一種連鑄機結晶器銅板激光強化用梯度合金材料和方法
【專利摘要】一種連鑄機結晶器銅板激光強化用梯度合金材料和方法，在結晶器鉻鋯銅窄板工作面上，利用激光熔覆技術，先用鎳基合金材料與基材過渡，再在鎳基合金過渡層上熔覆特制的鈷基合金材料，使結晶器鉻鋯銅窄板工作表面形成新的耐高溫腐蝕和磨損的、具有超細化、高強韌性金相組織的梯度合金層。該鈷基合金是在一種司太立合金基礎上，通過添加Hf、B和Si元素，適當降低合金熔點，形成適合于激光熔覆的新型鈷基合金材料。與現有的技術相比，本發明的有益效果是：通過提高結晶器窄板工作表面高溫耐蝕耐磨性，實現失效結晶器激光修復與再制造，恢復和提高使用功能。有效解決了失效鉻鋯銅結晶器的修復難題，提高了鑄坯質量，降低了噸鋼澆鑄成本。
【專利說明】一種連鑄機結晶器銅板激光強化用梯度合金材料和方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及金屬材料領域，尤其涉及一種連鑄機結晶器銅板激光強化用梯度合金材料和方法。
【背景技術】
[0002]結晶器是連鑄機上的關鍵部件，其質量直接影響連鑄坯表面質量、連鑄機作業率和連鑄坯成本。高效連鑄技術的發展對結晶器質量提出了更高的要求，高強度、高耐磨性、耐腐蝕性和良好的導熱性成為衡量結晶器質量的重要指標。板坯結晶器在使用過程中主要存在邊緣磨損、寬面熱裂紋、窄面收縮、腐蝕等問題。國內外使用的導熱性好的銅質結晶器基材無法達到其使用要求，另外銅對大多數鋼種而言是一種有害元素，受鋼水沖刷進入鋼坯中的銅會使鑄坯表面產生星形裂紋，從而導致質量缺陷。合適的結晶器用基材以及對基材進行必要的表面處理是連鑄生產必須具備的條件。
[0003]目前對結晶器材質研究的重點是采用合適的表面處理技術，在結晶器表面通過電鍍、化學鍍、熱噴涂、激光熔覆一種或幾種材料，以獲得特殊功能表面，在保證其導熱性受鍍層影響不大的情況下，獲得與基體結合牢固、耐磨性好、抗熱腐蝕性強的各種涂層，以改善結晶器表面性能、延長使用壽命、提高連鑄坯質量，從而達到澆鑄噸鋼價格下降的目的。
[0004]然而廣泛應用的電鍍、化學鍍、熱噴涂等表面處理方法雖然能提高結晶器銅板的耐磨性，但由于制備的涂層與基體是機械結合，而不是冶金物理結合，在結晶器使用過程中常會由于冷熱疲勞，鍍層易于發生剝落起皮，引起結晶器銅板的報廢和連鑄停產；涂層存在著疏松、針孔、雜質等缺陷，顯著影響涂層的耐高溫、抗磨損和沖刷性能，影響涂層的使用壽命；而且生產周期較長，生產成本高，直接影響鋼廠的生產成本和耗費，另外，電鍍、化學鍍、熱噴涂等技術存在排污排廢問題，容易引起環境污染。

【發明內容】

`[0005]本發明的目的在于提供一種連鑄機結晶器銅板激光強化用梯度合金材料和方法，在結晶器鉻鋯銅窄板工作面上，利用激光熔覆技術，先用鎳基合金材料與基材過渡，再在鎳基合金過渡層上熔覆特制的鈷基合金材料，使結晶器鉻鋯銅窄板工作表面形成新的耐高溫腐蝕和磨損的、具有超細化、高強韌性金相組織的梯度合金層。該鈷基合金是在一種司太立合金基礎上，通過添加Hf、B和Si元素，適當降低合金熔點，形成適合于激光熔覆的新型鈷基合金材料。通過提高結晶器窄板工作表面高溫耐蝕耐磨性，實現失效結晶器激光修復與再制造，恢復和提聞使用功能。
[0006]為實現上述目的，本發明采用以下技術方案實現:
[0007]—種連鑄機結晶器銅板激光強化用梯度合金材料，其特征在于，其各組成原料按重量百分比例配比如下:
[0008]C:0.8 ~1.5% ;
[0009]S1:1.0 ~2.4%;[0010]Mn:0.5 ~1.5% ；
[0011]Fe:1.2 ~3.0%;
[0012]Cr:26 ~34%;
[0013]N1:1.5 ~4.0%;
[0014]W:4.0 ~12.0%;
[0015]B:1.2 ~2.0%;
[0016]Hf:0.2 ~0.5% ;
[0017]Co:余量；
[0018]由上述成分組成鈷基合金粉末。
[0019]使用光纖激光器使連鑄機結晶器銅板強化的方法，其特征在于，具體操作步驟如下:
[0020]I)在結晶器鉻鋯銅窄板工作表面，先通過噴涂方式預置一層0.5mm~0.8_鎳基合金作為過渡層，經過400~500°C預熱后使用光纖激光器進行激光重熔，再在過渡層上面激光熔覆鈷基合金粉末；
[0021]2)基材與復合 熔覆層采取保溫措施，使冷卻速度減慢；熔覆結束后整體進行溫度為350~450°C，時間為5~6小時的消除應力回火處理。
[0022]所述的步驟I)鎳基和鈷基合金粉末總熔覆厚度1.5~1.8mm。
[0023]所述的鎳基合金為鎳鉻鑰鈮合金或哈氏合金粉末。
[0024]所述的光纖激光器為6000W光纖激光器。
[0025]所述的步驟I)激光熔覆工藝為:功率:4000~5500W ;光斑直徑:6.0~8.0mm ;焦距:340~400_ ;掃描速度:2400~3200mm/min ;預置粉厚度:0.5~1.0mm ;粒度:-100~+270目，搭接率:30~50%。
[0026]與現有的技術相比，本發明的有益效果是:
[0027]I)結晶器銅板激光強化用梯度合金材料，是先用鎳基合金材料與銅基材過渡，形成韌性良好、冶金結合牢固的過渡層，再在鎳基合金基礎上熔覆特制的鈷基合金材料，形成復合梯度功能材料。
[0028]2)結晶器銅板激光強化用梯度合金材料中的鈷基合金，是在傳統司太立鈷基合金基礎上，通過調整合金元素比例，適當添加B、Si和Hf元素，有效降低了合金熔點，形成適合于大面積激光熔覆的新型鈷基合金材料。
[0029]3)結晶器銅板激光強化用梯度合金，在噴涂、預熱、保溫和后熱處理的條件下，順利實現梯度功能材料的激光熔覆，且形成的復合合金粉末熔覆層獲得了優越的激光加工性能，并適合在結晶器鉻鋯銅基材上實現大面積良好激光加工操作。
[0030]4 )結晶器銅板激光強化用梯度合金形成的復合合金層，在具有較理想的高溫硬度(大于HRC45)和強度的同時，又降低了合金熔點和開裂傾向。從根本上解決并提高了表面新材料的抗裂性、成型性、表面平整性、工藝穩定性和成分均勻性。
[0031]5)結晶器鉻鋯銅板經激光熔覆梯度合金處理后，不僅恢復了失效結晶器的重新使用，而且提高了高溫抗氧化、耐腐蝕、耐磨損性能。可以取代現行鍍鉻的方法，有效解決了失效鉻鋯銅結晶器的修復難題，提高了鑄坯質量，降低了噸鋼澆鑄成本，減少了結晶器的更換次數，為冶金連鑄行業成功修復失效后的結晶器，提供了一種行之有效、經濟適用的便捷方法和激光熔覆結晶器銅板專用的復合梯度功能合金粉末材料，應用市場廣闊，經濟效益和社會效益顯著。
【具體實施方式】
[0032]下面對本發明的【具體實施方式】進一步說明:
[0033]一種連鑄機結晶器銅板激光強化用梯度合金材料，其各組成原料按重量百分比例配比如下:
[0034]C:0.8 ~1.5% ;
[0035]S1:1.0 ~2.4%;
[0036]Mn:0.5 ~1.5% ；
[0037]Fe:1.2 ~3.0%;
[0038]Cr: 26 ~34% ；
[0039]N1:1.5 ~4.0%;
[0040]W:4.0 ~12.0% ；
[0041]B:1.2 ~2.0%;
[0042]Hf:0.2 ~0. 5% ；
[0043]Co:余量；
[0044]由上述成分組成鈷基合金粉末。
[0045]使用光纖激光器使連鑄機結晶器銅板強化的方法，其特征在于，具體操作步驟如下:
[0046]I)在結晶器鉻鋯銅窄板工作表面，先通過噴涂方式預置一層0.5mm~0.8_鎳基合金作為過渡層，經過400~500°C預熱后使用光纖激光器進行激光重熔，再在過渡層上面激光熔覆鈷基合金粉末；
[0047]2)基材與復合熔覆層采取保溫措施，使冷卻速度減慢；熔覆結束后整體進行溫度為350~450°C，時間為5~6小時的消除應力回火處理。
[0048]鎳基和鈷基合金粉末重熔覆厚度1.5~1.8mm ;鎳基合金為鉻鎳鐵合金或哈氏合金粉末；光纖激光器為6000W光纖激光器。
[0049]激光熔覆工藝為:功率:4000~5500W ;光斑直徑:6.0~8.0mm ;焦距:340~400mm ;掃描速度:2400~3200mm/min ;預置粉厚度:0.5~1.0mm ;粒度:-100目~270目，搭接率:30~50%。
[0050]實施例1:
[0051]采用6千瓦光纖激光器結合合適的工藝參數，對某失效的連鑄機結晶器進行激光強化處理。
[0052]將預置的鎳基哈氏合金粉末熔覆形成打底過渡層，在預熱條件下再熔覆一層鈷基合金粉末材料，熔覆結束后立即整體360°C、6小時回火處理，在結晶器銅板表面形成梯度功能合金強化層。合金元素重量百分數是:C:1.2% ；B:1.6% ；Si:1.8% ；Mn:0.8% ；Fe:2.2% ；Cr:31% ；Ni:3.2 ~% ；ff:5.4% ；Hf:0.4% ；Co:余量。
[0053]實施例2:
[0054]采用6千瓦光纖激光器結合合適的工藝參數，對某失效的連鑄機結晶器進行激光強化處理。
[0055]將噴涂預置的鎳鉻鑰鈮合金粉末經過激光熔覆形成打底過渡層，在預熱條件下再熔覆一層鈷基合金粉末材料，熔覆結束后立即整體380°C、5.5小時回火處理，在結晶器銅板表面形成梯度功能合金強化層。合金元素重量百分數是:C:1.0% ；B:1.5% ；Si:1.6% ；Mn:1.1% ；Fe:2.5% ；Cr:32% ；N1:3.6% ；ff:6.8% ；Hf:0.34% ；Co:余量。
[0056]實施例3:
[0057]采用6千瓦光纖激光器結合合適的工藝參數，對某失效的連鑄機結晶器進行激光強化處理。
[0058]將噴涂預置的鎳鉻鑰鈮合金粉末經過激光熔覆形成打底過渡層，在預熱條件下再熔覆一層鈷基合金粉末材料，熔覆結束后立即整體400°C、5小時回火處理，在結晶器銅板表面形成梯度功能合金強化層。合金元素重量百分數是:C:1.3% ；B:1.5% ；Si:1.6% ；Mn:1.2% ；Fe:2.8% ；Cr:32.8% ；N1:4.0% ；ff:5.8% ；Hf:0.28% ；Co:余量。
[0059]強化后的結晶器經上連鑄機使用檢驗效果良好，高溫耐磨耐蝕性能大幅提高，結晶器使用壽命可提高1.2倍，延長了結晶器更換周期。
[0060]試驗表明，采用合適的激光強化處理參數，可以獲得厚度超過1.5mm的表面梯度強化層。其顯微組織由一定厚度的鎳基材料過渡層與鈷基材料強化層組成。過渡層與銅基材形成良好的冶金結合，強化層具有耐高溫強化相，使硬度值達到HRC45以上。在整個強化層中硬度基本保持一致，硬化層的硬度分布幾乎無梯度變化，這對提高結晶器銅板表面的耐磨損壽命十分重要。
[0061]冶金生產實踐證明，激光表面處理后的結晶器的過鋼量可翻倍提高，且結晶器表面磨損均勻，速度明顯減慢，強化效果十分明顯。這樣不僅大大降低了板坯連鑄成本，減少了停機修換結晶器時間，提高了連鑄機`的生產效率，而且降低了軋鋼工人的勞動強度。
【權利要求】
1.一種連鑄機結晶器銅板激光強化用梯度合金材料，其特征在于，其各組成原料按重量百分比例配比如下:
C:0.8 ~1.5% ；
S1:1.0 ~2.4% ；
Mn:0.5 ~1.5% ；
Fe:1.2 ~3.0% ；
Cr: 26 ~34% ；
N1:1.5 ~4.0% ；
W:4.0 ~12.0% ；
B:1.2 ~2.0% ；
Hf:0.2 ~0.5% ； Co:余量； 由上述成分組成鈷基合金粉末。
2.采用權利要求1所述的材料強化連鑄機結晶器銅板的方法，其特征在于，具體操作步驟如下: 1)在結晶器鉻鋯銅窄板工作表面，先通過噴涂方式預置一層0.5mm~0.8mm鎳基合金作為過渡層，經過400~500°C預熱后使用光纖激光器進行激光重熔，再在過渡層上面激光熔覆鈷基合金粉末； 2)基材與復合熔覆層采取保溫措施，使冷卻速度減慢；熔覆結束后整體進行溫度為350~450°C，時間為5~6小時的消除應力回火處理。
3.根據權利要求2所述的強化連鑄機結晶器銅板的方法，其特征在于，所述的步驟I)鎳基和鈷基合金粉末總熔覆厚度1.5~1.8mm。
4.根據權利要求2所述的強化連鑄機結晶器銅板的方法，其特征在于，所述的鎳基合金為鎳鉻鑰銀合金或哈氏合金粉末。
5.根據權利要求2所述的強化連鑄機結晶器銅板的方法，其特征在于，所述的光纖激光器為6000W光纖激光器。
6.根據權利要求1所述的強化連鑄機結晶器銅板的方法，其特征在于，所述的步驟I)激光熔覆工藝為:功率:4000~5500W ;光斑直徑:6.0~8.0mm ;焦距:340~400mm ;掃描速度:2400~3200mm/min ;預置粉厚度:0.5~1.0mm ;粒度:-100~+270目，搭接率:30~50%。
【文檔編號】C22C19/07GK103805813SQ201310657301
【公開日】2014年5月21日 申請日期:2013年12月5日 優先權日:2013年12月5日
【發明者】陳常義, 徐國建, 傅新皓, 馮明遠 申請人:鞍山煜宸科技有限公司