、Si：0.1-0.5%、Nb：2-4%、Al：0.2-0.8%、Ni：余量；
激光熔覆工艺：功率密度：150~425W/mm2，焦距300~400mm，扫描速度：800~1500mm/min，单层熔覆厚度：0.5-2.0mm，搭接率：50%~60%，保护气氛：氩气大于15L/min（纯度>99.99%）；
（4）防腐耐磨功能层熔覆
在熔覆完的防腐功能层上用半导体光纤输出激光器（激光器波长为：808-1040nm）在距铜板下口（或连铸坯出口）边缘向上1/3~1/2区域熔覆1层或2层防腐耐磨功能层合金材料；
所述防腐耐磨功能层合金材料成分：C：0.02-0.20%、Cr：20-26%、Mo：5-9%、Si：0.1-0.5%、Ni：5.0-10.0%、Fe：1.0-3.0%、W:2.0-4.0%、Co：余量及其他不可避免的杂质元素；
激光熔覆工艺为：功率密度：150~425W/mm2，焦距300~400mm，扫描速度：800~1500mm/min，单层熔覆厚度：1.0-2.0mm，搭接率：50%~60%，保护气氛：氩气大于15L/min（纯度>99.99%）。
与现有技术相比，本发明的有益效果在于。
（1）三层合金粉末成分相互影响相互制约，每一层的合金成分都会在保证该层熔覆性能的前提下为下层的熔覆提供良好的过渡，保证界面的结合。
（2）本发明的过渡层的熔覆采用特定合金材料与激光熔覆参数，通过激光的稀释作用可以使过渡层内Cu的含量控制在20%以内，以便使一定量的铜固溶在熔覆层内，与铜基体形成良好的冶金结合；过渡层合金粉末中加入了5-10%的Al，能在熔覆过程中形成一定量金属间化合物的强化相，提高过渡层的强度使熔覆层在高温使用时保持室温的力学性能，并且在熔覆过程中产生放热反应，提高熔池温度，弥补铜对激光的反射损失，使铜基材的熔化更充分，使熔覆层与铜基体充分形成冶金结合，也可以去除一部分氧，减少熔覆层内的气孔，提高熔覆层的性能；在对Al含量的筛选中发现，当其含量控制在5-10%时，此时过渡层熔覆后的结合力最佳，而其含量大于10%时，熔池反应更加剧烈，影响熔覆层的成型，同时造成热裂纹的产生，熔覆层的结合力开始下降。过渡层合金粉末中加入0.5-1.5%的Cr不但能起到一定的抗腐蚀作用，实践中发现其能够提高熔覆层的强度与硬度，但是过多的Cr加入会使熔覆过程中凝固收缩加大，容易产生裂纹，同时过多的Cr会因熔覆时稀释率的原因造成第二层防腐功能层熔覆的熔覆性下降，加入了0.01-0.3%的P可以进一步提高熔覆层与基体的在熔覆时的润湿性，提高可熔覆性能。上述合金粉末含量比例是经过大量实验验证出的，若轻易改变配比，熔覆过程中过高的Cu可能偏聚在熔覆层的扫描搭接处以及基材与熔覆层的界面处，从而导致显微裂纹的出现，同时也会对影响防腐功能层的熔覆性能。
（3）本发明的防腐功能层采用特定的合金材料及激光熔覆参数。2-4% Nb和0.2-0.8% Al的加入在特定的激光工艺参数下可以使熔覆层内形成一量的碳化物及不同的金属间化合物对熔覆层进行强化，提高熔覆层的冷热疲劳能力； 0.1-0.5% Si的加入可以和铝在一起促使形成抗腐蚀的保护氧化层，提高高温防腐能力；适量Mo的加入可以使熔层内生成一定量Laves相，提高耐磨与防腐性。若加入过多的Nb，Al，Si则在熔覆过程中形成过多的低熔点相及扩大凝固温度范围，造成熔覆层的开裂敏感性，同时也会影响后续防腐耐磨层的熔覆，使其在与防腐功能层的结合界面处出现不耐腐蚀和微裂纹的现象。
（4）针对在距铜板下口（或连铸坯出口）边缘向上1/3~1/2区域由于钢坯凝固形成的坚硬坯壳对铜板表面的磨损情况熔覆1层或2层防腐耐磨层合金材料，防止因磨损造成铜板过早下线。
防腐耐磨层采用特定的钴基合金和熔覆参数，这样以保证熔覆层可在400摄氏度时也具有足够的耐磨性。 0.02-0.20%的 C可以根据不同钢厂的现场使用的磨损情况调整熔覆层内碳化物的含量，从而调整熔覆层的耐磨性，若C含量过高会熔覆层的熔覆性能下降，出现不易控制的裂纹，同时会造成与防腐功能层的结合界面出现过多的脆性相，在界面结合处出现不易控制的微裂纹；合适含量的Cr、W含量可以在熔覆过程中形成适量的碳化物，并且有足够剩余的Cr，W元素和Mo一起固溶入奥氏体基体中这样既可以保熔覆层有足够的耐磨性又有足够的防腐性，Cr，W，Mo含量过多会造成钴基固溶体内含量过多，熔覆层硬度过高，增加熔覆开裂性； 5.0-10.0% 的Ni可以使防腐耐磨层与熔覆的防腐功能导起到良好的过渡作用，形成良好的冶金结合，而且保证熔覆防腐耐磨层时熔覆层有良好的韧性降低开裂风险。
具体实施方式
实施例1。
采用5000W半导体光纤输出激光器（激光器波长为：808-1040nm）选用合适的激光熔覆参数熔覆某钢厂下线结晶器铜板，铜板尺寸为900×245×38mm。
（1）结晶器铜板预处理。
去除铜板表面疲劳层，根据激光制造与再制造结晶器铜板最终成品设计的熔覆层厚度对铜板工作面进行加工，去除铜板表面水、油等污染物。
（2）过渡层熔覆。
用半导体光纤输出激光器（激光器波长为：808-1040nm）在铜板整个表面采用边铺粉边熔覆的方式熔覆一层过渡层合金材料。
所述过渡层合金材料成分：Al：5%、Cr：0.5%、P:0.1%、Ni：余量及其他不可避免的杂质元素。
激光熔覆工艺：功率密度：358W/mm2，焦距300mm，扫描速度：1500mm/min，单层熔覆厚度：0.5mm，搭接率：30%，保护气氛：氩气20L/min（纯度>99.99%）。
（3）防腐功能层熔覆。
用半导体光纤输出激光器（激光器波长为：808-1040nm）在铜板整个过渡表面熔覆1层防腐功能层合金材料。
所述防腐功能层合金材料成分：C：0.2%、Cr：15%、Mo：5%、Si：0.1%、Nb：2%、Al：0.2%、Ni：余量及其他不可避免的杂质元素。
激光熔覆工艺：功率密度：150W/mm2，焦距300mm，扫描速度：800mm/min，单层熔覆厚度：1.0mm，搭接率：50%，保护气氛：氩气20L/min（纯度>99.99%）。
（4）防腐耐磨功能层熔覆。
在熔覆完的防腐功能层上用半导体光纤输出激光器（激光器波长为：808-1040nm）在距铜板下口（或连铸坯出口）边缘向上1/2区域熔覆1层防腐耐磨功能层合金材料。
所述防腐耐磨功能层合金材料成分：C：0.02%、Cr：20%、Mo：5%、Si：0.1%、Ni：5.0%、Fe：1.0%、W:2.0%、Co：余量及其他不可避免的杂质元素。
激光熔覆工艺为：功率密度：150W/mm2，焦距300mm，扫描速度：800mm/min，单层熔覆厚度：1.0mm，搭接率：50%，保护气氛：氩气20L/min（纯度>99.99%）。
实施例2。
采用5000W半导体光纤输出激光器（激光器波长为：808-1040nm）选用合适的激光熔覆参数熔覆某钢厂下线结晶器铜板，铜板尺寸为900×247×40mm。
（1）结晶器铜板预处理。
去除铜板表面疲劳层，根据激光制造与再制造结晶器铜板最终成品设计的熔覆层厚度对铜板工作面进行加工，去除铜板表面水、油等污染物。
（2）过渡层熔覆。
用半导体光纤输出激光器（激光器波长为：808-1040nm）在铜板整个表面采用边铺粉边熔覆的方式熔覆一层过渡层合金材料。
所述过渡层合金材料成分：Al：8.0%、Cr：1.0%、P：0.01%、Ni：余量及其他不可避免的杂质元素。
激光熔覆工艺：功率密度：538W/mm2，焦距300mm，扫描速度：1700mm/min，单层熔覆厚度：0.8mm，搭接率：30%，保护气氛：氩气20L/min（纯度>99.99%）。
（3）防腐功能层熔覆。
用半导体光纤输出激光器（激光器波长为：808-1040nm）在铜板整个过渡表面熔覆2层防腐功能层合金材料。
所述防腐功能层合金材料成分：C：0.5%、Cr：17.0%、Mo：8.0%、Si：0.3%、Nb：3.0%、Al：0.4%、Ni：余量及其他不可避免的杂质元素。
激光熔覆工艺：功率密度：352W/mm2，焦距400mm，扫描速度：1000mm/min，单层熔覆厚度：1.2mm，搭接率：50%，保护气氛：氩气20L/min（纯度>99.99%）。
（4）防腐耐磨功能层熔覆。
在熔覆完的防腐功能层上用半导体光纤输出激光器（激光器波长为：808-1040nm）在距铜板下口（或连铸坯出口）边缘向上1/2区域熔覆1层防腐耐磨功能层合金材料。
所述防腐耐磨功能层合金材料成分：C：0.1%、Cr：23.0%、Mo：7.0%、Si：0.3%、Ni：8.0%、Fe：2.0%、W:3.0%、Co：余量及其他不可避免的杂质元素。
激光熔覆工艺为：功率密度：400W/mm2，焦距400mm，扫描速度：1200mm/min，单层熔覆厚度：1.2mm，搭接率：60%，保护气氛：氩气20L/min（纯度>99.99%）。
实施例3。
采用5000W半导体光纤输出激光器（激光器波长为：808-1040nm）选用合适的激光熔覆参数熔覆某钢厂下线结晶器铜板，铜板尺寸为1580×900×36mm。
（1）结晶器铜板预处理。
去除铜板表面疲劳层，根据激光制造与再制造结晶器铜板最终成品设计的熔覆层厚度对铜板工作面进行加工，去除铜板表面水、油等污染物。
（2）过渡层熔覆。
用半导体光纤输出激光器（激光器波长为：808-1040nm）在铜板整个表面采用边铺粉边熔覆的方式熔覆一层过渡层合金材料。
所述过渡层合金材料成分：Al：10%、Cr：1.5%、P:0.3%、Ni：余量及其他不可避免的杂质元素。
激光熔覆工艺：功率密度：720W/mm2，焦距400mm，扫描速度：2000mm/min，单层熔覆厚度：1.0mm，搭接率：40%，保护气氛：氩气20L/min（纯度>99.99%）。
（3）防腐功能层熔覆。
用半导体光纤输出激光器（激光器波长为：808-1040nm）在铜板整个过渡表面熔覆1层防腐功能层合金材料。
所述防腐功能层合金材料成分：C：1.0%、Cr：20%、Mo：10%、Si：0.5%、Nb：4%、Al：0.8%、Ni：余量及其他不可避免的杂质元素。
激光熔覆工艺：功率密度：425W/mm2，焦距400mm，扫描速度：1500mm/min，单层熔覆厚度：2.0mm，搭接率：50%，保护气氛：氩气20L/min（纯度>99.99%）。
（4）防腐耐磨功能层熔覆。
在熔覆完的防腐功能层上用半导体光纤输出激光器（激光器波长为：808-1040nm）在距铜板下口（或连铸坯出口）边缘向上1/3区域熔覆2层防腐耐磨功能层合金材料。
所述防腐耐磨功能层合金材料成分：C：0.20%、Cr：26%、Mo：9%、Si：0.5%、Ni：10.0%、Fe：3.0%、W:4.0%、Co：余量及其他不可避免的杂质元素。
激光熔覆工艺为：功率密度：425W/mm2，焦距：400mm，扫描速度：1500mm/min，单层熔覆厚度：1.0mm，搭接率：60%，保护气氛：氩气20L/min（纯度>99.99%）。
对上述3个实施例制备的结晶器铜板检测，发现制备出的结晶器铜板内的夹杂，气孔等缺陷尺寸均小于电镀和喷涂层内的缺陷尺寸，并且内部无裂纹缺陷；熔覆层与铜板基体及各熔覆层之间均呈良好的冶金结合，并且距界面0.3mm范围内没有裂纹出现；通过对本发明制造后的结晶器铜板上线跟踪发现，上述3个实施例制备出的结晶器铜板的使用寿命可达原铜板使用寿命的至少2倍以上，其中以实施例2的使用寿命最高，达到了原结晶器铜板的使用寿命的3倍以上。

Claims (6)

1.一种激光制造与再制造结晶器铜板用复合粉末材料，其特征在于：包括过渡层粉末材料、防腐功能层粉末材料和防腐耐磨功能层粉末材料；其中：
所述过渡层粉末材料，由以下组分按质量百分比组成：Al：5-10%、Cr：0.5-1.5%、P:0.01-0.3%、Ni：余量；
所述防腐功能层粉末材料，由以下组分按质量百分比组成：C：0.2-1.0%、Cr：15-20%、Mo：5-10%、Si：0.1-0.5%、Nb：2-4%、Al：0.2-0.8%，Ni：余量；
所述防腐耐磨功能层粉末材料，由以下组分按质量百分比组成：C：0.02-0.20%、Cr：20-26%、Mo：5-9%、Si：0.1-0.5%、Ni：5.0-10.0%、Fe：1.0-3.0%、W:2.0-4.0%、Co：余量及其他不可避免的杂质元素。
2.一种激光制造与再制造结晶器复合铜板的制造方法，其特征在于，包括以下步骤：废弃结晶器铜板预处理，在铜板整个工作面熔覆权利要求1所述的过渡层粉末材料，然后在整个过渡层表面熔覆权利要求1所述防腐功能层粉末材料，最后在距铜板下口（或连铸坯出口）边缘1/3~1/2区域熔覆权利要求1所述防腐耐磨功能层粉末材料。
3.根据权利要求2所述的制造方法，其特征在于，所述熔覆过渡层粉末材料的熔覆工艺为：功率密度：358~720W/mm2，焦距300~400mm，扫描速度：1500~2000mm/min，单层熔覆厚度：0.5-1.0mm，搭接率：30%~40%，保护气氛：氩气大于15L/min（纯度>99.99%）。
4.根据权利要求2所述的制造方法，其特征在于，所述熔覆防腐功能层粉末材料的熔覆工艺为：功率密度：150~425W/mm2，焦距300~400mm，扫描速度：800~1500mm/min，单层熔覆厚度：0.5-2.0mm，搭接率：50%~60%，保护气氛：氩气大于15L/min（纯度>99.99%）。
5.根据权利要求2所述的制造方法，其特征在于，所述熔覆防腐耐磨功能层粉末材料的熔覆工艺为：功率密度：150~425W/mm2，焦距300~400mm，扫描速度：800~1500mm/min，单层熔覆厚度：1.0-2.0mm，搭接率：50%~60%，保护气氛：氩气大于15L/min（纯度>99.99%）。
6.一种激光制造与再制造结晶器复合铜板的制造方法，其特征在于，具体包括以下步骤：
（1）废弃结晶器铜板预处理
去除铜板表面疲劳层，根据激光制造与再制造结晶器铜板最终成品设计的熔覆层厚度对铜板工作面进行加工，去除铜板表面水、油等污染物；
（2）过渡层熔覆
用半导体光纤输出激光器（激光器波长为：808-1040nm）在铜板整个表面采用边铺粉边熔覆的方式熔覆一层过渡层合金材料；
所述过渡层合金材料成分：Al：5-10%、Cr：0.5-1.5%、P:0.01-0.3%、Ni：余量；
激光熔覆工艺：功率密度：358~720W/mm2，焦距300~400mm，扫描速度：1500~2000mm/min，单层熔覆厚度：0.5-1.0mm，搭接率：30%~40%，保护气氛：氩气大于15L/min（纯度>99.99%）；
（3）防腐功能层熔覆
用半导体光纤输出激光器（激光器波长为：808-1040nm）在铜板整个过渡表面熔覆1层或2层防腐功能层合金材料；
所述防腐功能层合金材料成分：C：0.2-1.0%、Cr：15-20%、Mo：5-10%、Si：0.1-0.5%、Nb：2-4%、Al：0.2-0.8%、Ni：余量；
激光熔覆工艺：功率密度：150~425W/mm2，焦距300~400mm，扫描速度：800~1500mm/min，单层熔覆厚度：0.5-2.0mm，搭接率：50%~60%，保护气氛：氩气大于15L/min（纯度>99.99%）；
（4）防腐耐磨功能层熔覆
在熔覆完的防腐功能层上用半导体光纤输出激光器（激光器波长为：808-1040nm）在距铜板下口（或连铸坯出口）边缘向上1/3~1/2区域熔覆1层或2层防腐耐磨功能层合金材料；
所述防腐耐磨功能层合金材料成分：C：0.02-0.20%、Cr：20-26%、Mo：5-9%、Si：0.1-0.5%、Ni：5.0-10.0%、Fe：1.0-3.0%、W:2.0-4.0%、Co：余量及其他不可避免的杂质元素；
激光熔覆工艺为：功率密度：150~425W/mm2，焦距300~400mm，扫描速度：800~1500mm/min，单层熔覆厚度：1.0-2.0mm，搭接率：50%~60%，保护气氛：氩气大于15L/min（纯度>99.99%）。
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