CN105033507A - 一种用于热作模具修复堆焊的专用焊条 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种用于热作模具修复堆焊的专用焊条，由药皮和焊芯两部分组成。通过向合金粉末中加入纳米氮化铬粉末，在堆焊金属中形成细小的氮化物间隙相，使堆焊金属具有良好的韧性和抗裂性能；同时，在合金粉末中加入氧化钇，净化堆焊金属、球化夹杂物、促使形成氮化物强化相，提高堆焊金属的抗疲劳性能。应用本发明的焊条对热作模具进行修复，得到的堆焊金属具有优异的高温抗氧化性能、耐磨性、洁净度以及良好抗疲劳性能。

Description

一种用于热作模具修复堆焊的专用焊条
技术领域
本发明属于焊接材料领域，尤其涉及一种用于热作模具修复堆焊的专用焊条。
背景技术
近年来，随着我国冶金工业及制造业的迅猛发展，模具特别是热作模具，如热轧工作辊、热锻模、热挤压模、热冲裁模等的用量越来越大，现已成为工业生产中大量应用的消耗件之一。模具在使用过程中由于磨损及热疲劳等原因会产生剥落、擦伤、磨损等而失效。如何提高它的使用寿命一直是国内外关注的研究热点。模具的寿命主要取决于模具材料、结构设计、热处理工艺、加工等几个方面。我国模具使用寿命只有国外的1/2-1/3，存在精度低、加工周期长的问题。鉴于模具的失效大都由表面开始，从节省能源和资源、充分发挥材料性能潜力并获得特殊性能和最大技术经济效益出发，提高和改进模具工作面材料的性能是延长模具使用寿命的关键。生产中常采用堆焊的方法在模具坯料上制备合金层，获得双金属模具，既降低了成本，又提高了模具的性能；堆焊也是修复模具延长其寿命的重要技术手段。堆焊需要与各种模具用钢配套的焊接材料。
堆焊常用的焊接材料有焊条和焊丝。焊条采用气渣联合保护，冶金质量较好，可以通过药皮和焊芯过渡合金元素，焊缝杂质含量少、洁净度较高，焊缝具有较高的抗疲劳性能。同时焊条使用灵活，也比较适合模具修复的短焊缝和不规则焊缝工况。因此，焊条常用于小型模具的堆焊修复，人们为此研发了多种热作模具堆焊焊条，如公布号为CN102240872A的专利“热锻模具堆焊修复及再制造用特种焊条”其药皮化学成分的重量百分比(wt％)为钛白粉1-3，大理石25-40，萤石10-15，石英3-5，白土子2-4，高碳铬铁8-12，高碳锰铁2-4，硅铁2-4，钛铁6-9，钼铁9-11，铈氧化物4-8，金属镍5-8，石墨1-2；焊芯为H08A。该焊条采用Cr-Ni-Mo合金系，焊条药皮中高碳铬铁的最大含量为12％，熔敷金属的Cr含量远低于11％，难以保证堆焊金属在800℃及800℃以下具有足够的抗氧化能力，用于热作模具堆焊时高温抗氧化能力较差；该专利焊条加入的碳化物形成元素主要是Cr，Cr的碳化物是间隙化合物，间隙化合物的熔点和硬度不如间隙相的高，加热时也比较容易分解，氮化物和某些碳化物(如Ti、V、Nb的碳化物)形成间隙相，间隙相具有高硬度、高熔点、尺寸细小等优点，但该焊条没有采用氮化物强化；另外，该焊条起细化晶粒作用的合金元素只有Mo。授权公告号CN2507605Y“模具堆焊焊条”实用新型专利提出了一种管状焊条用于模具堆焊，该焊条以优质无缝钢管作导电载体，管外涂有药皮，管内填充粒状合金药芯，末端焊接设有夹持端。该专利没有涉及药芯和药皮的具体配方。焊条虽具有上述优点，但焊条不适于自动焊，堆焊效率较低，在大型热作模具的堆焊中使用极少。焊丝可用于自动焊，焊接效率高、焊接质量稳定，因此，焊丝是大型模具堆焊常用的焊接材料。焊丝分为实心焊丝和药芯焊丝，模具堆焊金属合金元素含量较高，合金元素含量高的实心焊丝制造困难，所以模具堆焊主要用药芯焊丝，尤以金属和铁合金粉末为药粉主要组成的金属粉芯焊丝应用最广，金属粉芯焊丝合金成分调整容易、制造简便，焊缝基本无熔渣、多层堆焊无需清渣，焊接生产效率高，也不会产生夹渣缺陷。近年来，人们对研发模具堆焊用金属粉芯焊丝比较重视，如授权公告号CN1093450C的发明专利“时效马氏体钢钨极氩弧焊金属粉芯焊丝及其制造方法”公开了一种用于模具堆焊的钨极氩弧焊用金属粉芯焊丝，金属粉芯中各粉料的重量配比为：39-78％Ni，0-26％Co，0-18％Mo，0.2-6％Ti，0.7-1.68％Al，0.2-1.455％Nb，0-0.72％Re，0-0.15％Te，0-0.25％Se，0.02-0.04％B，0.01-0.02％Zr，0.01-0.1％Ca，药芯占焊丝的重量百分比为30-52％。授权公告号为CN103008924B发明专利“一种用于锻造模具堆焊的药芯焊丝及应用”公开了一种用于锻造模具的堆焊药芯焊丝，焊丝采用碳钢钢带包裹药芯粉末，药芯焊丝填充率为30％～37％，药芯粉末包括以下质量百分含量的物质：氟化钙4％～7％，纯碱0.5％～3％，石英0.5％～4％，金红石2％～6％，高碳铬铁13.6％～27.2％，纯铬粉13.9％～19.2％，镍粉2.2％～5.7％，电解锰1.8％～4.3％，钼铁粉6.3％～13.2％，硅铁粉2.1％～5.0％，钒铁粉0.6％～1.9％；余量为还原铁粉。申请号为201410748560.5发明专利“一种热锻模具用气体保护堆焊药芯焊丝”公开的堆焊药芯焊丝采用Cr-Ni-Mo-W-V-Co合金系，采用CO2气体保护焊，加入Co提高了耐氧化性、红硬性、耐磨性能，但成本显著提高。
熔敷金属高温抗氧化性能优异、耐磨性好、洁净度高、具有良好抗疲劳性能的堆焊焊条是模具制造与修复再制造急需的焊接材料，目前我国该类焊条的性能与国外还存在较大差距。研发热作模具堆焊用焊条对于提高热作模具寿命具有重要意义。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明通过焊条配方的优化设计提供一种马氏体基体的模具堆焊焊条，通过向药皮中加入纳米氮化铬粉末和氧化钇，使堆焊金属能够同时满足热作模具高温抗氧化性、高耐磨性、高洁净度、抗疲劳性能等技术要求。
本发明中通过在药皮中加入纳米氮化铬粉末来改善焊条韧性和抗裂性能，使其能够达到热作模具高韧性和抗裂性能的标准要求。同时，纳米级粉末活性大，冶金反应剧烈，弥补电弧焊熔池存在时间短、冶金反应不充分的弊端，使其适于电弧焊方法。
其中，所述的“热作模具”主要是指锤锻模具、热顶锻模具、热挤压模具、热冲裁模具、精锻模具或压铸模具等。
具体技术方案如下：
一种用于热作模具修复堆焊的专用焊条，由药皮和焊芯两部分组成；所述药皮质量与焊芯质量之比为0.4-0.6：1；所述药皮配方以质量份计如下：大理石20-25，萤石10-15，钛白粉1-3，石英2-5，云母2-5，纯碱0.5-1，电解锰4-8，45#硅铁2-6，钛铁1-4，金属铬20-35，高碳铬铁20-30，石墨0-5，钒铁2-6，钼铁12-18，钨粉2-4，镍粉4-8，纳米氮化铬粉1-2，氧化钇粉2-6。
含有纳米氮化铬粉的堆焊金属具有优异的高温硬度、耐磨性能，以及良好的韧性和抗裂性能，因此，纳米氮化铬粉优选作为用于形成热作模具的堆焊合金粉末的基础原料使用。
其中，当纳米氮化铬粉的含量低于1质量份时，高温硬度、耐磨性能，韧性和抗裂性能不良。另一方面，如果纳米氮化铬粉的含量高于2质量份，堆焊金属易产生气孔缺陷，成本亦升高。本发明已确认了下述结果：如果纳米氮化铬粉的含量不低于1质量份且不超过2质量份时，可获得期待的高温硬度、耐磨性能，韧性和抗裂性能。
氧化钇稀土作为除金属和铁合金、矿化物、纳米氮化铬以及不可避免的杂质以外的余分而包含的金属氧化物，其发挥净化堆焊金属、球化夹杂物、促使形成氮化物间隙相，提高堆焊金属的抗疲劳性能的作用。就其含量而言，尽管不能一概而论，但当氧化钇的含量低于2质量份时，可能会导致氧化钇净化和抗疲劳性能效果减弱。
另一方面，氧化钇的含量高于6质量份时，可能会导致高温硬度和耐磨性能下降，因此，本申请中将氧化钇的加入量限定在6质量份以下，因此不会产生上述问题。
优选地，所述药皮配方以质量份计如下：大理石22-25，萤石12-15，钛白粉1.5-3，石英3-5，云母3-5，纯碱0.75-1，电解锰6-8，45#硅铁3-6，钛铁2-4，金属铬25-35，高碳铬铁24-30，石墨2-5，钒铁3-6，钼铁14-18，钨粉3-4，镍粉6-8，纳米氮化铬粉1.2-2，氧化钇粉3-6。
优选地，所述药皮配方以质量份计如下：大理石22-24，萤石12-14，钛白粉1.5-2，石英3-4，云母3-4，纯碱0.75-0.85，电解锰6-7，45#硅铁3-5，钛铁2-3，金属铬25-30，高碳铬铁24-28，石墨2-3，钒铁3-4，钼铁14-16，钨粉3-3.5，镍粉6-7，纳米氮化铬粉1.2-1.6，氧化钇粉3-4。
上述药皮配方中，电解金属锰的成分以质量比计Mn含量不小于99.5％；45#硅铁的成分以质量比计是40.0％～47.0％Si，0.1％C，余为Fe和不影响性能的杂质；钛铁的成分以质量比计是23％～35％Ti，8.5％Al，5％Si，2.5％Mn，余为Fe和不影响性能的杂质；金属铬的成分以质量比计Cr含量不小于98％；高碳铬铁的成分以质量比计Cr不小于60％，C为6％～10％，Si不大于3％，S不超过0.04％，P不超过0.04％，余为Fe和不影响性能的杂质；石墨的成分以质量比计是94％～99％C；钒铁的成分以质量比计是50％V，0.2％C，2％Si，0.8％Al，余为Fe和不影响性能的杂质；钼铁的成分以质量比计是50％Mo，3％Si，余为Fe和不影响性能的杂质；钨粉的成分以质量比计W含量不小于98％；金属镍粉的成分以质量比计Ni含量不小于98％；氧化钇粉末的成分以质量百分比计Y2O3含量不小于99％；大理石的成分以质量百分比计CaCO3含量不小于95％；萤石的成分以质量百分比计CaF2含量不小于95％；钛白粉的成分以质量百分比计TiO2含量不小于98％；石英的成分以质量百分比计SiO2含量不小于97％；云母的成分以质量百分比计SiO2含量为43％-50％，Al2O3含量为20％-35％，K2O+Na2O含量为7％-11％，K2O含量不小于6％；纯碱的的成分以质量百分比计Na2CO3含量不小于98％。上述粉末的粒度为75微米～180微米(即粒度为-80目～+200目)。纳米氮化铬粉的成分以质量比计CrN含量不小于99％，粒度99％以上的小于100纳米。上述药粉的成分中允许含有加工过程中难以去除的不影响其性能的杂质。
本发明中，纳米氮化铬粉末的加入，可以在堆焊金属中形成细小的氮化物间隙相，同时利用纳米氮化铬粉末细化晶粒(纳米氮化铬粉末的粒度小于100纳米)，提高堆焊金属的高温硬度、耐磨性能，并使其具有良好的韧性、抗裂性能和抗疲劳性能，纳米级氮化铬粉末活性大，冶金反应剧烈，可以弥补电弧堆焊熔池存在时间短、冶金反应不充分的弊端，适于富氩气体保护的熔化极气体保护焊、埋弧焊等电弧堆焊工艺；另一方面，为了满足堆焊金属高洁净度、抗疲劳性能的要求，通过在合金粉末中加入氧化钇稀土，净化堆焊金属、球化夹杂物、促使形成氮化物强化相，提高堆焊金属的抗疲劳性能。通过合理的合金系设计，使堆焊金属获得马氏体基体组织加少量残余奥氏体组织，并以氮化物、碳化物作为强化相；通过冶金处理和原材料优选，降低堆焊金属S、P等杂质含量，并改善工艺性能。
就本发明的焊条而言，其至少包含以下合金元素：C、N、Si、Mn、Cr、Mo、V、Ti、Ni、W。当焊条中含有上述合金元素时，制备的堆焊金属具有一定的高温硬度和耐腐蚀性，能够保证氮化铬和氧化钇增强效果的最大化。
本发明所述的焊条的原材料也可以使用配合有除上述以外的其它金属粉或合金粉的原料粉末而成。此时，要以不破坏本发明的特征为前提。
就本发明的堆焊合金粉末而言，优选所述电解锰、45#硅铁、钛铁、碳化铬、石墨、钒铁、钼铁、钨粉、镍粉、氧化钇粉、金红石、钾长石、氟硅酸钠以及萤石粉的粒度均为75微米～180微米。(即粒度为-80目～+200目)。
优选的，当本发明的合金粉末用于处理热作模具钢时(碳质量分数一般小于0.5％，常加入的合金元素有：Cr、Mn、W、Mo、V、Si、Ni、Nb、Al等)，一般来说，由于熔覆层中添加了Cr，Ni，Mo等元素，因此熔覆层与基材之间会形成原电池，从而发生电化学腐蚀，但是由于热作模具本身和熔覆粉末中都添加了Cr，Ni，Mo等元素而使得电化学反应难以快速持续进行。首先，Cr在合金中会溶于Ni中从而形成Ni-Cr固溶体，并起到显著的钝化作用；其次，在腐蚀过程中，Cr部分取代锈层α-FeOOH中的Fe，形成了羟基氧化物α-(Fe1-xCrx)OOH。由于这种锈层微观组织较为致密且相对稳定，能将基体材料与腐蚀介质很好的隔离，同时其极高的阻抗又能很好的降低了电化学反应的速度。而Mo能在钢材中细化晶粒，固溶强化，形成固化层，这种固化层与基体结合牢固，形成钝化作用，因而具有很好的保护性能。同时由于激光熔覆过程中激光束与粉末的相互作用时间短，因此在急速冷却过程中具有较大的冷却度，而粉末中的合金元素会形成多种化合物，进一步增加非自发形核的数量，大大提高形核率，最终使得熔覆层的组织细小致密。细密的组织不仅减少了单位晶界上的杂质含量，而且减少了由于快速冷却而形成的成分偏析，从而降低了因原电池效应而加速腐蚀的影响。所以，无论是从腐蚀失重量而言，还是根据更具科学性的腐蚀失重速率分析，都说明热作模具包含Cr，Ni，Mo三种元素时，熔覆层的试样具有更好的耐腐蚀性，且并没有由于电化学腐蚀及原电池效应而加快基材的腐蚀。证明了本发明的粉末具有和基材一致的耐腐蚀性能，很好的满足了热作模具修复再制造的设计要求。
本发明的焊芯优选H08A焊芯，其直径为3.2mm-5.0mm，其化学成分以质量比计为：C不大于0.1％、Si不大于0.03％、Mn为0.3％～0.60％、Cr不大于0.2％、Ni不大于0.30％、Cu不大于0.2％、S不大于0.03％、P不大于0.03％、余为Fe。
上述药皮中各组分的作用如下：
大理石的作用是造渣、造气，提高熔渣碱度，脱硫，减少焊缝夹杂物。
萤石的作用是造渣，可调节熔渣的熔点和粘度，增加流动性，活化熔池，改善脱渣性能，除氢。
钛白粉的作用是造渣，调节熔渣的碱度，改善焊条压涂性能，稳定电弧。
石英的作用是造渣，降低熔渣的碱度，细化熔滴，改善焊条工艺性能。
云母的作用是造渣，改善焊条的压涂性能，稳定电弧，细化熔滴，增加药皮透气性，利于药皮水分排出，避免药皮开裂。
纯碱的作用是提高水玻璃的稳定性，稳定电弧。
电解锰的作用是脱氧和合金化，金属锰杂质含量少，利于堆焊金属的净化。
45#硅铁的作用是脱氧和合金化，与电解锰联合加入药皮，硅锰联合脱氧的效果好。
钛铁的作用是脱氧，并析出碳化物TiC和氮化物TiN，细化晶粒，通过细晶和析出相两种方式强化焊缝，提高堆焊金属的硬度。
金属铬和高碳铬铁的作用是向焊缝金属过渡Cr，对焊缝金属起到固溶强化作用，同时析出碳化物强化焊缝，Cr含量达到11％以上还能提高堆焊金属的高温抗氧化性能。高碳铬铁除了过渡Cr外，还向焊缝过渡C。
石墨的作用是向焊缝过渡C，控制焊缝适当的含C量形成碳化物，保证焊缝的硬度。
钒铁的作用是合金化，形成碳化物、氮化物，细化晶粒。
钼铁的作用是合金化，细化晶粒，固溶强化，形成碳化物，提高堆焊金属的高温性能和耐磨性能。
钨粉的作用是合金化，向焊缝过渡W，提高焊缝金属的高温硬度和高温耐磨性能。
镍粉的作用是可以提高奥氏体稳定性，减缓奥氏体向马氏体的转变，增加残余奥氏体量，提高堆焊金属的塑性、韧性，而且可以降低马氏体开始转变温度Ms点，可以降低堆焊金属的残余应力。
纳米氮化铬粉的作用是向焊缝过渡N，与氮化物形成元素Ti、V、Cr等形成氮化物，细化晶粒，提高焊缝金属的高温硬度和组织稳定性；向焊缝金属过渡Cr。纳米粉末活性大，冶金反应充分。
氧化钇的作用是降低焊缝夹杂物含量，使夹杂物球化，净化焊缝金属，提高焊缝金属的抗疲劳性能；降低熔滴的表面张力，促使熔滴过渡，减少飞溅。
本发明所述热作模具堆焊焊条的制备方法，步骤是：
(1)铁合金钝化焊条药皮中硅铁、金属锰、金属铬和高碳铬铁进行钝化处理，以在粉末颗粒的表面形成一层氧化膜，避免与药皮的粘接剂水玻璃中的游离碱反应，防止焊条药皮起泡。将45#硅铁、金属锰、金属铬和高碳铬铁分别置于耐热钢制盘中，其堆积厚度为30mm-40mm，焙烧时搅拌3-5次。焙烧的工艺参数为：45#硅铁为700℃～800℃，保温1小时，随炉冷却；金属锰为280℃～320℃，保温1小时，随炉冷却；金属铬和高碳铬铁为550℃～580℃，保温1小时，随炉冷却。其他铁合金无需处理，供货状态使用。
(2)干混粉按焊条药皮配方的配比称量药粉，先将比重较小的大理石、萤石、钛白粉、石英、云母、纯碱、石墨按配方比例称量后混合，用现有的混粉机干混10-15分钟，获得非合金混合粉；然后将步骤(1)钝化的电解锰、45#硅铁、金属铬、高碳铬铁和无需钝化的钛铁、钒铁、钼铁、钨粉、镍粉、纳米氮化铬粉、氧化钇粉等脱氧合金剂按配方比例称量后加入到非合金混合粉中，再继续混粉8-15分钟，获得干混粉。
其中：所述药粉的配比以质量份计如下：大理石20-25，萤石10-15，钛白粉1-3，石英2-5，云母2-5，纯碱0.5-1，电解锰4-8，45#硅铁2-6，钛铁1-4，金属铬20-35，高碳铬铁20-30，石墨0-5，钒铁2-6，钼铁12-18，钨粉2-4，镍粉4-8，纳米氮化铬粉1-2，氧化钇粉2-6。纳米氮化铬粉的粒度为99％以上的小于100纳米，其他粉末的粒度为75微米～180微米(即粒度为-80目～+200目)。
(3)湿混粉在步骤(2)获得的干混粉中加入干混粉质量20％-30％的钠水玻璃，边加入钠水玻璃边混粉，湿混粉的时间为10-15分钟，获得湿粉。以上所述钠水玻璃的模数为2.8-3.0，波美度为47－49。
(4)焊芯选用选用市售的直径为3.2mm-5.0mm的H08A焊芯，焊芯长度350mm-400mm。
(5)压涂将步骤(3)制得的湿粉用现有的液压焊条压涂机压涂在步骤(4)选用的焊芯周围，制得湿焊条。药皮质量系数(药皮质量与焊芯质量之比)为0.4-0.6。
(6)烘干将步骤(5)制得的湿焊条，在40-60℃下进行3-5小时的低温烘干，然后再进行350-400℃、1-2小时的高温烘干。低温烘干和高温烘干的升温速度不超过50℃/小时。湿焊条经低温烘干、高温烘干后获得热作模具堆焊焊条成品。
本发明所具有的显著效果是：
(1)本专利焊条具有良好的工艺性能，使用灵活方便，可用于热作模具的制造与修复。
(2)本专利焊条优化了熔敷金属含铬量，使堆焊金属具有良好的高温抗氧化性能，显著提高了热作模具的使用寿命。
(3)本专利焊条通过在药皮中加入纳米氮化铬粉和氮化物形成元素，通过反应原位合成氮化物，氮化物作为间隙相具有尺寸细小、高温稳定等优点，显著提高了堆焊金属的高温硬度和高温稳定性。
(4)本专利通过焊条原材料的优选(如选用纯金属，少用铁合金)和加入稀土，降低了堆焊金属夹杂物含量，使夹杂物球化，细化晶粒，提高了堆焊金属的韧性、塑性和抗疲劳性能。
具体实施方式
实施例1：
(1)铁合金钝化将45#硅铁、金属锰、金属铬和高碳铬铁分别置于耐热钢制盘中，其堆积厚度为30mm，焙烧时搅拌3次。焙烧的工艺参数为：45#硅铁为700℃，保温1小时，随炉冷却；金属锰为280℃，保温1小时，随炉冷却；金属铬和高碳铬铁为550℃，保温1小时，随炉冷却。其他铁合金无需处理，供货状态使用。
(2)干混粉按焊条药皮配方的配比称量药粉，先将比重较小的大理石、萤石、钛白粉、石英、云母、纯碱按配方比例称量后混合，用现有的混粉机干混10分钟，获得非合金混合粉；然后将步骤(1)钝化的电解锰、45#硅铁、金属铬、高碳铬铁和无需钝化的钛铁、钒铁、钼铁、钨粉、镍粉、纳米氮化铬粉、氧化钇粉等脱氧合金剂按配方比例称量后加入到非合金混合粉中，再继续混粉10分钟，获得干混粉。
其中：所述药粉的配比以质量份计如下：大理石20，萤石12，钛白粉2，石英4，云母2，纯碱1，电解锰4，45#硅铁3，钛铁2，金属铬30，高碳铬铁20，钒铁2，钼铁12，钨粉2，镍粉4，纳米氮化铬粉1，氧化钇粉2。纳米氮化铬粉的粒度为99％以上的小于100纳米，其他粉末的粒度为75微米～180微米(即粒度为-80目～+200目)。
(3)湿混粉在步骤(2)获得的干混粉中加入干混粉质量20％的钠水玻璃，边加入钠水玻璃边混粉，湿混粉的时间为10分钟，获得湿粉。以上所述钠水玻璃的模数为2.8-3.0，波美度为47－49。
(4)焊芯选用选用市售的直径为3.2mm的H08A焊芯，焊芯长度350mm。
(5)压涂将步骤(3)制得的湿粉用现有的液压焊条压涂机压涂在步骤(4)选用的焊芯周围，制得湿焊条。药皮质量系数(药皮质量与焊芯质量之比)为0.4。
(6)烘干将步骤(5)制得的湿焊条，在40-60℃下进行3小时的低温烘干，然后再进行350-400℃、1小时的高温烘干。低温烘干和高温烘干的升温速度不超过50℃/小时。湿焊条经低温烘干、高温烘干后获得热作模具堆焊焊条成品。
试验结果表明，堆焊焊条电弧燃烧稳定，焊缝成型美观，飞溅小，堆焊金属的硬度平均值为40HRC。
实施例2：
(1)铁合金钝化将45#硅铁、金属锰、金属铬和高碳铬铁分别置于耐热钢制盘中，其堆积厚度为40mm，焙烧时搅拌5次。焙烧的工艺参数为：45#硅铁为800℃，保温1小时，随炉冷却；金属锰为320℃，保温1小时，随炉冷却；金属铬和高碳铬铁为580℃，保温1小时，随炉冷却。其他铁合金无需处理，供货状态使用。
(2)干混粉按焊条药皮配方的配比称量药粉，先将比重较小的大理石、萤石、钛白粉、石英、云母、纯碱、石墨按配方比例称量后混合，用现有的混粉机干混15分钟，获得非合金混合粉；然后将步骤(1)钝化的电解锰、45#硅铁、金属铬、高碳铬铁和无需钝化的钛铁、钒铁、钼铁、钨粉、镍粉、纳米氮化铬粉、氧化钇粉等脱氧合金剂按配方比例称量后加入到非合金混合粉中，再继续混粉15分钟，获得干混粉。
其中：所述药粉的配比以质量份计如下：大理石25，萤石12，钛白粉3，石英4，云母3，纯碱0.5，电解锰8，45#硅铁6，钛铁4，金属铬35，高碳铬铁30，石墨3，钒铁6，钼铁18，钨粉4，镍粉5，纳米氮化铬粉2，氧化钇粉6。纳米氮化铬粉的粒度为99％以上的小于100纳米，其他粉末的粒度为75微米～180微米(即粒度为-80目～+200目)。
(3)湿混粉在步骤(2)获得的干混粉中加入干混粉质量25％的钠水玻璃，边加入钠水玻璃边混粉，湿混粉的时间为15分钟，获得湿粉。以上所述钠水玻璃的模数为2.8-3.0，波美度为47－49。
(4)焊芯选用选用市售的直径为5.0mm的H08A焊芯，焊芯长度400mm。
(5)压涂将步骤(3)制得的湿粉用现有的液压焊条压涂机压涂在步骤(4)选用的焊芯周围，制得湿焊条。药皮质量系数(药皮质量与焊芯质量之比)为0.6。
(6)烘干将步骤(5)制得的湿焊条，在40-60℃下进行5小时的低温烘干，然后再进行350-400℃、2小时的高温烘干。低温烘干和高温烘干的升温速度不超过50℃/小时。湿焊条经低温烘干、高温烘干后获得热作模具堆焊焊条成品。
试验结果表明，堆焊焊条电弧燃烧稳定，焊缝成型美观，飞溅小，堆焊金属的硬度平均值为55HRC。
实施例3：
(1)铁合金钝化将45#硅铁、金属锰、金属铬和高碳铬铁分别置于耐热钢制盘中，其堆积厚度为35mm，焙烧时搅拌4次。焙烧的工艺参数为：45#硅铁为750℃，保温1小时，随炉冷却；金属锰为300℃，保温1小时，随炉冷却；金属铬和高碳铬铁为560℃℃，保温1小时，随炉冷却。其他铁合金无需处理，供货状态使用。
(2)干混粉按焊条药皮配方的配比称量药粉，先将比重较小的大理石、萤石、钛白粉、石英、云母、纯碱、石墨按配方比例称量后混合，用现有的混粉机干混12分钟，获得非合金混合粉；然后将步骤(1)钝化的电解锰、45#硅铁、金属铬、高碳铬铁和无需钝化的钛铁、钒铁、钼铁、钨粉、镍粉、纳米氮化铬粉、氧化钇粉等脱氧合金剂按配方比例称量后加入到非合金混合粉中，再继续混粉10分钟，获得干混粉。
其中：所述药粉的配比以质量份计如下：大理石23，萤石12，钛白粉2，石英4，云母4，纯碱0.8，电解锰6，45#硅铁4，钛铁3，金属铬30，高碳铬铁25，石墨3，钒铁4，钼铁15，钨粉3，镍粉6，纳米氮化铬粉1，氧化钇粉4。纳米氮化铬粉的粒度为99％以上的小于100纳米，其他粉末的粒度为75微米～180微米(即粒度为-80目～+200目)。
(3)湿混粉在步骤(2)获得的干混粉中加入干混粉质量30％的钠水玻璃，边加入钠水玻璃边混粉，湿混粉的时间为13分钟，获得湿粉。以上所述钠水玻璃的模数为2.8-3.0，波美度为47－49。
(4)焊芯选用选用市售的直径为4.0mm的H08A焊芯，焊芯长度400mm。
(5)压涂将步骤(3)制得的湿粉用现有的液压焊条压涂机压涂在步骤(4)选用的焊芯周围，制得湿焊条。药皮质量系数(药皮质量与焊芯质量之比)为0.5。
(6)烘干将步骤(5)制得的湿焊条，在40-60℃下进行4小时的低温烘干，然后再进行350-400℃、1.5小时的高温烘干。低温烘干和高温烘干的升温速度不超过50℃/小时。湿焊条经低温烘干、高温烘干后获得热作模具堆焊焊条成品。
试验结果表明，堆焊焊条电弧燃烧稳定，焊缝成型美观，飞溅小，堆焊金属的硬度平均值为50HRC。
实施例4：
(1)铁合金钝化将45#硅铁、金属锰、金属铬和高碳铬铁分别置于耐热钢制盘中，其堆积厚度为30mm，焙烧时搅拌3次。焙烧的工艺参数为：45#硅铁为700℃，保温1小时，随炉冷却；金属锰为320℃，保温1小时，随炉冷却；金属铬和高碳铬铁为580℃，保温1小时，随炉冷却。其他铁合金无需处理，供货状态使用。
(2)干混粉按焊条药皮配方的配比称量药粉，先将比重较小的大理石、萤石、钛白粉、石英、云母、纯碱、石墨按配方比例称量后混合，用现有的混粉机干混10分钟，获得非合金混合粉；然后将步骤(1)钝化的电解锰、45#硅铁、金属铬、高碳铬铁和无需钝化的钛铁、钒铁、钼铁、钨粉、镍粉、纳米氮化铬粉、氧化钇粉等脱氧合金剂按配方比例称量后加入到非合金混合粉中，再继续混粉8分钟，获得干混粉。
其中：所述药粉的配比以质量份计如下：大理石20，萤石15，钛白粉3，石英5，云母5，纯碱0.5，电解锰4，45#硅铁6，钛铁4，金属铬35，高碳铬铁30，石墨5，钒铁6，钼铁12，钨粉4，镍粉8，纳米氮化铬粉2，氧化钇粉6。纳米氮化铬粉的粒度为99％以上的小于100纳米，其他粉末的粒度为75微米～180微米(即粒度为-80目～+200目)。
(3)湿混粉在步骤(2)获得的干混粉中加入干混粉质量30％的钠水玻璃，边加入钠水玻璃边混粉，湿混粉的时间为10分钟，获得湿粉。以上所述钠水玻璃的模数为2.8-3.0，波美度为47－49。
(4)焊芯选用选用市售的直径为4.0mm的H08A焊芯，焊芯长度400mm。
(5)压涂将步骤(3)制得的湿粉用现有的液压焊条压涂机压涂在步骤(4)选用的焊芯周围，制得湿焊条。药皮质量系数(药皮质量与焊芯质量之比)为0.6。
(6)烘干将步骤(5)制得的湿焊条，在40-60℃下进行3小时的低温烘干，然后再进行350-400℃、2小时的高温烘干。低温烘干和高温烘干的升温速度不超过50℃/小时。湿焊条经低温烘干、高温烘干后获得热作模具堆焊焊条成品。
试验结果表明，堆焊焊条电弧燃烧稳定，焊缝成型美观，飞溅小，堆焊金属的硬度平均值为48HRC。
对比例1
本对比例与实施例1的不同之处在于，原料配方中不含氧化钇，对堆焊金属的热疲劳性进行测试，试样尺寸为50×20×1.5(mm)，在20mm一边的中心垂直厚度方向，开60°V型缺口，进行700℃-20℃的循环加热、冷却，用出现0.5mm裂纹的循环次数反映疲劳性能。不含氧化钇粉末的对比例1的循环次数为21次，含氧化钇2份(质量)的实施例1的循环次数为43次。通过与实施例1的比对，表明本发明氧化钇能有效提升堆焊金属的抗疲劳性能。
对比例2
本对比例与实施例1的不同之处在于，原料配方中不加入纳米氮化铬粉，对韧性和抗裂性能的进行测试，不加纳米氮化铬粉的对比例2，U型缺口冲击韧性的测试值为1.06J/cm2，在厚度为80mm的5CrNiMo模具钢表面堆焊，预热250℃才能不出现裂纹；实施例1的U型缺口冲击韧性的测试值为1.21J/cm2，在厚度为80mm的5CrNiMo模具钢表面堆焊，预热50℃即可不出现裂纹。表明本发明药芯中的纳米氮化铬粉能有效地提高堆焊金属的韧性和抗裂性能。
对比例3
本对比例与实施例1的不同之处在于，原料配方中采用粒度为75微米～180微米(即粒度为-80目～+200目)的氮化铬粉，实测500℃的硬度为HRC36，硬度的最大值与最小值相差HRC6；实施例1的500℃硬度为HRC41，硬度的最大值与最小值相差HRC4。纳米氮化铬使堆焊金属高温下保持较高硬度，且堆焊金属的硬度较均匀。微米级的氮化铬由于颗粒较大，活性较小，在现有的加入量下由于焊接熔池冷却速度快，导致冶金反应不充分，无法有效提高堆焊金属的高温硬度和组织稳定性。
上述虽然对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。

Claims (9)

1.一种用于热作模具修复堆焊的专用焊条，其特征在于，由药皮和焊芯两部分组成；所述药皮配方以质量份计如下：大理石20-25，萤石10-15，钛白粉1-3，石英2-5，云母2-5，纯碱0.5-1，电解锰4-8，45#硅铁2-6，钛铁1-4，金属铬20-35，高碳铬铁20-30，石墨0-5，钒铁2-6，钼铁12-18，钨粉2-4，镍粉4-8，纳米氮化铬粉1-2，氧化钇粉2-6。
2.如权利要求1所述的专用焊条，其特征在于，所述药皮配方以质量份计如下：大理石22-25，萤石12-15，钛白粉1.5-3，石英3-5，云母3-5，纯碱0.75-1，电解锰6-8，45#硅铁3-6，钛铁2-4，金属铬25-35，高碳铬铁24-30，石墨2-5，钒铁3-6，钼铁14-18，钨粉3-4，镍粉6-8，纳米氮化铬粉1.2-2，氧化钇粉3-6。
3.如权利要求1或2所述的专用焊条，其特征在于，所述药皮配方以质量份计如下：大理石22-24，萤石12-14，钛白粉1.5-2，石英3-4，云母3-4，纯碱0.75-0.85，电解锰6-7，45#硅铁3-5，钛铁2-3，金属铬25-30，高碳铬铁24-28，石墨2-3，钒铁3-4，钼铁14-16，钨粉3-3.5，镍粉6-7，纳米氮化铬粉1.2-1.6，氧化钇粉3-4。
4.如权利要求1或2所述的专用焊条，其特征在于，所述电解锰的成分以质量比计Mn含量不小于99.5％；45#硅铁的成分以质量比计是40.0％～47.0％Si，0.1％C，余为Fe和不影响性能的杂质；钛铁的成分以质量比计是23％～35％Ti，8.5％Al，5％Si，2.5％Mn，余为Fe和不影响性能的杂质；金属铬的成分以质量比计Cr含量不小于98％；高碳铬铁的成分以质量比计Cr不小于60％，C为6％～10％，Si不大于3％，S不超过0.04％，P不超过0.04％，余为Fe和不影响性能的杂质；钒铁的成分以质量比计是50％V，0.2％C，2％Si，0.8％Al，余为Fe和不影响性能的杂质；钼铁的成分以质量比计是50％Mo，3％Si，余为Fe和不影响性能的杂质；钨粉的成分以质量比计W含量不小于98％；金属镍粉的成分以质量比计Ni含量不小于98％；氧化钇粉末的成分以质量百分比计Y2O3含量不小于99％；大理石的成分以质量百分比计CaCO3含量不小于95％；萤石的成分以质量百分比计CaF2含量不小于95％；钛白粉的成分以质量百分比计TiO2含量不小于98％；石英的成分以质量百分比计SiO2含量不小于97％；云母的成分以质量百分比计SiO2含量为43％-50％，Al2O3含量为20％-35％，K2O+Na2O含量为7％-11％，K2O含量不小于6％；纯碱的成分以质量百分比计Na2CO3含量不小于98％。
5.如权利要求1或2所述的专用焊条，其特征在于，所述纳米氮化铬粉末的粒度小于100纳米；所述大理石、萤石、钛白粉、石英、云母、纯碱、电解锰、45#硅铁、钛铁、金属铬、高碳铬铁、钒铁、钼铁、钨粉、镍粉、氧化钇粉的粒度均为75微米～180微米。
6.如权利要求1所述的专用焊条，其特征在于，所述焊芯为H08A焊芯。
7.如权利要求6所述的专用焊条，其特征在于，所述H08A焊芯的直径为3.2mm-5.0mm，其化学成分以质量比计为：C不大于0.1％、Si不大于0.03％、Mn为0.3％～0.60％、Cr不大于0.2％、Ni不大于0.30％、Cu不大于0.2％、S不大于0.03％、P不大于0.03％、余为Fe。
8.权利要求1-7任一所述的用于热作模具修复堆焊的专用焊条的制备方法，其特征是，包括如下步骤：
(1)铁合金钝化将焊条药皮中硅铁、金属锰、金属铬和高碳铬铁进行钝化处理，在粉末颗粒的表面形成一层氧化膜；将45#硅铁、金属锰、金属铬和高碳铬铁分别焙烧；
(2)干混粉按焊条药皮配方的配比称量药粉，先将比重较小的大理石、萤石、钛白粉、石英、云母、纯碱、石墨按配方比例称量后混合，干混10-15分钟，获得非合金混合粉；然后将步骤(1)钝化的电解锰、45#硅铁、金属铬、高碳铬铁和无需钝化的钛铁、钒铁、钼铁、钨粉、镍粉、纳米氮化铬粉、氧化钇粉按配方比例称量后加入到非合金混合粉中，再继续混粉8-15分钟，获得干混粉；
(3)湿混粉在步骤(2)获得的干混粉中加入干混粉质量20％-30％的钠水玻璃，边加入钠水玻璃边混粉，湿混粉的时间为10-15分钟，获得湿粉；以上所述钠水玻璃的模数为2.8-3.0，波美度为47－49；
(4)压涂将步骤(3)制得的湿粉压涂在焊芯周围，制得湿焊条；药皮质量与焊芯质量之比为0.4-0.6；
(5)烘干将步骤(4)制得的湿焊条，在40-60℃下烘干3-5小时，然后再在350-400℃下烘干1-2小时，即得热作模具堆焊焊条成品。
9.权利要求1-7任一所述的专用焊条在处理热作模具钢中的应用，其特征在于，所述热作模具钢中含有Cr，Ni，Mo。
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