專(zhuān)利名稱(chēng)：一種結(jié)晶器表面激光熔覆的合金涂層及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及激光熔覆技術(shù)，具體是一種結(jié)晶器表面激光熔覆的合金涂 層及其制備方法，此涂層具有高耐磨、耐熱沖蝕和與基材高結(jié)合力等性能。
背景技術(shù)：
結(jié)晶器是煉鋼中連鑄鋼的關(guān)鍵部件，連鑄時(shí)鋼水通過(guò)結(jié)晶器表面連續(xù) 冷卻而直接鑄出鋼坯，結(jié)晶器的質(zhì)量直接影響連鑄坯表面質(zhì)量、連鑄機(jī)作 業(yè)率和連鑄坯成本及出鋼噸位等。高效連鑄技術(shù)的發(fā)展對(duì)結(jié)晶器質(zhì)量提出 了更高的要求，高強(qiáng)度、高耐磨性、耐腐蝕性和良好的導(dǎo)熱性成為衡量結(jié) 晶器質(zhì)量的重要指標(biāo)。目前，對(duì)結(jié)晶器表面處理常用的技術(shù)有堆焊技術(shù)、 熔接技術(shù)、電鍍、化學(xué)鍍、熱噴涂、非金屬鍍技術(shù)、物理與化學(xué)氣相沉積、 化學(xué)熱處理等。然而廣泛應(yīng)用的電鍍、化學(xué)鍍、熱噴涂等表面處理方法雖 然能提高結(jié)晶器銅板的耐磨性，但由于制備的涂層與基體是機(jī)械結(jié)合，而 不是冶金結(jié)合，在結(jié)晶器使用過(guò)程中常會(huì)由于熱疲勞鍍層易于發(fā)生剝落起 皮，引起結(jié)晶器銅板的報(bào)廢和連鑄停產(chǎn)；涂層存在著疏松、氣孔、夾雜等 缺陷，顯著影響涂層性能和使用壽命。
近年來(lái)，出現(xiàn)了大功率C02激光器在結(jié)晶器銅板表面進(jìn)行激光熔覆工
藝的研究；獲得的激光熔覆耐磨合金涂層為冶金結(jié)合，與電鍍、熱噴涂等 涂層相比，具有結(jié)合強(qiáng)度高、熔層組織細(xì)密均勻的特點(diǎn)。然而，目前的涂 層僅由一些常規(guī)的激光熔覆粉末組成，如Ni60， Nil015等，在結(jié)晶器表面 大面積熔覆時(shí)存在裂紋、氣孔等缺陷，或存在合金涂層與基體熔覆性能差、 熔覆工藝不穩(wěn)定等問(wèn)題；應(yīng)用時(shí)有涂層耐磨性差、剝落等具體性能表現(xiàn)。

發(fā)明內(nèi)容
為了克服上述結(jié)晶器涂層存在的開(kāi)裂、氣孔和耐磨性差等不足，本發(fā) 明的目的在于提供一種激光熔覆結(jié)晶器合金涂層，滿足結(jié)晶器表面進(jìn)行激 光熔覆工藝的可實(shí)施性(避免了裂紋、氣孔的發(fā)生)，同時(shí)獲得的激光熔覆 涂層滿足結(jié)晶器惡劣的工作環(huán)境，最終可以提高結(jié)晶器的性能和使用壽命。
本發(fā)明的技術(shù)方案包括
涂層按質(zhì)量百分比計(jì)，成份由Ni55 57、 Crl6 19、 W8 10、 Mo8 10、 A10.8 1.0、 Ti2.5~3.5、 C0.2~0.3、 Si2.5~3.5及B 2 2.5組成。
制備涂層方法給結(jié)晶器加溫至45(TC-60(TC進(jìn)行預(yù)熱處理；采用鎳基自熔性合金粉末制備涂層；按質(zhì)量百分比計(jì)，取Ni55 57、Cr16 19、 W8~10、 Mo8~10、 A10.8~1.0、 Ti2.5~3.5、 C0.2 0.3、 Si2.5 3.5及B2 2.5，采用同軸 送粉方式、在保護(hù)氣下送至結(jié)晶器表面。送粉同時(shí)用功率為4.5KW 5.5KW 的C02激光束聚焦于結(jié)晶器表面，在激光束作用下熔化合金粉末，使熔化 的合金粉末與結(jié)晶器表面相結(jié)合，形成涂層；熔覆后結(jié)晶器隨爐冷卻；
其中所述涂層厚度為0.3 0.5mm;保護(hù)氣為氣簾式結(jié)構(gòu)，在載粉氣流層 外圍形成，用于載粉氣流二次壓縮，實(shí)現(xiàn)粉末的高度匯聚。
1) 結(jié)晶器的工作條件及失效形式分析
結(jié)晶器銅板工作表面與1 530 1 570°C的鋼液接觸，銅板背面通過(guò)30 40°C的冷卻水，因此在銅板上存在很大的溫度梯度和熱應(yīng)力，在熱應(yīng)力的 作用下涂層與銅板剝離、脫落，影響鋼坯的表面質(zhì)量。在鋼液高溫沖刷作 用下，涂層磨損也成為結(jié)晶器更換的原因。因此，金屬粉末的選取必須滿 足結(jié)晶器的工作條件，提高結(jié)晶器的使用壽命。
2) 分析涂層合金粉末對(duì)涂層的組織與性能的影響 本實(shí)施例采用混合法則(Voight模型)進(jìn)行物性參數(shù)的推算。
P = + A"/", +……
式中，pe、 Pm......分別為各種元素所對(duì)應(yīng)的物理性能，fe、 fm分別為該
種元素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)。根據(jù)結(jié)晶器對(duì)表面合金涂層的機(jī)械性能要求，考慮激 光熔覆在結(jié)晶器表面的工藝性，配置合金粉末成分和比例。由于Ni與Cu 能夠生成無(wú)限固溶體，因此合金涂層粉末選取Ni基粉末，合金涂層所需的
硬度為2HVo.]300，因此涂層中C的含量可選擇在0.2 0.3 wt %，；根據(jù)熱噴 涂耐磨合金粉末中W的含量，選取W的含量為8 10wt%， W可與C形成 WC具有很高的硬度和耐磨性；Cr元素固溶在Ni的面心立方晶體中，對(duì)晶 體既起固溶作用，又對(duì)涂層起鈍化作用，Cr元素含量的選擇可依據(jù)奧氏體 不銹鋼中含量選擇在16 19wt%; Al與Cr、 Si合用，可顯著提高涂層的高 溫不起皮性能和耐高溫腐蝕能力，Al的含量一般不超過(guò)1 wt %; Mo具有 細(xì)化晶粒的作用，在高溫時(shí)保持足夠的強(qiáng)度和抗蠕變的能力，根據(jù)結(jié)晶器 涂層的工作條件可選擇較高的含量，因此Mo的含量為8 10wte/。； 丁i的加 入能夠使涂層組織致密，而且可以避免發(fā)生晶間腐蝕，由于Ti粉的價(jià)格較 高，因此只需選擇在2.5 3.5 wt。/。即可；Si、 B的加入可以改善合金涂層成 形工藝性能，Si、 B元素一方面作為脫氧劑和自熔劑，增加潤(rùn)濕性，另一方 面通過(guò)固溶強(qiáng)化和彌散強(qiáng)化提高涂層的硬度和耐磨性，Si、 B的含量為常規(guī) 自熔性合金粉末含量分別為Si2.5 3.5 wt。/。及B2 2.5 wt%。以上分析，設(shè) 計(jì)合金粉末的成份和比例(wt。/o)為Ni55 57、 Crl6 19、 W8 10、 Mo8 10、 A10.8 L0、 Ti2.5 3.5、 C0.2 0.3、 Si2.5 3.5、 B2 2.5。3)涂層性能檢測(cè)
根據(jù)以上分析和合金粉末的制備，用激光熔覆的方式在結(jié)晶器表面獲 得合金涂層，然后進(jìn)行涂層的宏觀形貌檢驗(yàn)，觀察涂層形狀、表面及內(nèi)部 是否存在氣孔及裂紋，然后分析涂層的顯微組織，最后對(duì)涂層的物理機(jī)械 性能進(jìn)行檢測(cè)。
本發(fā)明具有如下優(yōu)點(diǎn)
本發(fā)明合金涂層由Ni基自熔性合金粉末構(gòu)成，其成份配比考慮到結(jié)晶 器對(duì)表面合金涂層的機(jī)械性能要求及激光熔覆在結(jié)晶器(銅合金)表面的 工藝性，使激光熔覆過(guò)程中，該合金涂層中的粉末與結(jié)晶器的銅基熔合性 好，獲得的合金涂層無(wú)氣孔、夾雜、裂紋等缺陷，表面平整光潔；熔層硬
度達(dá)到HV(u300以上。


圖1本發(fā)明涂層與結(jié)晶器基體表面結(jié)合處SEM形貌。
圖2本發(fā)明涂層的SEM形貌。
圖3本發(fā)明結(jié)晶器基體到涂層表面的硬度分布。
具體實(shí)施例方式
下面結(jié)合附圖對(duì)發(fā)明進(jìn)一步說(shuō)明
本實(shí)施例合金粉末的比例(質(zhì)量百分比)為Ni57、 Crl6、 W8.5、 Mo9.3、 A10.9、 Ti3.0、 C0.3、 Si2.5、 B2.5。采用霧化法制取此種合金粉末，粉末的 顆粒度為-100+325目。
制備涂層對(duì)結(jié)晶器加溫至45(TC進(jìn)行預(yù)熱處理；采用鎳基自熔性合金 粉末制備涂層；按質(zhì)量百分比計(jì)，取上述合金粉末，采用同軸送粉方式、 在N2保護(hù)氣下送至結(jié)晶器表面；送粉同時(shí)用功率為5.5KW的C02激光束 聚焦于結(jié)晶器表面，在激光束作用下熔化合金粉末，使熔化的合金粉末與 結(jié)晶器表面相結(jié)合，形成涂層；熔覆后結(jié)晶器隨爐冷卻；
所述涂層厚度為0.5mm;保護(hù)氣為氣簾式結(jié)構(gòu)，在載粉氣流層外圍形 成，用于載粉氣流二次壓縮，實(shí)現(xiàn)粉末的高度匯聚。本實(shí)施例采用額定功 率為6KW的C02激光器。
通過(guò)對(duì)本實(shí)施例合金粉末制備結(jié)晶器表面涂層的顯微組織進(jìn)行分析，
其涂層與基材結(jié)合處的顯微組織見(jiàn)圖1，圖1可見(jiàn)涂層與基材的結(jié)合方式 為冶金結(jié)合，涂層合金粉末擴(kuò)散到基體材料中，結(jié)合處無(wú)氣孔、裂紋及夾
雜。說(shuō)明在熔覆的過(guò)程中，采用N2進(jìn)行保護(hù)對(duì)涂層的質(zhì)量起到作用。圖2 為涂層表面的顯微組織，從圖2中可以看出與基體材料接觸部分①，晶粒 細(xì)小，經(jīng)檢測(cè)晶粒的平均尺寸為6|im，主要原因?yàn)榛w材料的導(dǎo)熱快，表 面熔融的涂層在較大的過(guò)冷度的條件下迅速結(jié)晶，呈枝晶生長(zhǎng)。隨著與基材距離的增加，導(dǎo)熱率的下降，晶粒②有一定的生長(zhǎng)。從圖2中還可以看 出，在涂層中均勻分布著許多硬質(zhì)顆粒，這種組織對(duì)結(jié)晶器涂層耐高溫磨 損起到作用。
對(duì)基體到涂層的顯微硬度進(jìn)行檢測(cè)，檢測(cè)結(jié)果見(jiàn)圖3。從圖3中可以看 出基體材料的顯微硬度為HV(u88.8，合金涂層的顯微硬度平均值為 HVal306.1，過(guò)渡區(qū)的顯微硬度為HV(u 244.0和HV(u298.8;從硬度變化
趨勢(shì)可以看出基材與涂層間存在均勻的過(guò)渡層，涂層中合金元素?cái)U(kuò)散到
基體材料中，使基材的顯微硬度增加。
通過(guò)本實(shí)施例制備結(jié)晶器激光熔覆涂層的主要技術(shù)參數(shù)指標(biāo)
1. 涂層的顯微硬度2HV(u300
2. 涂層的應(yīng)力30~50MPa
3. 涂層與基材的結(jié)合力2200 MPa
4. 涂層的抗拉強(qiáng)度2310 MPa 實(shí)施例2
與實(shí)施例1不同之處在于
合金粉末按質(zhì)量百分比計(jì)，取Ni55、 Crl8、 W9、 Mo8.0、 Al 0.8、 Ti3.5、 C0.2、 Si3.5及B2。
制備涂層方法結(jié)晶器預(yù)熱溫度60(TC，按質(zhì)量百分比計(jì)，取所述合金 粉末，送粉同時(shí)用功率為4.5KW的C02激光束聚焦于結(jié)晶器表面，在激光 束作用下使合金粉末與結(jié)晶器表面相結(jié)合，形成厚度為0.3mm的涂層。
其結(jié)果參見(jiàn)實(shí)施例1。
權(quán)利要求
1.一種結(jié)晶器表面激光熔覆的合金涂層，其特征在于采用鎳基自熔性合金粉末制備涂層；按質(zhì)量百分比計(jì)，涂層成份由Ni 55～57、Cr 16～19、W 8～10、Mo 8～10、Al 0.8～1.0、Ti 2.5～3.5、C 0.2～0.3、Si 2.5～3.5及B 2～2.5組成。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的結(jié)晶器表面激光熔覆的合金涂層，其特征在 于合金粉末的顆粒度為-100+325目。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的結(jié)晶器表面激光熔覆的合金涂層的制備方法， 其特征在于先給結(jié)晶器加溫至45(TC-60(rC進(jìn)行預(yù)熱處理；再采用鎳基自 熔性合金粉末制備涂層；按質(zhì)量百分比計(jì)，取Ni 55-57、 Cr 16 19、 W 8 10、 Mo8~10、 A10.8 1.0、 Ti2.5~3.5、 C 0.2~0.3、 Si 2.5~3.5及B 2~2.5，采用 同軸送粉方式、在保護(hù)氣下送至結(jié)晶器表面。送粉同時(shí)用功率為 4.5KW 5.5KW的C02激光束聚焦于結(jié)晶器表面，在激光束作用下熔化合 金粉末，使熔化的合金粉末與結(jié)晶器表面相結(jié)合，形成涂層；熔覆后結(jié)晶 器隨爐冷卻。
4. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的結(jié)晶器表面激光熔覆的合金涂層，其特征在 于其中所述涂層厚度為0.3~0.5mm。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的結(jié)晶器表面激光熔覆的合金涂層，其特征在 于保護(hù)氣為氣簾式結(jié)構(gòu)。
全文摘要
本發(fā)明涉及激光熔覆領(lǐng)域，具體是一種結(jié)晶器表面激光熔覆的合金涂層及其制備方法。該合金涂層的成分根據(jù)結(jié)晶器的機(jī)械性能、失效情況和結(jié)晶器表面激光熔覆特點(diǎn)進(jìn)行配制，此合金涂層由鎳基自熔性合金粉末組成，包括Ni、Cr、W、Mo、Al、Ti、C、B等元素，按質(zhì)量百分比計(jì)，涂層成份具體由Ni 55～57、Cr 16～19、W 8～10、Mo 8～10、Al 0.8～1.0、Ti 2.5～3.5、C 0.2～0.3、Si 2.5～3.5及B 2～2.5組成。經(jīng)激光熔覆后，在結(jié)晶器表面獲得優(yōu)質(zhì)涂層，一方面能滿足結(jié)晶器的快速導(dǎo)熱的基本性能要求，另一方面增加結(jié)晶器表面的耐磨性和耐熱沖蝕性能。
文檔編號(hào)C23C24/10GK101643901SQ20081001266
公開(kāi)日2010年2月10日 申請(qǐng)日期2008年8月6日 優(yōu)先權(quán)日2008年8月6日
發(fā)明者侯丹輝, 宮銘輝, 張翼飛, 飛 邢 申請(qǐng)人:沈陽(yáng)新松機(jī)器人自動(dòng)化股份有限公司