CN109894772B - 一种用于拳头式仿生结构大型热锻模具皮肤层的药芯丝材及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于拳头式仿生结构大型热锻模具皮肤层的药芯丝材及其制备方法，该药芯丝材中药芯的化学成分以质量百分数计，包括碳元素含量0.3‑0.7%，锰元素含量2.2‑2.8%、硅元素含量0.2‑0.6%、磷元素含量≤0.02%、硫元素含量≤0.02%、铬元素含量14‑20%、钼元素含量1.6‑2.0%、钨元素含量2.0‑2.8%、铌元素含量0.2‑0.6%、钒元素含量0.4‑1.0%，余量为镍和杂质。该药芯丝材常温下强硬度适中，可有效减少表面高硬度带来的表层裂纹、难于机加工等问题，但在600℃左右工况下强硬度稳定性和抗氧化性强并具有冲击强化效应，非常适用于高温重载工况下耐磨损、抗变形性能要求高的大型锻模皮肤层，使得模具寿命显著提升。

Description

一种用于拳头式仿生结构大型热锻模具皮肤层的药芯丝材及 其制备方法

技术领域

本发明属于焊接材料技术领域，尤其涉及一种用于拳头式仿生结构大型热锻模具皮肤层的药芯丝材及其制备方法。

背景技术

随着我国航空航天、核电、石化等国家战略需求领域的迅速发展，对大型化、整体化、精密化的高性能关键构件的需求日益增加。我国机械行业的重大标志性成果，世界最大模锻液压机（800MN模锻压机）应运而生。该压机自投产以来，在国家重点领域大型关键构件的锻造成形过程中发挥了不可替代的作用，锻件材料主要包括铝合金、高温合金、钛合金等。其使用的大型锻造模具不仅面临着重量大（单套重量高达50～100吨）、制造成本高（单套成本高达400~500万元）、制造周期长等问题，而且按照传统方法制造的均质大型锻模（常用材料为5CrNiMo、H13等热作模具钢）由于锻压工步持续时间长（部分难变形材料锻件成形时间≥2 min），在高温重载工况下模具极易发生表面开裂、磨损、剧烈塑性变形等问题，寿命极低。

为解决上述问题，本团队曾申请并授权了“一种基于铸钢基体的双层金属堆焊制备锻模的方法”（发明专利号：ZL200910104604X）和“一种夹心层锻模及锻模夹心层堆焊的制备方法”（发明专利号：ZL 2015101716564）的发明专利，按照上述发明专利中硬度梯度增加的思路制备大型锻模，尽管锻模表面硬度可达到HRC50以上，但是在长时间高温重载下，锻压一件结束时模具表层硬度明显降低约HRC10度以上，导致较大的塑性变形和高温磨损，且高硬度表面层易导致表层裂纹和难于机加工的问题。

为此，本团队又申请了一件名称为“一种拳头式仿生结构大型热锻模具及其制造方法（申请号：201810063775.1）”的发明专利，该专利中是将现有研究“一种基于铸钢基体的双层金属堆焊制备锻模的方法”（发明专利号：ZL200910104604X）制备的锻模（表层硬度达到HRC50）作为大型锻模的“骨头”，可起到良好的结构支撑作用。进而通过电弧熔丝增材一层常温下硬度较低（HRC25-30左右）的镍基或钴基高温合金软材料作为“皮肤”层，在高温工况下“皮肤层”强硬度稳定性和抗氧化性强并具有冲击强化效应，能够有效保护模具结构安全。因此，需要研发一种专门用于拳头式仿生结构大型锻模皮肤层的药芯丝材，实现大型锻模常温下强硬度分布为“低-中-高-中”，减少表面高硬度带来的表层裂纹、难于机加工等问题，但在工况高温条件下（600℃以上），皮肤层材料通过碳化物强化和固溶强化使模具强硬度分布变为“低-中-高-高”，有效提高大型锻模在高温重载工况下的耐磨损、抗变形性能。

发明内容

针对上述现有技术的不足，本发明所要解决的技术问题是：如何提供一种用于拳头式仿生结构大型热锻模具皮肤层的药芯丝材，该药芯丝材常温下强硬度适中，有利于减少高硬度导致的表面裂纹和难于机加工问题，同时在高温重载工况下具有良好的强硬度稳定性和抗氧化性并具有冲击强化效应，起到耐磨损、抗变形作用；同时还提供了一种用于拳头式仿生结构大型热锻模具皮肤层的药芯丝材的制备方法。

为了解决上述技术问题，本发明采用了如下的技术方案：

一种用于拳头式仿生结构大型热锻模具皮肤层的药芯丝材，该药芯丝材中药芯的化学成分以质量百分数计，包括碳元素含量0.3-0.7%，锰元素含量2.2-2.8%、硅元素含量0.2-0.6%、磷元素含量≤0.02%、硫元素含量≤0.02%、铬元素含量14-20%、钼元素含量1.6-2.0%、钨元素含量2.0-2.8%、铌元素含量0.2-0.6%、钒元素含量0.4-1.0%，余量为镍和杂质。

本技术方案中，通过对拳头式仿生结构大型热锻模具皮肤层材料的组成和配比进行大量研究，制备得到了药芯丝材，然后通过电弧熔丝增材技术制备得到大型锻模皮肤层，满足高温重载工况下性能要求，不易出现磨损、塑性变形和开裂的情况，并且还能够提高与骨头层之间的结合强度（≥750 MPa）。硅、锰、碳（石墨粉）元素起到脱氧固定，增强自保护的作用；含铬的质量百分比为14-20%，这是为了提高铬碳比，形成以Cr23C6为主的网络状铬碳化合物，作为高温耐磨骨架的同时保持良好的塑韧性，为镍基固溶体提供支撑；钼、钨元素均为强碳化物的形成元素，它们不仅能够与铬、碳元素形成少量复合碳化物进一步提高丝材的高温耐磨性，还能够在熔池中优先析出，弥散分布细化组织，提高堆焊层组织塑韧性；适量的铌和钒元素可以使堆焊合金共晶组织细化，形成的颗粒状Nb 和V碳化物均匀分布于堆焊层中，改善堆焊层高温耐磨性和塑韧性；镍是非碳化物形成元素，镍基合金对降低过热敏感性、沉淀强化和提高高温下强硬度起到关键作用。因此，使得本发明制得的药芯丝材堆焊形成的皮肤层力学性能能够满足下列要求：常温下屈服强度σs≥700MPa，抗拉强度σb≥980MPa，延伸率δ≥16.6%，收缩率Ψ≥20.5%，冲击功Akv≥35J，与骨头层结合强度≥750MPa；高温600℃下压缩强度≥500MPa。使用本发明提供的药芯焊丝制备的仿生结构大型锻模皮肤层，不易发生高温磨损、塑性变形和开裂的情况，大型热锻模具的使用寿命得以大幅提高。

作为优化，该药芯丝材中药芯的化学成分以质量百分数计，包括碳元素含量0.5%，锰元素含量2.5%、硅元素含量0.4%、磷元素含量0.006%、硫元素含量0.009%、铬元素含量17%、钼元素含量1.8%、钨元素含量2.4%、铌元素含量0.4%、钒元素含量0.7%，余量为镍和杂质。采用上述原料组成和原料配比制备的药芯丝材，用于电弧熔丝增材制备大型热锻模具皮肤层时，在常温和工况温度下的力学性能最优，常温下屈服强度σs达到890MPa，抗拉强度σb达到1130MPa，延伸率δ为18.6%，收缩率Ψ为26.1%，冲击功Akv为38.8J，高温600℃下压缩强度585MPa。

用于拳头式仿生结构大型热锻模具皮肤层的药芯丝材的制备方法，包括以下步骤：

1）将原材料在120℃下分别烘干1h，采用80目筛子分别对干燥后的各种原材料进行筛分，将筛分后的原材料在80℃的环境下保存备用；

2）按照需求称取药芯丝材药芯的原材料，并将称取的原材料加入到混料机中混合2h，得到药芯粉末；

3）获取H08A钢带进行超声波清洗并干燥后，将H08A钢带的横截面加工呈U型结构，然后用加粉器将步骤2）中得到的药芯粉末加入H08A钢带中后进行轧制成型，最后将H08A钢带合口形成药芯丝材基体；

4）采用拉丝模将步骤3）中得到药芯丝材基体进行拉拔减径，得到直径为1.2~2.7mm的药芯丝材。

作为优化，所述步骤4）中得到的药芯丝材的直径为2.4mm。

本技术方案中，通过对药芯丝材成分和配比的设计，使得本发明制得的药芯焊丝在常温下的硬度约为HRC25-30，使得药芯焊丝在常温下的强硬度和塑韧性更为均衡，避免表面高硬度导致的表层开裂和难于机加工；另外，通过本发明中的药芯丝材电弧增材形成的大型锻模皮肤层，在长时间高温重载的极端工况下，在高温冲击载荷作用下，内部组织会产生大量的位错和孪晶，随着冲击载荷的作用，各位错之间、位错与孪晶之间互交割缠结，形成高密度的胞状结构，进而使得位错运动受阻，明显改善高温耐磨性。同时，形成的NiW、VC、NbC等少量硬质相和析出的少量弥散碳化物颗粒，使其具有明显的冲击硬化效果，使得“皮肤”层在保持较好塑韧性的同时，不容易出现磨损、变形和开裂等情况。

与现有技术相比，本发明具有如下优点：

（1）本发明通过对拳头式仿生结构大型热锻模具皮肤层原料的组成和配比进行了大量的研究，制备得到药芯丝材，使得药芯丝材在大型热锻模具电弧增材制备工艺中形成的皮肤层的力学性能可以达到：常温下屈服强度σs≥700MPa，抗拉强度σb≥980MPa，延伸率δ≥16.6%，收缩率Ψ≥20.5%，冲击功Akv≥35J，与“骨头”层结合强度≥750 MPa；高温600℃下压缩强度≥500MPa。使得本发明提供的药芯丝材制备的仿生结构大型锻模皮肤层不易发生高温磨损、塑性变形和开裂的情况，使得大型热锻模具的使用寿命大幅提高。

（2）本发明制得的药芯丝材在常温下的硬度约为HRC25-30，使得药芯焊丝在常温下的强硬度和塑韧性更为均衡，避免表面高硬度导致的表层开裂和难于机加工；另外，本发明中的药芯焊丝制备的大型锻模皮肤层在高温重载的极端工况下，通过冲击硬化、碳化物强化和固溶强化，在保持较好塑韧性的同时，不容易出现磨损、塑性变形和开裂等情况。

（3）本发明药芯焊丝中药芯含有适量的硅、锰等元素，在保证皮肤层良好的抗磨损、抗变形和热稳定性能同时，在焊接过程中，药芯丝材中的硅、锰等在焊接过程中与氧气反应，对正在焊接的药芯焊材形成自保护作用。因此药芯焊材在增材制备皮肤层的过程中焊缝美观，使得多道多层焊接时不需要清渣，提高皮肤层制备效率。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明作进一步详细说明。下述实施例所描述的具体药芯丝材中药芯的组分配比、工艺条件及其结果是为了更好的解释本发明,而不构成对本发明保护范围的限定。

实施例1：

1）将原材料碳、锰、硅、磷、硫、铬、钼、钨、铌、钒和镍在120℃下分别烘干1h，采用80目筛子分别对干燥后的各种原材料进行筛分，将筛分后的原材料在80℃的环境下保存备用；

2）按照下列配比称取药芯丝材的原材料：碳元素含量0.7%，锰元素含量2.8%、硅元素含量0.6%、磷元素含量0.02%、硫元素含量0.02%、铬元素含量20%、钼元素含量2.0%、钨元素含量2.8%、铌元素含量0.6%、钒元素含量1.0%，余量为镍。将称取的原材料加入到混料机中混合2h，得到药芯粉末；

3）获取H08A钢带进行超声波清洗并干燥后，将H08A钢带的横截面加工呈U型结构，然后用加粉器将步骤2）中得到的药芯粉末加入H08A钢带中后进行轧制成型，然后将H08A钢带合口形成药芯丝材基体；

4）采用拉丝模将步骤3）中得到药芯丝材基体进行拉拔减径，得到直径为2.4mm的药芯丝材。

在3块大型热锻模具试样的型腔表面上分别堆焊3层实施例1中得到的皮肤层药芯丝材得到试样1、2、3；控制焊接电流为130A，焊接电压为26V，焊接速度为0.3m/min。层间焊接温度控制在300℃。对药芯丝材的焊接工艺性能和形成的皮肤层的力学性能进行检测得到表1。

表1为实施例1中试样1、2、3的焊接工艺性能和药芯丝材堆焊3层形成的皮肤层的力学性能表

	理论值	试样1	试样2	试样3
					表面成型性	~	优	优	优
电弧稳定性	~	良	优	优
					常温硬度HRC	25-30	27.8	27.6	27.2
屈服强度σs /MPa	≥700	816	822	837
					抗拉强度σb /MPa	≥980	1030	1073	1108
650℃压缩强度/MPa	≥500	532	556	550
					断面收缩率Ψ/%	≥20.5	21.9	21.6	21.8
延伸率δ/%	≥16.6	17.4	17.0	17.2
					冲击功AKv/J	≥35	36.7	37.0	37.2

实施例2：

1）将原材料碳、锰、硅、磷、硫、铬、钼、钨、铌、钒和镍在120℃下分别烘干1h，采用80目筛子分别对干燥后的各种原材料进行筛分，将筛分后的原材料在80℃的环境下保存备用；

2）按照下列配比称取药芯焊丝药芯的原材料：碳元素含量0.5%，锰元素含量2.5%、硅元素含量0.4%、磷元素含量0.006%、硫元素含量0.009%、铬元素含量17%、钼元素含量1.8%、钨元素含量2.4%、铌元素含量0.4%、钒元素含量0.7%，余量为镍。将称取的原材料加入到混料机中混合2h，得到药芯粉末；

3）获取H08A钢带进行超声波清洗并干燥后，将H08A钢带的横截面加工呈U型结构，然后用加粉器将步骤2）中得到的药芯粉末加入H08A钢带中后进行轧制成型，然后将H08A钢带合口形成药芯丝材基体；

4）采用拉丝模将步骤3）中得到药芯丝材基体进行拉拔减径，得到直径为2.4mm的药芯丝材。

分别在3块大型热锻模具试样的型腔表面上分别堆焊3层实施例2中得到的“皮肤”层药芯焊丝得到试样4、5、6；控制焊接电流为130A，焊接电压为26V，焊接速度为0.3m/min。层间焊接温度控制在300℃。对药芯丝材的焊接工艺性能和形成的皮肤层的力学性能进行检测得到表2。

表2为实施例2中试样4、5、6的焊接工艺性能和药芯丝材堆焊3层形成的皮肤层的力学性能表

	理论值	试样4	试样5	试样6
					表面成型性	~	优	优	优
电弧稳定性	~	优	优	良
					常温硬度HRC	25-30	27.2	27.0	27.5
屈服强度σs /MPa	≥700	890	882	880
					抗拉强度σb /MPa	≥980	1105	1080	1130
600℃压缩强度/MPa	≥500	578	580	585
					断面收缩率Ψ/%	≥20.5	25.5	26.1	25.6
延伸率δ/%	≥16.6	18.0	18.6	18.6
					冲击功AKv/J	≥35	37.6	38.8	37.2

实施例3：

1）将原材料碳、锰、硅、磷、硫、铬、钼、钨、铌、钒和镍在120℃下分别烘干1h，采用80目筛子分别对干燥后的各种原材料进行筛分，将筛分后的原材料在80℃的环境下保存备用；

2）按照下列配比称取药芯焊丝药芯的原材料：碳元素含量0.3%，锰元素含量2.2%、硅元素含量0.2%、磷元素含量0.003%、硫元素含量0.006%、铬元素含量14%、钼元素含量1.6%、钨元素含量2.0%、铌元素含量0.2%、钒元素含量0.4%，余量为镍。将称取的原材料加入到混料机中混合2h，得到药芯粉末；

3）获取H08A钢带进行超声波清洗并干燥后，将H08A钢带的横截面加工呈U型结构，然后用加粉器将步骤2）中得到的药芯粉末加入H08A钢带中后进行轧制成型，然后将H08A钢带合口形成药芯丝材基体；

4）采用拉丝模将步骤3）中得到药芯丝材基体进行拉拔减径，得到直径为2.4mm的药芯丝材。

分别在3块大型热锻模具试样的型腔表面上分别堆焊3层实施例3中得到的皮肤层药芯丝材得到试样7、8、9；控制焊接电流为130A，焊接电压为26V，焊接速度为0.3m/min。层间焊接温度控制在300℃。对药芯丝材的焊接工艺性能和形成的皮肤层的力学性能进行检测得到表3。

表3为实施例3中试样7、8、9的焊接工艺性能和药芯丝材堆焊3层形成的皮肤层的力学性能表

	理论值	试样7	试样8	试样9
					表面成型性	~	优	优	优
电弧稳定性	~	良	优	优
					常温硬度HRC	25-30	26.0	26.0	26.3
屈服强度σs /MPa	≥700	832	838	836
					抗拉强度σb /MPa	≥980	1060	1082	1090
600℃压缩强度/MPa	≥500	580	576	578
					断面收缩率Ψ/%	≥20.5	24.8	25.2	25.0
延伸率δ/%	≥16.6	16.8	17.0	17.4
					冲击功AKv/J	≥35	36.7	37.2	37.5

最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (5)

1.一种用于拳头式仿生结构大型热锻模具皮肤层的药芯丝材，其特征在于：该药芯丝材中药芯的化学成分以质量百分数计，包括碳元素含量0.3-0.7%，锰元素含量2.2-2.8%、硅元素含量0.2-0.6%、磷元素含量≤0.02%、硫元素含量≤0.02%、铬元素含量14-20%、钼元素含量1.6-2.0%、钨元素含量2.0-2.8%、铌元素含量0.2-0.6%、钒元素含量0.4-1.0%，余量为镍和杂质。

2.根据权利要求1所述的一种用于拳头式仿生结构大型热锻模具皮肤层的药芯丝材，其特征在于：该药芯丝材中药芯的化学成分以质量百分数计，包括碳元素含量0.5%，锰元素含量2.5%、硅元素含量0.4%、磷元素含量0.006%、硫元素含量0.009%、铬元素含量17%、钼元素含量1.8%、钨元素含量2.4%、铌元素含量0.4%、钒元素含量0.7%，余量为镍和杂质。

3.根据权利要求1所述的一种用于拳头式仿生结构大型热锻模具皮肤层的药芯丝材，其特征在于：所述药芯丝材堆焊形成的皮肤层在常温下的力学性能为：屈服强度σs≥700MPa，抗拉强度σb≥980MPa，延伸率δ≥16.6%，收缩率Ψ≥20.5%，冲击功Akv≥35J，与“骨头”层结合强度≥750 MPa；高温600℃下压缩强度≥500MPa。

4.根据权利要求1-3任一项所述的用于拳头式仿生结构大型热锻模具皮肤层的药芯丝材的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

1）将原材料在120℃下分别烘干1h，采用80目筛子分别对干燥后的各种原材料进行筛分，将筛分后的原材料在80℃的环境下保存备用；

2）按照需求称取药芯丝材药芯的原材料，并将称取的原材料加入到混料机中混合2h，得到药芯粉末；

3）获取H08A钢带进行超声波清洗并干燥后，将H08A钢带的横截面加工呈U型结构，然后用加粉器将步骤2）中得到的药芯粉末加入H08A钢带中后进行轧制成型，最后将H08A钢带合口形成药芯丝材基体；

4）采用拉丝模将步骤3）中得到药芯丝材基体进行拉拔减径，得到直径为1.2~2.7mm的药芯丝材。

5.根据权利要求4所述的一种用于拳头式仿生结构大型热锻模具皮肤层的药芯丝材的制备方法，其特征在于：所述步骤4）中得到的药芯丝材的直径为2.4mm。