專利名稱：結(jié)晶器銅板表面超音速大氣等離子噴涂陶瓷涂層的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于應(yīng)用于鋼鐵冶金連鑄結(jié)晶器領(lǐng)域，具體涉及一種結(jié)晶器銅板表面超音速大氣等離子噴涂陶瓷涂層的方法。
背景技術(shù)：
連鑄在鋼鐵冶金領(lǐng)域的煉鋼和軋制工藝之間起到了承前啟后的關(guān)鍵作用，而被稱之為“連鑄的心臟”的結(jié)晶器的性能一直是研究的重點?，F(xiàn)代連鑄過程要求結(jié)晶器在盡可能高的拉速下，保證鑄坯出結(jié)晶器時坯殼有足夠的厚度，防止拉漏，且鑄坯周邊凝固殼層厚度均勻，以達到保證鑄坯質(zhì)量、防止因拉坯及結(jié)晶器振動引起的拉漏的穩(wěn)定高效生產(chǎn)的目的。結(jié)晶器外表面用30 40°C的冷卻水強制冷卻，而其內(nèi)表面與熔渣和高于1500°C的鋼液接觸，易引起化學(xué)腐蝕和高溫氧化，承受了溫度梯度大引起的熱疲勞，尤其在彎月面處會誘發(fā)大量熱裂紋產(chǎn)生。在結(jié)晶器底部凝固坯殼增厚，保護渣為玻璃態(tài)，結(jié)晶器和鑄坯坯殼之間的摩擦磨損為結(jié)晶器的主要失效形式。此外，氣蝕和結(jié)晶器在線調(diào)寬引起的劃傷均在不同程度造成了結(jié)晶器的損耗。為此，要求結(jié)晶器內(nèi)壁應(yīng)有良好的導(dǎo)熱性，凝固殼層與結(jié)晶器內(nèi)壁不粘結(jié)，摩擦力小，有足夠的剛性，結(jié)構(gòu)要簡單，重量要輕。統(tǒng)計資料顯示，每套結(jié)晶器的價格在十萬到百萬元間不等，我國鋼鐵企業(yè)每年用于結(jié)晶器更換及維修的費用在二十億元以上，結(jié)晶器是除去軋輥之外的第二大耗材。隨著連鑄技術(shù)的不斷發(fā)展，連鑄結(jié)晶器銅板材質(zhì)由最初的無氧銅逐漸發(fā)展到以CuAg和CuCrZr為主，其它銅合金如CuNiBeXuCoBe等正在嘗試。為提高鑄坯質(zhì)量及延長結(jié)晶器壽命，銅板工作由純銅發(fā)展到電鍍、熔射噴鍍及熱噴涂Ni、Cr、Ni-Cr、Ni-Fe、Ni-Co、Ni-W、Ni-W-P金屬陶瓷復(fù)合層。電鍍存在以下缺點I)涂層與基材之間為物理結(jié)合而非冶金結(jié)合，在結(jié)晶器服役條件下頻繁出現(xiàn)的冷熱疲勞、鋼水及鋼坯的沖擊和摩擦經(jīng)常引起涂層起皮剝落；2)涂層內(nèi) 部存在電鍍過程中形成的針孔及針狀疏松等缺陷，降低涂層的抗氧化和磨損性能；3)鍍層硬度低，耐磨性較差；4)電鍍過程不可避免的排污排廢及環(huán)境污染，屬國家控制和逐步淘汰工藝。目前熱噴涂技術(shù)已廣泛用于制備結(jié)晶器涂層，其產(chǎn)品具有優(yōu)良的耐磨性、耐蝕性和與基體較高的結(jié)合強度。例如專利CN101116900A采用爆炸噴涂在結(jié)晶器表面制備Ni-Cr-Cr3C2金屬陶瓷復(fù)合涂層，制得的涂層結(jié)合性能好，與基體的結(jié)合強度60 70MPa。但是，噴涂工藝所制備的涂層表面粗糙度大，耐應(yīng)變性差，從而影響高溫工作時的熱沖擊性，且無過渡層緩和涂層與基體之間的熱脹系數(shù)變化，增大了涂層在彎月面處熱裂紋產(chǎn)生的機率而導(dǎo)致涂層的失效。專利CN101302619A采用超音速火焰噴涂在四周邊加了護板的結(jié)晶器銅板上制得了厚度均一的鎳基合金涂層，涂層與基體呈冶金結(jié)合、降低了孔隙率并提高了耐磨性，但是涂層需要進行真空熔融擴散熱處理以增強與基體的結(jié)合強度，熱處理溫度為800 950°C，高于銅基體的再結(jié)晶溫度，易誘發(fā)銅基體的熱變形，從而增大熱處理后矯形難度甚至處理過程會危及涂層的性能。

發(fā)明內(nèi)容
為了克服上述現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明的目的在于提供一種在結(jié)晶器銅板表面噴涂陶瓷涂層的方法，獲得的涂層均勻致密，表面粗糙度低，與基體結(jié)合強度高，高溫耐磨性、抗熱震性及耐蝕性能好。為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案是一種結(jié)晶器銅板表面超音速大氣等離子噴涂陶瓷涂層的方法，包括以下步驟步驟一，對結(jié)晶器銅板基體進行表面預(yù)處理；
步驟二，在經(jīng)過預(yù)處理的基體表面噴涂粘結(jié)涂層；步驟三，根據(jù)結(jié)晶器不同部位失效形式不同，在粘結(jié)涂層上噴涂相應(yīng)的陶瓷面層。所述步驟一的預(yù)處理是指除油、除銹和表面粗化，預(yù)處理方法依次為堿浴-酸浴-噴砂或超聲清洗-噴砂，所述的堿浴為NaOH或Na2CO3溶液，80 100°C，5 15分鐘，濃度為10 40wt. % ;酸浴為5 40wt. %的HCl或H2SO4,80 ~ 100°C, 5 ~ 15分鐘；超聲清洗米用丙酮5 15分鐘。所述步驟二中粘結(jié)涂層的厚度為40 100 μ m，粘結(jié)涂層所選擇的金屬粉末具備與基體和陶瓷粉末的潤濕性，且其晶格結(jié)構(gòu)與基體相同，熱膨脹系數(shù)與基體和陶瓷面層接近，在10 18 (10_6/°C)之間，噴涂方法為國防科技重點實驗室研制的HEPJet高效能超音速大氣等離子噴涂，粘結(jié)涂層材料為含有O. 2 20wt. %Ni或Cr或B或Si或Mn或Ag或P或Sn —種或幾種的銅基合金，當(dāng)銅基合金為兩種以上時，其間比例任意；或者為含有O. I 35wt. %的B或Si或Al或Co或Cr或Y —種或幾種的鎳基合金，當(dāng)鎳基合金為兩種以上時，其間比例任意；粘結(jié)層噴涂參數(shù)為噴涂電壓100 150V，噴涂電流350 400A，主氣(Ar)流量50 70sl/m，輔氣(H2)流量5 15sl/m，噴槍移動速度700 800mm/s，送粉率30 45g/min,噴涂距離 80 120mm。所述步驟三中陶瓷面層包括氧化鉻面層和6 8wt. %Y203部分穩(wěn)定的ZrO2(YPSZ)面層，在結(jié)晶器彎月面處噴涂YPSZ面層，在其余部位噴涂氧化鉻面層。兩種陶瓷面層的厚度均為80 300 μ m，面層噴涂參數(shù)為噴涂電壓130 200V，噴涂電流400 450A，主氣(Ar)流量50 80sl/m，輔氣(H2)流量10 20sl/m，噴槍移動速度700 800mm/s，送粉率25 40g/min,噴涂距離80 120mm。所述YPSZ面層為所述YPSZ粉末與粘結(jié)涂層粉末的混合，混合材料中粘結(jié)涂層的粉末的含量為O 20wt. %，氧化鉻面層為所述氧化鉻粉末與粘結(jié)涂層粉末的混合，混合材料中粘結(jié)涂層的粉末的含量為O 20wt. %。所述步驟三中陶瓷面層為單一成分的氧化鋯面層或氧化鉻面層，或者為含粘結(jié)粉末質(zhì)量從20 Owt. %漸變的梯度涂層。本發(fā)明由于采取以上技術(shù)方案，其具有以下優(yōu)點銅或銅合金基體與涂層結(jié)合強度高，涂層具有高顯微硬度、低的表面粗糙度和孔隙率，優(yōu)良的高溫磨損性能和抗熱震性能。根據(jù)結(jié)晶器不同部位失效形式不同，對涂層成分進行合理設(shè)計，因此本方法的應(yīng)用可有效提高結(jié)晶器的服役壽命，也可應(yīng)用于其它銅或銅合金構(gòu)件的表面強化與修復(fù)。


圖I是本發(fā)明實施例I的YPSZ陶瓷涂層的顯微組織照片。圖2是本發(fā)明實施例I的Cr2O3陶瓷涂層的顯微組織照片。圖3是本發(fā)明實施例I的YPSZ陶瓷涂層局部表面粗糙度的三維立體顯微照片。圖4是本發(fā)明實施例I的Cr2O3陶瓷涂層局部表面粗糙度的三維立體顯微照片。
具體實施例方式下面結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明做進一步詳細(xì)說明。實施例一
一種結(jié)晶器銅板表面超音速等大氣離子噴涂陶瓷涂層的方法，包括以下步驟步驟一，純銅基體通過堿浴-酸浴-噴砂進行表面預(yù)處理，完成除油、除銹和表面粗化，所述的堿浴為濃度IOwt. %的Na2CO3溶液，800C，15分鐘；酸浴為濃度40wt. %的HCl溶液，80°C，15分鐘，然后噴砂粗化處理；步驟二，在經(jīng)過預(yù)處理的銅板基體表面采用HEPJet高效能超音速大氣等離子噴涂一層厚80 100 μ m的Ni-5wt. %A1粘結(jié)層，噴涂參數(shù)為噴涂電壓100V，噴涂電流350A，主氣Ar流量50sl/m，輔氣H2流量5sl/m，噴槍移動速度700mm/s，送粉率30g/min，噴涂距離120mm ；Ni-5wt. %A1粉末具備與基體和陶瓷粉末的潤濕性，且其晶格結(jié)構(gòu)與基體相同，熱膨脹系數(shù)與基體和氧化鋯接近；步驟三，在粘結(jié)涂層上噴涂一層厚260 300 μ m的陶瓷面層，其中在結(jié)晶器彎月面處噴涂8wt. %Y203部分穩(wěn)定ZrO2(YPSZ)面層，在其余部位噴涂氧化鉻面層，噴涂參數(shù)分別為噴涂電壓130V和150V，噴涂電流均為400Α，主氣(Ar)流量80和75sl/m，輔氣(H2)流量10和15sl/m,噴槍移動速度均為800mm/s,送粉率40和35g/min,噴涂距離120和IOOmm ；。如圖I所示，YPSZ涂層的拋光截面組織存在一定量的縱向裂紋，孔隙的尺寸較小而且分布均勻；如圖2所示，Cr2O3涂層的拋光截面組織為致密的片層狀，孔隙細(xì)小且分布均勻，另外還存在均勻的富鉻帶。如圖3和圖4所示，YPSZ涂層的表面粗糙度在4. 963 6. 457 μ m之間，而Cr2O3涂層的表面粗糙度在3. 783 4. 507 μ m之間。由于使用HEPJet超音速大氣等離子噴涂系統(tǒng)，噴涂粒子速度可達450 600m/s，因此粒子的沉積效率較常規(guī)等離子噴涂高，YPSZ涂層的顯微硬度為828 910HV0. 3，Cr2O3涂層的顯微硬度為1590 1640HV0. 3 ；YPSZ涂層的孔隙率為I. 3 2. 4%，而Cr2O3涂層的孔隙率為I. I 2. 0%，優(yōu)于陳煌等利用Metco A-2000大氣等離子噴涂設(shè)備制備的納米ZrO2涂層(Ra=5. 9 μ m, p=7%)和ff. Q. Wang制備的納米涂層(p=8 16%)。在范圍內(nèi)合理調(diào)整本實施例中的工藝參數(shù)，可獲得更佳效果。實施例二一種結(jié)晶器銅板表面超音速大氣等離子噴涂陶瓷涂層的方法，包括以下步驟步驟一，對鉻鋯銅基體通過超聲清洗-噴砂進行表面預(yù)處理，完成除油、除銹和表面粗化，所述的超聲清洗采用丙酮15分鐘，然后噴砂粗化處理；步驟二，在經(jīng)過預(yù)處理的鉻鋯銅基體表面采用HEPJet高效能超音速大氣等離子噴涂一層厚40 50 μ m的NiCoCrAH粘結(jié)層，噴涂參數(shù)為噴涂電壓100 150V，噴涂電流350A，主氣(Ar)流量50sl/m，輔氣(H2)流量15sl/m，噴槍移動速度800mm/s，送粉率45g/min,噴涂距離80mm ；NiCoCrAlY粉末具備與基體和陶瓷粉末的潤濕性，且其熱膨脹系數(shù)與基體和氧化鋯接近；步驟三，在粘結(jié)涂層上噴涂一層厚130 150 μπι的6wt. %Y203部分穩(wěn)定ZrO2(YPSZ)面層，噴涂參數(shù)為噴涂電壓200V，噴涂電流450Α，主氣(Ar)流量50sl/m，輔氣(H2)流量10sl/m，噴槍移動速度700mm/s，送粉率25g/min，噴涂距離80mm。采用水激冷法測其抗熱震性能。按本發(fā)明制備的YPSZ涂層在400 550°C室溫冷水的條件下經(jīng)歷熱沖擊523次后開始開裂剝落?？梢姲凑毡景l(fā)明制備的涂層具有優(yōu)異的抗熱震性。實施例三
一種結(jié)晶器銅板表面超音速大氣等離子噴涂陶瓷涂層的方法，包括以下步驟
步驟一，對CuAg基體通過超聲清洗-噴砂進行表面預(yù)處理，完成除油、除銹和表面粗化，所述的超聲清洗采用丙酮15分鐘，然后噴砂粗化處理；步驟二，在經(jīng)過預(yù)處理的CuAg基體表面采用HEPJet高效能超音速大氣等離子噴涂一層厚60 80 μ m的NiCrBSi粘結(jié)層，噴涂參數(shù)為噴涂電壓120V，噴涂電流380A，主氣(Ar)流量60sl/m，輔氣(H2)流量10sl/m，噴槍移動速度750mm/s，送粉率40g/min，噴涂距離100mm ；NiCrBSi粉末具備與基體和陶瓷粉末的潤濕性，且其熱膨脹系數(shù)與基體和氧化鋯接近；步驟三，在粘結(jié)涂層上噴涂一層厚170 μ m 200 μ m的Cr2O3面層，噴涂參數(shù)為噴涂電壓150V，噴涂電流400A，主氣(Ar)流量70sl/m，輔氣(H2)流量15sl/m，噴槍移動速度800mm/s,送粉率 35g/min,噴涂距離 IOOmm ；步驟四,對Cr2O3涂層表面進行機械磨平拋光至表面粗糙度O. 8 I. O μ m。測其顯微硬度，結(jié)果表明為1596 1643HV0. 3。采用球盤式高溫摩擦磨損試驗機測其摩擦磨損性能。短時間的磨合后，涂層的摩擦系數(shù)在2小時內(nèi)穩(wěn)定變化，從O. 21 0.43，其體積磨損量低于800\10_6臟3。與其它常規(guī)等離子噴涂制備的涂層相比，本發(fā)明制備的涂層表現(xiàn)出優(yōu)良的涂層磨損性能。實施例四一種結(jié)晶器銅板表面超音速大氣等離子噴涂陶瓷涂層的方法，包括以下步驟步驟一，純銅基體通過堿浴-酸浴-噴砂進行表面預(yù)處理，完成除油、除銹和表面粗化，所述的堿浴為濃度40wt. %的NaOH溶液，100°C，5分鐘；酸浴為濃度5wt. %的H2SO4溶液，IOO0C, 15分鐘然后噴砂粗化處理；步驟二，在經(jīng)過預(yù)處理的鉻鋯銅基體表面采用HEPJet高效能超音速大氣等離子噴涂一層厚70 100 μ m的CuSn7粘結(jié)層，噴涂參數(shù)為噴涂電壓150V，噴涂電流350A，主氣(Ar)流量50sl/m，輔氣(H2)流量12sl/m，噴槍移動速度800mm/s，送粉率35g/min，噴涂距離 120mm ；步驟三，在粘結(jié)涂層上噴涂一層厚160 μ m 200 μ m的YPSZ_15wt. %NiCrBSi面層，噴涂參數(shù)為噴涂電壓180V，噴涂電流420A，主氣(Ar)流量60sl/m，輔氣(H2)流量15sl/m,噴槍移動速度750mm/s,送粉率30g/min,噴涂距離100mm。根據(jù)GB8642-88關(guān)于測定涂層與基體的結(jié)合強度，結(jié)果表明按照本發(fā)明制備的氧化鋯涂層的結(jié)合強度大于50MPa。實施例五一種結(jié)晶器銅板表面超音速大氣等離子噴涂陶瓷涂層的方法，包括以下步驟步驟一 ，純銅基體通過堿浴-酸浴-噴砂進行表面預(yù)處理，完成除油、除銹和表面粗化，所述的超聲清洗采用丙酮10分鐘，然后噴砂粗化處理；步驟二，在經(jīng)過預(yù)處理的鉻鋯銅基體表面采用HEPJet高效能超音速大氣等離子噴涂一層厚60 100 μ m的粘結(jié)層，噴涂參數(shù)為噴涂電壓150V，噴涂電流380A，主氣(Ar)流量50sl/m，輔氣(H2)流量15sl/m，噴槍移動速度700mm/s，送粉率45g/min，噴涂距離120mm ；粘結(jié)涂層材料為含有20wt. %NiCrB的銅基合金；或者為含有40wt. %的BSiAl的鎳基合金；步驟三，在粘結(jié)涂層上噴涂一層厚160 μ m 200 μ m的Cr2O3陶瓷面層，噴涂參數(shù)為噴涂電壓160V，噴涂電流400A，主氣(Ar)流量75sl/m，輔氣(H2)流量15sl/m，噴槍移動速度760mm/s,送粉率35g/min,噴涂距離105mm。根據(jù)GB8642-88關(guān)于測定涂層與基體的結(jié)合強度，結(jié)果表明按照本發(fā)明制備的氧化鉻涂層的結(jié)合強度大于45MPa。
權(quán)利要求
1.一種結(jié)晶器銅板表面超音速大氣等離子噴涂陶瓷涂層的方法，其特征在于，包括以下步驟 步驟一，對結(jié)晶器銅板基體進行表面預(yù)處理； 步驟二，在經(jīng)過預(yù)處理的基體表面噴涂粘結(jié)涂層； 步驟三，根據(jù)結(jié)晶器不同部位失效形式不同，在粘結(jié)涂層上噴涂相應(yīng)的陶瓷面層。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的噴涂陶瓷涂層的方法，其特征在于，所述步驟一的預(yù)處理是指除油、除銹和表面粗化，預(yù)處理方法依次為堿浴-酸浴-噴砂或超聲清洗-噴砂，所述的堿浴為NaOH或Na2CO3溶液，80 100°C，5 15分鐘，濃度為10 40wt. % ;酸浴為5 40wt. %的HCl或H2SO4,80 100°C，5 15分鐘；超聲清洗采用丙酮5 15分鐘。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述噴涂陶瓷涂層的方法，其特征在于，所述粘結(jié)涂層的厚度為40 100 μ m，粘結(jié)層噴涂參數(shù)為噴涂電壓100 150V，噴涂電流350 400A，主氣(Ar)流量50 70sl/m，輔氣(H2)流量5 15sl/m，噴槍移動速度700 800mm/s，送粉率30 45g/min,噴涂距離 80 120mm。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述噴涂陶瓷涂層的方法，其特征在于，所述步驟二中噴涂方法為HEPJet高效能超音速大氣等離子噴涂。
5.根據(jù)權(quán)利要求I所述噴涂陶瓷涂層的方法，其特征在于，所述步驟二中粘結(jié)涂層材料為含有O. 2 20wt. %Ni或Cr或B或Si或Mn或Ag或P或Sn —種或幾種的銅基合金，當(dāng)銅基合金為兩種以上時，其間比例任意；或者為含有O. I 35wt. %的B或Si或Al或Co或Cr或Y —種或幾種的鎳基合金，當(dāng)鎳基合金為兩種以上時，其間比例任意。
6.根據(jù)權(quán)利要求I所述噴涂陶瓷涂層的方法，其特征在于，所述步驟三中陶瓷面層的厚度為80 300 μ m，面層噴涂參數(shù)為噴涂電壓130 200V，噴涂電流400 450A，主氣(Ar)流量50 80sl/m，輔氣(H2)流量10 20sl/m，噴槍移動速度700 800mm/s，送粉率25 40g/min,噴涂距離80 120mm。
7.根據(jù)權(quán)利要求I所述的噴涂陶瓷涂層的方法，其特征在于，所述步驟三中陶瓷面層包括氧化鉻面層和6 8wt. %Y203部分穩(wěn)定的ZrO2 (YPSZ)面層，在結(jié)晶器彎月面處噴涂YPSZ面層，在其余部位噴涂氧化鉻面層。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的噴涂陶瓷涂層的方法，其特征在于，所述YPSZ面層為所述YPSZ粉末與粘結(jié)涂層粉末的混合，混合材料中粘結(jié)涂層的粉末的含量為O 20wt. %。
9.根據(jù)權(quán)利要求7所述的噴涂陶瓷涂層的方法，其特征在于，所述氧化鉻面層為所述氧化鉻粉末與粘結(jié)涂層粉末的混合，混合材料中粘結(jié)涂層的粉末的含量為O 20wt. %。
10.根據(jù)權(quán)利要求I所述的噴涂陶瓷涂層的方法，其特征在于，所述步驟三中陶瓷面層為單一成分的氧化鋯面層或氧化鉻面層，或者為含粘結(jié)粉末質(zhì)量從20 Owt. %漸變的梯度涂層。
全文摘要
一種結(jié)晶器銅板表面超音速大氣等離子噴涂陶瓷涂層的方法，包括以下步驟首先對結(jié)晶器銅板基體進行表面預(yù)處理；其次，在經(jīng)過預(yù)處理的基體表面噴涂粘結(jié)涂層；然后在粘結(jié)涂層上噴涂不同的陶瓷面層；采用本發(fā)明后，結(jié)晶器銅板基體與涂層結(jié)合強度高，涂層具有高的顯微硬度、低的表面粗糙度和孔隙率，優(yōu)良的高溫磨損性能和抗熱震性能，在結(jié)晶器銅板不同部位采用不同成分的涂層可有效提高結(jié)晶器的服役壽命，也可應(yīng)用于其它銅或銅合金構(gòu)件的表面強化與修復(fù)。
文檔編號B22D11/057GK102925842SQ20121038823
公開日2013年2月13日 申請日期2012年10月12日 優(yōu)先權(quán)日2011年10月19日
發(fā)明者楊軍, 朱浪濤, 張建, 韓志海, 楊建鋒, 白玉 申請人:西安建筑科技大學(xué), 西安交通大學(xué)