一种结晶器铜板电镀-热喷涂复合梯度涂层及其制备方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种高性能结晶器的涂层，尤其涉及的是一种结晶器铜板电镀-热喷涂复合梯度涂层及其制备方法。
【背景技术】
[0002]连铸已经成为现代钢铁工业生产中常规的生产技术，据统计表明连铸坯产量达到粗钢产量的90%以上，与此同时高效连铸机的使用对连铸机冷却部位:结晶器，提出了更高的性能要求。例如要求高结合力、高耐磨性、优异的热导率和良好的致密性等。因此，可以利用表面工程技术在结晶器铜板表面附上一层满足性能要求的涂层，这样既可以延长结晶器的使用寿命也可以降低制备成本。
[0003]目前，常见的技术方法是在结晶铜板表面进行电镀来制备所需性能的涂层，如硬Cr镀层、N1-Fe镀层、N1-Co镀层、N1-Cr复合镀层和N1-Co-W镀层。虽然电镀层与铜板基体的结合力较高，但是由于其较低的硬度导致其耐磨性较差，使用寿命较短。另外，将NiCr-Cr3C2粉末利用超音速火焰喷涂直接在铜基体上制备的涂层虽然具有很高的硬度与耐磨性，但是由于较大的热膨胀系数的差异会导致涂层与基体的结合力非常的低，在使用过程中容易出现剥落的情况，影响生产效率增加生产成本。同时，结晶器铜板在工作条件极为苛刻，铜板的一侧与30?40°C的冷却水接触，另一侧与1570°C的钢液接触，因此需要涂层在保证高结合强度的同时也要保证涂层具有良好的热导率，保证热量的及时传输。
[0004]HVOF涂层具有高的硬度，但是与铜板基体的物性相差比较大，因此限制了 HVOF涂层在结晶器铜板上的应用。所以单一的HVOF涂层已经不能满足结晶器的性能满足要求，主要是NiCr-Cr3C2涂层和CrZrCu得热膨胀系数差别较大，从而降低了 HVOF涂层与铜板基体结合力。为了改善HVOF涂层与铜板基体的结合力，仅通过调整喷涂参数和涂层成分是不够的。
【发明内容】
[0005]本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供了一种结晶器铜板电镀-热喷涂复合梯度涂层及其制备方法，提高产品的结合力、硬度、导热和耐磨性能。
[0006]本发明是通过以下技术方案实现的，本发明所述复合梯度涂层包括依次设置于基体上的粘结层和工作层，所述基体为CrZrCu合金，粘结层为Ni层，工作层为NiCr-Cr3C2层；所述NiCr-Cr3C2层的内部组织包括NiCr固溶相、Cr 3C2碳化物、Cr 7C3碳化物和少量非晶相。
[0007]所述粘结层为电镀Ni层。电镀工艺成熟，适宜工业生产。
[0008]所述NiCr-Cr3C2层中，按质量百分比，包括以下组分=NiCr 40?60%，Cr 3C240?60%。
[0009]作为本发明的优选方式之一，所述粘结层的厚度为150?200 μ m0
[0010]作为本发明的优选方式之一，所述工作层的厚度为200?300 μ m。
[0011]作为本发明的优选方式之一，所述复合梯度涂层在500°C时热导率达到90W/m.K以上。
[0012]—种结晶器铜板电镀-热喷涂复合梯度涂层的制备方法，包括以下步骤:
[0013](1)将CrZrCu合金试样表面抛光后再喷丸处理，清洗后固定；
[0014](2)将清洗后的试样放置于电解池中，在试样上电镀Ni层；
[0015](3)将具有Ni层的试样抛光后，再喷丸处理；
[0016](4)再将处理后的试样固定后，火焰预热，再进行NiCr-Cr3C2层的HV0F喷涂。
[0017]所述步骤⑴和步骤(3)中，试样表面抛光至粗糙度彡0.8 μ m，然后采用氧化铝球进行喷丸，试样表面粗糙度为2?6 μ m。
[0018]所述步骤⑵中，电镀池温度40?80°C，电压10?20V，电流密度3?7A/dm2，电镀时间1?3h。
[0019]所述步骤(4)中，NiCr-Cr3C2层的喷涂过程中，煤油流量控制在23?27L/h，氧气流量控制在820?860NLPM，载气流量控制在6.0?8.5NLPM，喷涂过程中控制基体和粘结层表面平均温度为200?250 °C。
[0020]本发明从基体-涂层系统进行考虑，引入了复合梯度涂层的概念，即在基体和HV0F涂层之间加一层粘结层，从而改善基体于涂层的结合力而又不影响HV0F工作层的机械性能。由于Ni与铜板基体有着相似的物性，因此选取Ni为粘结层最具有实际价值的过渡层之一。而电镀Ni粘结层的热膨胀系数在基体CrZrCu和NiCr_Cr3C2工作层热膨胀系数之间，能够实现铜板基体和工作层间的过渡作用；复合梯度涂层的设计不仅可以提高涂层的结合力及致密性，而且可以降低涂层的磨损率。由于超音速火焰喷涂粒子飞行速度大的特性，工作层致密性良好。
[0021]本发明相比现有技术具有以下优点:本发明由于喷涂于铜板基体表面的电镀Ni粘结层的热膨胀系数和硬度在NiCr-Cr3C2工作层和基体CrZrCu之间起到了过渡缓和的作用，各层界面物性相互匹配，因此涂层具有较高结合力强度；
[0022]本发明中由于复合梯度涂层的孔隙率较低，结构致密，因此具有良好导热性能。本发明中由于复合梯度涂层各层硬度过渡缓和从而使得涂层具有很好的抗摩擦磨损性能，大大降低了涂层的磨损率；
[0023]本发明中复合涂层制备完成不需要进行任何后期退火处理，结合强度达到75MPa，在20N载荷下的磨损率为传统电镀NiCoW的十分之一，很大程度提高了结晶器铜板的使用寿命，在500°C时复合梯度涂层的热导率达到90W/m.Κ以上，因此将有利于结晶器铜板更广阔的市场化发展。
【附图说明】
[0024]图1是实施例3制得涂层的SEM形貌图；
[0025]图2是实施例3制得NiCr-Cr3C2层的XRD图；
[0026]图3是实施例1?3制得涂层在500g载荷下涂层的显微硬度图；
[0027]图4是实施例1?3制得涂层结合强度的拉伸测试图；
[0028]图5是实施例1?3制得涂层摩擦磨损性能图；
[0029]图6是实施例1?3制得涂层在500°C时的热导率测试图。
【具体实施方式】
[0030]下面对本发明的实施例作详细说明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
[0031]实施例1
[0032]将市场购买的CrZrCu铜合金样品进行机械抛光至表面粗糙度< 0.6 μ m，采用氧化铝球进行喷丸粗化处理至表面粗糙度2?6 μm，然后进行丙酮、无水乙醇超声波清洗，然后放入酒精和丙酮中，再用超声波清洗30分钟。将试样置于电镀池中，电镀溶液成分Ni150?500g/L，Co 20?150g/L，W 3?13g/L，电镀池温度40?80°C，电压10?20V，电流密度3?7A/dm2，电镀时间1?3h，所得电镀NiCoff层厚度为100?300 μ m。
[0033]实施例2
[0034]将市场购买的CrZrCu铜合金样品(块、棒)进行机械抛光至表面粗糙度< 0.6 μ m，采用氧化铝球进行喷丸粗化处理至表面粗糙度2?6 μ m，然后进行丙酮、无水乙醇超声波清洗，然后放入酒精和丙酮中，先用超声波清洗30分钟，再用高压气枪将清洗后的样品吹干并固定于超音速喷涂设备转架上。设定机械手臂参数，利用火焰对铜合金基体进行预热，基体表面温度为180?250°C，煤油流量控制在23?27L/h，氧气流量控制在820?860NLPM，载气流量控制在6.0?8.5NLPM。打开粉末阀门重新设定机械臂参数，进行NiCr-Cr3C2工作层的喷涂。喷涂时间为10?30min，在铜合金基体上制得厚度为250 μπι的单一 HV0F涂层，然后进行机械抛光至粗糙度< 0.1 ym，然后进行丙酮、无水乙醇超声清洗备用Ο
[0035]实施例3
[0036]将市场购买的CrZrCu铜合金样品(块、棒)进行机械抛光至表面粗糙度^ 0.6 μ m，采用氧化铝球进行喷丸粗化处理至表面粗糙度2?6 μ m，然后进行丙酮、无水乙醇超声波清洗，然后放入酒精和丙酮中，再用超声波清洗30分钟。将试样置于电镀池中，电镀溶液为氨基磺酸镍、氯化镍、十二烷基钠的混合溶液，电镀池温度60°C，电压15V，电流密度5A/dm2，电镀时间2h，所得电镀Ni层厚度为180 μπι。将上述制备有电镀Ni层的铜样品(块、棒)，进行机械抛光至表面粗糙度< 0.6 μ m，采用氧化铝球进行喷丸粗化处理至表面粗糙度2?6 μπι，然后进行丙酮、无水乙醇超声波清洗，然后放入酒精和丙酮中，再用超声波清洗30分钟。将制备有Ni粘结层的试样固定于超音速喷涂设备转架，设定机械手臂参数，利用火焰行预热，预热温度150?20(TC，基体表面及粘结层平均温度为220°C，煤油流量控制在25L/h，氧气流量控制在840NLPM，载气流量控制在7.0NLPM。打开粉末阀门重新设定机械臂参数，进行NiCr-Cr3C2的喷涂。喷涂时间为40min，制得厚度为250 μ m的NiCr-Cr3C2。取下试样，进行机械抛光至粗糙度< 0.1 μ m，然后进行丙酮、无水乙