一種銅合金結(jié)晶器表面激光熔覆梯度涂料的方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及金屬表面改性技術(shù)，具體的說是一種銅合金結(jié)晶器表面激光熔覆梯度涂料的方法。選取銅合金結(jié)晶器并對(duì)其表面進(jìn)行預(yù)處理，選取成分為4%~6%的Al、92%~93.5%的Ni，其余為雜質(zhì)的鎳基合金粉末，成分為0.9%~1.2%的C、26.5%~30.5%的Cr、0.8%~1.1%的Si、3.4%~5.4%的W、1.0%~2.0%的Fe、1.2%~2%的Ni，其余為Co的鈷基合金粉末，將兩種合金粉末分別用金屬粘接劑調(diào)成膏狀物，然后在銅合金結(jié)晶器表面交替涂覆，最后進(jìn)行激光熔覆。本發(fā)明極大的提高了銅合金結(jié)晶器的耐磨性與耐蝕性，且所得涂層組織連續(xù)、平整，整個(gè)過程清潔無污染且成品率高。
【專利說明】一種銅合金結(jié)晶器表面激光熔覆梯度涂料的方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及金屬表面改性技術(shù)，具體的說是一種銅合金結(jié)晶器表面激光熔覆梯度涂料的方法。
【背景技術(shù)】
[0002]銅及銅合金是人類歷史上使用最早的金屬材料之一，銅合金具有高的導(dǎo)電性、導(dǎo)熱性及優(yōu)良的成形性，廣泛用于電力、電工、礦山、冶金及機(jī)械制造業(yè)，在冶金工業(yè)許多環(huán)節(jié)中，銅是許多關(guān)鍵部件的制作材料，例如，連續(xù)鑄造的心臟——結(jié)晶器就是采用銅合金制造，結(jié)晶器是煉鋼中連續(xù)鑄鋼的重要部件，其功能是將高溫鋼水在結(jié)晶器中連續(xù)冷凝至規(guī)定尺寸和幾何形狀的鋼坯，以一定的速度平穩(wěn)拉出，而且其技術(shù)性能將直接影響到鑄錠的內(nèi)部組織、鑄坯的表面質(zhì)量、連鑄機(jī)的拉速和生產(chǎn)效率等指標(biāo)；但由于銅基的耐磨性很差，大大影響了結(jié)晶器的使用壽命，工程應(yīng)用中常常需要對(duì)其進(jìn)行表面涂覆或改性。
[0003]目前廣泛使用的銅質(zhì)結(jié)晶器一般采用電鍍和熱噴涂、滲鍍等表面處理方法進(jìn)行表面改性，以提高結(jié)晶器銅板的耐磨性和耐蝕性，但由于電鍍和熱噴涂制備的涂層與基體是機(jī)械結(jié)合，而滲鍍的工藝較難控制，且工藝成本較高，故在一定程度上降低了其強(qiáng)化效果。
[0004]激光熔覆(Laser Cladding)亦稱激光包覆或激光熔敷，是一種新的表面改性技術(shù)，它通過在基材表面添加熔覆材料，并利用高能密度的激光束使之與基材表面薄層一起熔凝的方法，在基層表面形成與其為冶金結(jié)合的添料熔覆層，激光熔覆技術(shù)可制備與基體形成冶金結(jié)合的特殊功能涂層，對(duì)環(huán)境無污染，還具有生產(chǎn)率高、成品率高以及綜合成本低等特點(diǎn)。然而，由于結(jié)晶器中 銅基體的熱膨脹系數(shù)大(1.67 X 10-5/K)，與許多材料浸潤性差等，并與抗熱、耐磨涂層結(jié)合力較差，因此選擇適當(dāng)?shù)暮辖鸱勰┰阢~基材料形成無裂紋、冶金結(jié)合好、耐高溫、耐磨損、高強(qiáng)度熔覆涂層，對(duì)提高結(jié)晶器的壽命至關(guān)重要，而且，傳統(tǒng)的激光熔覆通常都是在基體表面熔覆單層材料，對(duì)需進(jìn)行表面改性處理的金屬的性能的提升作用十分有限。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]為了解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明提供一種銅合金結(jié)晶器表面激光熔覆梯度涂料的方法，能夠極大的提高銅合金結(jié)晶器的耐磨性及耐腐蝕性。
[0006]本發(fā)明為解決上述技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案為，一種銅合金結(jié)晶器表面激光熔覆梯度涂料的方法，選取銅合金結(jié)晶器并對(duì)其表面進(jìn)行預(yù)處理，然后在其表面涂覆涂料層，最后進(jìn)行激光熔覆，所述涂料層是由鎳基合金粉末涂層和鈷基合金粉涂層末交替形成的梯度涂層，所述的鎳基合金粉末的成分為4%~6%的Α1、92%~93.5%的Ni，其余為雜質(zhì)；所述的鈷基合金粉末的成分為0.9%~1.2%的C、26.5%~30.5%的Cr,0.8%~1.1%的Si,3.4%~5.4%的W、1.0%~2.0%的Fe、1.2%~2%的Ni，其余為Co ;將上述兩種合金粉末分別用金屬粘接劑調(diào)成膏狀物，然后按先涂鎳基合金粉末后鈷基合金粉末的順序在預(yù)處理過的銅合金結(jié)晶器表面交替涂覆，最后進(jìn)行激光熔覆。[0007]上述方法中，銅合金的預(yù)處理過程為將其基體表面進(jìn)行打磨、清洗、吹干處理。
[0008]需要注意的是，在將兩種合金粉末分別調(diào)成膏狀物之前，先將其研磨至平均粒徑均< 2 μ m，并進(jìn)行烘干處理。
[0009]作為優(yōu)選的方案，鎳基合金粉末所用的粘接劑為醋三纖維，鈷基合金粉末所用的粘接劑為二丙酮醇溶液。
[0010]在銅合金結(jié)晶器上涂覆涂料層時(shí)，所涂覆的鎳基合金粉末涂層和鈷基合金粉末涂層的厚度均為0.1mnT0.2mm，最終銅合金結(jié)晶器表面涂覆的涂料層的總厚度為
0.65mm~0.8mm。
[0011]在激光熔覆處理過程中，激光光斑大小1.5mm，脈寬為1.1ms，激光脈沖頻率為40Hz，焊接功率為370W，激光掃描速度300mm/min，掃描半徑R=Imm,掃描圈數(shù)為2。
[0012]有益效果:本發(fā)明一種銅合金結(jié)晶器表面激光熔覆梯度涂料的方法，從宏觀上可以使得銅合金結(jié)晶器表面得到較厚的一層冶金結(jié)合帶，且所涂覆的合金粉末與銅合金表面的結(jié)合區(qū)域較平整，涂層與基底界面冶金結(jié)合良好，而且通過顯微組織分析發(fā)現(xiàn)此結(jié)合區(qū)無裂紋、雜質(zhì)等缺陷，熔覆層內(nèi)有大量細(xì)小均勻的魚骨狀樹枝晶，極大的提高了銅合金結(jié)晶器的耐磨性與耐蝕性，組織連續(xù)、平整，整個(gè)過程清潔無污染且成品率高。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0013]圖1為本發(fā)明的合金粉末熔覆后形成的熔覆層與基體結(jié)合區(qū)域的SEM圖；
圖2為本發(fā)明的合金粉末熔覆后形成的熔覆層的微觀組織形貌；
圖3為本發(fā)明的合金粉末`熔覆后形成的熔覆層的XRD譜線標(biāo)定圖；
圖4為本發(fā)明的合金粉末熔覆后形成的熔覆層的表面到基體的顯微硬度分布圖；
圖5為本發(fā)明的合金粉末熔覆后形成的熔覆層的摩擦磨損系數(shù)的比較示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0014]實(shí)施例一、
一種銅合金結(jié)晶器表面激光熔覆梯度涂料的方法，選取銅合金結(jié)晶器并對(duì)其表面進(jìn)行預(yù)處理，然后在其表面涂覆涂料層，最后進(jìn)行激光熔覆，所述涂料層是由鎳基合金粉末涂層和鈷基合金粉涂層末交替形成的梯度涂層，所述的鎳基合金粉末的成分為4%的Al、92%的Ni，其余為雜質(zhì)；所述的鈷基合金粉末的成分為0.9%的C、26.5%的Cr、0.8%的S1、3.4%的W、1.0%的Fe、1.2%的Ni，其余為Co ;將上述兩種合金粉末分別用金屬粘接劑調(diào)成膏狀物，然后按先涂鎳基合金粉末后鈷基合金粉末的順序在預(yù)處理過的銅合金結(jié)晶器表面交替涂覆，最后進(jìn)行激光熔覆。
[0015]銅合金的預(yù)處理過程為將其基體表面進(jìn)行打磨、清洗、吹干處理。
[0016]在將兩種合金粉末分別調(diào)成膏狀物之前，先將其研磨至平均粒徑均< 2 μ m，并進(jìn)行烘干處理。
[0017]鎳基合金粉末所用粘接劑為醋三纖維，鈷基合金粉末所用粘接劑為二丙酮醇溶液。
[0018]所述的鎳基合金粉末涂層和鈷基合金粉末涂層的厚度均為0.1mnT0.2mm，最終銅合金結(jié)晶器表面涂覆的涂料層的總厚度為0.65mnT0.8_。[0019]在激光熔覆處理過程中，激光光斑大小1.5mm，脈寬為1.1ms，激光脈沖頻率為40Hz，焊接功率為370W，激光掃描速度300mm/min，掃描半徑R=Imm,掃描圈數(shù)為2。
[0020]實(shí)施例二、
一種銅合金結(jié)晶器表面激光熔覆梯度涂料的方法，選取銅合金結(jié)晶器并對(duì)其表面進(jìn)行預(yù)處理，然后在其表面涂覆涂料層，最后進(jìn)行激光熔覆，所述涂料層是由鎳基合金粉末涂層和鈷基合金粉涂層末交替形成的梯度涂層，所述的鎳基合金粉末的成分為5%的Al、93%的Ni，其余為雜質(zhì)；所述的鈷基合金粉末的成分為1.0%的C、28.5%的Cr、1.0%的S1、4%的W、
1.5%的Fe、1.6%的Ni，其余為Co ;將上述兩種合金粉末分別用金屬粘接劑調(diào)成膏狀物，然后按先涂鎳基合金粉末后鈷基合金粉末的順序在預(yù)處理過的銅合金結(jié)晶器表面交替涂覆，最后進(jìn)行激光熔覆。
[0021]銅合金的預(yù)處理過程為將其基體表面進(jìn)行打磨、清洗、吹干處理。
[0022]在將兩種合金粉末分別調(diào)成膏狀物之前，先將其研磨至平均粒徑均< 2 μ m，并進(jìn)行烘干處理。
[0023]鎳基合金粉末所用粘接劑為醋三纖維，鈷基合金粉末所用粘接劑為二丙酮醇溶液。
[0024]所述的鎳基合金粉末涂層和鈷基合金粉末涂層的厚度均為0.1mnT0.2mm，最終銅合金結(jié)晶器表面涂覆的涂料層的總厚度為0.65mnT0.8_。
[0025]在激光熔覆處理過程中，激光光斑大小1.5mm，脈寬為1.1ms，激光脈沖頻率為40Hz，焊接功率為370W，激光掃描速度300mm/min，掃描半徑R=Imm,掃描圈數(shù)為2。
[0026]實(shí)施例三、
一種銅合金結(jié)晶器表面激光熔覆梯度涂料的方法，選取銅合金結(jié)晶器并對(duì)其表面進(jìn)行預(yù)處理，然后在其表面涂覆涂料層，最后進(jìn)行激光熔覆，所述涂料層是由鎳基合金粉末涂層和鈷基合金粉涂層末交替形成的梯度涂層，所述的鎳基合金粉末的成分為6%的Al、93.5%的Ni，其余為雜質(zhì)；所述的鈷基合金粉末的成分為1.2%的C、30.5%的Cr、1.1%的S1、5.4%的W、2.0%的Fe、2%的Ni，其余為Co ;將上述兩種合金粉末分別用金屬粘接劑調(diào)成膏狀物，然后按先涂鎳基合金粉末后鈷基合金粉末的順序在預(yù)處理過的銅合金結(jié)晶器表面交替涂覆，最后進(jìn)行激光熔覆。
[0027]銅合金的預(yù)處理過程為將其基體表面進(jìn)行打磨、清洗、吹干處理。
[0028]在將兩種合金粉末分別調(diào)成膏狀物之前，先將其研磨至平均粒徑均< 2 μ m，并進(jìn)行烘干處理。
[0029]鎳基合金粉末所用粘接劑為醋三纖維，鈷基合金粉末所用粘接劑為二丙酮醇溶液。
[0030]所述的鎳基合金粉末涂層和鈷基合金粉末涂層的厚度均為0.1mnT0.2mm，最終銅合金結(jié)晶器表面涂覆的涂料層的總厚度為0.65mnT0.8_。
[0031]在激光熔覆處理過程中，激光光斑大小1.5mm，脈寬為1.1ms，激光脈沖頻率為40Hz，焊接功率為370W，激光掃描速度300mm/min，掃描半徑R=Imm,掃描圈數(shù)為2。
[0032]在上述實(shí)施例中實(shí)施激光熔敷時(shí)，采用的激光器型號(hào)為LCY-400 Nd =YAG激光器(波長λ = 1.06微米)進(jìn)行激 光熔覆，同時(shí)以氬氣為保護(hù)氣體對(duì)激光熔池進(jìn)行保護(hù)，激光光斑直徑為1.5mm，脈寬1.1ms，激光脈沖頻率40Hz，焊接功率370W，激光掃描速度300mm/min，掃描半徑R=lmm，掃描圈數(shù)2。保護(hù)氣為氬氣，氬氣流動(dòng)渠道有兩個(gè)，一個(gè)與激光束同軸保護(hù)聚焦鏡頭，流速為1.2L/min，另一條保護(hù)氣體通過整齊排列的直徑為0.3mm的小洞保護(hù)激光焊熔池，流速為1.75L/min。
[0033]通過上述方法制得的銅合金結(jié)晶器，對(duì)其表面進(jìn)行激光熔覆梯度涂料后的合金化區(qū)域的組織和物相分析結(jié)果如下，如圖1所示的合金粉末熔覆后形成的熔覆層與基體結(jié)合區(qū)域的SEM圖，圖中上部基體，下部熔覆層，從圖中可以看出，涂層與基底界面呈較好的冶金結(jié)合狀態(tài)，界面無裂紋、雜質(zhì)等缺陷；圖2為本發(fā)明的合金粉末熔覆后形成的熔覆層的微觀組織形貌，從圖中可以看出，熔覆層內(nèi)有大量細(xì)小均勻的魚骨狀樹枝晶，組織連續(xù)、平整；圖3為本發(fā)明的合金粉末熔覆后形成的熔覆層的XRD譜線標(biāo)定圖，從圖中可以看出熔覆界面處有N1、Co、AlNi3、Cr23C6和Cr7C3等化合物生成，AlNi3成分特有的微觀組織結(jié)構(gòu)在磨損過程中降低了與摩擦副之間的摩擦系數(shù)，從而起到了減磨的作用，另外多種碳化物的形成會(huì)使熔覆層的硬度顯著提高，能夠提高銅合金結(jié)晶器的耐磨性能；圖4為本發(fā)明的合金粉末熔覆后形成的熔覆層從表面到基體的顯微硬度分布圖，從圖中可以看出，熔覆層的硬度值明顯高于基體，熔覆層平均顯微硬度在300HV以上，而基體的顯微硬度在100HV左右，這是因?yàn)?，激光熔覆處理后銅合金結(jié)晶器表面所獲得的熔覆層為致密層，且在快速凝固過程中由于不均勻收縮所產(chǎn)生的位錯(cuò)與增強(qiáng)相顆粒之間、位錯(cuò)與位錯(cuò)之間的相互交織對(duì)熔覆層有強(qiáng)化作用；圖5為本發(fā)明的合金粉末熔覆后形成的熔覆層的摩擦磨損系數(shù)的比較示意圖，從圖中可以看出，激光 熔覆后，銅合金結(jié)晶器表面的摩擦系數(shù)變小，提高了其耐磨性。
【權(quán)利要求】
1.一種銅合金結(jié)晶器表面激光熔覆梯度涂料的方法，選取銅合金結(jié)晶器并對(duì)其表面進(jìn)行預(yù)處理，然后在其表面涂覆涂料層，最后進(jìn)行激光熔覆，其特征在于:所述涂料層是由鎳基合金粉末涂層和鈷基合金粉末涂層末交替形成的梯度涂層， 所述的鎳基合金粉末的成分為4%~6%的Α1、92%~93.5%的Ni，其余為雜質(zhì)；所述的鈷基合金粉末的成分為0.9%~1.2%的C、26.5%~30.5%的Cr,0.8%~1.1%的Si,3.4%~5.4%的W、1.0%~2.0% 的 Fe、1.2%~2% 的 Ni，其余為 Co ； 將上述兩種合金粉末分別用金屬粘接劑調(diào)成膏狀物，然后按先涂鎳基合金粉末后鈷基合金粉末的順序在預(yù)處理過的銅合金結(jié)晶器表面交替涂覆，最后進(jìn)行激光熔覆。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種銅合金結(jié)晶器表面激光熔覆梯度涂料的方法，其特征在于:銅合金的預(yù)處理過程為將其基體表面進(jìn)行打磨、清洗、吹干處理。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種銅合金結(jié)晶器表面激光熔覆梯度涂料的方法，其特征在于:在將兩種合金粉末分別調(diào)成膏狀物之前，先將其研磨至平均粒徑均< 2 μ m，并進(jìn)行烘干處理。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種銅合金結(jié)晶器表面激光熔覆梯度涂料的方法，其特征在于:鎳基合金粉末所用粘接劑為醋三纖維，鈷基合金粉末所用粘接劑為二丙酮醇溶液。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種銅合金結(jié)晶器表面激光熔覆梯度涂料的方法，其特征在于:在交替涂覆鎳基合金粉末涂層和鈷基合金粉涂層時(shí)，需等上一層涂層晾干后再進(jìn)行下一層的涂覆。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種銅合金結(jié)晶器表面激光熔覆梯度涂料的方法，其特征在于:所述的鎳基合金粉末涂層和鈷基合金粉末涂層的厚度均為0.1mnT0.2mm，最終銅合金結(jié)晶器表面涂覆的涂料層的總厚度為0.65mnT0.8_。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種銅合金結(jié)晶器表面激光熔覆梯度涂料的方法，其特征在于:在激光熔覆處理過程中，激光光斑大小1.5mm，脈寬為1.1ms，激光脈沖頻率為40Hz，焊接功率為370W，激光掃描速度300mm/min，掃描半徑R=Imm,掃描圈數(shù)為2。
【文檔編號(hào)】C22C19/03GK103805989SQ201410021468
【公開日】2014年5月21日 申請(qǐng)日期:2014年1月17日 優(yōu)先權(quán)日:2014年1月17日
【發(fā)明者】王文焱, 元亞莎, 張豪胤, 許開輝, 謝敬佩, 王愛華, 王愛琴, 李繼文, 李洛利 申請(qǐng)人:河南科技大學(xué)