一种用于制备结晶器或风口的金属基材料及其制备方法与流程

本发明涉及表面工程技术领域，尤其涉及一种用于制备结晶器或风口的金属基材料及其制备方法。

背景技术：

目前冶金钢铁行业的结晶器用铬锆铜为了提高其耐高温磨损性能，一般采用电镀镍层打底，然后采用超音速火焰喷涂金属陶瓷涂层；或采用热喷涂镍基合金加碳化钨(wc)，然后进行1000℃以上高温重熔技术。但前者涂层较薄(仅约0.3mm)，且与铜基体之间为机械嵌合，结合力弱容易剥落；而后者虽然涂层能够与基体产生冶金结合，但铜板产生严重的变形及碳化钨(wc)的烧损，因此结晶器的使用寿命均较短。

电镀、热喷涂、电刷镀和pvd等技术制备的涂层与基体之间只能产生物理或机械结合，结合力弱，易与基体剥落。cvd制备的薄膜虽然理论上能够与基体产生冶金结合，但制备金属薄膜的过程中需要高温(1000℃)、气相对基体有腐蚀性、及仅能制备纳米及薄膜，因此并不能适用于铜和铜合金基体上高耐磨涂层的大规模工业化生产。

近年来尽管有人尝试采用普通激光熔覆在铜或铜合金基体上直接制备耐高温磨损涂层，但由于铜对激光吸收率极低(对波长为1.06的激光仅为0.1％)，而且热导率极高，造成需要采用在铜表面涂敷炭黑或喷砂粗化等手段，或采用较高的热输入制备涂层，一方面会使涂层碳含量增加，加剧涂层的开裂倾向，使得难以制备0.5mm以上无裂纹的涂层，另一方面会使铜基体产生严重的变形。而且铜基体上的普通激光熔覆效率较钢基体更低。因此，十分有必要发明一种铜和铜合金基体上无裂纹、厚度调控范围广、基体变形量小、结合强度高(与基体产生冶金结合)的高耐磨涂层及涂层产品。

技术实现要素：

本发明提供一种用于制备结晶器或风口的金属基材料及其制备方法，旨在解决在铜或铜合金基体上高效制备无裂纹、厚度调控范围广、基体变形量小、结合强度高(与基体产生冶金结合)的高耐磨损涂层的问题，实现在保证涂层与基体为冶金结合的情况下，大幅度降低基体稀释率提高涂层的耐高温磨损性能，并减小基体变形，成品率高，并且加工成本得以大幅度降低。

本发明提供的具体技术方案如下：

第一方面，本发明提供的一种用于制备结晶器或风口的金属基材料包括铜或铜合金基体、包覆在所述铜或铜合金基体表面的过渡层、固结在所述过渡层上的高耐磨工作层，其中，所述过渡层的材料为纯co金属、纯ni金属、纯cr金属、纯cu金属、纯mo金属、纯ag金属、nicr或mcraly合金中的至少一种，m代表ni、co或nico，所述高耐磨工作层的材料为铁基合金、镍基合金、钴基合金、铜基合金或金属陶瓷中的至少一种，所述金属陶瓷为在铁基合金、镍基合金、钴基合金、铜基合金中的至少一种中添加碳化钨、碳化铬、碳化钛、碳化钽、氧化铝、氧化铬、氧化钛陶瓷中的至少一种形成的金属陶瓷，所述过渡层的厚度与所述高耐磨工作层的厚度的比值为1:1～1:3。

可选的，所述过渡层与所述铜或铜合金基体之间为冶金强结合，所述过渡层和所述高耐磨工作层之间为冶金强结合。

可选的，所述过渡层的厚度为0.01mm～1mm，所述工作层的厚度为0.01mm～3mm。

可选的，所述过渡层和所述高耐磨工作层的总厚度为所述铜或铜合金基体厚度的十分之一～五分之一。

可选的，所述过渡层和所述高耐磨工作层的总厚度为0.03mm～3mm。

第二方面，本发明实施例提供一种制备用于制备结晶器或风口的金属基材料的方法，所述方法包括：

采用冶金结合的方式在铜或铜合金基体的表面制备过渡层，所述过渡层的材料为纯co金属、纯ni金属、纯cr金属、纯cu金属、纯mo金属、纯ag金属、nicr或mcraly合金中的至少一种，m代表ni、co或nico；

采用冶金结合的方式在所述过渡层的表面制备高耐磨工作层，所述高耐磨工作层的材料为铁基合金、镍基合金、钴基合金、铜基合金或金属陶瓷中的至少一种，所述金属陶瓷为在铁基合金、镍基合金、钴基合金、铜基合金中的至少一种中添加碳化钨、碳化铬、碳化钛、碳化钽、氧化铝、氧化铬、氧化钛陶瓷中的至少一种形成的金属陶瓷，所述过渡层的厚度与所述高耐磨工作层的厚度的比值为1:1～1:3。

可选的，所述采用冶金结合的方式在铜或铜合金基体的表面制备过渡层之前，所述方法还包括：

对所述铜或铜合金基体的表面进行预处理和预热，所述预处理至少包括对所述铜或铜合金基体的表面去油污、喷砂处理，所述预热的温度为20℃～400℃，所述预热的时间为30分钟～120分钟。

可选的，所述采用冶金结合的方式在铜或铜合金基体的表面制备过渡层，具体为：

采用激光喷涂的方式在所述铜或铜合金基体的表面制备过渡层，激光喷涂的具体参数为：激光功率1-10kw，激光头扫描速度3-800mm/s，激光束的光斑为圆形或矩形，圆形光斑的直径为0.5-10mm，矩形光斑的尺寸为长边4-30mm、短边0.8-3mm。

可选的，所述采用冶金结合的方式在所述过渡层的表面制备高耐磨工作层，具体为：

采用激光喷涂的方式在所述过渡层的表面制备高耐磨工作层，激光喷涂的具体参数为：激光功率1-10kw，激光头扫描速度3-800mm/s，激光束的光斑为圆形或矩形，圆形光斑的直径为0.5-10mm，矩形光斑的尺寸为长边4-30mm、短边0.8-3mm。

可选的，所述过渡层的厚度为0.01mm～1mm，所述工作层的厚度为0.01mm～3mm，所述过渡层和所述高耐磨工作层的总厚度为0.03mm～3mm。

本发明的有益效果如下：

本发明实施例提供一种用于制备结晶器或风口的金属基材料，创新性的在铜或铜合金基体与高耐磨工作层之间采用冶金结合的方式设置了过渡层，过渡层的材料为纯co金属、纯ni金属、纯cr金属、纯cu金属、纯mo金属、纯ag金属、nicr或mcraly合金中的至少一种，过渡层可以起到提高激光吸收率、降低基体热导率和降低稀释率的作用，而工作层由于过渡层的存在，其厚度能够在0.01-3mm范围内可调而不产生表面裂纹，并且过渡层的厚度与高耐磨工作层的厚度的比值为1:1～1:3，在该比值范围内可以保证过渡层与高耐磨工作层之间的完美结合，提高在铜或铜合金基体上形成无表面裂纹、呈冶金结合的高耐磨涂层及涂层产品，提高结晶器或风口的可靠性和使用寿命，解决了在铜或铜合金基体上高效制备无裂纹、厚度调控范围广、基体变形量小、结合强度高(与基体产生冶金结合)的高耐磨损涂层的问题，实现在保证涂层与基体为冶金结合的情况下，大幅度降低基体稀释率提高涂层的耐高温磨损性能，并减小基体变形，成品率高，并且加工成本得以大幅度降低。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例的铬锆铜基体上激光喷涂co/ni45涂层的显微组织结构图；

图2为本发明实施例的紫铜基体上激光喷涂ni20cr/f431涂层的显微组织结构图；

图3为本发明实施例的紫铜基体上激光喷涂ni20cr/f431涂层的cu元素分布情况图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作进一步地详细描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明的说明书和权利要求书中的术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。

下面将结合图1～图3对本发明实施例的一种用于制备结晶器或风口的金属基材料及其制备方法进行详细的说明。

实施例一

本发明实施例一提供的一种用于制备结晶器或风口的金属基材料包括铜或铜合金基体、包覆在铜或铜合金基体表面的过渡层、固结在过渡层上的高耐磨工作层，其中，过渡层的材料为纯co金属、纯ni金属、纯cr金属、纯cu金属、纯mo金属、纯ag金属、nicr或mcraly合金中的至少一种，m代表ni、co或nico，高耐磨工作层的材料为铁基合金、镍基合金、钴基合金、铜基合金或金属陶瓷中的至少一种，其中，铜基合金包括cumo合金、铜+碳化铬，金属陶瓷为在铁基合金、镍基合金、钴基合金、铜基合金中的至少一种中添加碳化钨、碳化铬、碳化钛、碳化钽、氧化铝、氧化铬、氧化钛陶瓷中的至少一种形成的金属陶瓷，过渡层的厚度与高耐磨工作层的厚度的比值为1:1～1:3。当过渡层的厚度与高耐磨工作层的厚度的比值为1:1～1:3的范围内时，不仅可以保证高耐磨工作层几乎不被铜或铜合金基体稀释，也即该厚度比值范围内的过渡层可以降低基体稀释率提高涂层的耐高温磨损性能，而且可以保证过渡层与铜或铜合金基体之间具备良好的冶金结合能力，防止工作层在使用的过程中从铜或铜合金基体上脱落。

进一步的，过渡层与铜或铜合金基体之间为冶金强结合，过渡层和高耐磨工作层之间为冶金强结合，冶金结合的方式可以保证过渡层和铜或铜合金基体之间的结合强度，放置过渡层和高耐磨工作层从铜或铜合金基体上脱落。

进一步的，过渡层的厚度为0.01mm～1mm，工作层的厚度为0.01mm～3mm；并且过渡层和高耐磨工作层的总厚度为铜或铜合金基体厚度的十分之一～五分之一，优选的，过渡层和高耐磨工作层的总厚度为0.03mm～3mm。需要说明的是，本申请的申请人在实现本发明的过程中，经过大量的试验和失败之后发现，过渡层的厚度如果小于0.01mm，将无法保证铜或铜合金基体不会稀释工作层，进而会影响工作层的工作稳定性，而且过渡层的厚度大于1mm后，将会降低铜或铜合金基体上设置的工作层的可靠性，容易导致过渡层或工作层在使用的过程中从铜或铜合金基体上脱落。

本发明实施例提供一种用于制备结晶器或风口的金属基材料，创新性的在铜或铜合金基体与高耐磨工作层之间采用冶金结合的方式设置了过渡层，过渡层的材料为纯co金属、纯ni金属、纯cr金属、纯cu金属、纯mo金属、纯ag金属、nicr或mcraly合金中的至少一种，过渡层可以起到提高激光吸收率、降低基体热导率和降低稀释率的作用，而工作层由于过渡层的存在，其厚度能够在0.01-3mm范围内可调而不产生表面裂纹，并且过渡层的厚度与高耐磨工作层的厚度的比值为1:1～1:3，在该比值范围内可以保证过渡层与高耐磨工作层之间的完美结合，提高在铜或铜合金基体上形成无表面裂纹、呈冶金结合的高耐磨涂层及涂层产品，提高结晶器或风口的可靠性和使用寿命，解决了在铜或铜合金基体上高效制备无裂纹、厚度调控范围广、基体变形量小、结合强度高(与基体产生冶金结合)的高耐磨损涂层的问题，实现在保证涂层与基体为冶金结合的情况下，大幅度降低基体稀释率提高涂层的耐高温磨损性能，并减小基体变形，成品率高，并且加工成本得以大幅度降低。

实施例二

本发明实施例二提供了一种制备用于制备结晶器或风口的金属基材料的方法，所述方法包括：

步骤一：对铜或铜合金基体的表面进行预处理和预热，预处理至少包括对铜或铜合金基体的表面去油污、喷砂处理，预热的温度为20℃～400℃，预热的时间为30分钟～120分钟；

步骤二：采用冶金结合的方式在铜或铜合金基体的表面制备过渡层，过渡层的材料为纯co金属、纯ni金属、纯cr金属、纯cu金属、纯mo金属、纯ag金属、nicr或mcraly合金中的至少一种，m代表ni、co或nico；

具体的，采用激光喷涂的方式在所述铜或铜合金基体的表面制备过渡层，激光喷涂的具体参数为：激光功率1-10kw，激光头扫描速度3-800mm/s，激光束的光斑为圆形或矩形，圆形光斑的直径为0.5-10mm，矩形光斑的尺寸为长边4-30mm、短边0.8-3mm。

步骤三：采用冶金结合的方式在过渡层的表面制备高耐磨工作层，高耐磨工作层的材料为铁基合金、镍基合金、钴基合金、铜基合金或金属陶瓷中的至少一种，所述金属陶瓷为在铁基合金、镍基合金、钴基合金、铜基合金中的至少一种中添加碳化钨、碳化铬、碳化钛、碳化钽、氧化铝、氧化铬、氧化钛陶瓷中的至少一种形成的金属陶瓷，所述过渡层的厚度与所述高耐磨工作层的厚度的比值为1:1～1:3。

采用激光喷涂的方式在所述铜或铜合金基体的表面制备过渡层，激光喷涂的具体参数为：激光功率1-10kw，激光头扫描速度3-800mm/s，激光束的光斑为圆形或矩形，圆形光斑的直径为0.5-10mm，矩形光斑的尺寸为长边4-30mm、短边0.8-3mm。

本发明实施例的激光喷涂过程中采用的激光器可以为co2气体激光器、yag激光器、半导体直接输出激光器、碟片激光器、半导体光纤耦合激光器、光纤激光器等中的一种。进一步地，本发明实施例的方法中激光喷涂中的送粉方式为旁轴(侧向)送粉、同轴送粉、中心送粉或异步送粉。

本发明实施例二提供的方法，在铜及铜合金基体上开创性地采用激光喷涂技术制备co、ni、cr、nicr或mcraly(m代表ni、co或nico)合金过渡层，提高铜的激光吸收率、降低热导率，从而使过渡层与基体产生良好的冶金结合，同时降低铜的稀释率以更充分地发挥工作层材料本身的性能；在此过渡层基础上采用激光喷涂技术制备工作层，工作层材料为铁基、镍基或钴基合金，或在其中添加碳化物、碳化铬、碳化钛、碳化钽等碳化物或氧化铝、氧化铬或氧化钛等氧化物陶瓷形成的金属陶瓷，工作层厚度范围可根据实际需要进行大幅度调控(0.01mm-3mm)。经过这样处理，可以高效地制备稀释率低、表面无气孔、无裂纹、与铜基体呈冶金结合的耐高温磨损涂层，基体变形小，比普通激光熔覆沉积效率高5-10倍。

本发明创新性的开发了一种新型的铜或铜合金基体上冶金强结合、无表面裂纹的高耐磨涂层及涂层产品，该涂层及涂层产品具有稀释率低、表面无气孔、无裂纹、与铜基体呈冶金结合的特点，而且基体变形小。而且基体稀释率极低，能够最大程度地发挥工作层材料本身的优异性能；由于基体热输入较小，能大幅度降低基体的应力和变形。

实施例三

本发明实施例三提供一种具体的用于制备结晶器或风口的金属基材料的制备方法，该方法如下：

所用材料：粉末为co和ni45a，基体为10mm厚的铬锆铜板

所用设备：锐科4kw半导体光纤耦合激光器(rfl-a4000d)，光纤芯径为100μm，圆形光斑的直径为0.5-5mm，焦距200mm，6轴机器人系统，5mm同轴送粉头

10mm厚的铬锆铜板上耐磨涂层(高耐磨工作层)的制备方法，包括以下步骤：

1)对铬锆铜板表面去油污、喷砂处理，增大激光的吸收率；

2)将co和ni45a粉末在120℃下烘干1小时待用；

3)将铬锆铜板在300℃下预热30分钟；

4)采用激光喷涂技术在铬锆铜板表面制备过渡层，过渡层材料为co粉末，激光器功率为3kw，光斑尺寸4mm，扫描速度300mm/s，送粉速度65g/min，熔覆过程稳定，单道熔覆宽度5mm，过渡层厚度300μm，过渡层硬度hrc35；

5)采用激光喷涂技术在过渡层表面制备高耐磨工作层，高耐磨工作层材料为ni45a粉末，激光器功率为4kw，光斑尺寸5mm，扫描速度200mm/s，送粉速度60g/min，工作层厚度1800μm，工作层硬度hrc46；

6)采用保温棉对步骤5)得到的整个样品进行缓冷1.5小时处理。

涂层组织结构见图1，图1中的形貌由tescanmira3lmh(捷克，配energy350型能谱仪)扫描电镜拍摄。参考附图1可见该方法制备的过渡层与基体有较宽的扩散层，表明过渡层与基体之间产生了牢固的冶金结合；过渡层与高耐磨工作层结合优异，经能谱分析表明高耐磨工作层中几乎不含铜元素，表明高耐磨工作层稀释率极低，这就保证了高耐磨工作层材料ni45本身优异性能的发挥；高耐磨工作层表面无裂纹、气孔，高耐磨工作层厚度(工作层和过渡层总厚度)均匀，约2.1mm。

实施例四

本发明实施例四提供一种具体的用于制备结晶器或风口的金属基材料的制备方法，该方法如下：

所用材料：粉末为ni20cr和铁基粉末431(f431)，基体为15mm厚的纯铜板

所用设备：锐科4kw光纤激光器(rfl-c4000)，光纤芯径为100μm，圆形光斑的直径为0.5-5mm，焦距200mm，6轴机器人系统，5mm同轴送粉头

15mm厚的纯铜板上耐磨涂层(高耐磨工作层)的制备方法，包括以下步骤：

1)对纯铜板表面去油污、喷砂处理，增大激光的吸收率；

2)将ni20cr和f431粉末在120℃下烘干1小时待用；

3)将纯铜板在300℃下预热30分钟；

4)采用激光喷涂技术在纯铜板表面制备过渡层，过渡层材料为ni20cr合金粉末，激光器功率为3kw，激光光斑尺寸1mm，扫描速度160mm/s，送粉速度60g/min，熔覆过程稳定，单道熔覆宽度4mm，过渡层厚度600μm,过渡层硬度hrc40；

5)采用激光喷涂技术在过渡层表面制备高耐磨工作层，高耐磨工作层材料为铁基431粉末，激光器功率为4kw，激光光斑尺寸2mm，扫描速度200mm/s，送粉速度80g/min，工作层厚度1000μm,工作层硬度hrc49.9；

6)采用保温棉对步骤5)得到的整个样品进行缓冷1.5小时处理。

高耐磨工作层的组织结构见附图2，图2中的形貌由tescanmira3lmh(捷克，配energy350型能谱仪)扫描电镜拍摄。参考附图2可见该方法制备的过渡层与基体有较宽的扩散层，表明过渡层与基体之间产生了牢固的冶金结合；过渡层与高耐磨工作层结合优异，经能谱分析表明工作层中不含铜元素(见图3)，表明高耐磨工作层稀释率极低，这就保证了高耐磨工作层材料铁基431本身优异性能的发挥；高耐磨工作层表面无裂纹、气孔，涂层厚度(高耐磨工作层和过渡层总厚度)均匀，约1.6mm。

实施例五

本发明实施例五提供一种具体的用于制备结晶器或风口的金属基材料的制备方法，该方法如下：

所用材料：粉末为cr和铁基粉末316l(fe316l)，基体为20mm厚的65黄铜板。

所用设备：锐科4kw半导体光纤耦合激光器(rfl-a4000d)，光纤芯径为100μm，圆形光斑的直径为0.5-5mm，焦距200mm，6轴机器人系统，5mm同轴送粉头

20mm厚的65黄铜板上耐磨涂层的制备方法，包括以下步骤：

1)对65黄铜板表面去油污、喷砂处理，增大激光的吸收率；

2)将cr和铁基316l粉末在120℃下烘干1小时待用；

3)将65黄铜板在300℃下预热30分钟；

4)采用激光喷涂技术在65黄铜板表面制备过渡层，过渡层材料为cr粉末，激光器功率为3kw，激光光斑2mm，扫描速度180mm/s，送粉速度10g/min，熔覆过程稳定，单道熔覆宽度3mm，过渡层厚度10μm；

5)采用激光喷涂技术在过渡层表面制备高耐磨工作层，高耐磨工作层材料为铁基316l粉末，激光器功率为4kw，激光光斑3mm，扫描速度300mm/s，送粉速度20g/min，工作层厚度25μm,工作层硬度hrc39。参考附图3所示，过渡层与高耐磨工作层结合优异，产生了牢固的冶金结合，经能谱分析表明高耐磨工作层中不含铜元素，表明高耐磨工作层稀释率极低，这就保证了高耐磨工作层材料铁基316l本身优异性能的发挥；高耐磨工作层表面无裂纹、气孔，涂层厚度(高耐磨工作层和过渡层总厚度)均匀，约0.035mm。

6)采用保温棉对步骤5)得到的整个样品进行缓冷1.5小时处理。

显然，本领域的技术人员可以对本发明实施例进行各种改动和变型而不脱离本发明实施例的精神和范围。这样，倘若本发明实施例的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。