一种连铸结晶器铜板激光熔覆钴基合金涂层材料及工艺的制作方法

专利名称：一种连铸结晶器铜板激光熔覆钴基合金涂层材料及工艺的制作方法
技术领域：
本发明属于材料科学与表面工程技术领域，特别涉及一种连铸结晶器铜板激光熔
覆钴基合金涂层材料及工艺。
背景技术：
结晶器是一个水冷的钢锭模，是连铸机非常重要的部件，称之为连铸设备的"心 脏"。其功能是将高温钢水在结晶器中连续冷凝至规定尺寸和几何形状的钢坯，以一定的速 度平稳拉出，而且其技术性能将直接影响到铸锭的内部组织、铸坯的表面质量、连铸机的拉 速和生产效率等指标。 结晶器铜板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；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。据统计， 一套结晶器的价格在7 12万元，我国冶金企业每年铜
结晶器的消耗在20亿元以上，是除了轧辊之外的第二大冶金耗材；而且铜及铜合金的资源
紧缺，近期来价格又有不断上涨的趋势；因此提高结晶器铜板表面的耐磨性和耐热性是提
高经济效益和生产效率的根本措施，具有很好的科学研究意义和实际应用价值。 结晶器是炼钢中连续铸钢的重要部件。连铸时，钢水通过结晶器表面冷却结晶器
而直接铸出钢坯，因而要求结晶器传热性好，且能耐高温、耐磨损和耐腐蚀等。目前广泛应
用的电镀、热喷涂等表面处理方法虽然能提高结晶器铜板的耐磨性，但由于制备的涂层与
基体是机械结合，而不是冶金物理结合，故在一定程度上降低了其强化效果。近年来，通过
激光熔覆技术制备功能涂层正成为表面处理方向的一大亮点。而且激光熔覆制备的涂层
与基体是冶金结合，熔层组织细密均匀，受基体成分稀释干扰影响极少，其热影响区宽度、
显微硬度、熔层抗磨损、抗高温冲击性能有很大改善和提高，故使生产综合工序成本明显降低。 目前结晶器铜板材质主要是Cr-Zr-Cu，表面采用电镀Ni-Co合金进行强化。但电 镀与其它技术相比，存在以下缺点(l)涂层与基材之间为物理结合而非冶金结合，在结晶 器浇注时频繁的冷热疲劳、钢水及钢坯的冲击和摩擦经常引起涂层起皮剥落；(2)涂层内 部存在电镀过程中形成的针孔、针状疏松等缺陷，降低涂层的抗氧化和磨损性能；(3)镀层 硬度低，耐磨性差；(4)电镀属排污排废环境污染项目，属国家控制和逐步淘汰技术。已有 铜合金表面超音速火焰喷涂的专利(专利公开号101302619)，但超音速喷涂存在涂层和 基材不是完全冶金结合，涂层和基材结合强度低的缺点，再者，该专利中喷涂后仍需800 90(TC融熔真空扩散热处理，然后惰性气体保护冷却再进行1 3时效处理，能耗高，工艺复 杂。沈阳大陆激光成套设备有限公司发明了一种专利(专利公开号1932982)，先进行等离 子喷涂打底，再采用5kW C02激光器进行重熔，然后进行激光熔覆。但是该工艺略显复杂，且 等离于喷涂和高功率0)2激光器设备体积庞大，价格昂贵，且存在塌边问题。另外，专利《连 铸结晶器铜金属表面涂层的一种新方法》(专利公开号101294282)发明了一种在结晶器铜 金属表面涂层的方法，其采用薄片或细丝，利用高峰值脉冲激光束照射金属表面，但金属薄片和细丝难于加工且对于大面积熔覆存在操作困难的特点，且未解决熔覆塌边问题。所以 采用激光熔覆涂层技术改善结晶器的耐磨性将有显著的经济效益和社会效益。

发明内容
本发明的目的是针对现有技术及存在问题，提出连铸结晶器表面激光熔覆一种钴 基合金层，使该熔覆涂层组织致密，无裂纹、气孔，与连铸结晶器表面能形成良好的冶金结合。 为实现上述目的，本发明采用如下技术方案一种连铸结晶器铜板激光熔覆钴基 合金涂层材料，其特征在于该钴基合金涂层是一种钴基合金，按重量百分比计算其成分 为C 0.6 1.2%，Cr 20 30%，W 13 20%， Mo 3 5%，Si 0.8 1.2%，Fe 0. 4 1.0%，Ni 7 9%，Nb 5X，余量为Co。 本发明的另一目的是提出一种制备上述钴基合金涂层的工艺，使其能够精确控制 涂层的厚度及整个过程实现自动控制，并具有能耗低，无污染，效率高，成本低的特点。
本发明的这一目的是由下述方案实现的一种制备上述钴基合金涂层的工艺，其 特征在于按上述合金成分进行配料，各原料均采用粒度为140 325目的金属粉末，将配 好的原材料均匀混合，然后按以下步骤进行
(1)对结晶器表面进行活化处理； (2)在结晶器铜板四周边外接与结晶器铜板表面齐平的铜或者铜合金护板；
(3)采用粘结剂预置粉末或者激光同轴送粉器将钴基合金粉末送入结晶器铜板和 护板表面，采用脉冲Nd:YAG激光器进行激光熔覆； (4)后续去应力退火处理，将熔覆完成后的结晶器铜板进行去应力退火处理；
(5)将外接护板与结晶器铜板分离后，在试样表面获得边界平直的熔覆层。
在上述工序(4)中，所述脉冲Nd:YAG激光器进行激光熔覆的具体工艺参数可以 为 聚焦镜f = 100 150 熔覆功率P = 350 390W 光斑直径D = 1. 2 2mm熔覆扫描速率V = 300 800mm/min 搭接率40%。 在上述工序(4)中，所述脉冲Nd:YAG激光器进行激光熔覆可以采用至少两层或以 上多层激光熔覆， 制备第一层时，脉冲Nd:YAG激光器的工艺参数优选为聚焦镜f = 150，熔覆功率 P = 390W，光斑直径D = 1. 2mm，扫描速率V = 300mm/min ; 制备第二层及以上各层时，脉冲Nd:YAG激光器的工艺参数优选为聚焦镜f = 100，熔覆功率P = 350W，光斑直径D = 1. 6mm，扫描速率V = 800mm/min。
在上述后续去应力退火处理工序中，可以将熔覆完成后的结晶器铜板置于热处理 炉中进行30(TC X4h去应力退火处理。 本发明采用外接防护板技术防止边缘塌陷，以预置粉末技术或者激光同轴送粉器 将钴基合金粉末送入熔池，采用大功率脉冲Nd:YAG激光器进行多层激光熔覆。外接护板材料材质为铜及铜合金，外接护板表面与结晶器铜板表面无缝共面衔接，该护板具有足够的 宽度，使激光熔覆层边界塌陷只发生在外界护板表面。将外界护板与结晶器铜板分离后，在 结晶器铜板表面获得边界平直的熔覆层。本发明所述的熔覆涂层组织致密，无裂纹、气孔， 与结晶器铜板表面形成良好的冶金结合，可形成2mm以上的熔覆层。本发明的工艺方法能 够精确控制涂层的厚度及整个过程实现自动控制，具有能耗低，无污染，效率高，成本低的 优点。因此采用本发明能改善原有结晶器涂层技术的缺点，具有显著的经济效益和社会效
.

图1是连铸结晶器铜板进出端边界外界护板熔覆后示意图。
图2是去除外界护板后连铸结晶器铜板激光熔覆耐磨涂层形貌示意图。 在图中，1-结晶器铜板，2-外接护板。
具体实施方式

实施例1 : 本实施例是在连铸板坯结晶器铜板表面采用脉冲Nd:YAG激光器进行激光熔覆多 层耐磨钴基合金涂层。铜板为Cr-Zr-Cu合金，要求激光熔覆涂层厚度1. 8mm，磨削加工后表 面无任何明显缺陷。具体工艺过程如下
1.铜板表面预处理 采用砂纸对连铸结晶器铜板表面及四周边进行打磨，去除氧化物和锈迹，再用丙
酮清洗表面，除去锈迹及油污； 2.外接护板熔覆，防止边缘塌陷 在结晶器铜板的激光进端和出端及结晶器铜板边缘分别外接与结晶器铜板表面 待熔覆面齐平的铜合金护板。 所谓外接护板熔覆是指熔覆前，在结晶器铜板上熔覆时，激光的进端和出端及结 晶器铜板边缘分别接出一块与工件待熔覆面齐平的材料，从而将熔覆层的长度延伸到外接 材料上的一种工艺方法，参见图1。 (1)在扫描进、出端处和边界外接一部分材料，即外接护板2，人为地延伸被熔覆 表面； (2)使外接护板2表面与结晶器铜板1表面无缝共面衔接； (3)外接护板具有足够长度，使激光熔覆层边界塌陷只发生在外接护板表面； (4)外接护板2与结晶器铜板1材质相同或相近。
(5)将外接护板2与结晶器铜板1分离后，在结晶器铜板表面获得边界平直的熔 覆层，参见图2。外接护板材料为铜及铜合金；外接护板表面与结晶器铜板表面无缝共面衔 接；外接护板具有足够的宽度，使激光熔覆层边界塌陷只发生在外界护板表面；
3.配料，送粉器同轴送粉 按下述合金成分进行配料，各原料重量百分比为C 0.6%， Cr 20%，W13%，Mo 3%，Si 0. 8%， FeO. 4%， Ni 7%， Nb5%，余量为Co。上述各原料均采用粒度为140 325 目的金属粉末，将配好的原材料均匀混合，采用滚轮式负压送粉器将合金粉末送入激光熔
5池(结晶器铜板表面)，粉末流量为8g/s。
4.激光熔覆制备钴基合金涂层 本实施例所述脉冲Nd: YAG激光器进行激光熔覆采用四层激光熔覆涂层。
熔覆第一层时，由于铜对激光的高反射率，使用高功率，低扫描速率的方法提高能 量密度，工艺参数为，聚焦镜f = 150，熔覆功率P = 390W，光斑直径D = 1. 2mm，扫描速率V =300mm/min。熔覆层厚度0. 4mm 熔覆第二层及以上各层时，相当于同质材料熔覆，可以稍微降低功率，增大钢板直 径，提高扫描速率。 第二层工艺参数聚焦镜f = 100，熔覆功率P = 380W，光斑直径D = 1. 6mm，扫描 速率V = 400mm/min。熔覆层厚度0. 6mm。 第三层工艺参数聚焦镜f = 100，熔覆功率P = 360W，光斑直径D = 1. 6mm，扫描 速率V = 600mm/min。熔覆层厚度0. 5mm。 第四层工艺参数聚焦镜f = IOO，熔覆功率P = 350W，光斑直径D = 1. 6mm，扫描 速率V = 800mm/min。熔覆层厚度0. 3mm。
5、后续去应力退火处理 将熔覆完成后的结晶器铜板置于热处理炉中进行300°C X4h去应力退火处理。
6、将外接护板2与结晶器铜板1分离后，在试样表面获得边界平直的熔覆层。
实施例2 : 本实施例是在连铸板坯结晶器铜板表面采用脉冲Nd:YAG激光器进行激光熔覆多 层耐磨钴基合金涂层。铜板为Cr-Zr-Cu合金。 一端要求未加工熔覆涂层厚度0. 8mm， 一端 要求未加工熔覆涂层厚度2. 3mm。具体工艺过程与实施例1基本相同，不同之处如下
按下述合金成分进行配料，各原料重量百分比为C 1.2%， Cr 30%， W 20%， Mo 5%，Si 1.2%，Fe 1.0%，Ni 9%，Nb 5X，余量为Co。上述各原料均采用粒度为140 325 目的金属粉末，将配好的原材料均匀混合，采用粘结剂预置粉末方式将合金粉末涂覆于结 晶器铜板表面。利用脉冲Nd:YAG激光器激光熔覆制备钴基合金涂层。涂覆时，从两端分别 熔覆不同厚度要求的熔覆层。涂层厚度要求0.8mm的一端熔覆两层，另一端熔覆五层。
熔覆第一层时，由于铜对激光的高反射率，使用高功率，低扫描速率的方法提高能 量密度，工艺参数为，聚焦镜f = 150，熔覆功率P = 390W，光斑直径D = 1. 2mm，扫描速率V =300mm/min。熔覆层厚度0. 4mm 第二层工艺参数聚焦镜f = 100，熔覆功率P = 380W，光斑直径D = 1. 6mm，扫描 速率V = 500mm/min。熔覆层厚度0. 5mm。 第三层工艺参数聚焦镜f = 100，熔覆功率P = 370W，光斑直径D = 1. 6mm，扫描 速率V = 500mm/min。熔覆层厚度0. 5mm。 第四层工艺参数聚焦镜f = IOO，熔覆功率P = 360W，光斑直径D = 1. 6mm，扫描 速率V = 500mm/min。熔覆层厚度0. 6mm。 第五层工艺参数聚焦镜f = 100，熔覆功率P = 350W，光斑直径D = 1. 6mm，扫描 速率V = 500mm/min。熔覆层厚度0. 4mm。
实施例3: 本实施例是在连铸板坯结晶器铜板表面采用脉冲Nd:YAG激光器进行激光熔覆单层耐磨钴基合金涂层。铜板为Cr-Zr-Cu合金，要求激光熔覆涂层厚度1. 8mm，磨削加工后表
面无任何明显缺陷。具体工艺过程与实施例1基本相同，不同之处如下 按下述合金成分进行配料，各原料重量百分比为C l%，Cr 25%， W 18%， Mo
4%， Si l%，Fe 0. 6%，Ni 8%，Nb 5X，余量为Co。上述各原料均采用粒度为140 325
目的金属粉末，将配好的原材料均匀混合，采用粘结剂预置粉末方式将合金粉末涂覆于结
晶器铜板表面。利用脉冲Nd:YAG激光器激光熔覆制备钴基合金涂层。涂覆时，所述脉冲
Nd:YAG激光器的具体工艺参数为 聚焦镜f = 100 150 熔覆功率P = 350 390W 光斑直径D = 1. 2 2mm 熔覆扫描速率V = 300 800mm/min 搭接率40%。
权利要求
一种连铸结晶器铜板激光熔覆钴基合金涂层材料，其特征在于该钴基合金涂层是一种钴基合金，按重量百分比计算其成分为C 0.6～1.2％，Cr 20～30％，W 13～20％，Mo 3～5％，Si 0.8～1.2％，Fe 0.4～1.0％，Ni 7～9％，Nb 5％，余量为Co。
2. —种制备权利要求1所述钴基合金涂层的工艺，其特征在于按权利要求1所述的 合金成分进行配料，各原料均采用粒度为140 325目的金属粉末，将配好的原材料均匀混 合，然后按以下步骤进行(1) 对结晶器表面进行活化处理；(2) 在结晶器铜板四周边外接与结晶器铜板表面齐平的铜或者铜合金护板；(3) 采用粘结剂预置粉末或者激光同轴送粉器将钴基合金粉末送入结晶器铜板和护板 表面，采用脉冲Nd:YAG激光器进行激光熔覆；(4) 后续去应力退火处理，将熔覆完成后的结晶器铜板进行去应力退火处理；(5) 将外接护板与结晶器铜板分离后，在试样表面获得边界平直的熔覆层。
3. 根据权利要求2所述的制备钴基合金涂层的工艺，其特征在于所述脉冲Nd:YAG激 光器进行激光熔覆的具体工艺参数为聚焦镜f = 100 150 溶覆功率p = 350 390W 光斑直径D = 1. 2 2mm 熔覆扫描速率V = 300 800mm/min 搭接率40%。
4. 根据权利要求2所述的制备钴基合金涂层的工艺，其特征在于，采用脉冲Nd:YAG激 光器进行至少两层或以上多层激光熔覆，制备第一层时，聚焦镜f = 150，熔覆功率P = 390W，光斑直径D = 1.2mm，扫描速率V =300mm/min ;制备第二层及以上各层时，聚焦镜f = IOO，熔覆功率P = 350W，光斑直径D = 1.6mm， 扫描速率V = 800mm/min。
5. 根据权利要求2所述的制备钴基合金涂层的工艺，其特征在于，在后续去应力退火 处理工序中，将熔覆完成后的结晶器铜板置于热处理炉中进行30(TC X4h去应力退火处
全文摘要
本发明涉及一种连铸结晶器铜板激光熔覆钴基合金涂层材料及工艺。其特征在于该钴基合金涂层是一种钴基合金，按重量百分比计算其成分为C 0.6～1.2％，Cr 20～30％，W 13～20％，Mo 3～5％，Si 0.8～1.2％，Fe 0.4～1.0％，Ni 7～9％，Nb 5％，余量为Co。本发明所述的熔覆涂层组织致密，无裂纹、气孔，与结晶器铜板表面形成良好的冶金结合，可形成2mm以上的熔覆层。本发明的工艺能够精确控制涂层的厚度及整个过程实现自动控制，具有能耗低，无污染，效率高，成本低的优点。因此采用本发明能改善原有结晶器涂层技术的缺点，具有显著的经济效益和社会效益。
文档编号C23C24/10GK101775525SQ20101002902
公开日2010年7月14日 申请日期2010年1月19日 优先权日2010年1月19日
发明者叶天军, 王爱华, 闫华, 隋大鹏 申请人:秦皇岛首钢长白结晶器有限责任公司;华中科技大学