CN111394659B - 一种结晶器铜板激光熔覆用合金粉末及激光熔覆方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种结晶器铜板激光熔覆用合金粉末及激光熔覆方法，属于材料科学与表面工程技术领域。合金粉末按重量百分比计，合金粉末的质量组成为：Mo：2.1%～2.4%，Cr：4.5%～4.7%，C：1.5%～1.6%，Si：0.12%～0.18%，W：10.0%～11.0%，V：4.52%～4.72%，Mn：3.22%～3.35%，余量为Fe。本发明的制备方法可以在较低温度条件下于铜板表面熔覆合金粉末，铜板导热性良好，使得第一道合金粉末熔覆层的热量被水槽中的冷却水快速带走，熔覆层温度快速降下来，其附近铜板不发生熔化，不影响合金粉末的流动性，提高了熔覆层表面质量，熔覆层组织致密，表面平整光滑。
Description
技术领域
本发明涉及一种结晶器铜板激光熔覆用合金粉末及激光熔覆方法，属于材料科学与表面工程技术领域。
背景技术
结晶器是钢厂连铸设备中的关键部件，结晶器铜板质量直接影响连铸坯表面质量、连铸机作业率和连铸成本。结晶器铜板在使用过程中存在边缘磨损、宽面热裂纹、窄面收缩、腐蚀等问题。目前，对结晶器铜板强化主要是采用合适的表面处理技术在铜板表面镀覆一种或几种材料，以获得特殊功能表面，在保证其导热性受镀层影响不大的情况下，获得与基体结合牢固、耐磨性好、抗热腐蚀性强的各种镀层，以改善铜板的表面性能、延长其使用寿命、提高连铸坯质量。目前主要采取电镀、化学镀、热喷涂和激光熔覆等表面改性技术在连铸结晶器上的应用，可以提高铜板表面的耐腐蚀、耐磨损等问题。电镀和热喷涂层与基体主要呈机械结合，所以使用中覆层容易发生脱落，导致使用寿命短，而激光熔覆层与基体表面呈冶金结合，今年该项技术越来越快速应用于结晶器铜板强化和修复中，但是实际应用中发现，由于铜的熔点很低，熔道附近合金粉末往往先与其附近表面局部熔化的铜板发生反应，当激光扫描到这些合金粉末时，由于粉末已经与局部先熔化的铜板表面反应在一起，导致熔池粉末流动性变差，进而导致熔覆层易出现气孔和夹杂等缺陷，使得强化修复后的结晶器铜板报废。
发明内容
本发明的目的是提供一种结晶器铜板激光熔覆用合金粉末及激光熔覆方法，来解决上述问题。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：
一种结晶器铜板激光熔覆用合金粉末及激光熔覆方法，按重量百分比计，所述合金粉末的质量百分比组成为：
Mo：2.1%～2.4%，Cr：4.5%～4.7%，C：1.5%～1.6%，Si：0.12%～0.18%，W：10.0%～11.0%，V：4.52%～4.72%，Mn：3.22%～3.35%，余量为Fe。
本发明技术方案的进一步改进在于：所述合金粉末的质量百分比组成为：
Mo：2.1%，Cr：4.7%，C：1.6%，Si：0.15%，W：10.5%，V：4.62%，Mn：3.22%，余量为Fe。
本发明技术方案的进一步改进在于：所述合金粉末各组分为纯度大于99.9%的粉末，粒度为135～325目。
一种结晶器铜板激光熔覆用合金粉末的激光熔覆方法，包括以下步骤：
（1）对结晶器铜板表面进行预处理，磨削铜板表面，然后采用工业酒精清洗铜板表面，去除杂质；
（2）将结晶器铜板放置于大水槽中，结晶器四角通过可调节高度的密封的液压支架支撑，调节液压支架高度，使得水槽水位低于结晶器铜板表面最低点，将水槽放置于激光熔覆工作台上；
（3）将激光熔覆合金粉末平铺于到待熔覆铜板基材表面，通过光纤激光扫描合金粉末，得到熔覆层；
（4）对熔覆层进行表面着色探伤，检测是否有缺陷；
（5）对熔覆层采用磨削加工，得到尺寸、公差、表面光洁度均符合要求的结晶器强化铜板。
本发明上述技术方案的进一步改进在于：激光熔覆的工艺参数如下：激光功率为：2.8～3.0 KW，矩形光斑为：2×14 mm，搭接率为：30～50%，扫描速度为：450～600 mm/min，保护气体：氩气，送粉速度：2.5～3.5 g/s，送粉气流量为：8 L/min。
本发明上述技术方案的进一步改进在于：步骤1中铜板的磨削量为0.5mm。
本发明上述技术方案的进一步改进在于：步骤3中熔覆层厚度为1.0～1.2mm。
本发明上述技术方案的进一步改进在于：步骤5中的单边磨削量为0.5～0.7mm。
由于采用了上述技术方案，本发明取得的技术效果有：
采用本发明提供的结晶器铜板激光熔覆用合金粉末及激光熔覆方法，可以在铜板表面制得光滑平整，无气孔和夹杂缺陷的高质量熔覆层，最终得到高质量的强化或修复的结晶器铜板，具有突出的节约、节能、环保的特点；同时，本发明提供的结晶器铜板熔覆制备方法简单实用，条件易控，易于实现大规模生产。
采用本发明提供的结晶器铜板激光熔覆用合金粉末及激光熔覆制备方法，通过与结晶器铜板直接接触的水槽中的冷却水把激光熔覆合金粉末过程中产生的热量快速带走。由于铜板的熔点很低，在高能量激光束作用下，第一道熔层的热量往往极易将附近铜板表面熔化，进而合金粉末与局部熔化的铜板表面发生反应，导致当激光扫描到已经与铜板表面发生反应的合金粉末时，合金粉末流动性极差，必将在熔覆层中出现气孔和夹杂等缺陷。
采用本发明的制备方法后，可以在较低温度条件下于铜板表面熔覆合金粉末，并且铜板本身具有良好的导热性，使得快速第一道合金粉末熔覆层的热量被水槽中的冷却水快速带走，熔覆层温度快速降下来，使得其附近铜板不发生熔化，不影响合金粉末的流动性，提高了熔覆层表面质量，进而得到的熔覆层组织致密，无气孔、夹杂等缺陷，熔覆层质量高，表面平整光滑，显著提高了强化结晶器铜板的成品率和使用寿命。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明做进一步详细说明：
本发明是一种结晶器铜板激光熔覆用合金粉末及使用该合金粉末进行激光熔覆的制备方法。首先限定了合金粉末的组成成分及百分比，然后限定了相应的制备工艺方法。
该合金粉末中的各组成成分按重量百分比计，包括以下成分： Mo：2.1%～2.4%，Cr：4.5%～4.7%，C：1.5%～1.6%，Si：0.12%～0.18%，W：10.0%～11.0%，V：4.52%～4.72%，Mn：3.22%～3.35%，余量为Fe。
进一步，所述合金粉末的质量百分比优选地组成为：
Mo：2.1%，Cr：4.7%，C：1.6%，Si：0.15%，W：10.5%，V：4.62%，Mn：3.22%，余量为Fe。
进一步的，所述合金粉末各组分为纯度大于99.9%的粉末，粒度控制为135～325目。
使用上述合金粉末在结晶器铜板上进行激光熔覆，形成熔覆层。具体的制备方法包括以下步骤：
（1）对结晶器铜板表面进行预处理，磨削铜板表面，然后采用工业酒精清洗铜板表面，去除杂质；该步骤中控制铜板的磨削量为0.5mm。
（2）将结晶器铜板放置于大水槽中，结晶器四角通过可调节高度的密封的液压支架支撑，调节液压支架高度，使得水槽水位低于结晶器铜板表面最低点，将水槽放置于激光熔覆工作台上。
（3）将激光熔覆合金粉末平铺于到待熔覆铜板基材表面，通过光纤激光扫描合金粉末，得到熔覆层；该步骤中熔覆层厚度控制为1.0～1.2mm。
（4）对熔覆层进行表面着色探伤，检测是否有缺陷。
（5）对熔覆层采用磨削加工，得到尺寸、公差、表面光洁度均符合要求的结晶器强化铜板。该步骤中的控制单边磨削量为0.5～0.7mm。
最优的激光熔覆的工艺参数如下：激光功率为：2.8～3.0 KW，矩形光斑为：2×14mm，搭接率为：30～50%，扫描速度为：450～600 mm/min，保护气体：氩气，送粉速度：2.5～3.5 g/s，送粉气流量为：8 L/min。
上述制备方法，设置了水槽，利用水槽内的冷却水将激光熔覆合金粉末过程中产生的热量快速带走，起到防止铜板温度过高的作用。
以下为具体的实施例：
实施例1
该实施例中使用的合金粉末各组分质量百分比组成为：
Mo：2.1%，Cr：4.7%，C：1.6%，Si：0.15%，W：10.5%，V：4.62%，Mn：3.22%，余量为Fe。合金粉末各组分为纯度大于99.9%的粉末，粒度为135～150目。
使用该合金粉末在结晶器铜板上进行激光熔覆。
（1）对结晶器铜板表面进行预处理，磨削铜板表面，控制磨削量为0.5mm，然后采用工业酒精清洗铜板表面，去除杂质。
（2）将结晶器铜板放置于大水槽中，结晶器四角通过可调节高度的密封的液压支架支撑，通过调节液压支架高度，使水槽水位低于结晶器铜板表面最低点，保证水对于结晶器铜板的冷却效果。然后，将水槽放置于激光熔覆工作台上。
（3）将激光熔覆合金粉末平铺于到待熔覆铜板基材表面，调节激光熔覆的工艺参数：激光功率为：2.8KW，矩形光斑为：2×14 mm，搭接率为：30%，扫描速度为：450 mm/min，保护气体：氩气，送粉速度：2.5～3.5g/s，送粉气流量为：8 L/min。在调整好工艺参数后，使光纤激光扫描合金粉末，得到熔覆层；熔覆层厚度控制在1.0～1.2mm之间。
（4）对熔覆层进行表面着色探伤，检测是否有缺陷。
（5）对熔覆层采用磨削加工，控制单边磨削量在0.5～0.7mm之间，得到尺寸、公差、表面光洁度均符合要求的结晶器强化铜板。
经检验，铜板表面光滑度符合要求，熔覆层无气孔和夹杂缺陷，结晶器铜板质量高。
实施例2
该实施例中使用的合金粉末各组分质量百分比组成为：
Mo：2.4%，Cr：4.5%，C：1.5%，Si：0.12%，W：11.0%，V：4.52%，Mn：3.28%，余量为Fe。合金粉末各组分为纯度大于99.9%的粉末，粒度为180～260目。
使用该合金粉末在结晶器铜板上进行激光熔覆。
（1）对结晶器铜板表面进行预处理，磨削铜板表面，控制磨削量为0.5mm，然后采用工业酒精清洗铜板表面，去除杂质。
（2）将结晶器铜板放置于大水槽中，结晶器四角通过可调节高度的密封的液压支架支撑，通过调节液压支架高度，使水槽水位低于结晶器铜板表面最低点，保证水对于结晶器铜板的冷却效果。然后，将水槽放置于激光熔覆工作台上。
（3）将激光熔覆合金粉末平铺于到待熔覆铜板基材表面，调节激光熔覆的工艺参数：激光功率为：3.0 KW，矩形光斑为：2×14 mm，搭接率为：42%，扫描速度为：600mm/min，保护气体：氩气，送粉速度：2.5～3.5g/s，送粉气流量为：8 L/min。在调整好工艺参数后，使光纤激光扫描合金粉末，得到熔覆层；熔覆层厚度控制在1.0～1.2mm之间。
（4）对熔覆层进行表面着色探伤，检测是否有缺陷。
（5）对熔覆层采用磨削加工，控制单边磨削量在0.5～0.7mm之间，得到尺寸、公差、表面光洁度均符合要求的结晶器强化铜板。
经检验，铜板表面光滑度符合要求，熔覆层无气孔和夹杂缺陷，结晶器铜板质量高。
实施例3
该实施例中使用的合金粉末各组分质量百分比组成为：
Mo：2.3%，Cr：4.6%，C：1.6%，Si：0.16%，W：10.3%，V：4.61%，Mn：3.30%，余量为Fe。合金粉末各组分为纯度大于99.9%的粉末，粒度为260～325目。
使用该合金粉末在结晶器铜板上进行激光熔覆。
（1）对结晶器铜板表面进行预处理，磨削铜板表面，控制磨削量为0.5mm，然后采用工业酒精清洗铜板表面，去除杂质。
（2）将结晶器铜板放置于大水槽中，结晶器四角通过可调节高度的密封的液压支架支撑，通过调节液压支架高度，使水槽水位低于结晶器铜板表面最低点，保证水对于结晶器铜板的冷却效果。然后，将水槽放置于激光熔覆工作台上。
（3）将激光熔覆合金粉末平铺于到待熔覆铜板基材表面，调节激光熔覆的工艺参数：激光功率为：3.0 KW，矩形光斑为：2×14 mm，搭接率为：50%，扫描速度为：520mm/min，保护气体：氩气，送粉速度：2.5～3.5 g/s，送粉气流量为：8 L/min。在调整好工艺参数后，使光纤激光扫描合金粉末，得到熔覆层；熔覆层厚度控制在1.0～1.2mm之间。
（4）对熔覆层进行表面着色探伤，检测是否有缺陷。
（5）对熔覆层采用磨削加工，控制单边磨削量在0.5～0.7mm之间，得到尺寸、公差、表面光洁度均符合要求的结晶器强化铜板。
经检验，铜板表面光滑度符合要求，熔覆层无气孔和夹杂缺陷，结晶器铜板质量高。
本发明设计了适合于结晶器铜板的激光熔覆用合金粉末，同时设计了适合于该合金粉末的激光熔覆方法，通过设计合理的工艺参数，使熔覆层无缺陷、质量高。
以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。
Claims (6)
1.一种结晶器铜板激光熔覆用合金粉末，其特征在于：按重量百分比计，所述合金粉末的质量百分比组成为：
Mo：2.1%，Cr：4.7%，C：1.6%，Si：0.15%，W：10.5%，V：4.62%，Mn：3.22%，余量为Fe；
所述合金粉末各组分为纯度大于99.9%的粉末，粒度为135～325目。
2.一种权利要求1中所述的结晶器铜板激光熔覆用合金粉末的激光熔覆方法，其特征在于：包括以下步骤：
（1）对结晶器铜板表面进行预处理，磨削铜板表面，然后采用工业酒精清洗铜板表面，去除杂质；
（2）将结晶器铜板放置于大水槽中，结晶器四角通过可调节高度的密封的液压支架支撑，调节液压支架高度，使得水槽水位低于结晶器铜板表面最低点，将水槽放置于激光熔覆工作台上；
（3）将激光熔覆合金粉末平铺于到待熔覆铜板基材表面，通过光纤激光扫描合金粉末，得到熔覆层；
（4）对熔覆层进行表面着色探伤，检测是否有缺陷；
（5）对熔覆层采用磨削加工，得到尺寸、公差、表面光洁度均符合要求的结晶器强化铜板。
3.根据权利要求2所述的一种结晶器铜板激光熔覆用合金粉末的激光熔覆方法，其特征在于：激光熔覆的工艺参数如下：激光功率为：2.8～3.0 KW，矩形光斑为：2×14 mm，搭接率为：30～50%，扫描速度为：450～600 mm/min，保护气体：氩气，送粉速度：2.5～3.5 g/s，送粉气流量为：8 L/min。
4.根据权利要求2所述的一种结晶器铜板激光熔覆用合金粉末的激光熔覆方法，其特征在于：步骤（1）中铜板的磨削量为0.5mm。
5.根据权利要求2所述的一种结晶器铜板激光熔覆用合金粉末的激光熔覆方法，其特征在于：步骤（3）中熔覆层厚度为1.0～1.2mm。
6.根据权利要求2所述的一种结晶器铜板激光熔覆用合金粉末的激光熔覆方法，其特征在于：步骤（5）中的单边磨削量为0.5～0.7mm 。
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