CN111996416A - 一种高速激光熔覆用钴基合金粉末及其熔覆方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供的高速激光熔覆用钴基合金粉末及其熔覆方法，涉及无机材料技术领域；钴基合金粉末的成分为：Co：45～55wt％，Cr：15～18wt％，Ni：15～18wt％，Mo：8～12wt％；WC：5～8wt％，余量为不可避免的微量杂质；钴基合金粉末在结晶器铜板基体上的熔覆方法核心在于预处理后结晶器铜板基体安装在结晶器水箱上，激光熔覆过程中结晶器水箱始终连接有循环冷却水，以减少对结晶器铜板的热量输入，控制结晶器铜板的形变；本发明公开的高速激光熔覆用钴基合金粉末及其熔覆方法，能在结晶器铜板表面获得结合力强、致密性好的激光熔覆层，激光熔覆层具有良好的可切削加工性能，大幅度的提升了结晶器的耐磨耐腐蚀性能和熔覆效率，同步适用于新制或修复的结晶器铜板。
Description
技术领域
本发明涉及无机材料技术领域，具体涉及一种高速激光熔覆用钴基合金粉末及其熔覆方法。
背景技术
结晶器是连铸机的重要组成部分，在冶金行业钢坯成型过程应用广泛，结晶器的技术性能直接影响到钢水形成铸锭的内部组织、表面质量、连铸机的拉速和生产效率等指标。结晶器铜板作为连铸从液态钢水到凝固成固态坯壳的重要导热部件，在工作过程中由于长时间经受高温铁水的冲刷，存在较严重的摩擦和磨损，其损坏的主要形式是产生热裂纹、磨损和腐蚀；结晶器铜板表面的局部损坏又往往造成整个部件失效，最终导致设备报废。现有技术中，结晶器是除了轧辊之外的第二大冶金耗材，并且随着铜及铜合金价格有不断上涨，结晶器的生产成本也逐渐增大。因此，提高结晶器铜板表面的耐磨性和耐热性是减少结晶器耗损的有效措施。
目前广泛使用的结晶器铜板表面改性的方式有电镀、超音速喷涂和激光熔覆等，但是电镀和超音速喷涂都存在由于涂层与基材之间结合力差容易产生裂纹的技术问题。激光熔覆技术可制备与基体形成冶金结合的特殊功能熔覆层，对环境无污染、生产率高、成品率高。但是由于结晶器铜板的热膨胀系数大，与许多材料浸润性差等，与抗热、耐磨涂层结合力较差，需要选择适当的合金粉末在铜板基材上熔覆涂层。
专利CN101775525A公开了一种连铸结晶器铜板激光熔覆钴基合金涂层材料及工艺，该工艺复杂不宜操作，且生产效率很低，不能适应工业化生产的要求；专利CN1932082A公开了一种在结晶器表面激光快速熔覆制备耐磨抗热复合涂层工艺，其先进行等离子喷涂打底，再采用5kW CO2激光器进行重熔，然后进行激光熔覆，整体工艺略显复杂，且等离子喷涂和高功率CO2激光器设备体积庞大，价格昂贵，且存在塌边问题。
因此，一种能实现提高结晶器铜板的耐磨性和耐蚀性的同时，保持结晶器铜板形状，并且工艺简单、操作方便、熔覆层不容易产生裂纹、且稳定耐磨的熔覆材料和熔覆方法始终是当前探索和研究降低结晶器耗损的方向。
发明内容
本发明目的在于提供一种适用于新制和修复的结晶器铜板使用的高速激光熔覆用钴基合金粉末及其熔覆方法，该合金粉末在结晶器铜板表面熔覆时可与结晶器铜板表面实现冶金结合，可精确控制激光熔覆层的厚度，激光熔覆层无裂纹、具有良好的可切削加工性能，并且结晶器铜板耐磨性、耐蚀性显著提高。
为达成上述目的，本发明提出如下技术方案：一种高速激光熔覆用钴基合金粉末，所述高速激光熔覆用钴基合金粉末的成分及含量为：Co：45～55wt％，Cr：15～18wt％，Ni：15～18wt％，Mo：8～12wt％；WC：5～8wt％，余量为不可避免的微量杂质。
进一步的，所述高速激光熔覆用钴基合金粉末的粒径为20～53μm。
进一步的，所述高速激光熔覆用钴基合金粉末在结晶器铜板上的熔覆，其熔覆方法包括如下步骤：
1)结晶器铜板基体表面预处理；
2)将结晶器铜板基体安装于结晶器水箱上，结晶器铜板预处理后的表面朝向高速激光熔覆设备，高速激光熔覆设备内装有待熔覆的钴基合金粉末；
3)高速激光熔覆设备在结晶器铜板基体预处理后的表面上进行激光熔覆，激光熔覆过程中结晶器水箱始终连接有循环冷却水；
4)熔覆完成后，结晶器铜板基体冷却至室温，完成激光熔覆。
进一步的，所述步骤3)中高速激光熔覆设备在结晶器铜板基体表面和结晶器铜板基体表层同时激光熔融，形成激光熔覆层，激光熔覆层厚度为1～2mm。
进一步的，所述步骤3)中高速激光熔覆设备由送粉器将高速激光熔覆用钴基合金粉末从激光头送出，送粉速率为1000～2000ml/h。
进一步的，所述步骤3)中高速激光熔覆设备加工工艺参数为：激光光斑直径为1～2mm、激光功率为3000～6000W、激光扫描速度为0.5～1m2/h、搭接率为30～50％。
本发明还公开了采用上述的高速激光熔覆用钴基合金粉末在结晶器铜板上的熔覆方法制得的表面带有激光熔覆层的结晶器铜板，以及采用该结晶器铜板组装的结晶器。
由以上技术方案可知，本发明的技术方案高速激光熔覆用钴基合金粉末及其熔覆方法，获得了如下有益效果：
本发明公开的高速激光熔覆用钴基合金粉末及其熔覆方法，其中，钴基合金粉末的成分为：Co：45～55wt％，Cr：15～18wt％，Ni：15～18wt％，Mo：8～12wt％；WC：5～8wt％，余量为不可避免的微量杂质；钴基合金粉末在结晶器铜板上的熔覆方法为，先将结晶器铜板基体表面预处理后安装于结晶器水箱上，预处理后的表面朝向高速激光熔覆设备；然后采用高速激光熔覆设备在结晶器铜板基体预处理后的表面上进行激光熔覆，激光熔覆过程中结晶器水箱始终连接有循环冷却水；最后熔覆完成后，结晶器铜板基体冷却至室温。本发明通过对在结晶器铜板激光熔覆时采用循环冷却水冷却，减少结晶器铜板的热量输入，达到控制结晶器铜板变形的目的，同时还能够在结晶器铜板表面获得涂层结合力强、致密性好的激光熔覆层。
本发明公开的高速激光熔覆用钴基合金粉末及其熔覆方式能同时适用于新制和修复的结晶器铜板，在结晶器铜板基体界面获得与其冶金结合的激光熔覆层，激光熔覆层具有良好的可切削加工性能，并且无裂纹、杂质等缺陷，极大提高了铜合金结晶器的耐磨性和耐蚀性；本发明公开的熔覆方法可精确控制激光熔覆层的厚度，具有能耗低、无污染、效率高、成本低的优点，具有显著的经济效益和社会效益。
应当理解，前述构思以及在下面更加详细地描述的额外构思的所有组合只要在这样的构思不相互矛盾的情况下都可以被视为本公开的发明主题的一部分。
结合附图从下面的描述中可以更加全面地理解本发明教导的前述和其他方面、实施例和特征。本发明的其他附加方面例如示例性实施方式的特征和/或有益效果将在下面的描述中显见，或通过根据本发明教导的具体实施方式的实践中得知。
附图说明
附图不意在按比例绘制。在附图中，在各个图中示出的每个相同或近似相同的组成部分可以用相同的标号表示。为了清晰起见，在每个图中，并非每个组成部分均被标记。现在，将通过例子并参考附图来描述本发明的各个方面的实施例，其中：
图1为本发明实施例1产品热震实验效果图；
图2为本发明实施例2产品热震实验效果图；
图3为本发明实施例3产品热震实验效果图；
图4为本发明实施例4产品热震实验效果图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例的附图，对本发明实施例的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于所描述的本发明的实施例，本领域普通技术人员在无需创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。除非另作定义，此处使用的技术术语或者科学术语应当为本发明所属领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。
本发明专利申请说明书以及权利要求书中使用的“第一”、“第二”以及类似的词语并不表示任何顺序、数量或者重要性，而只是用来区分不同的组成部分。同样，除非上下文清楚地指明其它情况，否则单数形式的“一个”“一”或者“该”等类似词语也不表示数量限制，而是表示存在至少一个。“包括”或者“包含”等类似的词语意指出现在“包括”或者“包含”前面的元件或者物件涵盖出现在“包括”或者“包含”后面列举的特征、整体、步骤、操作、元素和/或组件，并不排除一个或多个其它特征、整体、步骤、操作、元素、组件和/或其集合的存在或添加。“左”“右”等仅用于表示相对位置关系，当被描述对象的绝对位置改变后，则该相对位置关系也可能相应地改变。
基于现有技术中对结晶器铜板表面改性广泛采用的电镀、超音速喷涂都存在由于涂层与基材之间结合力差容易产生裂纹的技术问题，而逐步被采用激光熔覆的表面强化技术所取代。虽然激光熔覆能解决在铜基体电镀强化层、喷涂涂层结合力差、易开裂和易剥落的缺陷，但激光熔覆的过程由于受热较大，会导致铜板变形量大，只适用于铜板新制时使用，而不能在铜板修复时使用，现有技术中持续使用的主要是修复的结晶器铜板。本发明旨在提出一种激光熔覆用钴基合金粉末及其熔覆方法，能有效控制激光熔覆过程对结晶器铜板的热量输入，减小结晶器铜板的变形，同步适用于新制和修复的结晶器铜板。
下面结合附图所示的实施例，对本发明的激光熔覆用钴基合金粉末及其熔覆方法作进一步具体介绍。
一种高速激光熔覆用钴基合金粉末，其成分及含量为：Co：45～55wt％，Cr：15～18wt％，Ni：15～18wt％，Mo：8～12wt％；WC：5～8wt％，余量为不可避免的微量杂质，其中，高速激光熔覆用钴基合金粉末的粒径在20～53μm之间，采用该粒径粉末，获得的熔覆层结合力强，孔隙率小，表面平整。
将本发明公开的高速激光熔覆用钴基合金粉末在结晶器铜板上的熔覆应用，其熔覆方法具体包括如下步骤：
1)结晶器铜板基体表面预处理；预处理包括对结晶器铜板进行精加工、待熔覆的表面进行抛光处理，去除污渍和氧化物等；
2)将结晶器铜板基体安装于结晶器水箱上，结晶器铜板预处理后的表面朝向高速激光熔覆设备，高速激光熔覆设备内装有待熔覆的钴基合金粉末；
3)高速激光熔覆设备在结晶器铜板基体预处理后的表面上进行激光熔覆，激光熔覆过程中结晶器水箱始终连接有循环冷却水；
4)熔覆完成后，结晶器铜板基体冷却至室温，完成激光熔覆。
采用上述公开的高速激光熔覆用钴基合金粉末在结晶器铜板基体表面熔覆获得的激光熔覆层厚度为1～2mm。
另外，上述方法步骤中步骤3)高速激光熔覆设备在结晶器铜板基体表面和结晶器铜板基体表层同时激光熔融，形成激光熔覆层；高速激光熔覆设备在激光熔覆过程中由送粉器将高速激光熔覆用钴基合金粉末从激光头送出，送粉速率为1000～2000ml/h；高速激光熔覆设备在结晶器铜板基体上的加工工艺参数为：激光光斑直径为1～2mm、激光功率为3000～6000W、激光扫描速度为0.5～1m2/h、搭接率为30～50％。
本发明公开的采用高速激光熔覆用钴基合金粉末在结晶器铜板上的熔覆方法的核心在于，通过冷却装置换热的方式将结晶器铜板激光熔覆过程中输入的热量最大程度的传导，减少热量对结晶器铜板造成的热。在本发明中，冷却装置采用的是接通循环冷却水的结晶器水箱实现热传导，但是，在本发明的用来进行热传导的冷却装置却不限于结晶器水箱，其他能够固定安装结晶器铜板、并能实现将结晶器铜板在激光熔覆过程输入的热量快速传递的结构也应该在本发明公开的范围内。
此外，本发明公开了采用上述的高速激光熔覆用钴基合金粉末在结晶器铜板上的熔覆方法制得的表面带有激光熔覆层的结晶器铜板，以及采用该结晶器铜板组装的结晶器，对于熔覆获得的结晶器铜板在下述实施例中也将进一步验证激光熔覆后铜板的性能。
实施例1
选取修复的结晶器铜板，对其基体表面进行预处理，去除氧化物和污渍等，然后，将结晶器铜板基体固定在结晶器水箱上，结晶器铜板基体预处理后的表面朝向高速激光熔覆设备的激光头，并且结晶器水箱接通循环冷却水；取适量的高速激光熔覆用钴基合金粉末进行烘干，钴基合金粉末的成分为Co：47wt％，Cr：17wt％，Ni：16wt％，Mo：10wt％；WC：8wt％，余量为不可避免的杂质，钴基合金粉末粒径在20～53μm之间分布，烘干后装入高速激光熔覆设备送粉器内待用；开启高速激光熔覆设备，激光功率设定为3000W，激光光斑调整至合适位置，使用机器人带动高速激光熔覆设备激光头，设定扫描速度1m2/h，激光搭接率30％，送粉器送粉速度1200ml/h，熔覆完成后，结晶器铜板基体在结晶器水箱上冷却至室温。结晶器铜板基体表面制备的熔覆层厚度为1～1.1mm。取激光熔覆后的结晶器铜板进行硬度、耐磨性及热震试验。
实施例2
选取修复的结晶器铜板，对其基体表面进行预处理，去除氧化物和污渍等，然后，将结晶器铜板基体固定在结晶器水箱上，结晶器铜板基体预处理后的表面朝向高速激光熔覆设备的激光头，并且结晶器水箱接通循环冷却水；取适量的高速激光熔覆用钴基合金粉末进行烘干，钴基合金粉末的成分为Co：48wt％，Cr：18wt％，Ni：17wt％，Mo：11wt％；WC：5wt％，余量为不可避免的杂质，钴基合金粉末粒径在20～53μm之间分布，烘干后装入高速激光熔覆设备送粉器内待用；开启高速激光熔覆设备，激光功率设定为4000W，激光光斑调整至合适位置，使用机器人带动高速激光熔覆设备激光头，设定扫描速度0.5m2/h，激光搭接率50％，送粉器送粉速度1000ml/h，熔覆完成后，结晶器铜板基体在结晶器水箱上冷却至室温。结晶器铜板基体表面制备的熔覆层厚度为1.6～1.8mm。取激光熔覆后的结晶器铜板进行硬度、耐磨性及热震试验。
实施例3
选取新制的结晶器铜板，对其基体表面进行预处理，去除氧化物和污渍等，然后，将结晶器铜板基体固定在结晶器水箱上，结晶器铜板基体预处理后的表面朝向高速激光熔覆设备的激光头，并且结晶器水箱接通循环冷却水；取适量的高速激光熔覆用钴基合金粉末进行烘干，钴基合金粉末的成分为Co：50wt％，Cr：15.5wt％，Ni：16.5wt％，Mo：10.5wt％；WC：6wt％，余量为不可避免的杂质，钴基合金粉末粒径在20～53μm之间分布，烘干后装入高速激光熔覆设备送粉器内待用；开启高速激光熔覆设备，激光功率设定为3000W，激光光斑调整至合适位置，使用机器人带动高速激光熔覆设备激光头，设定扫描速度1m2/h，激光搭接率30％，送粉器送粉速度1100ml/h，熔覆完成后，结晶器铜板基体在结晶器水箱上冷却至室温。结晶器铜板基体表面制备的熔覆层厚度为1.4～1.5mm。取激光熔覆后的结晶器铜板进行硬度、耐磨性及热震试验。
实施例4
与实施例1相比采用一样的激光熔覆操作步骤，仅更换本发明公开的钴基合金粉末为现有技术中常见的钴基合金粉末：Co：58％，Cr：29％，Ni：3.0％，Mo：1.0％，W：4.0％，Fe：3.0％，余量为不可避免的杂质。取激光熔覆后的结晶器铜板进行硬度、耐磨性及热震试验。
对实施例1、实施例2、实施例3和实施例4的产品进行维氏硬度检测试验，其结果如表1所示。
表1 激光熔覆后结晶器铜板基体硬度检测结果
结合表1所示，采用本发明公开的高速激光熔覆用钴基合金粉末对结晶器铜板基体进行激光熔覆后，结晶器铜板的硬度相较于现有技术中实施例4采用其他成分比例的钴基合金粉末具有更好的可切削性能，并且在常温和500℃长时间应用条件下仍能保持相对稳定的性能。
对实施例1、实施例2、实施例3和实施例4的产品进行耐磨性检测试验，其结果如表2所示。
表2 激光熔覆后结晶器铜板基体耐磨性检测结果
结合表2所示，采用本发明公开的高速激光熔覆用钴基合金粉末对结晶器铜板基体进行激光熔覆后，结晶器铜板的耐磨性相较于现有技术中实施例4采用其他成分比例的钴基合金粉末具有的显著提升，并且在常温和500℃长时间应用条件下，虽然耐磨性降低，但相较于实施例4采用现有技术中的钴基合金粉末熔覆仍能保持良好的耐磨性能。
对实施例1、实施例2、实施例3和实施例4的产品进行耐磨性检测试验，其结果如图1、图2、图3和图4所示。
采用本发明公开的高速激光熔覆用钴基合金粉末对结晶器铜板基体进行激光熔覆后，进行热震试验，热震试验条件为：热震温度400℃，选用常温水冷，热震次数200，单次加热保温时间：5min。结合图1至图4所示，图片从左至右依次为熔覆后结晶器铜板基体在热震前、热震50次、热震100次和热震200次的样品效果图。
实施例1的样品在热震50次左右时，表面出现明显的蚀点，该蚀点周围存在为黑色氧化物，随着热震次数增加，在100次左右时样品表面黑色蚀点少量增加，随后蚀点周围黑色氧化物脱落，蚀点变得不明显；热震至200次时黑色蚀点又出现，同样随后黑色氧化物脱落，且样品表面无肉眼可见裂纹。实施例2样品在热振50次左右时，表面出现明显的蚀点，该蚀点周围存在为黑色氧化物，随着热震次数增加，在100次左右时样品表面黑色蚀点数量有所增加，随后蚀点周围黑色氧化物脱落，蚀点变得不明显；热震至200次时黑色蚀点又出现，同样随后黑色氧化物脱落，且样品表面无肉眼可见裂纹。实施例3样品在热振50次左右时，表面除颜色出现变化外，未见明显缺陷，随着热震次数增加，在100次左右时样品表面出现黑色蚀点，该蚀点周围存在为黑色氧化物，随着热震次数增加；热震至200次时样品表面黑色蚀点数量有所增加，且样品表面无肉眼可见裂纹。实施例4样品在热振50次左右时，表面出现轻微裂纹，随着热震次数增加，在100次左右时样品表面裂纹明显增多；热震至200次时样品表面螺纹增多且明显加深。
综合上述对实施例1至实施例4的硬度、耐磨性和热震试验的研究分析，采用本发明公开的高速激光熔覆用钴基合金粉末及其在结晶器铜板表面的熔覆方法，能在结晶器铜板表面得到熔覆层与基底界面冶金结合良好的冶金结合带，精确控制熔覆层的厚度，并且激光熔覆层具有良好的可切削加工性能、无裂纹、杂质等缺陷，极大提高了铜合金结晶器的耐磨性和耐蚀性。本发明通过在结晶器水箱通循环冷却水与结晶器铜板换热的方式减少对结晶器铜板的热量输入，控制结晶器铜板的变形量，可有效保证结晶器铜板的激光熔覆的质量，同时适用于新制和修复的结晶器铜板，具有能耗低、无污染、效率高、成本低的优点，对于结晶器整体而言，可有效延长结晶器在钢坯成型过程的使用寿命，降低结晶器的耗损率，降低结晶器的投入成本，具有深远的社会效益和经济效益。
虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然其并非用以限定本发明。本发明所属技术领域中具有通常知识者，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作各种的更动与润饰。因此，本发明的保护范围当视权利要求书所界定者为准。
Claims (10)
1.一种高速激光熔覆用钴基合金粉末，其特征在于，所述高速激光熔覆用钴基合金粉末的成分及含量为：Co：45～55wt％，Cr：15～18wt％，Ni：15～18wt％，Mo：8～12wt％；WC：5～8wt％，余量为不可避免的微量杂质。
2.根据权利要求1所述的高速激光熔覆用钴基合金粉末，其特征在于，所述高速激光熔覆用钴基合金粉末的粒径为20～53μm。
3.根据权利要求1所述的高速激光熔覆用钴基合金粉末，其特征在于，所述高速激光熔覆用钴基合金粉末在结晶器铜板上的熔覆。
4.根据权利要求3所述的高速激光熔覆用钴基合金粉末在结晶器铜板上的熔覆方法，其特征在于，包括如下步骤：
1)结晶器铜板基体表面预处理；
2)将结晶器铜板基体安装于结晶器水箱上，结晶器铜板预处理后的表面朝向高速激光熔覆设备，高速激光熔覆设备内装有待熔覆的钴基合金粉末；
3)高速激光熔覆设备在结晶器铜板基体预处理后的表面上进行激光熔覆，激光熔覆过程中结晶器水箱始终连接有循环冷却水；
4)熔覆完成后，结晶器铜板基体冷却至室温，完成激光熔覆。
5.根据权利要求4所述的高速激光熔覆用钴基合金粉末在结晶器铜板上的熔覆方法，其特征在于，所述步骤3)中高速激光熔覆设备在结晶器铜板基体表面和结晶器铜板基体表层同时激光熔融，形成激光熔覆层。
6.根据权利要求4所述的高速激光熔覆用钴基合金粉末在结晶器铜板上的熔覆方法，其特征在于，所述步骤3)中高速激光熔覆设备由送粉器将激光熔覆用钴基合金粉末从激光头送出，送粉速率为1000～2000ml/h。
7.根据权利要求4所述的高速激光熔覆用钴基合金粉末在结晶器铜板上的熔覆方法，其特征在于，所述步骤3)中高速激光熔覆设备加工工艺参数为：激光光斑直径为1～2mm、激光功率为3000～6000W、激光扫描速度为0.5～1m2/h、搭接率为30～50％。
8.根据权利要求5所述的高速激光熔覆用钴基合金粉末在结晶器铜板上的熔覆方法，其特征在于，所述结晶器铜板基体表面的激光熔覆层厚度为1～2mm。
9.结晶器铜板，其特征在于，所述结晶器铜板为采用权利要求4-8任一项所述的高速激光熔覆用钴基合金粉末在结晶器铜板上的熔覆方法制得的表面带有激光熔覆层的结晶器铜板。
10.结晶器，其特征在于，所述结晶器采用权利要求9所述的结晶器铜板。
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