焊絲及其制備、應(yīng)用該焊絲強(qiáng)化熱作模具材料表面的方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于金屬材料表面技術(shù)領(lǐng)域，更具體地，涉及一種焊絲及其制備、以及應(yīng)用該焊絲強(qiáng)化熱作模具材料表面的方法，其中使用該焊絲強(qiáng)化熱作模具材料表面的方法是基于氣體保護(hù)焊，尤其適用于熱作模具表面的強(qiáng)化改性。
【背景技術(shù)】
[0002]熱作模具材料在服役期間高溫、高壓和循環(huán)應(yīng)力的作用下，其工作表面產(chǎn)生的熱疲勞表面裂紋以及高溫磨損是模具失效的主要形式，占所有失效模具的八成，而模具的制備成本很高(材料和加工)，生產(chǎn)周期長(zhǎng)(一般要幾個(gè)月的時(shí)間)，極大的降低了模具的使用性能和壽命。為了提高模具的壽命，需提高其工作表面的耐磨性能和材料的斷裂韌性。
[0003]傳統(tǒng)的方法是對(duì)碳合金化鋼進(jìn)行熱處理以獲得均勻一致的組織性能并使用表面淬火的方法來(lái)獲得高韌性、高耐磨性能的材料。但形成的表面由于冷卻速度的不同，往往形成不均勻的組織結(jié)構(gòu)，而且主要的強(qiáng)化相-鉻的碳化物在鋼基體中的彌散效果較差，高溫穩(wěn)定性能不足，在熱處理過(guò)程中容易使M23C6、M7C3等碳化物硬質(zhì)點(diǎn)過(guò)分長(zhǎng)大形成硬脆相。研究發(fā)現(xiàn)，若是能使用氮代替一部分碳來(lái)對(duì)鋼進(jìn)行固溶和合金強(qiáng)化，可以在不損失基體韌性的同時(shí)，析出具有高溫穩(wěn)定性能的氮化物合金質(zhì)點(diǎn)，提高鋼的硬度、耐磨性和高溫穩(wěn)定性;并且，氮比較于碳具有更好的固溶強(qiáng)化性能，氮的化合物也同時(shí)比碳化物具有更好的高溫穩(wěn)定性和彌散性。
[0004]目前業(yè)界實(shí)現(xiàn)氮代替部分碳使用的方法主要有兩種，一種是鑄造鋼的時(shí)候往里面通氮?dú)猓缓箝L(zhǎng)時(shí)間高溫高壓，使其固溶在基體中，固溶度高且均勻；另一種是表面滲氮、滲硼、滲碳或者二元，多元共滲可以形成一層很薄的(微米級(jí))的強(qiáng)化層，強(qiáng)度很高的表面。第一種方法一般用作大批量的鋼材生產(chǎn)，如H13鋼，但不易用于現(xiàn)場(chǎng)的模具再修復(fù)操作。第二種方法耗時(shí)太長(zhǎng)，一般需要四五個(gè)小時(shí)至十幾、二十多個(gè)小時(shí)，并且該方法需要真空環(huán)境，操作困難、成本高且對(duì)樣品尺寸有限制;強(qiáng)化層厚度不足，且強(qiáng)化效果沿著厚度方向分布極為不均，不能滿(mǎn)足受到循環(huán)機(jī)械/熱應(yīng)力作用下的熱作模具剛的要求。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的以上缺陷或改進(jìn)需求，本發(fā)明的目的在于提供一種焊絲及其制備、以及應(yīng)用該焊絲強(qiáng)化熱作模具材料表面的方法，其中通過(guò)對(duì)關(guān)鍵的預(yù)先設(shè)計(jì)焊絲的成分和配比，尤其是組成焊絲拉絲原料的合金粉末的成分和配比等進(jìn)行改進(jìn)，使得該焊絲尤其可應(yīng)用于熱作模具材料工作表面強(qiáng)化，與現(xiàn)有技術(shù)相比能夠有效解決目前通過(guò)表面淬火強(qiáng)化的熱作模具表面高溫工作性能不足的問(wèn)題，以及碳合金化鋼長(zhǎng)時(shí)間在高溫條件下容易出現(xiàn)脫碳軟化等組織惡化現(xiàn)象。
[0006]為實(shí)現(xiàn)上述目的，按照本發(fā)明的一個(gè)方面，提供了一種焊絲，其特征在于，該焊絲含有占該焊絲質(zhì)量85.2 %?89 %的鐵元素，并包括占該焊絲質(zhì)量5.71 %?6.98 %的鉻元素、0.86%?1.52%的碳元素、I.16 %?I.63 %的錳元素、0.56 %?0.84 %的釩元素、0.55%?1.0%的鈮元素、1.39%?1.63%的鉬元素、0.5%?1.1%的硅元素和0.08%?0.1%的氮元素。
[0007]作為本發(fā)明的進(jìn)一步優(yōu)選，所述焊絲包括占該焊絲質(zhì)量5.95%的鉻元素、1.11 %的碳元素、1.2%的猛元素、0.6%的f凡元素、0.6%的銀元素、1.50%的鉬元素、0.6%的娃元素和0.08%?0.1%的氮元素，余量為鐵元素。
[0008]作為本發(fā)明的進(jìn)一步優(yōu)選，所述焊絲包括占該焊絲質(zhì)量5.71%的鉻元素、1.4%的碳元素、1.2 %的猛元素、0.8 %的f凡元素、0.6 %的銀元素、1.5 %的鉬元素、0.8 %的娃元素和0.08 %的氮元素，余量為鐵元素。
[0009]作為本發(fā)明的進(jìn)一步優(yōu)選，所述焊絲包括占該焊絲質(zhì)量6.98%的鉻元素、0.86 %的碳元素、1.2 %的猛元素、0.56 %的f凡元素、1.0 %的銀元素、1.39 %的鉬元素、0.5 %的娃元素和0.1 %的氮元素，余量為鐵元素。
[0010]按照本發(fā)明的又一方面，本發(fā)明提供了一種制備上述焊絲的方法，其特征在于，包括以下步驟:
[0011](I)合金粉末的制備:
[0012]將高碳鉻鐵、電解錳、硅鐵、鉬鐵、氮化鉻和鐵粉混合均勻得到合金粉末，所述高碳絡(luò)鐵占所述合金粉末質(zhì)量的46%，所述電解猛占所述合金粉末質(zhì)量的6.5%，所述娃鐵占所述合金粉末質(zhì)量的4 %，所述鉬鐵占所述合金粉末質(zhì)量的13.5 %，所述氮化鉻占所述合金粉末質(zhì)量的4.5% ；
[0013](2)焊絲的制備:
[0014]將所述步驟(I)得到的合金粉末用拉絲機(jī)包裹進(jìn)H08A鋼帶中得到拉絲原料，所述合金粉末占該拉絲原料質(zhì)量的18%?20%，再將所述拉絲原料拉絲處理即得到焊絲。
[0015]作為本發(fā)明的進(jìn)一步優(yōu)選，所述步驟(2)得到的焊絲的直徑為1.2mm。
[0016]作為本發(fā)明的進(jìn)一步優(yōu)選，所述步驟(I)中的合金粉末還經(jīng)過(guò)過(guò)篩處理，該合金粉末的目數(shù)不小于60目。
[0017]按照本發(fā)明的另一方面，本發(fā)明提供了一種應(yīng)用上述焊絲強(qiáng)化熱作模具材料表面的方法，其特征在于，包括以下步驟:
[0018](I)使用焊絲對(duì)待強(qiáng)化的熱作模具材料進(jìn)行焊接處理:
[0019]將待強(qiáng)化的熱作模具材料作為母材，去除該母材表面上的氧化物和污染物;接著，在CO2氣體保護(hù)下將焊絲熔化焊接在該母材表面上，形成多道多層焊，該多道多層焊即硬面合金層；
[0020](2)回火處理:
[0021 ]將步驟(I)得到的表面焊接有硬面合金層的所述母材，在％保護(hù)氣氛條件下、于550°C?580°C下回火處理至少2h，最終得到表面強(qiáng)化的熱作模具材料。
[0022]作為本發(fā)明的進(jìn)一步優(yōu)選，所述步驟(I)中的多層多道焊的層數(shù)為3層?5層。
[0023]作為本發(fā)明的進(jìn)一步優(yōu)選，所述步驟(I)得到的硬面合金層的上表面還經(jīng)過(guò)打磨處理。
[0024]作為本發(fā)明的進(jìn)一步優(yōu)選，所述步驟(I)中的所述待強(qiáng)化的熱作模具材料為耐熱鋼;優(yōu)選為馬氏體耐熱鋼;優(yōu)選為ICrl IMoV鋼。
[0025]本發(fā)明中的焊絲通過(guò)預(yù)先設(shè)計(jì)焊絲的成分和配比(尤其是組成焊絲拉絲原料的合金粉末的成分和配比)，使得該焊絲尤其可應(yīng)用于熱作模具材料(如耐熱鋼)工作表面強(qiáng)化；通過(guò)控制焊接過(guò)程的工藝參數(shù)，利用CO2氣體保護(hù)焊的方法在普通耐熱鋼板表面熔覆一層致密均勻的氮合金化硬面合金層，通過(guò)多道焊的方法形成一層內(nèi)韌外強(qiáng)的梯度馬氏體鋼材料;并通過(guò)在接近模具實(shí)際使用的溫度下進(jìn)行回火退應(yīng)力，在回火過(guò)程中，碳氮化合物持續(xù)析出，形成細(xì)小而彌散的硬質(zhì)點(diǎn)分布，得到的強(qiáng)化后的熱作模具材料在500?600°C溫度范圍內(nèi)具有良好的高溫穩(wěn)定性能和力學(xué)性能，可提高模具的使用壽命，并可用于修復(fù)易受損失效的模具;該強(qiáng)化方法簡(jiǎn)單易行，不受模具自身尺寸形狀限制，便于工業(yè)化生產(chǎn)。
[0026]本發(fā)明采用CO2氣體保護(hù)手工電弧焊，在普通耐熱鋼(優(yōu)選為韌性較高的鋼，更優(yōu)選為馬氏體鋼，如ICrllMoV)表面熔覆一層高性能的硬面層金屬在制造或者修復(fù)熱鍛模具，可高效地將氮元素通過(guò)合金態(tài)的形式對(duì)模具鋼基體進(jìn)行合金強(qiáng)化。焊后將硬面合金置于N2壓力氣氛下550°C進(jìn)行回火2小時(shí)，消除殘余應(yīng)力和改善組織性能，獲得高溫力學(xué)性能良好的新的熱作模具工作表面。
[0027]本發(fā)明中應(yīng)用特制焊絲的、基于氣體保護(hù)焊的熱作模具材料表面強(qiáng)化方法具有快速易操作的特點(diǎn)，強(qiáng)化層厚度為毫米甚至厘米級(jí)的，且可以通過(guò)探傷檢測(cè)和模擬不同條件下的模具損傷機(jī)制，通過(guò)調(diào)整焊絲成分，獲得不同性能的工作表面(耐磨、硬度、韌度不同)；例如，對(duì)于易凹陷的區(qū)域使其強(qiáng)化后的強(qiáng)度高，對(duì)于易磨損的區(qū)域使其強(qiáng)化后的耐磨性好，而對(duì)于不易損傷的區(qū)域，只要其強(qiáng)化前的耐磨性能滿(mǎn)足使用要求，則對(duì)該不易損傷的區(qū)域則無(wú)需更強(qiáng)化，從而降低成本，另一方面，也可以使得一套模具表面盡可能達(dá)到等壽命失效，提高熱作模具材料的材料利用效率。綜上，具有以下有益效果:
[0028]1.實(shí)施過(guò)程簡(jiǎn)單易行，可以現(xiàn)場(chǎng)對(duì)受損模具進(jìn)行修復(fù)再制造處理，不受模具尺寸形狀的限制，便于工業(yè)化生產(chǎn)，且焊層和母材結(jié)合性能良好，不宜脫落；
[0029]2.可以顯著提高熱作模具表面工作性能，尤其是高溫力學(xué)性能，甚至能達(dá)到和超過(guò)熱作模具鋼自身性能；
[0030]3.由于本發(fā)明是將硬面合金熔覆于普通耐熱鋼板表面，可大大節(jié)省昂貴的模具鋼材料用量，降低生產(chǎn)成本；
[0031]4.通過(guò)調(diào)節(jié)焊絲的成分配比，如組成拉絲原料的合金粉末的配比含量，使位于母材表面的硬面合金層可以與母材綜合形成內(nèi)韌外強(qiáng)的梯度結(jié)構(gòu)，有利于提高模具的疲勞抗力。
【附圖說(shuō)明】
[0032]圖1是焊絲熔化在母材表面形成多道多層焊示意圖，其中的矩形方框即為硬面合金的有效工作層示意;該矩形方框一般處在多層多道焊的第3層以及以上層;在該矩形方框以下、更靠近母材表面的區(qū)域(如第I層焊或第2層焊)，由于這些區(qū)域的硬面合金層會(huì)被熔化的母材成分稀釋?zhuān)g性較高而強(qiáng)度較低，一般不作為強(qiáng)化后的熱作模具材料的最外表面；多層多道焊的層數(shù)越多，硬面合金的有效工作層的厚度就越厚，耐磨損的性能就越好;考慮到層數(shù)越多，成本就越高，一般多層多道焊為三層?五層焊。
【具體實(shí)施方式】
[0033]為了使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案及優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白，以下結(jié)合附圖及實(shí)施例，對(duì)本發(fā)明進(jìn)行進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明。應(yīng)當(dāng)理解，此處