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高速连铸连轧铝合金板坯用钢带涂层性能研究

高速连铸连轧铝合金板坯用钢带涂层性能研究

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作者：赵洪亮郑州大学

学位级别：硕士

目前，我国铝加工行业存在能耗高、成品率低、利润低、高端产品生产困难等问题。为了解决这一现状，伊川电力集团引进了Hazelett铝合金高速连铸连轧生产线。该生产线目前已投产，但在使用过程中存在钢带涂层使用寿命较短，粘铝，性能稳... 详细信息

目前，我国铝加工行业存在能耗高、成品率低、利润低、高端产品生产困难等问题。为了解决这一现状，伊川电力集团引进了Hazelett铝合金高速连铸连轧生产线。该生产线目前已投产，但在使用过程中存在钢带涂层使用寿命较短，粘铝，性能稳定性不足，传热不够均匀，钢带完全依赖于进口等问题。钢带作为铝合金高速连铸连轧的结晶器，对板带质量有着重要影响，同时也是制约我国铝合金高速连铸连轧技术发展的关键因素之一。本文以金属基陶瓷涂层制备方法为基础，采用国内现有的大气等离子喷涂（APS）设备，在低碳钢表面制备了氧化镁部分稳定氧化锆（MSZ）涂层和氧化钇部分稳定氧化锆（YSZ）涂层。根据高速连铸连轧铝合金板坯用钢带涂层的使用性能要求，对MSZ、YSZ涂层的抗铝液侵蚀性能、高温润湿性、组织形貌与表面粗糙度、热扩散性能、常温耐磨性、高温耐磨性、抗弯曲疲劳性和抗热疲劳性等性能进行了研究，并与Hazelett铝合金连铸连轧用钢带涂层性能进行对比。得出了以下主要结论：①所制备的MSZ、YSZ涂层均不与铝液发生反应，化学性质稳定， MSZ、YSZ涂层在高温下均与铝液不润湿，YSZ涂层的不润湿性优于MSZ、Hazelett涂层;MSZ、YSZ、Hazelett涂层的表面粗糙度分别为10um、9um和7um，在一定范围内，较大的粗糙度有利于增强铝液与不可润湿涂层的不润湿性;②在400oC-600oC范围，MSZ、YSZ和Hazelett涂层的热扩散系数分别为0.067-0.0967cm2/s、0.057-0.0794cm2/s、0.0565-0.0919cm2/s。采用ANSYS软件对50um厚的YSZ涂层在550oC-700oC范围内的隔热效果进行分析，其隔热能力不低于120℃，可有效降低基体温度，防止钢带扭曲变形。③常温下，MSZ、YSZ和Hazelett涂层的平均稳定摩擦系分别为0.29，0.15和0.26，YSZ涂层耐磨性最好;600oC下，MSZ、YSZ和Hazelett涂层的平均稳定摩擦系数分别为0.37，0.23，0.34。MSZ涂层高温磨擦60min已完全失效，部分基体已经暴露;YSZ涂层的过渡层也产生了一定程度的磨损。Hazelett涂层过渡层已产生较大程度磨损，表面产生了严重的犁沟;涂层在高温下的磨损形式主要是由高温循环载荷和磨削粘附引起的犁沟和片层剥落;④MSZ、YSZ、Hazelett涂层在弯曲疲劳实验周期内均未发生明显的失效，但都出现了裂纹的萌生与扩展。MSZ、YSZ涂层表面的未完全熔化颗粒与孔隙结构有效阻碍了裂纹的扩展，其抗弯曲疲劳性能较好。Hazelett涂层表面较平滑，裂纹扩展较严重，部分区域甚至发生了片层剥落。⑤MSZ、YSZ涂层的平均热疲劳失效寿命分别为58次、62次，高于Hazelett涂层的30次，MSZ涂层热疲劳失效是由陶瓷层自身结合强度较弱所致;YSZ、Hazelett涂层的热疲劳失效主要是由涂层之间热膨胀系数不匹配以及热生长氧化物引起的。

关键词：铝合金板坯高速连铸连轧 Hazelett 钢带涂层热喷涂

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铝合金连铸连轧用钢带ZrO2基陶瓷涂层的制备与性能研究

铝合金连铸连轧用钢带ZrO2基陶瓷涂层的制备与性能研究

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作者：李贵方郑州大学

学位级别：硕士

Hazelett连铸连轧工艺具有节能降耗、生效效率高、流程短等优点,Hazelett连铸连轧生产设备的核心部位为铸机,铸机中由上下两条钢带和金属挡块组成的动模在生产过程中对铝合金液的冷却以及铝合金板带质量起着非常重要的作用,钢带表面的... 详细信息

Hazelett连铸连轧工艺具有节能降耗、生效效率高、流程短等优点,Hazelett连铸连轧生产设备的核心部位为铸机,铸机中由上下两条钢带和金属挡块组成的动模在生产过程中对铝合金液的冷却以及铝合金板带质量起着非常重要的作用,钢带表面的涂层不仅能够有效防止钢带受热不均匀而引起的扭曲变形,又能够为铝合金液提供一不湿表面。本文针对Hazelett钢带涂层使用寿命短、同时需要依赖国外进口,成本较高等问题展开研究,采用国内设备制备出性能优异的钢带涂层,替代国外进口钢带,从而降低生产成本,提高生产效率。本文通过对Hazelett钢带基体及涂层的研究,确定钢带制备工艺为等离子喷涂技术,涂层的陶瓷涂层成分为氧化镁部分稳定氧化锆(MSZ),金属粘结层成分为镍包铝(Ni/Al),同时对Hazelett涂层的粗糙度、抗热震性能、抗氧化性能、结合强度、铝合金液在涂层表面的铺展性等进行了性能表征。首先采用等离子喷涂技术,相同的陶瓷层(MSZ)和金属粘结层(Ni/Al)进行了涂层制备实验,并采用描电镜、X射线衍射等手段对涂层的组织形貌及成分进行了分析,同时对比分析了MSZ涂层与Hazelett涂层的组织形貌和性能。为了进一步提高涂层性能,采用氧化钇部分稳定氧化锆(YSZ)作为陶瓷层,金属粘结层不变,利用等离子喷涂技术进行了涂层制备实验,同样与Hazelett涂层的组织形貌和性能进行了对比分析,本文最后利用ANSYS软件计算了YSZ涂层不同陶瓷层厚度对热应力的影响。得出的主要结论如下： (1)MSZ涂层和YSZ涂层与Hazelett涂层具有相似的组织形貌,但是涂层表面较Hazelett涂层具有较多的部分熔化区域,部分熔化区域增加了涂层中的孔隙,一定的孔隙可以吸收热震过程中产生的能量,降低应力集中,减缓裂纹萌生和扩展,提高了涂层的抗热震性能。 (2)MSZ和YSZ涂层的粗糙度均高于Hazelett涂层,一定的粗糙度可以改善涂层与铝合金液之间的传热条件,对铝合金板带质量具有重要的影响。 (3)MSZ涂层与YSZ涂层的横截面与Hazelett涂层相比,致密性较高,一方面可以有效阻挡外来氧化性气氛对基体的氧化,另一方面可以提高涂层与基体的结合强度。 (4)MSZ涂层的抗氧化性能明显优于Hazelett涂层的抗氧化性能;涂层失效前的热震次数由Hazelett涂层的30次提高到58次,提高了93%以上;涂层的结合强度由Hazelett涂层的20.3MPa提高到23.9MPa,提高了17.8%。 (5)YSZ涂层的抗氧化性能优于Hazelett涂层的抗氧化性能;涂层失效前的热震次数由Hazelett涂层的30次提高到59次,大约提高了97%;涂层的结合强度由Hazelett涂层的20.3MPa提高到27.7MPa,提高了36.5%。 (6)在相同基体和金属粘结层厚度的条件下,在陶瓷层厚度由30um增加到90um过程中,残余热应力中的横向应力、轴向应力以及剪切应力都逐渐增加,但是对横向应力和轴向应力影响较大,对剪切应力影响较小。 (7)在相同基体和金属粘结层厚度的条件下,陶瓷层厚度在由50um增加到90um的过程中,对工作应力的影响与残余热应力具有相同的规律,不同之处在于涂层中的热应力由压应力向拉应力发生转变,而且相同陶瓷层厚度下,工作应力远远大于残余热应力。 (8)铝合金液在涂层上的铺展性与涂层表面粗糙度存在一定的关系,涂层表面粗糙度越大,铝液在涂层上的铺展性越差。1235铝合金在Hazelett涂层上的铺展性最好,在YSZ涂层上较MSZ涂层的铺展性稍差。结果表明：相同条件下,连续铸造过程完成以后,铝板带更易于MSZ和YSZ涂层分离,发生粘铝的几率更低。

关键词： Hazelett连铸连轧钢带涂层组织形貌性能表征等离子喷涂技术

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