CN104646856A - 一种用于压力机锻模修复的堆焊药芯焊丝 - Google Patents

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Abstract

本发明提供用于压力机锻模修复的堆焊药芯焊丝，采用碳钢钢带包裹药芯粉末，所述的药芯粉末包括：氟硅酸钠0.5～2份，氟化钙1.5～4份，金红石2.5～4份，氧化钠0.5～2.0份，氧化钾0.3～1.5份，石英1～3份，高碳铬铁10.2～23.81份，纯铬粉16.75～37.14份，镍粉0.86～2.02份，电解锰2.86～4.13份，钼铁粉17～22.8份，硅铁3.7～5.9份，钒铁粉3.7～7.4份，多元稀土粉2～8份，还原铁粉0.51～0.9份。采用本发明的药芯焊丝制备的堆焊层高温回火稳定性优于现有技术制得的堆焊层，相同试样尺寸、相同回火温度和回火时间回火组织明显比现有技术的焊丝细密，具有很好的强韧性和高抗冷热疲劳能力，使用寿命很高；并且具有良好的焊接工艺性能，易脱渣，飞溅小。

Description

一种用于压力机锻模修复的堆焊药芯焊丝
技术领域
本发明属于焊接材料领域，具体涉及一种含有稀土成分的焊接材料及其应用。
背景技术
压力机依赖曲柄传动或液压传动的压力对热态金属进行锻造，热态金属置于锻造模具中受挤压成型。锻造模具在工作过程中和高温金属接触局部温度高达500～700℃，模具表面金属受到加热后力学性能下降，高温下容易氧化，并且炙热金属被强制变形时，与模具型腔表面摩擦，模具极易磨损。所以压力机锻造模具使用几千次之后就会失效，而这种失效通常发生在表面局部尺寸范围内。模具由于型腔复杂加工时间长，价格昂贵，整体报废造成资源浪费，成本过高。所以在模具局部失效后进行修复可以节约成本，缩短翻新制造周期，提高模具使用寿命。对模具的修复通常采用堆焊的方式，堆焊使用的焊丝成分直接影响到模具的机械性能和使用寿命。
专利文献1(公开号CN102814604A)通过各种合金元素的加入和配比的优化相比传统模具钢5CrNiMo和5CrMnMo性能得到很大提升，提高了模具寿命。但由于其Cr含量较低在模具工作时容易氧化磨损，Cr含量低淬透性较差使模具性能不均匀影响模具寿命。专利文献2(公开号CN103008921A)和专利文献3(公开号CN103862194A)提出的堆焊药芯焊丝提高了Cr含量，性能得到了进一步提升，文献3提出的焊丝中还加入了W使高温性能进一步提高。但模具的一些凸起位置在工作过程中吸热过多温度高达600℃以上，而文献1～3中堆焊模具均采用550℃回火，其在600℃以上回火稳定性差，回火组织粗大，长时间使用力学性能下降较快，影响了模具使用寿命。工艺性能方面文献1～3的焊丝相比国外焊丝焊接性能均较差，主要表现为飞溅大，渣粘性大不易清理影响生产效率。
因此开发一种具有高回火稳定性，组织细小致密、力学性能稳定和良好焊接工艺性能的模具堆焊药芯焊丝十分有意义。
发明内容
针对本技术领域的不足之处，本发明的目的是提出一种用于压力机锻模修复的堆焊药芯焊丝。
本发明的另一目的是提出所述堆焊药芯焊丝的制备方法。
本发明的第三个目的是提出所述堆焊药芯焊丝的应用。
实现本发明上述目的技术方案为：
一种用于压力机锻模修复的堆焊药芯焊丝，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份的物质：氟硅酸钠：0.5～2份，氟化钙：1.5～4份，金红石：2.5～4份，氧化钠：0.5～2.0份，氧化钾0.3～1.5份，石英：1～3份，高碳铬铁10.2～23.81份，纯铬粉：16.75～37.14份，镍粉：0.86～2.02份，电解锰：2.86～4.13份，钼铁粉：17～22.8份，硅铁：3.7～5.9份，钒铁粉：3.7～7.4份，多元稀土粉：2～8份，还原铁粉0.51～0.9份。
其中，所述高碳铬铁含碳6～8％、含Cr 62～68.％，电解锰含Mn99～100％。
其中，所述钼铁粉含Mo 60～70％，所述硅铁含Si 70～80％；所述钒铁粉中V的含量为40～55％。
其中，所述多元稀土粉中，稀土含量为Ce15～18％，La 7～8％，Nd 5～7％，Pr0～2％。
原料中各主要成分具有以下作用：
氟硅酸钠：造渣剂中添加少量氟硅酸钠减少氟化钙的含量,可提高焊接电弧的稳定性，并且能改善焊缝的脱渣性和成形,降低熔滴表面张力,细化熔滴,减少焊接飞溅提高脱渣性。但加入量太多时会产生大量的气体,大熔滴的爆炸力,降低焊接电弧的稳定性，因此氟硅酸钠加入量选择0.5～2％。
氟化钙：可调节焊渣的流动性，使焊渣有良好的覆盖性，电离出的氟离子可生成HF气体降低焊缝的H含量，提高焊缝的力学性能。但是含量过多时焊渣过稀使得焊渣不均匀边缘处难清渣，并且过多的氟离子会使熔滴粗化增大飞溅。因此氟化钙加入量选择1.5～4％。
金红石:增加熔滴的氧化性，降低表面张力细化熔滴，电离出Ti离子降低电弧电离的电位，提高电弧稳定性。加入量太多会降低焊缝的力学性能。因此加入量选择2.5～4％。
氧化钠和氧化钾:K、Na容易电离减少了阻碍熔滴脱落的电磁力，细化熔滴降低飞溅。
石英:提高电弧电压，细化熔滴。
高碳铬铁:向熔敷金属中过渡C元素和Cr元素。本发明为低碳，碳加入量低不好控制，为减少烧损采用高碳铬铁形式加入。随碳含量增加，钢的室温强度提高。但高的碳含量会促进碳化物粗化，对韧性不利。因此高碳铬铁的加入量选择10.2～23.81％。
纯铬粉:向熔敷金属中过渡铬元素。铬能提高钢的淬透性和抗氧化能力，并且有固溶强化的作用。但加入量过多析出不稳定碳化物降低抗疲劳能力。因此纯铬粉的加入量选择16.75～37.14％。
镍粉：向熔敷金属中过渡镍元素。Ni可降低回火脆性,增加韧性。
电解锰和硅铁：向熔敷金属中过渡Mn和Si元素。Si和Mn在焊接过程中联合脱氧保护其余合金元素。
钼铁粉：向熔敷金属中过渡Mo元素。Mo可起到固溶强化，并且阻止碳化物相的聚集，提高回火稳定性，但加入量过多会生成碳化物在晶界处聚集使焊缝变脆。因此钼铁粉的加入量选择17～22.8％。
钒铁粉：向熔敷金属中过渡V元素。V是强碳化物形成元素生成VC，细化晶粒，可提高钢的持久强度且可防止Cr、Mo贫化。但加入量过多可使焊缝变脆。因此钒铁粉的加入量选择17～22.8％。
多元稀土粉：向熔敷金属中过渡稀土元素。稀土元素可通过增加形核和降低晶界迁移能来细化组织。
优选地，所述的药芯粉末包括以下质量份的物质：氟硅酸钠：0.5～1.5份，氟化钙：2.5～4份，金红石：3.0～4份，氧化钠：0.7～1.0份，氧化钾0.3～1.0份，石英：1～2份，高碳铬铁10.2～23.81份，纯铬粉：16.75～32.3份，镍粉：1.73～2.02份，电解锰：3.5～4.13份，钼铁粉：21～22.8份，硅铁5.5～5.9份，钒铁粉：5.8～7.4份，多元稀土粉：5～8份，还原铁粉0.51～0.9份。
其中，所述药芯焊丝填充率为23～38％。
本发明所述的药芯焊丝的制备方法，包括步骤：
1)将轧钢带轧制成U形槽，再向U形槽中加入占药芯焊丝总重23～38％的药芯粉末；
2)将U形槽合口，使药芯粉末包裹其中，通过拉丝模，逐道拉拔、减径，最后使其直径达到2.2～2.8mm，得到产品
本发明所述的药芯焊丝在堆焊中的应用。
一种压力机锻模堆焊修复的方法，使用本发明提出的药芯焊丝，包括步骤：热锻模具修复堆焊采用二氧化碳和/或氩气保护，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。
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：0.15～0.35％；Cr：10.0～15.0％；Ni：0.3～0.7％；；Mn：0.9～1.3％；Mo：3.0～4.0％；Si：0.5～0.8％；V：0.5～1.0％；稀土：0.04～0.17％；Fe：余量。
优选地，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。
本发明的有益效果在于：
采用本发明提出的药芯焊丝制备的堆焊层高温回火稳定性优于现有技术制得的堆焊层，相同试样尺寸、相同回火时间和回火温度组织明显比现有技术中的焊丝细密均匀，组织不易粗化，性能稳定，具有很好的强韧性和高抗冷热疲劳能力，因此使用寿命很高，堆焊后模具使用寿命相比文献3案例1焊丝提高2.5倍。
本发明提出的药芯焊丝，焊接时飞溅小，焊渣覆盖性好，脱渣容易。
附图说明
图1按照专利文献3中实施例1的药芯焊丝堆焊熔敷金属650℃回火4h金相显微图。
图2本发明热锻模具修复堆焊药芯焊丝实施例1堆焊熔敷金属650℃回火4h金相显微图。
图3：本发明热锻模具修复堆焊药芯焊丝实施例2堆焊熔敷金属650℃回火4h金相显微图。
图4为本发明热锻模具堆焊药芯焊丝实施例1、实施方例2与文献3实施例1中药芯焊丝在650℃回火，硬度随回火时间变化曲线图。
图5a为本发明实施例1模具堆焊药芯焊丝焊渣覆盖照片，图5b为焊后将试板翻转使焊道正面朝下，将3kg重的钢球由高度500mm处自由下落连续锤击试板焊道背面3次后脱渣情况。
图6a为文献3中实施例1中模具堆焊药芯焊丝焊渣覆盖照片，图6b为焊后将试板翻转使焊道正面朝下，将3kg重的钢球由高度500mm处自由下落连续锤击试板焊道背面3次后脱渣情况。
图7为在相同焊接工艺参数下，文献3实施例1中焊丝的焊接飞溅颗粒(左)与本发明焊丝焊接飞溅颗粒(右)的对比。
具体实施方式
下面通过最佳实施例来说明本发明。本领域技术人员所应知的是，实施例只用来说明本发明而不是用来限制本发明的范围。
实施例中，如无特别说明，所用手段均为本领域常规的手段。
实施例中，多元稀土粉中稀土含量为Ce 17.7％，La 7.5％Nd5.9％Pr 0.7％，其余的成分是Fe:66.0558％，Ni:1.2470％、Al:0.3675％，Si:0.1803％，Mn:0.1569％。
实施例1：
取氟硅酸钠150g，氟化钙250g，金红石300g，氧化钠100g，氧化钾100g，石英200g，高碳铬铁(含碳7％，含铬63.％，质量分数，下同)2381g，纯铬粉1675g，纯镍粉173g，电解锰(含Mn99.5％)350g，钼铁粉(含钼65％)2170g，硅铁粉(含硅75.％)560g，稀土粉800g,钒铁粉(钒的含量为50％)740g，还原铁粉51g。
将得到的药芯粉末加入U形的钢带槽中，填充率为35％，将U形槽合口，得到直径为2.4mm的堆焊药芯焊丝后，按以下工艺制备堆焊层：
采用二氧化碳20％和80％氩气(体积比)保护，焊接电流为300A；电压26V；送丝速度：430-460mm/min；气体流速：20L/min；焊丝伸出导电嘴的长度：26mm。
所获得熔敷金属中合金成分为：C：0.35wt.％；Cr：10.0wt.％；Ni：0.6wt.％；Mn：1.1wt.％；Mo：3.8wt.％；Si：0.7wt.％；V：1.0wt.％；稀土：0.17％；Fe：余量。堆焊熔敷金属650℃回火4h金相显微图见图2，回火组织细密均匀。
实施例2
氟硅酸钠50g，取氟化钙400g，，金红石400g，氧化钠70g,氧化钾30g,石英150g；高碳铬铁粉1020g，纯铬粉3230，纯镍粉202g，电解锰413g，钼铁粉2280g，硅铁粉590g，稀土粉500g,钒铁粉590g，还原铁粉75g。将得到的药芯粉末加入U形的钢带槽中，填充率为35％，将U形槽合口，得到直径为2.4mm的堆焊药芯焊丝后，按实施例1所述工艺制备堆焊层，所获得熔敷金属中合金成分为：C：0.15wt.％；Cr：12.2wt.％；Ni：0.7wt.％；Mn：1.3wt.％；Mo：4.0wt.％；Si：0.8wt.％；V：0.8wt.％；稀土：0.10％；Fe：余量。堆焊熔敷金属650℃回火4h金相显微图见图3，回火组织极其细密均匀。
实施例3
取氟硅酸钠200g，氟化钙250g，金红石350g，氧化钠50g，氧化钾150g，石英100g；高碳铬铁2041g，纯铬粉3476g，纯镍粉86g，电解锰286g，钼铁粉1700g，硅铁粉370g，稀土粉200g,钒铁粉670g，还原铁粉71g。将得到的药芯粉末加入U形的钢带槽中，填充率为35％，将U形槽合口，得到直径为2.4mm的堆焊药芯焊丝后，按实施例1工艺制备堆焊层，所获得熔敷金属中合金成分为：C：0.3wt.％；Cr：15wt.％；Ni：0.3wt.％；Mn：0.9wt.％；Mo：3wt.％；Si：0.5wt.％；V：0.9wt.％；稀土：0.04％；Fe：余量。
实施例4
取氟硅酸钠120g，氟化钙150g，金红石250g，氧化钠200g，氧化钾80g，石英300g，高碳铬铁1361g，纯铬粉3714g，纯镍粉144g，电解锰381g，钼铁粉2000g，硅铁粉440g，稀土粉400g,钒铁粉370g，还原铁粉90g。将得到的药芯粉末加入U形的钢带槽中，填充率为35％，将U形槽合口，得到直径为2.4mm的堆焊药芯焊丝后，按实施例1工艺制备堆焊层，所获得熔敷金属中合金成分为：C：0.2wt.％；Cr：14.4wt.％；Ni：0.5wt.％；Mn：1.2wt.％；Mo：3.5wt.％；Si：0.6wt.％；V：0.5wt.％；稀土：0.08％；Fe：余量。
表1为实施例1-4和文献3实施例1焊丝堆焊相同的模具后熔敷金属成分及使用寿命的比较。
表1：焊丝堆焊后熔敷金属成分及使用寿命对比
图1为按照专利文献3实施例1制备的堆焊熔敷金属650℃回火4h金相显微图，和图2和图3比较图1组织明显粗大也不如图2图3均匀。
图4为本申请实施例1、实施案例2与文献3实施例1药芯焊丝在650℃回火，硬度随回火时间变化曲线图。本申请提出的焊丝提高了硬度，而且随着回火时间增长硬度下降很小，具有很高的高温回火稳定性。
图5a为本申请实施例1模具堆焊药芯焊丝焊渣覆盖照片，图5b为焊后将试板翻转使焊道正面朝下，将3kg重的钢球由高度500mm处自由下落连续锤击试板焊道背面3次后脱渣情况。由图5a可见，本申请焊丝得到的焊渣焊后覆盖均匀光滑，图5b可见在锤击3次后焊渣基本全部脱掉露出光滑的金属，脱渣性良好。与图6比较，图6a中可见文献3实施例1中焊渣覆盖不均匀有厚有薄凹凸不平，图6b可见锤击后焊渣脱落不明显，只有一小部分脱落，脱渣性差。
图7为在相同焊接工艺参数下，文献3实施例1焊丝的焊接飞溅颗粒(左)与本发明焊丝焊接飞溅颗粒(右)的对比，本申请比文献3的焊接飞溅颗粒明显颗粒变小，使焊接飞溅得到控制。
以上的实施例仅仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通工程技术人员对本发明的技术方案做出的各种变型和改进，均应落入本发明的权利要求书确定的保护范围内。

Claims (10)

1.一种用于压力机锻模修复的堆焊药芯焊丝，其特征在于，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份的物质：氟硅酸钠：0.5～2份，氟化钙：1.5～4份，金红石：2.5～4份，氧化钠：0.5～2.0份，氧化钾0.3～1.5份，石英：1～3份，高碳铬铁10.2～23.81份，纯铬粉：16.75～37.14份，镍粉：0.86～2.02份，电解锰：2.86～4.13份，钼铁粉：17～22.8份，硅铁：3.7～5.9份，钒铁粉：3.7～7.4份，多元稀土粉：2～8份，还原铁粉0.51～0.9份。
2.根据权利要求1所述的药芯焊丝，其特征在于，所述高碳铬铁含碳6～8％、含Cr 62～68.％，电解锰含Mn99～100％。
3.根据权利要求1所述的药芯焊丝，其特征在于，所述钼铁粉含Mo60～70％，所述硅铁含Si 70～80％；所述钒铁粉中V的含量为40～55％。
4.根据权利要求1所述的药芯焊丝，其特征在于，所述的药芯粉末包括以下质量份的物质：氟硅酸钠：0.5～1.5份，氟化钙：2.5～4份，金红石：3.0～4份，氧化钠：0.7～1.0份，氧化钾0.3～1.0份，石英：1～2份，高碳铬铁10.2～23.81份，纯铬粉：16.75～32.3份，镍粉：1.73～2.02份，电解锰：3.5～4.13份，钼铁粉：21～22.8份，硅铁5.5～5.9份，钒铁粉：5.8～7.4份，多元稀土粉：5～8份，还原铁粉0.51～0.9份。
5.根据权利要求1～4任一所述的药芯焊丝，其特征在于，所述多元稀土粉中，稀土含量为Ce15～18％，La 7～8％，Nd 5～7％，Pr 0～2％。
6.根据权利要求1～5任一所述的药芯焊丝，其特征在于，所述药芯焊丝填充率为23～38％。
7.权利要求1～6任一所述的药芯焊丝的制备方法，其特征在于，包括步骤：
1)将轧钢带轧制成U形槽，再向U形槽中加入占药芯焊丝总重23～38％的药芯粉末；
2)将U形槽合口，使药芯粉末包裹其中，通过拉丝模，逐道拉拔、减径，最后使其直径达到2.2～2.8mm，得到产品。
8.权利要求1～6任一所述的药芯焊丝在堆焊中的应用。
9.一种压力机锻模堆焊修复的方法，其特征在于，使用权利要求1～4任一所述的药芯焊丝，包括步骤：热锻模具修复堆焊采用二氧化碳和/或氩气保护，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。
10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，所述热锻模具修复堆焊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。
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