專利名稱：結晶輥冷噴涂修復的預處理方法
技術領域：
本發(fā)明涉及高強度鋼板的生產工藝，更具體地說，涉及一種結晶輥冷噴涂修復的預處理方法，該方法操作簡單方便，冷卻速度快且充分。
背景技術：
金屬薄帶(板)的連鑄技術具有高效、低耗、低成本的特性，是近年來世界各國家爭相發(fā)展的新技術和新工藝。其中，結晶輥是薄帶(板)連鑄機械設備中的關鍵部件之一。 其基本原理是鋼水通過布流器進入由兩個反向旋轉的結晶輥和側封板組成的熔池，液態(tài)金屬經快速冷卻在結晶輥面凝固成具有一定厚度的坯殼，經軋合后形成薄帶(板)。由于結晶輥輥面與融熔金屬直接接觸，因此需要具有良好的高溫強度和熱傳導性能，并且在該工藝過程中，由于鑄軋同時完成，結晶輥不但要承受一定的軋制力，還要受到鋼水的浸蝕和磨損，另外，結晶輥端面與側封材料直接接觸，極易發(fā)生磨損。因此，提高結晶輥的耐磨性并對其進行低成本的修補十分必要。冷噴涂修復技術是一項高效率的冶金工具修復技術，目前也應用于對結晶輥的修復。其原理是利用高壓氣體攜帶金屬或合金微粒通過噴嘴加速至超音速以上，使得高速飛行的金屬或合金微粒撞擊在待修復結晶輥表面，通過微粒和結晶輥基體的雙重強烈塑性變形而粘結在一起，形成修復涂層，從而實現結晶輥的修復。冷噴涂修復結晶輥技術的優(yōu)勢在于修復涂層的金屬或合金微粒在低于其熔點的固態(tài)下沉積形成，對粉末微粒熱影響小，制備的涂層性質基本上與原料性質相同。然而，由于冷噴涂過程中引入的熱量非常小，修復涂層與結晶輥基體的結合主要依靠冷噴涂微粒和基體材料的強烈塑性變形，實現機械咬合或局部冶金結合，因此，待修復的結晶輥基體表面狀態(tài)非常重要，良好的表面宏觀和微觀的形貌對涂層的結合強度及其它力學性能會產生重要影響。目前，在冷噴涂前，通常采用對結晶輥基體表面進行酸洗或噴砂毛化的預處理方式，使得結晶輥基體表面形成一定的粗糙度，然后再進行冷噴涂修復。但是，由于上述預處理方式所形成的粗糙度不易控制，而冷噴涂后的涂層與結晶輥基體結合面積小，結合強度較低，導致結晶輥在工作中因冷熱疲勞作用，極易在涂層界面發(fā)生開裂，形成宏觀裂紋，最終造成結晶輥的修復涂層整體脫落。

發(fā)明內容
針對現有技術中存在的上述缺點，本發(fā)明的目的是提供一種結晶輥冷噴涂修復的預處理方法，該方法有利于在后續(xù)的冷噴涂修復中，增大修復涂層與結晶輥基體的結合面積，提高結合力。為實現上述目的，本發(fā)明采用如下技術方案該結晶輥冷噴涂修復的預處理方法的具體步驟如下A.去除結晶輥基體表面的磨損層；B.將結晶輥夾持在回轉工作臺上，并驅動結晶輥進行旋轉；
C.通過噴嘴將高壓液體攜帶多邊棱角硬質微粒轟擊在結晶輥基體表面上，進行表面沖刷切削，形成自然流線型的表面紋理；D.利用高速熱氣流對結晶輥表面進行干燥處理；E.通過噴嘴將高壓氣體攜帶合金微粒轟擊在結晶輥基體表面后反彈，并在表面形成隨機分布的微觀毛化坑。在步驟A中，采用車削、磨削或車削與磨削配合方式進行去除磨損層，使得結晶輥基體表面的粗糙度范圍為RaO. 3 3. 0 μ m，錐度小于0. 1mm。在步驟B中，所述的結晶輥轉速范圍為80 400rpm，并且在旋轉過程中，使結晶輥基體表面跳動高度小于0. 5mm。在步驟C中，所述的硬質微粒的材料選用氧化鋁、氧化鋯、氧化釔、氮化硼、二氧化硅、氮化硅、碳化硅、碳化鎢、金剛石中的一種或兩種以上的混合物；所述的硬質微粒的平均粒徑范圍為20 200 μ m，轟擊密度為2000 5000個/cm2。在步驟C中，所述的表面紋理呈等間距分布，每個紋理的中心深度范圍為0. 3 2mm，紋理寬度范圍為3 15mm，相鄰紋理的間距范圍為紋理寬度的1 10倍。在步驟D中，采用熱氣流的溫度范圍為80 400°C，流量大于30m3/h。在步驟E中，所述的高壓氣體的壓力范圍為0. 8 1. 8MPa，溫度范圍為室溫 ^O0C。在步驟E中，所述的合金微粒的材料采用鉻合金、鎢合金、鐵合金、鉭合金、非晶態(tài)合金中的一種或兩種以上的混合物；合金微粒的顯微硬度大于Hv350 ；粒徑范圍為10 50 微米。在步驟E中，所述的合金微粒的轟擊速度范圍為80 400m/s，轟擊密度為3000 30000個/cm2，轟擊毛化后的結晶輥基體表面粗糙度的范圍為RaO. 8 3. 0 μ m。在上述技術方案中，本發(fā)明的結晶輥冷噴涂修復的預處理方法通過先去除結晶輥基體表面的磨損層，然后旋轉結晶輥，再采用固液雙相射流轟擊、切削其表面形成宏觀紋理，然后再進行干燥，最后采用氣固雙相射流對其表面進行整體毛化。采用上述方法能夠在結晶輥基體表面形成較佳的宏觀紋理，增大了冷噴涂涂層與結晶輥基體的結合面積以及結合強度，從而為后續(xù)冷噴涂修復工序提供了良好的條件，從而延長了結晶輥的使用壽命。


圖1是本發(fā)明的結晶輥冷噴涂修復的預處理方法的流程圖；圖2是本發(fā)明的方法中噴嘴的設置結構圖；圖3是本發(fā)明的轟擊后結晶輥上下表面的宏觀紋理分布示意圖；圖4是本發(fā)明的毛化后結晶輥基體表面的微觀形貌SEM照片。
具體實施例方式下面結合附圖和實施例進一步說明本發(fā)明的技術方案。請參閱圖1所示，本發(fā)明的結晶輥冷噴涂修復的預處理方法的具體步驟如下A.去除結晶輥基體表面的磨損層；B.將結晶輥夾持在回轉工作臺上，并驅動結晶輥進行旋轉；
C.利用高壓液體作為驅動介質攜帶多邊棱角的硬質微粒，通過噴嘴加速后，獲得極高動能的固液雙相射流，并轟擊在結晶輥基體表面，通過高能微的硬質微粒對結晶輥基體表面進行沖刷切削，得到自然流線型的表面紋理；D.利用高速熱氣流對結晶輥表面進行干燥處理；E.通過拉瓦爾噴嘴將高壓氣體攜帶合金微粒轟擊在結晶輥基體表面后反彈，并在表面形成隨機分布的微觀毛化坑。在步驟A中，采用車削、磨削或車削與磨削配合方式進行去除磨損層，使得結晶輥基體表面的粗糙度范圍為RaO. 3 3. 0 μ m，錐度小于0. 1mm。在步驟B中，所述的結晶輥轉速范圍為80 400rpm，最佳轉速范圍為150 300rpm,并且在旋轉過程中，使結晶輥基體表面跳動高度小于0. 5mm。在步驟C中，所述的高壓液體可采用水，壓力范圍為5 35MPa ；所述的硬質微粒的材料選用氧化鋁、氧化鋯、氧化釔、氮化硼、二氧化硅、氮化硅、碳化硅、碳化鎢、金剛石中的一種或兩種以上的混合物；所述的硬質微粒的平均粒徑范圍為20 200 μ m，轟擊密度為 2000 5000 個/cm2。并且，采用的噴嘴與結晶輥基體表面距離為10 100mm，噴射束斑直徑為3 15mm，最佳的束斑直徑為6 IOmm;其噴射角度如圖2所示，角度范圍為-90°彡a彡90°， 最佳的噴射角度范圍為-30° SaS 30°。請結合圖3所示，通過步驟C轟擊后的結晶輥基體表面紋理呈等間距分布，每個紋理的中心深度范圍為0. 3 2mm，最佳的深度范圍為0. 8 1. 2mm ；紋理寬度范圍為3 15mm，最佳的寬度范圍6 10mm，相鄰紋理的間距范圍為紋理寬度的1 10倍，最佳的間距為紋理寬度的4 6倍。在步驟D中，采用熱氣流的溫度范圍為80 400°C，流量大于30m3/h進行表面干燥處理。在步驟E中，所述的高壓氣體可以采用氮氣、氬氣、氦氣、壓縮空氣中的一種或兩種以上的混合氣體，也可以采用是氮氣、氬氣、氦氣中的任意一種氣體與氫氣以99 1的比例組成的混合氣體；該氣體的壓力范圍為0. 8 1. 8MPa，最佳的壓力范圍為1. 0 1. 5MPa ； 溫度范圍為室溫 280°C，最佳范圍為150 200°C。在步驟E中，所述的合金微粒的材料采用鉻合金、鎢合金、鐵合金、鉭合金、非晶態(tài)合金中的一種或兩種以上的混合物；合金微粒的顯微硬度大于Hv350，最佳的硬度范圍為 Hv500 700 ；合金微粒形狀為球形或近似球形，其粒徑范圍為10 50微米，最佳粒徑范圍為20 30微米。并且，所述的合金微粒的轟擊速度范圍為80 400m/s，最佳的轟擊速度范圍為 260 340m/s ；轟擊密度為3000 30000個/cm2，轟擊毛化后的結晶輥基體表面如圖4所示，表面粗糙度的范圍為RaO. 8 3. 0 μ m，。下面對本發(fā)明的方法進行具體舉例說明實施例1待修復的結晶輥基體材料為鈹青銅合金，先通過表面車削去除磨損層，車削后所得的表面粗糙度為Ral. 2，錐度為0. 08mm ；然后將結晶輥基體夾持在回轉工作臺上旋轉，旋轉速度為200rpm，結晶輥跳動為0. 2mm ；再將噴嘴出口與結晶輥表面距離設置為20mm，噴射束斑直徑選為8mm，轟擊角度a為5°，轟擊密度為3000個/cm2，利用25MPa的高壓水驅動平均粒徑為120微米的氧化鋁顆粒轟擊在結晶輥表面，制備等間距宏觀紋理，所得的紋理寬度為12mm，相鄰紋理間距為16mm，紋理中心深度為Imm ；然后再利用200°C、流量為35m3/ h的高速氮氣流吹干表面；最后采用平均粒徑為25 μ m、顯微硬度為Hv380的球形不銹鋼微粒，通過壓力為1. 5MPa、溫度為250°C的氮氣驅動后以240m/s的轟擊速度進行表面整體毛化，所得表面粗糙度為Ral. 8 μ m。以此方法處理的結晶輥基體表面來進行后續(xù)的冷噴涂銅合金修復，其效果與傳統方式相比，結合面積增加10%以上，結合強度提高20%以上。實施例2待修復的結晶輥基體材料為20CrMo鋼，先通過表面磨削去除磨損層，磨后所得的表面粗糙度為RaO. 4，錐度為0. 05mm ；然后將結晶輥基體夾持在回轉工作臺上旋轉，旋轉速度為300rpm，結晶輥跳動為0. 3mm ；再將噴嘴出口與結晶輥表面距離設置為25mm，噴射束斑直徑選為12mm，轟擊角度a為0°，轟擊密度為2500個/cm2，利用25MPa的高壓水驅動平均粒徑為150微米的氧化鋁顆粒轟擊在結晶輥表面，制備等間距宏觀紋理，所得的紋理寬度為13. 5mm，相鄰紋理間距為60mm，紋理中心深度為1. 5mm ；然后再利用230°C、流量為42m3/ h的高速氮氣流吹干表面；最后采用平均粒徑為23 μ m、顯微硬度為Hv680的球形鎢合金微粒，通過壓力為1. 8MPa、溫度為280°C的氮氣驅動后以380m/s的轟擊速度進行表面整體毛化，所得表面粗糙度為Ral. 6 μ m。以此方法處理的結晶輥基體表面來進行后續(xù)的冷噴涂銅合金修復，其效果與傳統方式相比，結合面積增加15%以上，結合強度提高23%以上。實施例3待修復的結晶輥基體材料為鉻鋯銅合金，先通過表面車削去除磨損層，車削后所得的表面粗糙度為Ral. 8，錐度為0. 63mm,結晶輥面跳動為0. 25mm ；然后將結晶輥基體夾持在回轉工作臺上旋轉，旋轉速度為280rpm;再將噴嘴出口與結晶輥表面距離設置為33mm， 噴射束斑直徑選為10mm，轟擊角度a為20°，轟擊密度為4300個/cm2，利用25MPa的高壓水驅動平均粒徑為55微米的氧化鋁顆粒轟擊在結晶輥表面，制備等間距宏觀紋理，所得的紋理寬度為9mm，相鄰紋理間距為36mm，紋理中心深度為1. Imm ；然后再利用130°C、流量為 48m3/h的高速氮氣流吹干表面；最后采用平均粒徑為35 μ m、顯微硬度為Ην530的球形Cr合金微粒，通過壓力為1. 6MPa、溫度為270°C的氮氣驅動后以305m/s的轟擊速度進行表面整體毛化，所得表面粗糙度為Ra2. 4 μ m。以此方法處理的結晶輥基體表面來進行后續(xù)的冷噴涂銅合金修復，其效果與傳統方式相比，結合面積增加18%以上，結合強度提高30%以上。綜上所述，采用本發(fā)明的預處理方法，能夠具有以下顯著的優(yōu)點1、充分利用了高壓液體驅動硬質微粒沖刷、切削加工技術和冷噴涂技術流體力學上的相似性，采用本發(fā)明技術所得到的紋理，適合后續(xù)的冷噴涂修復層沉積；2、得到的結晶輥基體表面的宏觀紋理，能夠增加涂層和基體之間的結合面積，涂層與基體的結合強度提高10%以上、導熱系數提高5%以上，使得耐受冷熱疲勞性能大幅提高，從而大大提高修復層的綜合性能；3、采用合金微粒進行整體表面毛化，可以獲得與冷噴涂微粒變形后相似的微觀毛化形貌，更加有利于后續(xù)冷噴涂微粒的沉積。本技術領域中的普通技術人員應當認識到，以上的實施例僅是用來說明本發(fā)明， 而并非用作為對本發(fā)明的限定，只要在本發(fā)明的實質精神范圍內，對以上所述實施例的變化、變型都將落在本發(fā)明的權利要求書范圍內。
權利要求
1.一種結晶輥冷噴涂修復的預處理方法，其特征在于，該方法的具體步驟如下A.去除結晶輥基體表面的磨損層；B.將結晶輥夾持在回轉工作臺上，并驅動結晶輥進行旋轉；C.通過噴嘴將高壓液體攜帶多邊棱角硬質微粒轟擊在結晶輥基體表面上，進行表面沖刷切削，形成自然流線型的表面紋理；D.利用高速熱氣流對結晶輥表面進行干燥處理；E.通過噴嘴將高壓氣體攜帶合金微粒轟擊在結晶輥基體表面后反彈，并在表面形成隨機分布的微觀毛化坑。
2.如權利要求1所述的結晶輥冷噴涂修復的預處理方法，其特征在于，在步驟A中，采用車削、磨削或車削與磨削配合方式進行去除磨損層，使得結晶輥基體表面的粗糙度范圍為RaO. 3 3. 0 μ m，錐度小于0. 1mm。
3.如權利要求1所述的結晶輥冷噴涂修復的預處理方法，其特征在于，在步驟B中，所述的結晶輥轉速范圍為80 400rpm，并且在旋轉過程中，使結晶輥基體表面跳動高度小于0. 5mm。
4.如權利要求1所述的結晶輥冷噴涂修復的預處理方法，其特征在于在步驟C中，所述的硬質微粒的材料選用氧化鋁、氧化鋯、氧化釔、氮化硼、二氧化硅、 氮化硅、碳化硅、碳化鎢、金剛石中的一種或兩種以上的混合物；所述的硬質微粒的平均粒徑范圍為20 200 μ m，轟擊密度為2000 5000個/cm2。
5.如權利要求1所述的結晶輥冷噴涂修復的預處理方法，其特征在于在步驟C中，所述的表面紋理呈等間距分布，每個紋理的中心深度范圍為0. 3 2mm，紋理寬度范圍為3 15mm，相鄰紋理的間距范圍為紋理寬度的1 10倍。
6.如權利要求1所述的結晶輥冷噴涂修復的預處理方法，其特征在于在步驟D中，采用熱氣流的溫度范圍為80 400°C，流量大于30m3/h。
7.如權利要求1所述的結晶輥冷噴涂修復的預處理方法，其特征在于在步驟E中，所述的高壓氣體的壓力范圍為0. 8 1. 8MPa，溫度范圍為室溫 280°C。
8.如權利要求1所述的結晶輥冷噴涂修復的預處理方法，其特征在于在步驟E中，所述的合金微粒的材料采用鉻合金、鎢合金、鐵合金、鉭合金、非晶態(tài)合金中的一種或兩種以上的混合物；合金微粒的顯微硬度大于Hv350 ；粒徑范圍為10 50微米。
9.如權利要求1所述的結晶輥冷噴涂修復的預處理方法，其特征在于在步驟E中，所述的合金微粒的轟擊速度范圍為80 400m/s，轟擊密度為3000 30000個/cm2，轟擊毛化后的結晶輥基體表面粗糙度的范圍為RaO. 8 3. 0 μ m。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種結晶輥冷噴涂修復的預處理方法，該方法通過先去除結晶輥基體表面的磨損層，然后旋轉結晶輥，再采用固液雙相射流轟擊、切削其表面形成宏觀紋理，然后再進行干燥，最后采用固氣雙相射流對其表面進行整體毛化。采用上述方法能夠在結晶輥基體表面形成較佳的宏觀紋理，增大了冷噴涂涂層與結晶輥基體的結合面積以及結合強度，從而為后續(xù)冷噴涂修復工序提供了良好的條件，從而延長了結晶輥的使用壽命。
文檔編號B22D11/06GK102191445SQ201010117518
公開日2011年9月21日 申請日期2010年3月4日 優(yōu)先權日2010年3月4日
發(fā)明者史弼, 張俊寶, 張宇軍, 梁永立 申請人:寶山鋼鐵股份有限公司