CN103862194A

CN103862194A - 一种用于热锻模具修复的堆焊药芯焊丝

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Publication number: CN103862194A
Application number: CN201410106067.3A
Authority: CN
Inventors: 贺定勇; 周正; 郭泽策; 王曾洁; 蒋建敏; 王智慧
Original assignee: Beijing University of Technology
Current assignee: Beijing University of Technology
Priority date: 2014-03-20
Filing date: 2014-03-20
Publication date: 2014-06-18
Anticipated expiration: 2034-03-20
Also published as: CN103862194B

Abstract

一种用于热锻模具修复的堆焊药芯焊丝，属于焊接材料技术领域。采用碳钢钢带包裹药芯粉末，所述的药芯粉末包括以下质量百分含量的物质：氟化钠：2～6%；氟化钙：5～8%；金红石：3～5.5%；石英：1～5%；高碳铬铁：4.3～13.2%；纯铬粉：24.8～38.3%；镍粉：6～11.3%；钨铁粉：1.5～3.5%；电解锰：2.5～5.1%；钼铁粉：14.7～27.3%；硅铁粉：3.6～6.1%；钒铁粉：0.2～1.4%；余量为还原铁粉。药芯焊丝的填充率为20～35%。同现有材料相比，本发明具有以下优点：（1）具有很好的热稳定性和耐热疲劳性能，硬度范围48-52HRC（2）堆焊金属具有高抗裂性，无需焊前预热、焊后立即热处理；（3）堆焊工艺性好，焊缝成形美观。

Description

一种用于热锻模具修复的堆焊药芯焊丝

技术领域

本发明属于材料加工焊接材料领域，具体涉及一种用于热锻模具修复的堆焊药芯焊丝。

背景技术

热锻模具工况复杂，在热锻过程中，模腔表面金属受热使其硬度和强度显著降低，在承受反复热、冷的作用下出现热疲劳，此外，模腔金属表面在工况下还会出现变形、氧化、磨损、断裂等失效形式，使得产品要求达不到工艺标准。因此，热锻模具一般使用几千次之后就要对模具型腔进行修复，修复后的模具可以达到甚至超过修复以前的使用周期。

采用堆焊工艺修复热锻模具，可避免模具整体报废，节省机加工和热处理费用，缩短模具翻新周期，并能够有效延长模具的使用寿命，对降低生产成本、合理使用材料具有重要意义。由于热锻模具碳当量较高，目前广泛使用的热锻模具修复药芯焊丝，必须将热锻模具焊前预热450℃左右，焊后立即回火热处理，以保证修复处不开裂，导致工效降低、劳动强度增大。此外，广泛使用的堆焊合金回火热处理后硬度低于45HRC，且热稳定性差。因此，开发一种无需焊前预热、焊后缓冷，回火稳定性好，并满足工况硬度高于45HRC的热锻模具堆焊药芯焊丝具有重要意义。

发明内容

本发明的目的在于解决当前堆焊材料出现的抗裂性不足的问题，同时具有很高的热稳定性及硬度，550℃回火后硬度可保持48-52HRC，优于传统产品。

一种用于热锻模具修复的堆焊药芯焊丝，采用碳钢钢带包裹药芯粉末，药芯焊丝填充率为20～35%，其特征在于：药芯焊丝由氟化钠、氟化钙、金红石、石英和合金粉组成，所述合金粉包括高碳铬铁粉、纯铬粉、镍粉、钨铁粉、电解锰、钼铁粉、硅铁粉、钒铁粉、还原铁粉。

进一步，所述的药芯粉末包括以下质量百分含量的物质：氟化钠：2～6%；氟化钙：5～8%；金红石：3～5.5%；石英：1～5%；高碳铬铁：4.3～13.2%；纯铬粉：24.8～38.3%；镍粉：6～11.3%；钨铁粉：1.5～3.5%；电解锰：2.5～5.1%；钼铁粉：14.7～27.3%；硅铁粉：3.6～6.1%；钒铁粉：0.2～1.4%；余量为还原铁粉。

采用所述的一种用于热锻模具修复的堆焊药芯焊丝制备堆焊合金的方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1，按照所述的药芯焊丝配制药芯粉末，轧制，最终获得直径为2.4mm的药芯焊丝；

步骤2，采用二氧化碳气体、或体积百分比为80%氩气和20%二氧化碳的混合气体保护焊工艺制备堆焊合金，焊接工艺参数为：电压：24-28V；电流：280-320A；送丝速度：430-460mm/min；气体流速：18-23L/min；焊丝伸出导电嘴的长度：14-28mm。

所获得熔敷金属中合金元素的质量百分含量在以下范围内：C：0.05～0.25%；Cr：8.5～13.5%；Ni：1～2.6%；W：0.2～1.2%；Mn：0.45～0.8%；Mo：2.5～4.3%；Si：0.1～0.6%；V：0.05～0.25%；Fe：余量。

优选所述药芯焊丝中药芯成分质量百分含量为：氟化钠：3～5%；氟化钙：5.5～7.5%；金红石：3.5～5%；石英：2～4.3%；高碳铬铁：5.3～10.8%；纯铬粉：25.8～36.9%；镍粉：6.5～10.3%；电解锰：3～4.6%；钼铁粉：15.7～26.3%；硅铁粉：3.8～5.6%；钒铁粉：0.3～1.3%；余量为还原铁粉。

所获得熔敷金属中合金元素的质量百分含量在以下范围内：C：0.1～0.2%；Cr：9～13%；Ni：1.6～2%；W：0.3～1.1%；Mn：0.5～0.65%；Mo：2.7～4.1%；Si：0.2～0.5%；V：0.1～0.2%；Fe：余量。

其中各种粉作用如下：

氟化物：对熔渣起稀释作用，降低熔渣熔点，增加熔渣的流动性，有利于降低堆焊金属中的氢含量。

金红石：改善熔渣覆盖性、脱渣性，并起到稳弧作用。

石英：使熔渣具有良好的覆盖性能。

高碳铬铁：向焊缝金属过渡碳元素。在堆焊材料设计中，碳是最重要的强化元素，也是致脆元素。碳具有间隙固溶强化的作用，增加材料中碳的含量，将促进马氏体的形成。但碳含量过高，易获得片状马氏体，其亚结构为孪晶，虽然对强度有利，但对韧性不利。高的碳含量还会促进碳化物的粗化，降低钢的性能。此外，高的碳含量还会增加堆焊合金碳当量，增加焊缝产生脆化和裂纹倾向。因此本发明设计堆焊合金中C含量为0.05～0.25wt.%，有效简化了焊前预热、焊后缓冷工艺，对应药芯焊丝中加入的高碳铬铁含量为4.3～13.2wt.%。

纯铬粉：可显著提高合金的淬透性，产生固溶强化，促进马氏体的形成，并提高热疲劳裂纹抗力。

镍粉：镍可以提高奥氏体稳定性，增加残余奥氏体量，提高堆焊金属的塑、韧性，降低马氏体开始转变温度Ms点，从而使中、高碳钢在免预热，免热处理的条件下堆焊也不开裂。

钨铁粉：向焊缝金属过渡钨元素，W原子半径大且弹性模量高，会与位错产生交互作用，锁住位错使其难于运动，产生很好的固溶强化作用，因此少量添加W元素即可显著提高合金的硬度，但W含量过高，易导致堆焊合金热疲劳性能差，塑韧性降低，易发生早期断裂。因此本发明设计堆焊合金中W含量为0.2～1.2wt.%，对应药芯焊丝中加入的钨铁含量为1.5～3.5wt.%。

钼铁粉：向焊缝金属过渡钼元素，提高堆焊合金的再结晶温度，从而有效提高堆焊合金的高温强度。

钒铁粉：向焊缝金属过渡钒元素，钒是强碳化物形成元素，起到弥散强化作用，并提高堆焊合金的持久强度。

电解锰、硅铁：利用锰硅联合脱氧，提高元素过渡系数。

还原铁粉：填补余量。

本发明热锻模具修复的堆焊药芯焊丝的制备方法包括以下步骤：

将轧钢带成U形槽，再向U形槽中加入占本发明药芯焊丝总重20～35%

的药芯粉末；

将U形槽合口，使药芯包裹其中，通过拉丝模，逐道拉拔、减径，最

后使其直径达到2.4mm，得到最终产品。

热锻模具修复堆焊合金采用二氧化碳或体积百分比为80%氩气和20%二氧化碳的混合气体保护焊工艺制备，焊接电流选择280-320A；电压24-28V；送丝速度：430-460mm/min；气体流速：18-23L/min；焊丝伸出导电嘴的长度：14-28mm。采用这一工艺参数能够制备出符合热锻模具修复工况要求的堆焊合金层。

与现有材料相比，本发明的优点是：

1、堆焊金属具有高抗裂性，无需焊前预热、焊后立即热处理，堆焊后修复处不出现裂纹；

2、具有很好的热稳定性且硬度在45HRC以上，550℃回火后硬度可保持48-52HRC，满足高硬度热锻模具修复需要；

3、堆焊工艺性好：电弧稳定、飞溅小、焊缝成形美观。

附图说明

图1：本发明热锻模具修复堆焊药芯焊丝堆焊熔敷金属金相显微图；

图2：本发明热锻模具修复堆焊药芯焊丝堆焊焊缝形貌图。

具体实施方式

下面通过实施例进一步阐明本发明的实质性特点和显著优点，本发明决非仅局限于所陈述的实施例。

各实施例中相同部分如下所述：

1、实施例中药芯焊丝外皮选用规格为12×0.3mm（宽度为12mm，厚度为0.3mm）的碳钢钢带，药芯焊丝药芯成分在实施例中具体说明，所选粉末分别过60目筛子，将所选各种粉末放入混粉机内混合10分钟，然后将得到的药芯粉末加入U形的钢带槽中，将U形槽合口，使药粉包裹其中。然后分别经过直径为：3.55mm、3.2mm、2.9mm、2.75mm、2.6mm、2.5mm、2.4mm的拉丝模，逐道拉拔、减径，最后使其直径达到2.4mm，得到堆焊药芯焊丝。

2、焊丝堆焊过程中将工艺参数均设定为：电压：24-28V；电流：280-320A；送丝速度：430-460mm/min；气体流速：18-23L/min；焊丝伸出导电嘴的长度：14-28mm。

实施例1

取氟化钠500g，氟化钙750g，金红石500g，石英430g，高碳铬铁430g，纯铬粉2480g，纯镍粉600g，钨铁粉150g，电解锰510g，钼铁粉2730g，硅铁粉610g，钒铁粉140g，还原铁粉170g。将得到的药芯粉末加入U形的钢带槽中，填充率为30%，将U形槽合口，得到直径为2.4mm的堆焊药芯焊丝后，按上述工艺制备堆焊层，所获得熔敷金属中合金成分为：C：0.05wt.%；Cr：8.5wt.%；Ni：1wt.%；W：0.2wt.%；Mn：0.8wt.%；Mo：4.3wt.%；Si：0.6wt.%；V：0.25wt.%；Fe：余量。

实施例2

取氟化钠200g，氟化钙550g，金红石350g，石英100g，高碳铬铁1320g，纯铬粉3830g，纯镍粉1130g，钨铁粉350g，电解锰250g，钼铁粉1470g，硅铁粉360g，钒铁粉20g，还原铁粉70g。将得到的药芯粉末加入U形的钢带槽中，填充率为30%，将U形槽合口，得到直径为2.4mm的堆焊药芯焊丝后，按上述工艺制备堆焊层，所获得熔敷金属中合金成分为：C：0.25wt.%；Cr：13.5wt.%；Ni：2.6wt.%；W：1.2wt.%；Mn：0.45wt.%；Mo：2.5wt.%；Si：0.1wt.%；V：0.05wt.%；Fe：余量。

实施例3

取氟化钠600g，氟化钙500g，金红石550g，石英500g，高碳铬铁530g，纯铬粉2580g，纯镍粉650g，钨铁粉200g，电解锰460g，钼铁粉2630g，硅铁粉560g，钒铁粉130g，还原铁粉110g。将得到的药芯粉末加入U形的钢带槽中，填充率为30%，将U形槽合口，得到直径为2.4mm的堆焊药芯焊丝后，按上述工艺制备堆焊层，所获得熔敷金属中合金成分为：C：0.1wt.%；Cr：9wt.%；Ni：1.6wt.%；W：0.3wt.%；Mn：0.65wt.%；Mo：4.1wt.%；Si：0.5wt.%；V：0.2wt.%；Fe：余量。

实施例4

取氟化钠300g，氟化钙800g，金红石300g，石英200g，高碳铬铁1080g，纯铬粉3690g，纯镍粉1030g，钨铁粉300g，电解锰300g，钼铁粉1570g，硅铁粉380g，钒铁粉30g，还原铁粉20g。将得到的药芯粉末加入U形的钢带槽中，填充率为30%，将U形槽合口，得到直径为2.4mm的堆焊药芯焊丝后，按上述工艺制备堆焊层，所获得熔敷金属中合金成分为：C：0.2wt.%；Cr：13wt.%；Ni：2wt.%；W：1.1wt.%；Mn：0.5wt.%；Mo：2.7wt.%；Si：0.2wt.%；V：0.1wt.%；Fe：余量。

对实例所制备的堆焊层熔敷金属进行硬度实验、回火稳定性实验、抗裂性实验，测试结果如表1所示。

采用HR-150A洛氏硬度机测定硬度值，载荷为150kg，对熔敷金属取十点测硬度，最后得到该药芯焊丝堆焊层的平均洛氏硬度值。

回火稳定性试验的试样尺寸大小相同，将试样放入箱式电阻炉中加热到设置的温度并保温设定的时间后，随炉冷却至室温取出。回火温度选择550℃，回火时间分别选用4、8、12小时。将每个不同回火制度下的试样进行常温硬度试验，用洛氏硬度的变化率来评判该材料的回火稳定性的好坏。

抗裂性试验时，在保证焊前不预热，焊后不进行热处理的前提下，在未经过堆焊的热锻模具上连续堆焊3层，焊完后观测焊道表面，用砂轮打磨平整后再用着色探伤技术显示焊道上的裂纹情况。

表1实施例1-4熔敷金属的焊态硬度、回火后的硬度(HRC)和抗裂性

Claims

1.一种用于热锻模具修复的堆焊药芯焊丝，采用碳钢钢带包裹药芯粉末，药芯焊丝填充率为20～35%，其特征在于：药芯焊丝由氟化钠、氟化钙、金红石、石英和合金粉组成，所述合金粉包括高碳铬铁粉、纯铬粉、镍粉、钨铁粉、电解锰、钼铁粉、硅铁粉、钒铁粉、还原铁粉。

2.如权利要求1所述的一种用于热锻模具修复的堆焊药芯焊丝，其特征在于：所添加的药芯粉末含有以下质量百分含量的物质：氟化钠：2～6%；氟化钙：5～8%；金红石：3～5.5%；石英：1～5%；高碳铬铁：4.3～13.2%；纯铬粉：24.8～38.3%；镍粉：6～11.3%；钨铁粉：1.5～3.5%；电解锰：2.5～5.1%；钼铁粉：14.7～27.3%；硅铁粉：3.6～6.1%；钒铁粉：0.2～1.4%；余量为还原铁粉。

3.如权利要求2所述的一种用于热锻模具修复的堆焊药芯焊丝，其特征在于：药芯组分的质量百分含量是：氟化钠：3～5%；氟化钙：5.5～7.5%；金红石：3.5～5%；石英：2～4.3%；高碳铬铁：5.3～10.8%；纯铬粉：25.8～36.9%；镍粉：6.5～10.3%；钨铁粉：2～3%；电解锰：3～4.6%；钼铁粉：15.7～26.3%；硅铁粉：3.8～5.6%；钒铁粉：0.3～1.3%；余量为还原铁粉。

4.采用权利要求1～3任意一项的一种用于热锻模具修复的堆焊药芯焊丝制备堆焊合金的方法，其特征在于，包括如下步骤：

5.如权利要求5所述的方法制备的堆焊合金，其特征在于，堆焊合金中各元素的质量百分含量在如下范围内：C：0.05～0.25%；Cr：8.5～13.5%；Ni：1～2.6%；W：0.2～1.2%；Mn：0.45～0.8%；Mo：2.5～4.3%；Si：0.1～0.6%；V：0.05～0.25%；Fe：余量。

6.如权利要求5所述的方法制备的堆焊合金，其特征在于，堆焊合金中各元素的质量百分含量在如下范围内：C：0.1～0.2%；Cr：9～13%；Ni：1.6～2%；W：0.3～1.1%；Mn：0.5～0.65%；Mo：2.7～4.1%；Si：0.2～0.5%；V：0.1～0.2%；Fe：余量。