一種結(jié)晶器銅板電鍍-熱噴涂復(fù)合梯度涂層及其制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種高性能結(jié)晶器的涂層，尤其涉及的是一種結(jié)晶器銅板電鍍-熱噴涂復(fù)合梯度涂層及其制備方法。
【背景技術(shù)】
[0002]連鑄已經(jīng)成為現(xiàn)代鋼鐵工業(yè)生產(chǎn)中常規(guī)的生產(chǎn)技術(shù)，據(jù)統(tǒng)計(jì)表明連鑄坯產(chǎn)量達(dá)到粗鋼產(chǎn)量的90%以上，與此同時(shí)高效連鑄機(jī)的使用對(duì)連鑄機(jī)冷卻部位:結(jié)晶器，提出了更高的性能要求。例如要求高結(jié)合力、高耐磨性、優(yōu)異的熱導(dǎo)率和良好的致密性等。因此，可以利用表面工程技術(shù)在結(jié)晶器銅板表面附上一層滿足性能要求的涂層，這樣既可以延長(zhǎng)結(jié)晶器的使用壽命也可以降低制備成本。
[0003]目前，常見的技術(shù)方法是在結(jié)晶銅板表面進(jìn)行電鍍來制備所需性能的涂層，如硬Cr鍍層、N1-Fe鍍層、N1-Co鍍層、N1-Cr復(fù)合鍍層和N1-Co-W鍍層。雖然電鍍層與銅板基體的結(jié)合力較高，但是由于其較低的硬度導(dǎo)致其耐磨性較差，使用壽命較短。另外，將NiCr-Cr3C2粉末利用超音速火焰噴涂直接在銅基體上制備的涂層雖然具有很高的硬度與耐磨性，但是由于較大的熱膨脹系數(shù)的差異會(huì)導(dǎo)致涂層與基體的結(jié)合力非常的低，在使用過程中容易出現(xiàn)剝落的情況，影響生產(chǎn)效率增加生產(chǎn)成本。同時(shí)，結(jié)晶器銅板在工作條件極為苛刻，銅板的一側(cè)與30?40°C的冷卻水接觸，另一側(cè)與1570°C的鋼液接觸，因此需要涂層在保證高結(jié)合強(qiáng)度的同時(shí)也要保證涂層具有良好的熱導(dǎo)率，保證熱量的及時(shí)傳輸。
[0004]HVOF涂層具有高的硬度，但是與銅板基體的物性相差比較大，因此限制了 HVOF涂層在結(jié)晶器銅板上的應(yīng)用。所以單一的HVOF涂層已經(jīng)不能滿足結(jié)晶器的性能滿足要求，主要是NiCr-Cr3C2涂層和CrZrCu得熱膨脹系數(shù)差別較大，從而降低了 HVOF涂層與銅板基體結(jié)合力。為了改善HVOF涂層與銅板基體的結(jié)合力，僅通過調(diào)整噴涂參數(shù)和涂層成分是不夠的。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供了一種結(jié)晶器銅板電鍍-熱噴涂復(fù)合梯度涂層及其制備方法，提高產(chǎn)品的結(jié)合力、硬度、導(dǎo)熱和耐磨性能。
[0006]本發(fā)明是通過以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的，本發(fā)明所述復(fù)合梯度涂層包括依次設(shè)置于基體上的粘結(jié)層和工作層，所述基體為CrZrCu合金，粘結(jié)層為Ni層，工作層為NiCr-Cr3C2層；所述NiCr-Cr3C2層的內(nèi)部組織包括NiCr固溶相、Cr 3C2碳化物、Cr 7C3碳化物和少量非晶相。
[0007]所述粘結(jié)層為電鍍Ni層。電鍍工藝成熟，適宜工業(yè)生產(chǎn)。
[0008]所述NiCr-Cr3C2層中，按質(zhì)量百分比，包括以下組分=NiCr 40?60%，Cr 3C240?60%。
[0009]作為本發(fā)明的優(yōu)選方式之一，所述粘結(jié)層的厚度為150?200 μ m0
[0010]作為本發(fā)明的優(yōu)選方式之一，所述工作層的厚度為200?300 μ m。
[0011]作為本發(fā)明的優(yōu)選方式之一，所述復(fù)合梯度涂層在500°C時(shí)熱導(dǎo)率達(dá)到90W/m.K以上。
[0012]—種結(jié)晶器銅板電鍍-熱噴涂復(fù)合梯度涂層的制備方法，包括以下步驟:
[0013](1)將CrZrCu合金試樣表面拋光后再噴丸處理，清洗后固定；
[0014](2)將清洗后的試樣放置于電解池中，在試樣上電鍍Ni層；
[0015](3)將具有Ni層的試樣拋光后，再噴丸處理；
[0016](4)再將處理后的試樣固定后，火焰預(yù)熱，再進(jìn)行NiCr-Cr3C2層的HV0F噴涂。
[0017]所述步驟⑴和步驟(3)中，試樣表面拋光至粗糙度彡0.8 μ m，然后采用氧化鋁球進(jìn)行噴丸，試樣表面粗糙度為2?6 μ m。
[0018]所述步驟⑵中，電鍍池溫度40?80°C，電壓10?20V，電流密度3?7A/dm2，電鍍時(shí)間1?3h。
[0019]所述步驟(4)中，NiCr-Cr3C2層的噴涂過程中，煤油流量控制在23?27L/h，氧氣流量控制在820?860NLPM，載氣流量控制在6.0?8.5NLPM，噴涂過程中控制基體和粘結(jié)層表面平均溫度為200?250 °C。
[0020]本發(fā)明從基體-涂層系統(tǒng)進(jìn)行考慮，引入了復(fù)合梯度涂層的概念，即在基體和HV0F涂層之間加一層粘結(jié)層，從而改善基體于涂層的結(jié)合力而又不影響HV0F工作層的機(jī)械性能。由于Ni與銅板基體有著相似的物性，因此選取Ni為粘結(jié)層最具有實(shí)際價(jià)值的過渡層之一。而電鍍Ni粘結(jié)層的熱膨脹系數(shù)在基體CrZrCu和NiCr_Cr3C2工作層熱膨脹系數(shù)之間，能夠?qū)崿F(xiàn)銅板基體和工作層間的過渡作用；復(fù)合梯度涂層的設(shè)計(jì)不僅可以提高涂層的結(jié)合力及致密性，而且可以降低涂層的磨損率。由于超音速火焰噴涂粒子飛行速度大的特性，工作層致密性良好。
[0021]本發(fā)明相比現(xiàn)有技術(shù)具有以下優(yōu)點(diǎn):本發(fā)明由于噴涂于銅板基體表面的電鍍Ni粘結(jié)層的熱膨脹系數(shù)和硬度在NiCr-Cr3C2工作層和基體CrZrCu之間起到了過渡緩和的作用，各層界面物性相互匹配，因此涂層具有較高結(jié)合力強(qiáng)度；
[0022]本發(fā)明中由于復(fù)合梯度涂層的孔隙率較低，結(jié)構(gòu)致密，因此具有良好導(dǎo)熱性能。本發(fā)明中由于復(fù)合梯度涂層各層硬度過渡緩和從而使得涂層具有很好的抗摩擦磨損性能，大大降低了涂層的磨損率；
[0023]本發(fā)明中復(fù)合涂層制備完成不需要進(jìn)行任何后期退火處理，結(jié)合強(qiáng)度達(dá)到75MPa，在20N載荷下的磨損率為傳統(tǒng)電鍍NiCoW的十分之一，很大程度提高了結(jié)晶器銅板的使用壽命，在500°C時(shí)復(fù)合梯度涂層的熱導(dǎo)率達(dá)到90W/m.Κ以上，因此將有利于結(jié)晶器銅板更廣闊的市場(chǎng)化發(fā)展。
【附圖說明】
[0024]圖1是實(shí)施例3制得涂層的SEM形貌圖；
[0025]圖2是實(shí)施例3制得NiCr-Cr3C2層的XRD圖；
[0026]圖3是實(shí)施例1?3制得涂層在500g載荷下涂層的顯微硬度圖；
[0027]圖4是實(shí)施例1?3制得涂層結(jié)合強(qiáng)度的拉伸測(cè)試圖；
[0028]圖5是實(shí)施例1?3制得涂層摩擦磨損性能圖；
[0029]圖6是實(shí)施例1?3制得涂層在500°C時(shí)的熱導(dǎo)率測(cè)試圖。
【具體實(shí)施方式】
[0030]下面對(duì)本發(fā)明的實(shí)施例作詳細(xì)說明，本實(shí)施例在以本發(fā)明技術(shù)方案為前提下進(jìn)行實(shí)施，給出了詳細(xì)的實(shí)施方式和具體的操作過程，但本發(fā)明的保護(hù)范圍不限于下述的實(shí)施例。
[0031]實(shí)施例1
[0032]將市場(chǎng)購(gòu)買的CrZrCu銅合金樣品進(jìn)行機(jī)械拋光至表面粗糙度< 0.6 μ m，采用氧化鋁球進(jìn)行噴丸粗化處理至表面粗糙度2?6 μm，然后進(jìn)行丙酮、無(wú)水乙醇超聲波清洗，然后放入酒精和丙酮中，再用超聲波清洗30分鐘。將試樣置于電鍍池中，電鍍?nèi)芤撼煞諲i150?500g/L，Co 20?150g/L，W 3?13g/L，電鍍池溫度40?80°C，電壓10?20V，電流密度3?7A/dm2，電鍍時(shí)間1?3h，所得電鍍NiCoff層厚度為100?300 μ m。
[0033]實(shí)施例2
[0034]將市場(chǎng)購(gòu)買的CrZrCu銅合金樣品(塊、棒)進(jìn)行機(jī)械拋光至表面粗糙度< 0.6 μ m，采用氧化鋁球進(jìn)行噴丸粗化處理至表面粗糙度2?6 μ m，然后進(jìn)行丙酮、無(wú)水乙醇超聲波清洗，然后放入酒精和丙酮中，先用超聲波清洗30分鐘，再用高壓氣槍將清洗后的樣品吹干并固定于超音速噴涂設(shè)備轉(zhuǎn)架上。設(shè)定機(jī)械手臂參數(shù)，利用火焰對(duì)銅合金基體進(jìn)行預(yù)熱，基體表面溫度為180?250°C，煤油流量控制在23?27L/h，氧氣流量控制在820?860NLPM，載氣流量控制在6.0?8.5NLPM。打開粉末閥門重新設(shè)定機(jī)械臂參數(shù)，進(jìn)行NiCr-Cr3C2工作層的噴涂。噴涂時(shí)間為10?30min，在銅合金基體上制得厚度為250 μπι的單一 HV0F涂層，然后進(jìn)行機(jī)械拋光至粗糙度< 0.1 ym，然后進(jìn)行丙酮、無(wú)水乙醇超聲清洗備用Ο
[0035]實(shí)施例3
[0036]將市場(chǎng)購(gòu)買的CrZrCu銅合金樣品(塊、棒)進(jìn)行機(jī)械拋光至表面粗糙度^ 0.6 μ m，采用氧化鋁球進(jìn)行噴丸粗化處理至表面粗糙度2?6 μ m，然后進(jìn)行丙酮、無(wú)水乙醇超聲波清洗，然后放入酒精和丙酮中，再用超聲波清洗30分鐘。將試樣置于電鍍池中，電鍍?nèi)芤簽榘被撬徭?、氯化鎳、十二烷基鈉的混合溶液，電鍍池溫度60°C，電壓15V，電流密度5A/dm2，電鍍時(shí)間2h，所得電鍍Ni層厚度為180 μπι。將上述制備有電鍍Ni層的銅樣品(塊、棒)，進(jìn)行機(jī)械拋光至表面粗糙度< 0.6 μ m，采用氧化鋁球進(jìn)行噴丸粗化處理至表面粗糙度2?6 μπι，然后進(jìn)行丙酮、無(wú)水乙醇超聲波清洗，然后放入酒精和丙酮中，再用超聲波清洗30分鐘。將制備有Ni粘結(jié)層的試樣固定于超音速噴涂設(shè)備轉(zhuǎn)架，設(shè)定機(jī)械手臂參數(shù)，利用火焰行預(yù)熱，預(yù)熱溫度150?20(TC，基體表面及粘結(jié)層平均溫度為220°C，煤油流量控制在25L/h，氧氣流量控制在840NLPM，載氣流量控制在7.0NLPM。打開粉末閥門重新設(shè)定機(jī)械臂參數(shù)，進(jìn)行NiCr-Cr3C2的噴涂。噴涂時(shí)間為40min，制得厚度為250 μ m的NiCr-Cr3C2。取下試樣，進(jìn)行機(jī)械拋光至粗糙度< 0.1 μ m，然后進(jìn)行丙酮、無(wú)水乙