CN107225339A - 一种用于大型热锻模具夹心层的自保护药芯丝材及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于大型热锻模具夹心层的自保护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，碳元素含量0.24‑0.4%、硅元素含量0.2‑0.6%、锰元素含量0.8‑1.2%、磷元素含量≤0.02%、硫元素含量≤0.02%、铬元素含量1.8‑2.5%、镍元素含量1.8‑2.5%、钼元素含量1.2‑1.6%，钒元素含量13‑18%，余量为铁和杂质。本发明提供了一种用于大型热锻模具夹心层的自保护药芯丝材，使得夹心层材料在高温重载的极端工况下，夹心层的弹性变形和应力扩散能力提高，夹心层与铸钢模具基体和过渡层之间的结合强度增大以及夹心层的成型质量和焊接工艺性更好。

Description

一种用于大型热锻模具夹心层的自保护药芯丝材及其制备 方法

技术领域

本发明属于焊接材料制造技术领域，具体涉及一种用于大型热锻模具夹心层的自保护药芯丝材及其制备方法。

背景技术

我国机械行业重大标志性成果8万吨模锻液压机(世界上最大的模锻液压机)自2013年投产使用以来，在航空航天、能源、船舶等领域大型关键零件的制造中发挥了不可替代的作用。现在将8万吨模锻液压机与大型热锻模具(单套重量达60～100吨)配合成形难变形材料(如钛合金、高温合金、超高强度钢等)，此时，大型热锻模具型腔的工作区域处于高温(350-700℃)重载(4万吨以上载荷)等极端工况下，使得大型热锻模具型腔的工作区域极易产生磨损、变形、开裂等失效问题，导致大型热锻模具在锻造2-3件锻件之后，形变量达到10mm以上，使得大型热锻模具无法在继续使用；另外，由于现在的大型热锻模具的尺寸大(大型热锻模具的单边尺寸大3-6m，型腔投影面积可达3-5㎡)；导致大型热锻模具的使用寿命极短、成本极高。

目前公开号为CN104741499A，专利名称为“一种夹心层锻模及锻模夹心层堆焊的制备方法”的中国专利公开了通过在模具基体与过渡层之间堆焊一层夹心层的设计方式，使得，在高压下允许夹心层发生较大弹性变形甚至微小塑性变形，将模具型腔下面的集中峰值应力迅速扩散衰减，并以近似均匀分布应力传递到铸钢基体层上，从而使铸钢基体所受的最大应力减低，铸钢基体在承压时更加安全，避免峰值应力直接导致铸钢基体产生裂纹，有效地解决了现有的大型热锻模具在高温重载的条件下容易发生严重塑性变形、开裂、寿命短等技术问题。

虽然目前提出通过在过渡层与模具基体之间设置夹心层的方式来解决大型热锻模具使用寿命短的问题，但是目前还没有见到有关夹心层材料相关研究的报道。

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：提供一种用于大型热锻模具夹心层的自保护药芯丝材，解决了现有的夹心层材料在高温重载的极端工况下，夹心层的弹性变形和应力扩散能力差，夹心层与铸钢基体和过渡层之间的结合强度小以及夹心层的成型质量和焊接工艺性能差的技术问题；同时还提供了一种用于大型热锻模具夹心层的自保护药芯丝材的制备方法。

为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案如下：

一种用于大型热锻模具夹心层的自保护药芯丝材，该药芯丝材中药芯的化学成分以质量百分数计，碳元素含量0.24-0.4％、硅元素含量0.2-0.6％、锰元素含量0.8-1.2％、磷元素含量≤0.02％、硫元素含量≤0.02％、铬元素含量1.8-2.5％、镍元素含量1.8-2.5％、钼元素含量1.2-1.6％，钒元素含量13-18％，余量为铁和杂质。

本技术方案中，通过对夹心层材料组分和组分的百分比含量进行了大量的试验，使得通过本发明提供的药芯丝材堆焊形成的大型热锻模具夹心层能够满足在8万吨模锻液压机上成形大型难变形锻件的性能要求，因为，本技术方案中含钒量为13-18％，在夹心层中形成颗粒状均匀分布的V-C型化合物，提高热稳定性和韧性；含铬量为1.8-2.5％，形成适量的网状Cr-C型碳化物，作为高温抗变形骨架；钼元素为强碳化物形成元素，它不仅能够与铬、碳元素形成复合碳化物进一步提高丝材的高温稳定性和抗裂性，还能够在熔池中优先析出，弥散分布细化组织；镍是非碳化物形成元素，适量的镍强化基体，降低过热敏感性，起到沉淀强化的作用，在提高钢的强度和硬度的同时保持良好的韧性；硅、锰、碳到脱氧固定，增强自保护的作用；因此，使得本发明制得的药芯丝材堆焊形成的夹心层在常温下力学性能能够满足下列要求：屈服强度σs≥750MPa，抗拉度σb≥1000MPa，400℃时的压缩强度≥750MPa，延伸率δ≥25％，收缩率Ψ≥35％，冲击功Akv≥40J；使得本发明提供的药芯丝材堆焊成形的夹心层在高温(400℃左右)重载(4万吨以上)的极端工况条件下，夹心层能够发生较大的弹性变形，并且夹心层只会发生微小的塑性变形，甚至不发生塑性变形，使得可以将大型热锻模具型腔下面的集中峰值应力(通常呈楔形，危害大)迅速扩散衰减，并以近似均匀分布应力传递到铸钢基体层上，保护大型热锻模具整体结构的安全性，尤其保护模具基体不会被损坏，避免造成巨大损失；并且本发明制得的药芯丝材的硬度适中，具有良好的塑性和韧性，同时合金组分搭配合理，与铸钢基体和过渡层材料形成良好过渡，使得本发明中夹心层与模具基体和过渡层的结合强度高，能够有效提升8万吨模锻液压机上高温重载下难变形材料的模锻成型能力。

作为优选地，该药芯丝材中药芯的化学成分以质量百分数计，碳元素含量0.32％、硅元素含量0.4％、锰元素含量1.0％、磷元素含量0.01％、硫元素含量0.01％、铬元素含量2.2％、镍元素含量2.1％、钼元素含量1.4％，钒元素含量16％，余量为铁和杂质。药芯丝材采用上述配比使药芯丝材堆焊的焊接工艺性能更好，以及通过药芯丝材堆焊成形的夹心层的力学性能更好，保证了本发明中制备的药芯丝材的塑性、韧性、强度和硬度等力学性能更均衡。

权利要求1-4中任意一项所述的用于大型热锻模具夹心层的自保护药芯丝材的制备方法，包括如下步骤：

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；使得可以有效控制原材料粒度，使其更均匀，提升脱氧剂反应活性和焊接冶金过程的自保护效果。

2)按照需求称取原材料，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1.6～3.2mm的药芯丝材。

作为优选地，所述步骤4)中得到的药芯丝材的直径为2.4mm。

将药芯丝材的直径设置为2.4mm，这样可以通过在大型热锻模具型腔中的表面上堆焊3-5层药芯丝材就可形成夹心层，一方面避免了堆焊层数过少，导致夹心层的组织结构难以控制，影响夹心层的作用；另一方面，避免堆焊层数过多，导致夹心层受到的热影响大，并且焊接工作量大，堆焊效率低；因此，本发明保证了夹心层的韧性和塑性性能，使得夹心层对大型热锻模具型腔下面的集中峰值应力的扩散能力更好的同时，保证夹心层堆焊效率更高。

与现有技术相比，本发明具有如下的优点：

(1)本技术方案中，通过对夹心层材料组分和组分的百分比含量进行了大量的试验，使得本发明制得的药芯丝材堆焊形成的夹心层在常温下力学性能能够满足下列要求：屈服强度σs≥750MPa，抗拉度σb≥1000Mpa，400℃时的压缩强度≥750MPa，延伸率δ≥25％，收缩率Ψ≥35％，冲击功Akv≥40J；因此，本发明提供的药芯丝材堆焊成形的夹心层在高温(400℃左右)重载(4万吨以上)的极端工况条件下，夹心层能够发生较大的弹性变形，并且夹心层只会发生微小的塑性变形，甚至不发生塑性变形，使得可以将大型热锻模具型腔下面的集中峰值应力(通常呈楔形，危害大)迅速扩散衰减，并以近似均匀分布应力传递到铸钢基体层上，保护大型热锻模具整体结构的安全性。

(2)本发明中制得的药芯丝材在常温下的硬度适中，并且对药芯丝材的组分和含量设计，使得药芯丝材的堆焊过程中的焊接工艺性能良好，使得通过药芯丝材堆焊形成的夹心层具有良好的塑性和韧性，同时使得夹心层分别铸钢模具基体和过渡层之间的结合强度达到1000MPa以上；能够有效提升8万吨模锻液压机上高温重载下难变形材料的模锻成型能力。

(3)本发明中提供的药芯丝材的组分中含有适量的硅、锰等元素，在保证夹心层良好的韧性和塑性的同时，还使得在焊接过程中，药芯丝材中的硅、锰等在焊接过程中与氧气反应，因此不需要在焊接的过程中通入氩气或者二氧化碳作为保护气体，使得药芯丝材在焊接的过程形成无氧的焊接环境能够对正在焊接的药芯丝材形成自保护作用，因此在药芯丝材在堆焊形成夹心层的过程中几乎不产生氧化皮，焊缝美观，还使得多道多层焊接时不需要清渣，提高表夹心层堆焊的效率的同时，使得堆焊形成的夹心层的质量更好，使得夹心层对保护铸钢模具基体的作用更好。

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。下述实施例所描述具体药芯丝材中药芯组分的配比、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中的药芯原材料：碳元素含量0.32％、硅元素含量0.4％、锰元素含量1％、磷元素含量0.01％、硫元素含量0.01％、铬元素含量2.2％、镍元素含量2.1％、钼元素含量1.4％，钒元素含量16％，余量为铁，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。

分别将实施例1中得到的夹心层自保护药芯丝材堆焊3次得到试样1、2、3；控制焊接电流为250A，焊接电压为28V，焊接速度为0.4m/min。层间焊接温度控制在300℃。对得到的试样1、2、3的焊接工艺性能和对焊接形成的夹心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次形成的夹心层的力学性能表

实施例2

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)按照下列配比称取药芯丝材中的药芯原材料：碳元素含量0.24％、硅元素含量0.2％、锰元素含量0.8％、磷元素含量0.01％、硫元素含量0.01％、铬元素含量1.8％、镍元素含量1.8％、钼元素含量1.2％，钒元素含量13％，余量为铁，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。

分别将实施例2中得到的夹心层自保护药芯丝材堆焊3次得到试样4、5、6；控制焊接电流为250A，焊接电压为28V，焊接速度为0.4m/min。层间焊接温度控制在300℃。对得到的试样4、5、6的焊接工艺性能和对焊接形成的夹心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次形成的夹心层的力学性能表

实施例3

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)按照下列配比称取药芯丝材中的药芯原材料：碳元素含量0.4％、硅元素含量0.6％、锰元素含量1.2％、磷元素含量0.01％、硫元素含量0.01％、铬元素含量2.5％、镍元素含量2.5％、钼元素含量1.6％，钒元素含量18％，余量为铁，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。

分别将实施例3中得到的夹心层自保护药芯丝材堆焊3次得到试样7、8、9；控制焊接电流为250A，焊接电压为28V，焊接速度为0.4m/min。层间焊接温度控制在300℃。对得到的试样7、8、9的焊接工艺性能和对焊接形成的夹心层的力学性能进行检测得到表3。

表3为实施例3中制得的药芯丝材的焊接工艺性能和药芯丝材堆焊3次形成的夹心层的力学性能

经实际生产实践,采用带有“夹心层”结构的大型热锻模具，目前在8万吨压机上已经生产某型号钛合金钓尾框锻件7批次，未出现剧烈塑性变形、开裂等失效，铸钢基体得到有效保护，效果显著。

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)

1.一种用于大型热锻模具夹心层的自保护药芯丝材，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，碳元素含量0.24-0.4%、硅元素含量0.2-0.6%、锰元素含量0.8-1.2%、磷元素含量≤0.02%、硫元素含量≤0.02%、铬元素含量1.8-2.5%、镍元素含量1.8-2.5%、钼元素含量1.2-1.6%，钒元素含量13-18%，余量为铁和杂质。

2.根据权利要求1所述的用于大型热锻模具夹心层的自保护药芯丝材，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，碳元素含量0.32%、硅元素含量0.4%、锰元素含量1.0%、磷元素含量0.01%、硫元素含量0.01%、铬元素含量2.2%、镍元素含量2.1%、钼元素含量1.4%，钒元素含量16%，余量为铁和杂质。

3.根据权利要求1所述的用于大型热锻模具夹心层的自保护药芯丝材，其特征在于，所述药芯丝材堆焊形成的夹心层在常温下力学性能为：屈服强度σs≥750MPa，抗拉度σb≥1000MPa，400℃时的压缩强度≥750MPa，延伸率δ≥25%，收缩率Ψ≥35%，冲击功Akv≥40J。

4.权利要求1-3中任意一项所述的用于大型热锻模具夹心层的自保护药芯丝材的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：

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）按照需求称取原材料，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1.6~3.2mm的药芯丝材。

5.根据权利要求4所述的用于大型热锻模具夹心层的自保护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。