论文--连铸结晶器铜板表面镀层失效分析

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1、连铸结晶器铜板表面镀层失效分析摘要:结晶器是连铸技术过程中非常重要的组成部件。结晶器铜板长时间经受钢水冲刷，必须具有很高的耐摩擦磨损、耐腐蚀性能。结晶器铜板常见的失效形式有裂纹、腐蚀等，本文结合案例论述了结晶器铜板的主要失效形式并对原因进行了分析。关键词：连铸结晶器铜板；合金镀层；腐蚀；裂纹；中图分类号：TQ153.2文献标志码：A1.前言随着我国钢铁行业的快速发展，连铸设备的普及程度大幅提高。连铸设备和连铸技术也取得重大进步，连铸设备朝着大型化和高拉速的方向发展。随着市场对钢材品种、质量要求的提高，对结晶器铜板的

2、要求也越来越高[1]。　结晶器是连铸机的心脏，生产中，高温钢水通过结晶器冷却成型，铜板既要承受高温钢水的热负荷，又要承受钢坯运动而产生的磨损和应力作用[2,3]。极易发生磨损、腐蚀、热裂、变形，失效很快。因此，要求结晶器铜板材质具有：良好的导热性、较高的室温和高温抗拉强度、屈服强度、较高的软化温度、良好的耐磨、耐蚀性等。其中Cr-Zr-Cu合金具有优良机械性能、物理性能和使用寿命，是制作结晶器铜板的良好材料之一，在国内已得到广泛使用。结晶器铜板的主流修复技术为表面电镀镍或镍基合金，主要有厚镍[4,5]、镍钴合金[6

3、,7]、钴镍合金[8]、镍铁[9]合金等几种镀层，铜板表面进行电镀处理主要目的是提高铜板的使用寿命，减少单次修复的切削量。结晶器铜板表面涂层的失效形式主要有镀层剥落、镀层腐蚀等，本文结合大量案例论述了结晶器铜板的主要失效形式并对原因进行了分析。2.镀层剥落2.1一般性剥落一般性裂纹剥落主要是镀层因结合力差引起的镀层起壳，这主要是因为电镀前处理不到位引起的。该类失效形式多发生在铜板上线初期，镀层剥落处无裂纹，基材光滑。若电镀作业过程规范，该类失效形式可以避免。2.2裂纹性剥落结晶器铜板连铸生产过程中，受拉速、保护渣、

4、、冷却水、钢种等因素的影响铜板表面与背面存在着很大的温度梯度，即存在较大的热应力[10]，热应力的产生使得铜板表面极易产生热裂纹，进而导致表面镀层的裂纹性剥落。其中拉速对热裂纹的产生影响较大，尤其是高拉速连铸机，当拉速较高铜板表面温度偏高时，热裂纹极易向背面扩展，有时裂纹深度达到10mm，极易造成铜板报废，中高拉速连铸机表面镀层裂纹性剥落是常见的铜板失效形式。图1为国内某中高拉速连铸机拉速和铜板表面温度关系的曲线。从图中也看以看出，拉速越高，铜板表面温度越高，出现热裂纹的概率越大。本节将从母材质量、镀层材料、镀层厚

5、度、连铸使用方面结合案例论述裂纹性剥落的失效形式。图1拉速和温度的关系曲线Fig1Therelationshipbetweenspeedandtemperature2.2.1由母材引起的裂纹性剥落结晶器母材的质量要求非常严格，制作过程十分苛刻，其主要制作工序[11]包括：原材料→真空熔炼→真空铸锭→检验分析成分→锻造→固溶处理→时效处理→粗加工→机械性能检测→超声波探伤→成品检验。任何工序的缺失都将影响母材的质量。常见的铜板缺陷有夹渣、合金元素含量偏差、金相组织晶粒粗大，这都将影响铜板使用过程的抗裂纹性能。目前来讲

6、国产母材的抗裂纹性能低于进口母材。2.2.2由镀层材料引起的裂纹剥落以宽面铜板为例，目前多数采用表面电镀钴镍合金修复，这主要是因为钴镍合金的耐磨损性能远大于纯镍镀层。而各大钢铁设计院包括奥钢联等国外设计院，铜板设计图纸仍为电镀纯镍镀层，主要是因为结晶器铜板在工作时，要经受300℃左右的热疲劳，纯镍镀层的高温抗拉强度远大于钴镍合金镀层，因此其高温耐裂纹性能优异。表1列出了镍、钴镍合金和铜板母材常温和高温下的抗拉强度。表1各材料室温和高温抗拉强度Table1ThestressofNi、Co-Ni、CuatRTand30

7、0℃材料抗拉强度MPaRT300℃Ni500450Co-Ni500300CCM-B(Cu)380280从表1可以看出，当铜板在300℃左右工作时，钴镍镀层的抗拉强度和纯镍镀层相比大幅下降。因此采用钴镍镀层修复的铜板在弯月面处经常能观察到纵向微裂纹的出现。若铜板过钢量超过一定极限或结晶器内钢液面过高，将加速裂纹的扩展，使裂纹将由纵向裂纹扩展为网状裂纹引起镀层剥落，图2为典型的网状裂纹剥落形貌。图2铜板表面镀层剥落形貌Fig.2Thesurfacemorphologyofcoppercoatingpeeling2.2.

8、3由镀层厚度引起的裂纹剥落结晶器铜板工作中，上部与高温钢水接触，需要将钢水的大量热量迅速导出，要求结晶器铜板上部应具有优良的导热能力。而镀层材料和铜板母材相比，导热性能远低于铜板母材，因此需要将镀层厚度控制在一定范围之内，表2列出了各种镀层材料和铜板在300℃时的导热系数。并在表3给出的工况条件下，运用Ansys热解析技术计算了不同镀层厚度下铜板表面的最高温