專利名稱：：一種銅基結晶器表面激光熔敷方法
技術領域：
：本發明涉及一種表面激光熔敷方法，特別涉及一種在銅基結晶器表面的激光熔lt方法。
背景技術：
：銅基結晶器是連鑄設備的"心臟"，其作用是將1300。C的鋼水連續冷凝成鋼坯，它由純Cu、Cu-Ag、Cu-Cr或Cu-Cr-Zr等導熱性好的合金制成。結晶器背面有通水冷卻，因此其與鋼水的接觸溫度一般在50(TC左右。同時，已經凝固的鋼坯對結晶器表面有一定的摩擦作用，使結晶器銅板容易被腐蝕、氧化和磨損，造成表面破壞，影響鑄鋼生產的連續性，嚴重時甚至引起漏鋼事故。銅基結晶器在冶金行業是第二大耗材，中國每年消耗20億元以上。銅合金導熱系數為386W/m*K,具有良好的導熱性，是結晶器的首選材料，但強度、硬度低，因而導致銅基結晶器壽命低，制約了冶金工業的進步。鋼鐵生產中常采用電鍍和熱噴涂等表面技術對銅基結晶器進行表面強化，以增加結晶器的使用壽命。中國專利號02131319.9公開了在方坯結晶器的內表面采用熱噴涂耐熱和耐磨的金屬和陶瓷材料，增加了結晶器的耐磨性，提高了連鑄坯的質量和性能。中國專利號200510101301.4公開了采用超音速火焰噴涂方法，在噴涂的鎳基材料中添加氧化鋁粉末，將超音速火焰噴涂的結合強度提高到70MPa以上，并解決了噴涂粘噴嘴的問題，增加了工藝的可靠性。200810140407.9的中國專利申請采用超音速火焰噴涂方法噴涂鎳基合金涂層后，800950。C下保溫0.53小時，進行熔融擴f武真空熱處理，然后用氮氣、氬氣或氦氣冷卻降溫；最后將冷卻后的結晶器銅板在400500°C下進行13小時的時效處理，使僅為機械結合的熱噴涂涂層產生擴散，形成冶金結合，提高結合強度。以上方法全部采用熱噴涂技術。由于熱噴涂技術制備的涂層與基體為機械結合，結合力低，一般只有3050MPa,因此熱噴涂技術的研究工作主要集中在如何提高涂層與銅基體的結合強度。雖然已有研究可通過粉末和工藝的調整，將結合強度增加到70MPa以上，但仍然太低，不能滿足結晶器的要求。若采用真空熱處理工藝可使涂層與基體形成冶金結合，但是不僅由于結晶器尺寸變化大，需要大的真空室，而且由于需要800950。C的高溫和長時間處理，容易使工件變形，需要后續校形加工，工藝復雜。200610047995.2的中國專利申請公開了一種激光熔l丈制備耐磨抗熱涂層的方法，該法釆用含有20。/。Cu的鎳基粉末作為打底材料，先做等離子噴涂，經過激光重熔，獲得韌性的過渡層后，再用激光快速熔敷制備鈷基耐磨抗熱涂層。為防止熔敷時產生裂紋，在激光熔敷之前，先在400500。C下預熱，之后，在25035(TC下進行57小時的去應力退火。200710051962.X的中國專利申請公開的方法是在銅金屬表面放置粉末、薄片或細絲后，采用高峰值功率的脈沖激光束照射，使其與銅金屬表面形成冶金結合熔敷，重復激光處理過程，即得到所需厚度的熔敷層。上述釆用激光重熔過渡層的方法可以有效地解決銅基體對激光束吸收率低的難題。在過渡層中添加Cu成分，雖然能夠增加與銅基體的互溶性，但會減少過渡層對激光束的吸收，容易造成熔化不良和銅基材料被氧化的缺陷。此外，在激光處理過程中采取預熱方式，會導致銅基體的氧化，影響銅基體與熔敷層的結合。
發明內容本發明的目的是克服現有熱噴涂技術和激光熔敷技術的缺陷，使得在銅基材料上形成具有優良冶金結合的熔敷層。為實現本發明的目的所采取的技術方案依次包括如下步驟①結晶器銅板除油、活化或粗化后，采用電刷鍍、超音速火焰噴涂或電鍍法制備厚度為0.3~0.5mm的鎳基過渡層；②采用混合模C02激光束，激光波長為10.6(im,功率為4000~10000W;焦距為300mm的反射聚焦鏡，將激光束聚集成36mm的光斑，控制掃描速度為10003000mm/min，掃描方式為搭接掃描，搭接率10~50%,掃描過程中，控制表面溫度低于300°C,使過渡層熔化；③粗化過渡層后，采用超音速噴涂制備厚度為0.6~1.0mm的鎳基或鈷基合金工作層；④釆用混合才莫C02激光束，激光波長為10.6(im,功率為4000-10000W;焦距為300mm的反射聚焦鏡，將激光束聚集成3~6mm的光斑，控制激光束的掃描速度為10003000mm/min,掃描方式為搭接掃描，搭接率1050%,掃描過程中，控制表面溫度低于300°C，使工作層熔化；⑤將激光熔敷層加工成光滑的表面。所述的過渡層為能夠與銅無限固溶的鎳基合金，鎳基合金中的Ni含量為96100%，C含量小于0.1。/。,Cr、Si、B總含量03.9%,其中以純鎳為最好。所述的工作層中鎳基合金的成份為C含量0.10.3。/。，Cr、Si、B、W、Co、Mo、總含量46%，Fe含量0.93.7%,鎳余量；鈷基合金的成份為C含量0.10.3%,Cr、Si、B、W總含量4~6%，Fe含量0.9~3.7%,鈷余量。在激光掃描過程中，非但不能采用保溫措施，還必須采用加強冷卻的措施，防止銅基體的氧化，產生過熱和變形。因為激光束具有加熱速度和冷卻速度快的特點，激光掃描過程容易出現裂紋等缺陷，因此必須優化熔敷粉末，提高涂層和基體的相容性，實現涂層與銅基體的無缺陷冶金結合，防止裂紋的產生。本發明的圖1、2、3的金相檢測表明在銅合金-Ni基過渡層、Ni基過渡層-Ni基或Co基工作層界面上都形成冶金結合，其組織為激光重熔后的細小柱狀枝晶組織。激光熔敷層掃描電鏡成分分析結果表明過渡層成分Cu含量20。/。左右，其余為Ni;工作層成分仍為鎳基或鈷基原始成分。硬度與耐磨性實驗結果表明工作層硬度Hv350以上，比銅合金硬度提高了3倍以上。在300。C下采用45#鋼作為摩擦副，銅合金磨損失重量為80mg,激光熔敷的鎳基或鈷基工作層磨損失重量為10mg左右，證明該激光熔敷層高溫耐磨性比銅合金高5倍以上，起到了強化銅合金的效果。本發明的方法不僅適用于銅基結晶器的強化，也適用于各種銅基合金表面的強化。圖1為實施例1的激光熔敷表面的金相圖；圖2為實施例2的激光熔敷表面的金相圖；圖3為實施例3的激光熔敷表面的金相圖。具體實施例方式為詳細說明本發明的技術方案，用以下實施例做詳細說明。實施例1①將結晶器銅板用丙酮擦拭除油后，用TGY-1電凈液除油和THY-2活化液活化，再刷TDY-102純鎳鍍層，電壓為IOV。每次刷鍍厚度0.05mm,6次刷鍍后過渡層厚度為0.30mm;②調整C02激光束功率為4000W,將激光束聚集成3mm的光斑，控制光束的掃描速度為1000mm/min,對過渡層進行^^妻掃描，搭接率10%,掃描過程中結晶器銅板背面采用強制水冷卻，控制表面溫度低于300°C;③將過渡層噴砂粗化，進行超音速火焰噴涂，噴涂鎳基合金，鎳基合金中的Ni含量為96。/。，C含量O.1%,Cr、Si、B總含量3.9。/。，噴涂厚度為0.5mm;④重復步驟②，激光熔敷工作層；用數控銑床將鎳基合金工作層加工成光滑表面。實施例2①將結晶器銅板用丙酮除油后，噴砂粗化，粗糙度控制在Ra241^111,進行超音速火焰噴涂，噴涂材料為4臬基合金粉，成分C含量0.05。/。，Cr、Si、B總含量3.5。/c),Ni含量為96.45%,粒度范圍+5-25jim,噴涂厚度為0.4mm;②調整C02激光束功率為8000W,將激光束聚集成5mm的光斑，光束掃描速度為2000mm/min,搭接率30%,掃描過程中結晶器銅板背面采用強制水冷卻，控制工件表面溫度低于300°C;③重復步驟①進行超音速噴涂鎳基合金粉，粒度范圍+5-25pm,鎳基粉合金中的Ni含量為96%,C含量0.1。/。，Cr、Si、B總含量3.9%,噴涂厚度為0.80mm;④調整C02激光束功率為7000W,將激光束聚集成5mm的光斑，光束掃描速度為2000mm/min,搭接率30%,掃描過程中結晶器銅板背面采用強制水冷卻，控制工件表面溫度低于300°C;⑤采用平面磨床將激光熔敷鎳基合金加工成光滑。實施例3①將結晶器銅板用丙酮擦拭除油后，放入鎳鹽溶液的鍍槽中，鎳鹽溶液為硫酸鎳100g/L、硫酸鎂21g/L、硼酸14g/L、氯化鈉4g/L,電壓8V，電流密度2A/dm2，過渡層厚度為0.50mm;②調整C02激光束功率為10000W,將激光束聚集成6mm的光斑，激光束的掃描速度3000mm/min,搭接率控制在50%,掃描過程中結晶器銅板背面采用強制水冷卻，控制工件表面溫度低于300°C;③將熔敷后的過渡層用丙酮除油后，噴砂粗化，粗糙度控制在Ra24[im,進行超音速火焰噴涂，噴涂材料為鈷基合金粉末，鈷基合金的成份為C含量0.1。/。，Cr、Si、B、W總含量5。/。，Fe含量l。/。，鈷余量；粒度范圍+5-25jim,噴涂厚度為l.Omm;④重復步驟②，對工作層進行激光熔敷；⑤采用數控銑床將激光熔敷的鈷基合金加工成光滑的表面。實施例l、2、3及其銅、銀銅的硬度和磨損失重量測試結果見表1。表l實施例及其銅、銀銅的測試結果<table>tableseeoriginaldocumentpage8</column></row><table>注耐磨性條件T=300°C;載荷200N;速度6m/min;時間15min;摩擦副為45H岡，硬度205Hv(uj5s。權利要求1.一種銅基結晶器表面激光熔敷方法，其特征是依次包括如下步驟①結晶器銅板除油、活化或粗化后，采用電刷鍍、超音速火焰噴涂或電鍍法制備厚度為0.3～0.5mm的鎳基過渡層；②采用混合模CO2激光束，激光波長為10.6μm，功率為4000～10000W；焦距為300mm的反射聚焦鏡，將激光束聚集成3～6mm的光斑，控制掃描速度為1000～3000mm/min，掃描方式為搭接掃描，搭接率10～50％，掃描過程中，控制表面溫度低于300℃，使過渡層熔化；③粗化過渡層后，采用超音速噴涂制備厚度為0.6～1.0mm的鎳基或鈷基合金工作層；④采用混合模CO2激光束，激光波長為10.6μm，功率為4000～10000W；焦距為300mm的反射聚焦鏡，將激光束聚集成3～6mm的光斑，控制激光束的掃描速度為1000～3000mm/min，掃描方式為搭接掃描，搭接率10～50％，掃描過程中，控制表面溫度低于300℃，使工作層熔化；⑤將激光熔敷層加工成光滑的表面。全文摘要一種銅基結晶器表面激光熔敷方法。其特征是依次包括如下步驟①制備厚度為0.3～0.5mm的鎳基過渡層；②采用混合模CO<sub>2</sub>激光束熔化過渡層；③采用超音速噴涂制備厚度為0.6～1.0mm的鎳基或鈷基合金工作層；④采用混合模CO<sub>2</sub>激光束熔化過渡層；⑤將激光熔敷層加工成光滑的表面。本發明的方法可在銅基材料上形成具有優良冶金結合的熔敷層。硬度與耐磨性實驗結果表明工作層硬度Hv350以上，比銅合金硬度提高了3倍以上；激光熔敷的鎳基或鈷基工作層磨損失重量為10mg左右，高溫耐磨性比銅合金高5倍以上，起到了強化銅合金的效果。本發明的方法不僅適用于銅基結晶器的強化，也適用于各種銅基合金表面的強化。文檔編號C25D3/12GK101532133SQ20091003884公開日2009年9月16日申請日期2009年4月21日優先權日2009年4月21日發明者敏劉,周克崧,李福海,利趙,鄧暢光,陳興馳,陳志坤,馬文有申請人:廣州有色金屬研究院