应用焊丝强化热作模具材料表面的方法

摘要

本发明公开了一种焊丝及其制备、应用该焊丝强化热作模具材料表面的方法，其中，该焊丝含有占该焊丝质量85.2％～89％的铁元素，并包括占该焊丝质量5.71％～6.98％的铬元素、0.86％～1.52％的碳元素、1.16％～1.63％的锰元素、0.56％～0.84％的钒元素、0.55％～1.0％的铌元素、1.39％～1.63％的钼元素、0.5％～1.1％的硅元素和0.08％～0.1％的氮元素。本发明通过对预先设计焊丝的成分和配比，尤其是组成焊丝拉丝原料的合金粉末的成分和配比等进行改进，使得该焊丝尤其可应用于热作模具材料工作表面强化，提高热作模具表面高温工作的性能。

权利要求

1.应用焊丝强化热作模具材料表面的方法，该焊丝含有占该焊丝质量85.2％～89％的铁元素，并包括占该焊丝质量5.71％～6.98％的铬元素、0.86％～1.52％的碳元素、1.16％～1.63％的锰元素、0.56％～0.84％的钒元素、0.55％～1.0％的铌元素、1.39％～1.63％的钼元素、0.5％～1.1％的硅元素和0.08％～0.1％的氮元素，其特征在于，该应用方法包括以下步骤：(1)使用焊丝对待强化的热作模具材料进行焊接处理：

将待强化的热作模具材料作为母材，去除该母材表面上的氧化物和污染物；接着，在CO2气体保护下将焊丝熔化焊接在该母材表面上，形成多道多层焊，该多道多层焊即硬面合金层；

(2)回火处理：

将步骤(1)得到的表面焊接有硬面合金层的所述母材，在N2保护气氛条件下、于550℃～

580℃下回火处理至少2h，最终得到表面强化的热作模具材料。

2.如权利要求1所述强化热作模具材料表面的方法，其特征在于，所述焊丝包括占该焊丝质量5.95％的铬元素、1.11％的碳元素、1.2％的锰元素、0.6％的钒元素、0.6％的铌元素、1.50％的钼元素、0.6％的硅元素和0.08％～0.1％的氮元素，余量为铁元素；

或者，所述焊丝包括占该焊丝质量5.71％的铬元素、1.4％的碳元素、1.2％的锰元素、

0.8％的钒元素、0.6％的铌元素、1.5％的钼元素、0.8％的硅元素和0.08％的氮元素，余量为铁元素；

或者，所述焊丝包括占该焊丝质量6.98％的铬元素、0.86％的碳元素、1.2％的锰元素、

0.56％的钒元素、1.0％的铌元素、1.39％的钼元素、0.5％的硅元素和0.1％的氮元素，余量为铁元素。

3.如权利要求1或2所述强化热作模具材料表面的方法，其特征在于，所述步骤(1)中的多层多道焊的层数为3层～5层。

4.如权利要求1或2所述强化热作模具材料表面的方法，其特征在于，所述步骤(1)得到的硬面合金层的上表面还经过打磨处理。

5.如权利要求1或2所述强化热作模具材料表面的方法，其特征在于，所述步骤(1)中的所述待强化的热作模具材料为耐热钢。

6.如权利要求5所述强化热作模具材料表面的方法，其特征在于，所述耐热钢为马氏体耐热钢。

7.如权利要求5所述强化热作模具材料表面的方法，其特征在于，所述耐热钢为

1Cr11MoV钢。

说明书

应用焊丝强化热作模具材料表面的方法

技术领域

[0001] 本发明属于金属材料表面技术领域，更具体地，涉及一种焊丝及其制备、以及应用该焊丝强化热作模具材料表面的方法，其中使用该焊丝强化热作模具材料表面的方法是基于气体保护焊，尤其适用于热作模具表面的强化改性。

背景技术

[0002] 热作模具材料在服役期间高温、高压和循环应力的作用下，其工作表面产生的热疲劳表面裂纹以及高温磨损是模具失效的主要形式，占所有失效模具的八成，而模具的制备成本很高(材料和加工)，生产周期长(一般要几个月的时间)，极大的降低了模具的使用性能和寿命。为了提高模具的寿命，需提高其工作表面的耐磨性能和材料的断裂韧性。

[0003] 传统的方法是对碳合金化钢进行热处理以获得均匀一致的组织性能并使用表面淬火的方法来获得高韧性、高耐磨性能的材料。但形成的表面由于冷却速度的不同，往往形成不均匀的组织结构，而且主要的强化相-铬的碳化物在钢基体中的弥散效果较差，高温稳定性能不足，在热处理过程中容易使M23C6、M7C3等碳化物硬质点过分长大形成硬脆相。研究发现，若是能使用氮代替一部分碳来对钢进行固溶和合金强化，可以在不损失基体韧性的同时，析出具有高温稳定性能的氮化物合金质点，提高钢的硬度、耐磨性和高温稳定性；并且，氮比较于碳具有更好的固溶强化性能，氮的化合物也同时比碳化物具有更好的高温稳定性和弥散性。

[0004] 目前业界实现氮代替部分碳使用的方法主要有两种，一种是铸造钢的时候往里面通氮气，然后长时间高温高压，使其固溶在基体中，固溶度高且均匀；另一种是表面渗氮、渗硼、渗碳或者二元，多元共渗可以形成一层很薄的(微米级)的强化层，强度很高的表面。第一种方法一般用作大批量的钢材生产，如H13钢，但不易用于现场的模具再修复操作。第二种方法耗时太长，一般需要四五个小时至十几、二十多个小时，并且该方法需要真空环境，操作困难、成本高且对样品尺寸有限制；强化层厚度不足，且强化效果沿着厚度方向分布极为不均，不能满足受到循环机械/热应力作用下的热作模具刚的要求。

发明内容

[0005] 针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明的目的在于提供一种焊丝及其制备、以及应用该焊丝强化热作模具材料表面的方法，其中通过对关键的预先设计焊丝的成分和配比，尤其是组成焊丝拉丝原料的合金粉末的成分和配比等进行改进，使得该焊丝尤其可应用于热作模具材料工作表面强化，与现有技术相比能够有效解决目前通过表面淬火强化的热作模具表面高温工作性能不足的问题，以及碳合金化钢长时间在高温条件下容易出现脱碳软化等组织恶化现象。

[0006] 为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种焊丝，其特征在于，该焊丝含有占该焊丝质量85.2％～89％的铁元素，并包括占该焊丝质量5.71％～6.98％的铬元素、0.86％～1.52％的碳元素、1.16％～1.63％的锰元素、0.56％～0.84％的钒元素、0.55％～1.0％的铌元素、1.39％～1.63％的钼元素、0.5％～1.1％的硅元素和0.08％～
0.1％的氮元素。

[0007] 作为本发明的进一步优选，所述焊丝包括占该焊丝质量5.95％的铬元素、1.11％的碳元素、1.2％的锰元素、0.6％的钒元素、0.6％的铌元素、1.50％的钼元素、0.6％的硅元素和0.08％～0.1％的氮元素，余量为铁元素。

[0008] 作为本发明的进一步优选，所述焊丝包括占该焊丝质量5.71％的铬元素、1.4％的碳元素、1.2％的锰元素、0.8％的钒元素、0.6％的铌元素、1.5％的钼元素、0.8％的硅元素和0.08％的氮元素，余量为铁元素。

[0009] 作为本发明的进一步优选，所述焊丝包括占该焊丝质量6.98％的铬元素、0.86％的碳元素、1.2％的锰元素、0.56％的钒元素、1.0％的铌元素、1.39％的钼元素、0.5％的硅元素和0.1％的氮元素，余量为铁元素。

[0010] 按照本发明的又一方面，本发明提供了一种制备上述焊丝的方法，其特征在于，包括以下步骤：

[0011] (1)合金粉末的制备：

[0012] 将高碳铬铁、电解锰、硅铁、钼铁、氮化铬和铁粉混合均匀得到合金粉末，所述高碳铬铁占所述合金粉末质量的46％，所述电解锰占所述合金粉末质量的6.5％，所述硅铁占所述合金粉末质量的4％，所述钼铁占所述合金粉末质量的13.5％，所述氮化铬占所述合金粉末质量的4.5％；

[0013] (2)焊丝的制备：

[0014] 将所述步骤(1)得到的合金粉末用拉丝机包裹进H08A钢带中得到拉丝原料，所述合金粉末占该拉丝原料质量的18％～20％，再将所述拉丝原料拉丝处理即得到焊丝。

[0015] 作为本发明的进一步优选，所述步骤(2)得到的焊丝的直径为1.2mm。

[0016] 作为本发明的进一步优选，所述步骤(1)中的合金粉末还经过过筛处理，该合金粉末的目数不小于60目。

[0017] 按照本发明的另一方面，本发明提供了一种应用上述焊丝强化热作模具材料表面的方法，其特征在于，包括以下步骤：

[0018] (1)使用焊丝对待强化的热作模具材料进行焊接处理：

[0019] 将待强化的热作模具材料作为母材，去除该母材表面上的氧化物和污染物；接着，在CO2气体保护下将焊丝熔化焊接在该母材表面上，形成多道多层焊，该多道多层焊即硬面合金层；

[0020] (2)回火处理：

[0021] 将步骤(1)得到的表面焊接有硬面合金层的所述母材，在N2保护气氛条件下、于550℃～580℃下回火处理至少2h，最终得到表面强化的热作模具材料。

[0022] 作为本发明的进一步优选，所述步骤(1)中的多层多道焊的层数为3 层～5层。

[0023] 作为本发明的进一步优选，所述步骤(1)得到的硬面合金层的上表面还经过打磨处理。

[0024] 作为本发明的进一步优选，所述步骤(1)中的所述待强化的热作模具材料为耐热钢；优选为马氏体耐热钢；优选为1Cr11MoV钢。

[0025] 本发明中的焊丝通过预先设计焊丝的成分和配比(尤其是组成焊丝拉丝原料的合金粉末的成分和配比)，使得该焊丝尤其可应用于热作模具材料(如耐热钢)工作表面强化；通过控制焊接过程的工艺参数，利用CO2气体保护焊的方法在普通耐热钢板表面熔覆一层致密均匀的氮合金化硬面合金层，通过多道焊的方法形成一层内韧外强的梯度马氏体钢材料；并通过在接近模具实际使用的温度下进行回火退应力，在回火过程中，碳氮化合物持续析出，形成细小而弥散的硬质点分布，得到的强化后的热作模具材料在500～600℃温度范围内具有良好的高温稳定性能和力学性能，可提高模具的使用寿命，并可用于修复易受损失效的模具；该强化方法简单易行，不受模具自身尺寸形状限制，便于工业化生产。

[0026] 本发明采用CO2气体保护手工电弧焊，在普通耐热钢(优选为韧性较高的钢，更优选为马氏体钢，如1Cr11MoV)表面熔覆一层高性能的硬面层金属在制造或者修复热锻模具，可高效地将氮元素通过合金态的形式对模具钢基体进行合金强化。焊后将硬面合金置于N2压力气氛下550℃进行回火2小时，消除残余应力和改善组织性能，获得高温力学性能良好的新的热作模具工作表面。

[0027] 本发明中应用特制焊丝的、基于气体保护焊的热作模具材料表面强化方法具有快速易操作的特点，强化层厚度为毫米甚至厘米级的，且可以通过探伤检测和模拟不同条件下的模具损伤机制，通过调整焊丝成分，获得不同性能的工作表面(耐磨、硬度、韧度不同)；例如，对于易凹陷的区域使其强化后的强度高，对于易磨损的区域使其强化后的耐磨性好，而对于不易损伤的区域，只要其强化前的耐磨性能满足使用要求，则对该不易损伤的区域则无需更强化，从而降低成本，另一方面，也可以使得一套模具表面尽可能达到等寿命失效，提高热作模具材料的材料利用效率。综上，具有以下有益效果：

[0028] 1.实施过程简单易行，可以现场对受损模具进行修复再制造处理，不受模具尺寸形状的限制，便于工业化生产，且焊层和母材结合性能良好，不宜脱落；

[0029] 2.可以显著提高热作模具表面工作性能，尤其是高温力学性能，甚至能达到和超过热作模具钢自身性能；

[0030] 3.由于本发明是将硬面合金熔覆于普通耐热钢板表面，可大大节省昂贵的模具钢材料用量，降低生产成本；

[0031] 4.通过调节焊丝的成分配比，如组成拉丝原料的合金粉末的配比含量，使位于母材表面的硬面合金层可以与母材综合形成内韧外强的梯度结构，有利于提高模具的疲劳抗力。

附图说明

[0032] 图1是焊丝熔化在母材表面形成多道多层焊示意图，其中的矩形方框即为硬面合金的有效工作层示意；该矩形方框一般处在多层多道焊的第3 层以及以上层；在该矩形方框以下、更靠近母材表面的区域(如第1层焊或第2层焊)，由于这些区域的硬面合金层会被熔化的母材成分稀释，韧性较高而强度较低，一般不作为强化后的热作模具材料的最外表面；多层多道焊的层数越多，硬面合金的有效工作层的厚度就越厚，耐磨损的性能就越好；考虑到层数越多，成本就越高，一般多层多道焊为三层～五层焊。

具体实施方式

[0033] 为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

[0034] 实施例1

[0035] 本实施例中的焊丝满足：该焊丝包括占该焊丝质量85.2％～89％的铁元素，并包括占该焊丝质量5.71％～6.98％的铬元素、0.86％～1.52％的碳元素、 1.16％～1.63％的锰元素、0.56％～0.84％的钒元素、0.55％～1.0％的铌元素、 1.39％～1.63％的钼元素、0.5％～1.1％的硅元素和0.08％～0.1％的氮元素。

[0036] 本实施例中所用合金粉末由占合金粉末总质量46wt％的高碳铬铁、6.5 wt％的电解锰、4wt％的硅铁、13.5wt％的钼铁、4.5wt％的氮化铬配以铁粉组成；上述比例配比是以常用热作模具钢H13钢成分为基础，进行优化后并加入氮化物得到的。在合金粉末具体制备过程中，是首先按照上述配比称量好各类成分的粉末，接着将这些粉末过筛(筛子的目数可以为60目或 60目以上)，然后将这些粉末混合均匀，并用拉丝机将混合均匀的粉末包裹在H08A钢带中，制成焊丝原料。接着，将焊丝通过分段拉丝设备得到填充率大约18-20％，直径为1.2mm的焊丝。

[0037] 应用上述焊丝，采用CO2气体保护焊熔覆氮合金化硬面合金材料提高热作模具材料表面性能。首先，将普通耐热钢板表面去除氧化皮和有机污染物，并将其预热到一定温度，在CO2气体保护下，使用机器手臂将焊丝熔化涂覆到耐热钢板表面；采用多道多层焊，焊三至五层以上以消除母材成分对硬面合金成分的稀释，并使焊接边界互相搭接；控制冷却速度，获得硬面合金的最终组织为较小的残余奥氏体及位于其中板条马氏体组织。可额外对硬面合金层进行打磨抛光去除表面不均匀的部分，使硬面合金上表面即为硬面合金的有效工作层。将抛光后的硬面合金放入N2保护气氛条件下进行回火退应力处理2小时，回火温度控制在低于模具的实际工作温度10-20℃左右。氮分压不但可以防止硬面合金脱氮，还可以进一步提高合金层表面的氮含量。在回火过程中，硬面合金中将连续析出细小而弥散的碳氮化合物，这些碳氮合金产物主要有碳氮化钛、碳氮化铌、碳氮化钒等，具有很好的高温稳定性能，不易形成粗大的化合物质点，造成合金基体中脱碳脱氮而发生高温软化现象。

[0038] 以1Cr11MoV钢作为母材为例，将厚度为15mm的1Cr11MoV钢板表面用砂轮去除氧化皮和其他污染物；将上述焊丝装入自动焊机器手臂的送丝装置中，在CO2气体保护下，采用自动焊方式进行将焊丝熔化焊接在母材表面。焊丝与母材钢板表面的距离为2-3mm以保证电弧的稳定；设置自动焊参数，如焊接电压为28-29V，焊接电流为230-240A，焊接速度为55-60 cm/min，焊接路径为长度200mm的直线，在母材表面形成多道多层焊(如图1所示，焊层为
5层)，并使焊接边界互相搭接。焊丝熔化形成的初始硬面合金层，其厚度约为15mm；然后，去除该初始硬面合金层表面2-3mm 的不均匀层，保留12mm-13mm的硬面合金层(包括和与母材之间的过渡层)，并暴露该硬面合金层的工作表面。

[0039] 最后，将覆盖硬面合金层的母材在N2保护气氛条件下、于550℃～580℃下回火处理至少2h，可基本消除焊接残余应力，最终得到表面强化的热作模具材料。

[0040] 上述实施例是采用自动焊手段，焊丝也可以用其他方式(如人工CO2气体保护焊等方式)熔化焊接在母材表面。

[0041] 本发明中的焊丝熔融后冷却形成硬面合金层的冷却速度，需要满足板条马氏体通常的快速冷却的速度要求，确保奥氏体瞬间转变为板条马氏体组织。

[0042] 实施例2

[0043] 与实施例1类似，适用于强化热作模具材料表面的焊丝，其元素组成配比还可以采用以下比例：焊丝包括占该焊丝质量5.95％的铬元素、1.11％的碳元素、1.2％的锰元素、0.6％的钒元素、0.6％的铌元素、1.50％的钼元素、 0.6％的硅元素和0.08％～0.1％的氮元素，余量为铁元素。

[0044] 实施例3

[0045] 与实施例1类似，适用于强化热作模具材料表面的焊丝，其元素组成配比还可以采用以下比例：焊丝包括占该焊丝质量5.71％的铬元素、1.4％的碳元素、1.2％的锰元素、0.8％的钒元素、0.6％的铌元素、1.5％的钼元素、0.8％的硅元素和0.08％的氮元素，余量为铁元素。

[0046] 实施例4

[0047] 与实施例1类似，适用于强化热作模具材料表面的焊丝，其元素组成配比还可以采用以下比例：焊丝包括占该焊丝质量6.98％的铬元素、0.86％的碳元素、1.2％的锰元素、0.56％的钒元素、1.0％的铌元素、1.39％的钼元素、0.5％的硅元素和0.1％的氮元素，余量为铁元素。

[0048] 本发明中的焊丝可能会继承H08A钢中的杂质。

[0049] 本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。