增強(qiáng)相Cr3C2含量對(duì)結(jié)晶器熱噴涂層性能的影響

孫庭秀

（渤海船舶職業(yè)學(xué)院，遼寧興城125105）

增強(qiáng)相Cr3C2含量對(duì)結(jié)晶器熱噴涂層性能的影響

孫庭秀

（渤海船舶職業(yè)學(xué)院，遼寧興城125105）

表面熱噴涂處理技術(shù)是提高連鑄結(jié)晶器銅板使用壽命和防止鑄坯件表面產(chǎn)生缺陷的最方便、最有效的方法，而等離子噴涂作為材料表面處理的一種改進(jìn)技術(shù)，是制備耐磨性、耐蝕性高的復(fù)合粉末涂層的有效方法。因此，采用紫銅板作為基體，將陶瓷顆粒Cr3C2作為增強(qiáng)相應(yīng)用于等離子噴涂領(lǐng)域，并對(duì)涂層的性能進(jìn)行測(cè)試和分析，從而為獲得結(jié)晶器表面耐磨涂層提供理論依據(jù)和試驗(yàn)數(shù)據(jù)。

結(jié)晶器；涂層性能；增強(qiáng)相Cr3C2

結(jié)晶器是煉鋼澆注鋼坯件工藝的重要設(shè)備，結(jié)晶器銅板是連鑄機(jī)的關(guān)鍵部件，它是連鑄從液態(tài)鋼水到凝固成固態(tài)坯殼的重要導(dǎo)熱部件。結(jié)晶器銅板長(zhǎng)時(shí)間工作時(shí)，在與鋼液或鋼錠接觸表面，會(huì)產(chǎn)生粘著磨損、磨粒磨損、腐蝕磨損、微動(dòng)磨損等表面磨損，使接觸表面發(fā)生尺寸變化、重量損失。結(jié)晶器銅板使用環(huán)境對(duì)連鑄機(jī)壽命、鋼錠的質(zhì)量和生產(chǎn)效率都有直接的影響。總體來(lái)說，惡劣環(huán)境會(huì)造成結(jié)晶器銅板頻繁損壞，降低生產(chǎn)效率，且連鑄結(jié)晶器銅元素滲入鋼坯件會(huì)對(duì)鋼材的質(zhì)量造成嚴(yán)重影響。

為了提高連鑄機(jī)結(jié)晶器銅板的表面耐磨性能，延長(zhǎng)連鑄機(jī)結(jié)晶器使用壽命，防止銅元素滲入鋼坯件而影響鋼材質(zhì)量，必須對(duì)結(jié)晶器銅板接觸表面進(jìn)行噴涂處理。表面熱噴涂處理技術(shù)是提高連鑄結(jié)晶器銅板使用壽命和防止鑄坯件表面產(chǎn)生缺陷的最方便、最有效的方法，等離子噴涂作為材料表面處理的一種改進(jìn)技術(shù)，是制備耐磨性、耐蝕性高的復(fù)合粉末涂層的有效方法。尤其是近年來(lái)高能高速等離子噴涂與超音速等離子噴涂技術(shù)的發(fā)展，有效地控制了以往熱噴涂技術(shù)極易產(chǎn)生的不足和缺陷，顯示出了在連鑄結(jié)晶器銅板表面熱噴涂處理技術(shù)上的先進(jìn)性，對(duì)于提高連鑄結(jié)晶器銅板的使用壽命、連鑄機(jī)生產(chǎn)效率和降低生產(chǎn)成本意義重大。

本實(shí)驗(yàn)采用等離子噴涂，通過對(duì)涂層的性能進(jìn)行測(cè)試和分析，從而為獲得結(jié)晶器表面耐磨涂層提供理論依據(jù)和試驗(yàn)數(shù)據(jù)。

1 試驗(yàn)材料及方法

1.1 試驗(yàn)材料

本試驗(yàn)采用紫銅板作為基體，把以陶瓷顆粒Cr3C2為增強(qiáng)相與NiCrBSi為基體機(jī)械混合而成的陶瓷顆粒增強(qiáng)金屬基復(fù)合耐磨涂層材料噴涂在紫銅板表面上。陶瓷顆粒增強(qiáng)相Cr3C2加入比例分別為5%、10%、20%，與比例為95%、90%、80%的鎳基合金基體NiCrBSi機(jī)械混合，編號(hào)分別記為1號(hào)、2號(hào)和3號(hào)。

噴涂前必須洗凈紫銅板表面的油污和水滴，并用AMS908P型噴砂機(jī)把16#棕剛玉噴砂材料噴射到銅板表面進(jìn)行粗化處理，使銅板表面變得粗糙以便與涂層更好結(jié)合，并用酒精清洗砂塵，加以烘干。再用3710型等離子噴涂機(jī)，制備厚度為0.6 mm的涂層，每組成分的涂層分別制備3件試樣，用于顯微硬度、耐磨性能測(cè)試。

1.2 等離子噴涂工藝

結(jié)晶器銅板等離子噴涂工藝參數(shù)如表1所示。（psi為氣體壓力單位，1 psi=6.895 KPa。）

表1 結(jié)晶器銅板等離子噴涂工藝參數(shù)

1.3 試驗(yàn)設(shè)備

1.3.1 涂層顯微硬度測(cè)試

將噴涂后試樣切開作為金相試樣。經(jīng)磨制、拋光和5%的硝酸酒精溶液腐蝕處理后，加以烘干。用FM-700顯微硬度計(jì)測(cè)定其維氏硬度，加載力為100 kgf，加載時(shí)間均為15 s，在試樣中心線上找出均勻分布的10個(gè)點(diǎn)，對(duì)其顯微硬度進(jìn)行測(cè)量。

1.3.2 涂層耐磨損試驗(yàn)方法

磨損試驗(yàn)在型號(hào)為MM-200磨損試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行，將試樣進(jìn)行預(yù)磨，并用FA2004N型電子天平稱量其試驗(yàn)前的質(zhì)量。把試樣夾緊在磨損試驗(yàn)機(jī)上，施加靜載荷5 kg，轉(zhuǎn)速400 r/min，時(shí)間間隔5 min，然后在電子天平上稱其磨損后的質(zhì)量，計(jì)算出相對(duì)磨損量。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 涂層的硬度測(cè)試與分析

涂層硬度與材料的化學(xué)成分、顯微組織、加工硬化處理都有很大的關(guān)系，本試驗(yàn)研究陶瓷顆粒增強(qiáng)相Cr3C2含量分別為5%、10%、20%時(shí)對(duì)NiCrBSi涂層顯微硬度大小的影響，即涂層材料的化學(xué)成分對(duì)涂層硬度的影響。

為了驗(yàn)證Cr3C2與NiCrBSi機(jī)械混合而成的陶瓷顆粒增強(qiáng)金屬基復(fù)合耐磨涂層材料的性能，本試驗(yàn)將噴涂后的試樣沿銅板斷面厚度，從銅基體到復(fù)合耐磨涂層，每隔間距0.1 mm找點(diǎn)進(jìn)行測(cè)量其顯微硬度，如圖1所示。銅基體硬度是183.25 HV，5%Cr3C2/NiCrBSi涂層平均硬度值911.53 HV，10%Cr3C2/NiCrBSi涂層平均硬度值970.22 HV，20%Cr3C2/NiCrBSi涂層的平均硬度值為1 036.54 HV。由圖1可知，隨著增強(qiáng)相Cr3C2含量的增加，Cr3C2與NiCrBSi機(jī)械混合而成的陶瓷顆粒增強(qiáng)金屬基復(fù)合耐磨涂層硬度值也隨之增加。

從圖1中還可以看出，涂層中硬度分布不均，主要是由于涂層具有層片狀組織結(jié)構(gòu)，存在有一定數(shù)量的孔隙和氧化物，且組織分布不均所導(dǎo)致的，這說明涂層的硬度取決于涂層的密度、孔隙率以及噴涂工藝參數(shù)。

圖1 Cr3C2/NiCrBSi復(fù)合涂層截面硬度分布曲線圖

2.2 涂層磨損性能分析

在MM-200型磨損試驗(yàn)機(jī)上對(duì)等離子噴涂增強(qiáng)相Cr3C2與NiCrBSi機(jī)械混合而成的陶瓷顆粒增強(qiáng)金屬基復(fù)合耐磨涂層材料進(jìn)行磨損試驗(yàn)。磨損試驗(yàn)分為磨合和穩(wěn)定磨損2個(gè)階段，開始試樣表面具有一定粗糙度，其真實(shí)接觸面積較小。在磨合階段，試樣表面逐漸磨平，其真實(shí)接觸面積逐漸增大，也稱為預(yù)磨平涂層。用電子天平稱量其質(zhì)量后，開始穩(wěn)定磨損階段，磨損時(shí)間間隔為5 min，磨損次數(shù)為5次，再用電子天平稱其磨損后的質(zhì)量，計(jì)算出相對(duì)磨損量。

圖 2是隨著增強(qiáng)相 Cr3C2含量的增加對(duì)NiCrBSi復(fù)合涂層磨損量影響曲線。由圖2可知，在同樣的磨損條件下，5%Cr3C2/NiCrBSi復(fù)合涂層磨損量為0.002 1 g，10%Cr3C2/NiCrBSi復(fù)合涂層磨損量為0.001 6 g，而20%Cr3C2/NiCrBSi復(fù)合涂層磨損量為0.001 0 g，即試驗(yàn)條件相同時(shí)，磨損量愈小，耐磨性愈高。隨著增強(qiáng)相Cr3C2含量從5%、10%、20%的逐漸增加，Cr3C2增強(qiáng)NiCrBSi復(fù)合涂層的磨損量從0.002 1 g、0.001 6 g、0.001 0 g卻隨之降低，說明隨著增強(qiáng)相Cr3C2含量增加，碳化物Cr3C2與NiCrBSi機(jī)械混合而成的陶瓷顆粒增強(qiáng)金屬基復(fù)合耐磨涂層耐磨性能也隨之增強(qiáng)。

本實(shí)驗(yàn)采用Cr3C2增強(qiáng)相粉末是通過燒結(jié)破碎的方法獲得的，是帶有棱角的不規(guī)則形狀，Cr3C2硬質(zhì)顆粒均勻地分布在涂層上，起到彌散固定強(qiáng)化作用，即釘扎作用，使涂層的耐磨性提高。

圖2 涂層磨損失重曲線

3 結(jié)論

本試驗(yàn)對(duì)等離子噴涂的Cr3C2增強(qiáng)NiCrBSi復(fù)合材料涂層的硬度和磨損性能進(jìn)行檢測(cè)，得出以下結(jié)論：第一，本試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果顯示隨著碳化物Cr3C2含量的增加，復(fù)合材料涂層的硬度值隨之增加。但涂層表面硬度值分布是不均勻的，主要是因?yàn)橥繉又杏幸欢〝?shù)量的孔隙和氧化物存在，組織分布不均所導(dǎo)致。第二，隨著Cr3C2含量增加，Cr3C2/NiCrBSi復(fù)合涂層磨損量減少，這和復(fù)合涂層的硬度值一致。

[1]呂建.論連鑄關(guān)鍵設(shè)備再制造技術(shù)[J].價(jià)值工程,2013(13): 53-54.

[2]張宏杰,溫茂遠(yuǎn),侯振,等.提高結(jié)晶器銅板使用壽命的質(zhì)量控制技術(shù)[J].連鑄,2011(S1):232-237.

[3]寧建華.工藝參數(shù)對(duì)模具復(fù)合粉末冷噴涂涂層性能的影響[J].熱加工工藝,2014(14):163-166.

[4]畢剛.連鑄結(jié)晶器銅板表面涂層熱噴涂技術(shù)研究[J].表面技術(shù),2009(4):75-77.

［責(zé)任編輯：劉 月］

Reinforcement Cr3C2Amount's Influence on Thermal Spraying Coating Performance of Crystallizer

SUN Tingxiu
(Bohai Shipbuilding Vocational College,Xingcheng 125105,China)

Surface thermal spraying processing technology is the most convenient and the most effective method to prolong the continuous casting crystallizer copper plate's life and prevent the casting blank's surface from defects.Plasma spraying as an improved technology of material surface processing,is an effective method to prepare the wear resistant and corrosion resistant composite powder coating.Therefore,the researcher adopts sheet copper as the matrix,takes ceramic particles Cr3C2as reinforcement to apply to plasma spraying,tests and analyzes the coating performance,so as to provide the theoretical basis and experimental data for obtaining crystallizer surface's wear resistant coating.

crystallizer;coating performance;reinforcement Cr3C2

TG174.442

A

2095-5928（2014）06-20-03

2014-10-15

孫庭秀（1965-），男，遼寧朝陽(yáng)人，副教授，學(xué)士，研究方向：材料及熱處理、焊接、船舶建造。