薄带连铸结晶辊涂层研究进展_张棣尧.pdf

Plating and FinishingApr.2023Vol.45 No.4 Serial No.361薄带连铸结晶辊涂层研究进展张棣尧，袁 磊，于景坤*（东北大学 冶金学院，辽宁 沈阳 110819）摘要：双辊薄带连铸结晶辊兼有铸辊和结晶器的双重作用，在连铸过程中同时受到高温磨损、热应力以及压应力的多重作用，因此，原来的辊体铜质基质材料不能满足正常的连铸需要，必须选择合适的涂层材料和工艺对其表面进行涂层处理。目前，采用电镀、化学镀、热喷涂、冷喷涂以及激光熔覆等技术手段可以在结晶辊表面制备一种或多种材料的涂层。电镀、热喷涂以及激光熔覆技术相对成熟，应用最为广泛。涂层材料有单一金属、各类合金，同时可以加入各种添加剂。选用W、Cr、Ni、Co等单质金属以及WC-Co、Cr2C3-Ni-Cr、Ni-Cr等合金可以获得更好的综合性能；添加Cu的合金，如WC-Cu、W-Cu、Cu-Ni等，可以获得与铜基体相近的导热系数以及膨胀系数，添加稀土元素可以细化晶粒、降低裂纹倾向。通过表面涂层处理可以大幅度提高薄带连铸结晶辊的使用寿命。关键词：双辊薄带连铸；结晶辊；电镀；热喷涂；激光熔覆中图分类号：TG174.44文献标识码：AResearch progress on coating of crystallization roller used for thin strip continuous casting and rollingZhang Diyao，Yuan Lei，Yu Jingkun*（School of Metallurgy，Northeastern University，Shenyang 110819，China）Abstract：Crystallization roller used in twin-roll strip continuous casting has the dual functions of casting roll and crystallizer.In the process of continuous casting，it is simultaneously affected by high temperature wear，thermal stress and compressive stress.Therefore，the original copper matrix material of the roll body cannot meet the normal needs of continuous casting，appropriate coating materials and processes should be used for the surface coating treatment.At present，one or more materials can be used for the surface coating of crystallization rollers by means of electroplating，electroless plating，thermal spraying，cold spraying and laser cladding.Among them，electroplating，thermal spraying and laser cladding technologies are relatively mature and widely used.The coating materials included single metal，various alloys，and various additives，and comprehensive better properties could be obtained by adding different additives.Simple metals such as W，Cr，Ni，Co，and alloys such as WC-Co，Cr2C3-Ni-Cr and Ni-Cr.By using the alloys added with Cu，such as WC-Cu，W-Cu，Cu-Ni，can obtain thermal conductivity and expansion coefficient similar to that of copper matrix.The addition of rare earth elements can refine grains and reduce crack tendency.Through the surface coating treatment，the service life of crystallization roller can be greatly increased.Keywords：twin-roll strip casting；crystallization roller；electroplating；hot spraying；laser claddingdoi：10.3969/j.issn.1001-3849.2023.04.015 收稿日期：2023-01-16 修回日期：2023-02-10 作者简介：张棣尧（1996），男，博士生，email： *通信作者：于景坤，email： 基金项目：国家自然科学基金资助项目（No.51932008、No.52074070）94第 45 卷 第 4 期（总第 361 期）2023 年4 月电 镀 与 精 饰薄带连铸是一项将传统连铸和轧制工艺整合为一体的近终型连续铸钢新技术，具有生产工序简单、生产周期短以及产品成本低等优点。因此，近年来受到了人们的广泛关注，被认为是钢铁工业的一场技术革命。薄带连铸技术按结晶器的不同可以分为带式、辐式以及辐带式3种。目前研究最多、应用最为广泛的是双薄带连铸技术。其工艺特点是将钢液注入一对反向旋转且内部通水冷却的铸辊之间，使钢液在两辊间凝固形成薄带（如图1所示）。由于薄带连铸取消了传统连铸工艺中的结晶器，因此，需要在铸辊两侧设置侧封板盛储由中间包注入的钢液。这时，铸辊除了轧制功能之外，还兼有结晶器的作用。为了使流入辊缝中的钢液快速凝固形成坯壳，以保证连铸顺利进行，需要选用导热性能优良的铜质材料制备铸辊，以便能够快速将钢液中的热量导出。由于铸辊内部通水冷却，因此，从铸辊结构和钢液凝固原理上来说，铸辊与传统连铸结晶器的作用相同。首先，必须要满足钢液结晶和凝固的需要，因而亦被称为“结晶辊”。结晶辊在冷却钢水使其形成坯壳的同时，还必须在垂直于辊面方向对铸坯施加压力以轧制出不同厚度的带钢，所以要求结晶辊表面要具有一定的强度和耐磨性。由于铜质材料的强度和耐磨性能较差，不能满足正常的连铸需要，因此，在利用其作为薄带连铸结晶辊使用时，必须根据结晶辊所需具有的性能，选择合适的涂层材料和工艺对其表面进行涂层处理。1结晶辊表面涂层性能结晶辊表面涂层的作用主要是增加结晶辊表面的强度和耐磨性，因此，需要结晶辊表面涂层具有一定的性能。1.1力学性能结晶辊表面涂层的力学性能主要是指涂层的硬度和耐磨性，对结晶辊的使用寿命具有重要影响。影响涂层硬度的因素主要有涂层材料及其组分、涂层方法以及涂层处理工艺等。Cr、W、Ni以及Co是常用的涂层材料，使用其可以获得较高的涂层硬度。例如，采用三价铬-碳电镀时，由于在电镀过程中发生了铬碳沉积物中非晶相碳膜向纳米晶金刚石膜 结 构 的 转 变，因 此，镀 层 硬 度 可 以 达到 1600 HV1。使用WC-12Co作为涂层材料时，由于形成了 WC-Co 系固溶体，因此涂层硬度可达1654.2 HV0.52。使用Ni及其合金时，亦可获得良好的涂层硬度。例如，利用超音速火焰喷涂Ni60粉体时，可以获得硬度为 718 HV0.1的涂层；但如果在Ni60粉体加入一定量的ZrO2，则可以将硬度进一步提高至 1300 HV0.1左右3。对于相同的 Ni材料，采用激光熔覆时，熔覆层硬度约为500 HV0.1，而使用超音速火焰喷涂工艺时，则硬度可以达到 700 HV0.1以上4。在涂层材料中引入碳或陶瓷组分是提高涂层耐磨性能的主要方法，陶瓷组分主要有Al2O3、C以及TiN等。由于加入了这些陶瓷组分的复合涂层的耐磨性是铜基体的4.37倍5，因此，可以将涂层的磨损量降低70%以上。但是，过量加入陶瓷组分会对涂层的热传导性能带来不利影响。1.2热学性能结晶辊表面涂层的热学性能主要是指涂层的导热性能和抗热震性能，主要受涂层材料及其组分影响。由于结晶辊兼有结晶器的功能，在连铸过程中要进行高强度的热量交换。由于结晶辊基体材料铜的热导率为398 W/（mK），因此，结晶辊表面涂层的热导率应尽量接近于铜质基体。通过使用高热导率的金属和添加碳素材料可以有效提高涂层的热传导 率。例 如，WC-17Co 涂 层 的 热 导率 280.48 W/（mK）6，WC-Cr3C2-Ni 的 热 导 率 为292 W/（mK）7。采用Ni60涂层的时候，其热导率图1双辊薄带连铸工艺示意图照片Fig.1Diagram of twin-roll strip continuous casting process95Vol.45 No.4 Serial No.361Plating and FinishingApr.2023亦可达到318.85 W/（mK）8。金刚石和石墨烯是提高涂层热传导率的优良材料，通过改性和复合的方法可以将金刚石和石墨烯成功应 用 于 涂 层，并 使其 热 传 导 率 提 高 至 424605 W/（mK）9-10。但是，由于金刚石和石墨烯与铜间的润湿性较差，与基质间难以形成高强度的结合。另外，由于金刚石和石墨烯的膨胀系数与铜相差较大，在使用过程中极易产生开裂，影响使用寿命。在薄带连铸过程中，结晶辊的受热区域如图2所示。可见，随着辊体转动，结晶辊表面冷热交替频繁、温度变化幅度较大，因此，如果涂层材质和结晶辊基体间在热膨胀系数方面存在的差异较大，那么就很容易造成涂层开裂或脱落。铜的热膨胀系数为16.510-6 K-1，线热膨胀率为1810-6 K-1。在进行涂层选材时，应尽量选择热膨胀系数相同或相近的物质或组分。当结晶辊基体和涂层间膨胀系数相差较大时，可以通过加设中间层的方法进行来缓解温度变化时所产生的应力。中间层多采用Ni及其合金，这首先是因为Ni热膨胀系数与铜相近，为1310-6 K-1，而且Ni元素与Cu元素的互溶性好，可以实现无限互溶。因此，选用Ni作为中间层既可以缓解涂层热应力，还可以提高结合强度，有利于提高涂层的性能与使用寿命12。2结晶辊表面涂层用材料由上述可见，为了满足结晶辊的使用性能，保证其具有较长的使用寿命，表面涂层必须在力学性能和热学性能上满足一定要求。表面涂层材料是影响涂层性能的重要因素，目前常用的涂层材料及其作用如下。（1）单质金属：W、Cr、Ni以及Co等，Cr、Ni作为涂层材料的主原料使用最为广泛。Cr镀层强度硬度高，一般在700 HV以上，Ni镀层虽然硬度较低但是膨胀系数与铜相近，结合力强，且镀层厚度可达到5 mm左右13-15。（2）合金：WC-Co、WC-Cu、W-Cu、M-Cr-Al-Y、Fe-Cr-Ni、Cr2C3-Ni-Cr、Cu-Mo、Co-Cr-Mo-Si、Cu-Ni-Co-Be、Ni-Cr-B-Si、Ni-Al、Ni-Cr以及MoSi2等，主要作为涂层材料的主原料使用，可以获得比使用单一单质金属时更好的综合性能，在合金M-Cr-Al-Y中M代表Ni 基或Co基的三元Ni-Cr-Al或Co-Cr-Al合金体系4，16-19。另外，一些合金可以作为中间层材料使用，如Ni-Al等。（3）碳及碳化物：C、SiC、WC以及Cr2C3，作为添加相使用，主要用于提高涂层的热传导性能、耐磨性能以及抗氧化性能等。碳通过与单质金