增强相Cr3C2含量对结晶器热喷涂层性能的影响

孙庭秀

（渤海船舶职业学院，辽宁兴城125105）

增强相Cr3C2含量对结晶器热喷涂层性能的影响

孙庭秀

（渤海船舶职业学院，辽宁兴城125105）

表面热喷涂处理技术是提高连铸结晶器铜板使用寿命和防止铸坯件表面产生缺陷的最方便、最有效的方法，而等离子喷涂作为材料表面处理的一种改进技术，是制备耐磨性、耐蚀性高的复合粉末涂层的有效方法。因此，采用紫铜板作为基体，将陶瓷颗粒Cr3C2作为增强相应用于等离子喷涂领域，并对涂层的性能进行测试和分析，从而为获得结晶器表面耐磨涂层提供理论依据和试验数据。

结晶器；涂层性能；增强相Cr3C2

结晶器是炼钢浇注钢坯件工艺的重要设备，结晶器铜板是连铸机的关键部件，它是连铸从液态钢水到凝固成固态坯壳的重要导热部件。结晶器铜板长时间工作时，在与钢液或钢锭接触表面，会产生粘着磨损、磨粒磨损、腐蚀磨损、微动磨损等表面磨损，使接触表面发生尺寸变化、重量损失。结晶器铜板使用环境对连铸机寿命、钢锭的质量和生产效率都有直接的影响。总体来说，恶劣环境会造成结晶器铜板频繁损坏，降低生产效率，且连铸结晶器铜元素渗入钢坯件会对钢材的质量造成严重影响。

为了提高连铸机结晶器铜板的表面耐磨性能，延长连铸机结晶器使用寿命，防止铜元素渗入钢坯件而影响钢材质量，必须对结晶器铜板接触表面进行喷涂处理。表面热喷涂处理技术是提高连铸结晶器铜板使用寿命和防止铸坯件表面产生缺陷的最方便、最有效的方法，等离子喷涂作为材料表面处理的一种改进技术，是制备耐磨性、耐蚀性高的复合粉末涂层的有效方法。尤其是近年来高能高速等离子喷涂与超音速等离子喷涂技术的发展，有效地控制了以往热喷涂技术极易产生的不足和缺陷，显示出了在连铸结晶器铜板表面热喷涂处理技术上的先进性，对于提高连铸结晶器铜板的使用寿命、连铸机生产效率和降低生产成本意义重大。

本实验采用等离子喷涂，通过对涂层的性能进行测试和分析，从而为获得结晶器表面耐磨涂层提供理论依据和试验数据。

1 试验材料及方法

1.1 试验材料

本试验采用紫铜板作为基体，把以陶瓷颗粒Cr3C2为增强相与NiCrBSi为基体机械混合而成的陶瓷颗粒增强金属基复合耐磨涂层材料喷涂在紫铜板表面上。陶瓷颗粒增强相Cr3C2加入比例分别为5%、10%、20%，与比例为95%、90%、80%的镍基合金基体NiCrBSi机械混合，编号分别记为1号、2号和3号。

喷涂前必须洗净紫铜板表面的油污和水滴，并用AMS908P型喷砂机把16#棕刚玉喷砂材料喷射到铜板表面进行粗化处理，使铜板表面变得粗糙以便与涂层更好结合，并用酒精清洗砂尘，加以烘干。再用3710型等离子喷涂机，制备厚度为0.6 mm的涂层，每组成分的涂层分别制备3件试样，用于显微硬度、耐磨性能测试。

1.2 等离子喷涂工艺

结晶器铜板等离子喷涂工艺参数如表1所示。（psi为气体压力单位，1 psi=6.895 KPa。）

表1 结晶器铜板等离子喷涂工艺参数

1.3 试验设备

1.3.1 涂层显微硬度测试

将喷涂后试样切开作为金相试样。经磨制、抛光和5%的硝酸酒精溶液腐蚀处理后，加以烘干。用FM-700显微硬度计测定其维氏硬度，加载力为100 kgf，加载时间均为15 s，在试样中心线上找出均匀分布的10个点，对其显微硬度进行测量。

1.3.2 涂层耐磨损试验方法

磨损试验在型号为MM-200磨损试验机上进行，将试样进行预磨，并用FA2004N型电子天平称量其试验前的质量。把试样夹紧在磨损试验机上，施加静载荷5 kg，转速400 r/min，时间间隔5 min，然后在电子天平上称其磨损后的质量，计算出相对磨损量。

2 实验结果与分析

2.1 涂层的硬度测试与分析

涂层硬度与材料的化学成分、显微组织、加工硬化处理都有很大的关系，本试验研究陶瓷颗粒增强相Cr3C2含量分别为5%、10%、20%时对NiCrBSi涂层显微硬度大小的影响，即涂层材料的化学成分对涂层硬度的影响。

为了验证Cr3C2与NiCrBSi机械混合而成的陶瓷颗粒增强金属基复合耐磨涂层材料的性能，本试验将喷涂后的试样沿铜板断面厚度，从铜基体到复合耐磨涂层，每隔间距0.1 mm找点进行测量其显微硬度，如图1所示。铜基体硬度是183.25 HV，5%Cr3C2/NiCrBSi涂层平均硬度值911.53 HV，10%Cr3C2/NiCrBSi涂层平均硬度值970.22 HV，20%Cr3C2/NiCrBSi涂层的平均硬度值为1 036.54 HV。由图1可知，随着增强相Cr3C2含量的增加，Cr3C2与NiCrBSi机械混合而成的陶瓷颗粒增强金属基复合耐磨涂层硬度值也随之增加。

从图1中还可以看出，涂层中硬度分布不均，主要是由于涂层具有层片状组织结构，存在有一定数量的孔隙和氧化物，且组织分布不均所导致的，这说明涂层的硬度取决于涂层的密度、孔隙率以及喷涂工艺参数。

图1 Cr3C2/NiCrBSi复合涂层截面硬度分布曲线图

2.2 涂层磨损性能分析

在MM-200型磨损试验机上对等离子喷涂增强相Cr3C2与NiCrBSi机械混合而成的陶瓷颗粒增强金属基复合耐磨涂层材料进行磨损试验。磨损试验分为磨合和稳定磨损2个阶段，开始试样表面具有一定粗糙度，其真实接触面积较小。在磨合阶段，试样表面逐渐磨平，其真实接触面积逐渐增大，也称为预磨平涂层。用电子天平称量其质量后，开始稳定磨损阶段，磨损时间间隔为5 min，磨损次数为5次，再用电子天平称其磨损后的质量，计算出相对磨损量。

图 2是随着增强相 Cr3C2含量的增加对NiCrBSi复合涂层磨损量影响曲线。由图2可知，在同样的磨损条件下，5%Cr3C2/NiCrBSi复合涂层磨损量为0.002 1 g，10%Cr3C2/NiCrBSi复合涂层磨损量为0.001 6 g，而20%Cr3C2/NiCrBSi复合涂层磨损量为0.001 0 g，即试验条件相同时，磨损量愈小，耐磨性愈高。随着增强相Cr3C2含量从5%、10%、20%的逐渐增加，Cr3C2增强NiCrBSi复合涂层的磨损量从0.002 1 g、0.001 6 g、0.001 0 g却随之降低，说明随着增强相Cr3C2含量增加，碳化物Cr3C2与NiCrBSi机械混合而成的陶瓷颗粒增强金属基复合耐磨涂层耐磨性能也随之增强。

本实验采用Cr3C2增强相粉末是通过烧结破碎的方法获得的，是带有棱角的不规则形状，Cr3C2硬质颗粒均匀地分布在涂层上，起到弥散固定强化作用，即钉扎作用，使涂层的耐磨性提高。

图2 涂层磨损失重曲线

3 结论

本试验对等离子喷涂的Cr3C2增强NiCrBSi复合材料涂层的硬度和磨损性能进行检测，得出以下结论：第一，本试验测试结果显示随着碳化物Cr3C2含量的增加，复合材料涂层的硬度值随之增加。但涂层表面硬度值分布是不均匀的，主要是因为涂层中有一定数量的孔隙和氧化物存在，组织分布不均所导致。第二，随着Cr3C2含量增加，Cr3C2/NiCrBSi复合涂层磨损量减少，这和复合涂层的硬度值一致。

[1]吕建.论连铸关键设备再制造技术[J].价值工程,2013(13): 53-54.

[2]张宏杰,温茂远,侯振,等.提高结晶器铜板使用寿命的质量控制技术[J].连铸,2011(S1):232-237.

[3]宁建华.工艺参数对模具复合粉末冷喷涂涂层性能的影响[J].热加工工艺,2014(14):163-166.

[4]毕刚.连铸结晶器铜板表面涂层热喷涂技术研究[J].表面技术,2009(4):75-77.

［责任编辑：刘 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

孙庭秀（1965-），男，辽宁朝阳人，副教授，学士，研究方向：材料及热处理、焊接、船舶建造。