本發(fā)明屬于焊接材料制造技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種用于大型熱鍛模具表面強(qiáng)化的自保護(hù)藥芯絲材及其制備方法。

背景技術(shù)：

我國機(jī)械行業(yè)重大標(biāo)志性成果8萬噸模鍛液壓機(jī)(世界上最大的模鍛液壓機(jī))自2013年投產(chǎn)使用以來，在航空航天、能源、船舶等領(lǐng)域大型關(guān)鍵零件的制造中發(fā)揮了不可替代的作用?，F(xiàn)在都采用將模鍛液壓機(jī)用于和大型熱鍛模具(單套重量達(dá)60～100噸)配合成形難變形材料(如鈦合金、高溫合金、超高強(qiáng)度鋼等)，此時(shí)，大型熱鍛模具型腔的工作區(qū)域表面層處于高溫(500-700℃)重載(4萬噸以上)等極端工況下，使得大型熱鍛模具型腔的工作區(qū)域極易產(chǎn)生磨損、變形、開裂等失效問題，導(dǎo)致大型熱鍛模具在鍛造2-3件鍛件之后就無法再次使用。再加上現(xiàn)在的大型熱鍛模具的尺寸大(大型熱鍛模具的單邊大3-6m，投影面積可達(dá)3-5㎡)，使得現(xiàn)有的大型熱鍛模具的制造周期長，制備成本高(大型熱鍛模具的制造成本在300-500萬)；這樣就使得由于大型模具型腔的工作區(qū)域容易損壞而導(dǎo)致整個(gè)大型熱鍛模具直接報(bào)廢，使得采用大型熱鍛模具制備鍛件的成本極高；因此，現(xiàn)在需要研究一種專用的自保護(hù)藥芯絲材來作為大型熱鍛模具型腔的表面強(qiáng)化層，來解決大型熱鍛模具型腔在高溫重載條件的極端工況下容易產(chǎn)生磨損、變形、開裂等問題；由于現(xiàn)在世界上只有俄羅斯有兩臺(tái)7.5萬噸模鍛液壓機(jī)與8萬噸模鍛液壓機(jī)屬于同一量級(jí)，因此，現(xiàn)在對(duì)8萬噸模鍛液壓機(jī)配合使用的大型熱鍛模具的相關(guān)研究非常的少，迄今為止還沒有見到用作大型熱鍛模具型腔表面強(qiáng)化層的材料的相關(guān)報(bào)道。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

針對(duì)上述現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是：提供一種用于大型熱鍛模具表面強(qiáng)化的自保護(hù)藥芯絲材，解決現(xiàn)有的大型熱鍛模具的型腔表面層工作區(qū)域在溫度為500～700℃，載荷在4萬噸以上的極端條件下出現(xiàn)磨損、變形和開裂，導(dǎo)致大型熱鍛模具使用壽命極短等技術(shù)問題；同時(shí)還提供了一種用于大型熱鍛模具表面強(qiáng)化的自保護(hù)藥芯絲材的制備方法。

為了解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明采用的技術(shù)方案如下：

一種用于大型熱鍛模具表面強(qiáng)化的自保護(hù)藥芯絲材，，該藥芯絲材中藥芯的化學(xué)成分以質(zhì)量百分?jǐn)?shù)計(jì)，包括鉻元素含量26-30％、鉬元素含量8-10％、鎢元素含量1.8-3％、鎳元素含量1.5-2.5％、硅元素含量0.8-1.2％、錳元素含量0.6-1.0％、鈮元素含量0.15-0.3％、碳元素含量1.2-1.6％、磷元素含量≤0.02％、硫元素含量≤0.02％，余量為鈷和雜質(zhì)。

本技術(shù)方案中，通過對(duì)大型熱鍛模具型腔中的表面強(qiáng)化層原料的組成和配比進(jìn)行了大量的研究，制備得到藥芯絲材；然后將藥芯絲材堆焊在大型熱鍛模具型腔中形成表面強(qiáng)化層，并且大型熱鍛模具滿足在8萬噸模鍛液壓機(jī)上成形大型難變形材料鍛件時(shí)，大型熱鍛模具型腔中的表面強(qiáng)化層滿足性能要求，不易出現(xiàn)磨損、變形和開裂的情況；還能夠提高與過渡層之間的結(jié)合強(qiáng)度；這是由于含鉻的質(zhì)量百分比為26-30％，這是為了形成cr7c7、cr23c6、cr3c等化合物，適量的cr-c型碳化物可以作為高溫耐磨骨架，作為鈷基固溶體的支撐；再加上鉬、鎢、鈮元素均為強(qiáng)碳化物的形成元素，它們不僅能夠與鉻、碳元素形成復(fù)合碳化物進(jìn)一步提高絲材的高溫耐磨性，還能夠在熔池中優(yōu)先析出，彌散分布細(xì)化組織；鎳是非碳化物形成元素，適量的鎳強(qiáng)化基體，降低過熱敏感性，起到沉淀強(qiáng)化的作用，在提高鋼的強(qiáng)度和硬度的同時(shí)保持良好的韌性；硅、錳、碳(石墨粉)起到脫氧固定，增強(qiáng)自保護(hù)的作用。因此，使得本發(fā)明制得的藥芯絲材堆焊形成的表面強(qiáng)化層在常溫下力學(xué)性能能夠滿足下列要求：屈服強(qiáng)度σs≥800mpa，抗拉度σb≥1050mpa,，延伸率δ≥20％，收縮率ψ≥30％，沖擊功akv≥35j；使得本發(fā)明提供的藥芯絲材在大型熱鍛模具型腔中堆焊形成表面強(qiáng)化層后，表面強(qiáng)化層在常溫下的力學(xué)性能能夠滿足要求，使得本發(fā)明在溫度為500-700℃，載荷為4萬噸以上的極端工況下，表面強(qiáng)化層不易發(fā)生磨損、變形和開裂的情況，使得大型熱鍛模具的使用壽命提高了10倍以上。

作為優(yōu)選地，該藥芯絲材中藥芯的化學(xué)成分以質(zhì)量百分?jǐn)?shù)計(jì)，包括鉻元素含量28％、鉬元素含9％、鎢元素含量2.4％、鎳元素含量2％、硅元素含量1％、錳元素含量0.8％、鈮元素含量0.23％、碳元素含量1.4％、磷元素含量0.01％、硫元素含量0.01％，余量為鈷和雜質(zhì)。采用上述原料組成和原料配比，制備的藥芯絲材在大型熱鍛模具型腔中堆焊形成的表面強(qiáng)化層在常溫下的力學(xué)性能更加均衡。

權(quán)利要求1-4中任意一項(xiàng)所述的用于大型熱鍛模具表面強(qiáng)化的自保護(hù)藥芯絲材的制備方法，包括如下步驟：

1)將原材料在120℃下分別烘干1h，采用80目篩子分別對(duì)干燥后的各種原材料進(jìn)行篩分，將篩分后的原材料在80℃的環(huán)境下保存?zhèn)溆茫?/p>

2)按照需求稱取藥芯絲材藥芯的原材料，將稱取的原材料加入到混料機(jī)中混合2h，得到藥芯粉末；

3)獲取h08a鋼帶進(jìn)行超聲波清洗并干燥后，將h08a鋼帶的橫截面加工呈u型結(jié)構(gòu)，然后用加粉器將步驟2)中得到的藥芯粉末加入h08a鋼帶中后進(jìn)行軋制成型，然后將h08a鋼帶合口形成藥芯絲材基體；

4)采用拉絲模將步驟3)中得到藥芯絲材基體進(jìn)行拉拔減徑，得到直徑為1.6～3.2mm的藥芯絲材。

本技術(shù)方案中，通過對(duì)藥芯絲材成分和配比的設(shè)計(jì)，然后通過上述方法制備得到藥芯絲材，使得本發(fā)明制得的藥芯絲材在常溫下的硬度約為hrc30-33，藥芯絲材在常溫下的硬度適中，加工性能良好；也方便將藥芯絲材在大型熱鍛模具型腔中進(jìn)行堆焊，再通過機(jī)械加工，使得大型熱鍛模具中可以得到高精度型腔；另外，通過本發(fā)明中的藥芯絲材堆焊形成的表面強(qiáng)化層長時(shí)間在高溫重載的極端工況下，與對(duì)表面強(qiáng)化層進(jìn)行周期性回火處理的影響相似，在高溫重載的極端工況下使得表面強(qiáng)化層的硬度在一定程度上得到提高；表面強(qiáng)化層在高溫沖擊載荷作用下內(nèi)部組織會(huì)產(chǎn)生大量的位錯(cuò)和孿晶，隨著沖擊載荷的作用，各位錯(cuò)之間、位錯(cuò)與孿晶之間互交割纏結(jié)，形成高密度的胞狀結(jié)構(gòu)，進(jìn)而使得位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)受阻。同時(shí)，形成的金屬間化合物niw硬質(zhì)合金相等和析出的大量彌散碳化物顆粒，使其具有非常明顯的沖擊硬化效果，所以在大型難變形材料鍛件成形過程中，表面強(qiáng)化層的強(qiáng)度和硬度反而會(huì)有提升；使得表面強(qiáng)化層更不容易出現(xiàn)磨損、變形和開裂等情況發(fā)生。

作為優(yōu)選地，所述步驟4)中得到的藥芯絲材的直徑為2.4mm。藥芯絲材的直徑設(shè)置為2.4mm，這樣使得通過在大型熱鍛模具型腔中的表面上堆焊3-5層藥芯絲材就可形成表面強(qiáng)化層，一方面避免了堆焊層數(shù)過少，表面強(qiáng)化層與過渡層之間出現(xiàn)元素過渡的問題，導(dǎo)致表面強(qiáng)化層的組織結(jié)構(gòu)難以控制；另一方面，避免堆焊層數(shù)過多，導(dǎo)致表面強(qiáng)化層受到的熱影響大，并且焊接工作量大，堆焊效率低；因此，保證了表面強(qiáng)化層的抗磨損、抗變形和熱穩(wěn)定性更好的同時(shí)，使得表面強(qiáng)化層堆焊的效率更高。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有如下的優(yōu)點(diǎn)：

(1)本發(fā)明通過對(duì)大型熱鍛模具型腔中的表面強(qiáng)化層原料的組成和配比進(jìn)行了大量的研究，制備得到藥芯絲材；使得藥芯絲材在大型熱鍛模具型腔中堆焊形成的表面強(qiáng)化層的力學(xué)性能可以達(dá)到：σs(屈服強(qiáng)度)≥800mpa，σb(抗拉度)≥1050mpa,，δ(延伸率)≥20％，ψ(收縮率)≥30％，akv(沖擊功)≥35j；使得大型熱鍛模具表面強(qiáng)化層在高溫(500～700℃)重載(4萬噸以上))的工況條件下的抗磨損、抗變形和熱穩(wěn)定性能能夠滿足要求，通過實(shí)驗(yàn)證明，與現(xiàn)有技術(shù)相比，使得大型熱鍛模具的使用壽命提高了10倍以上。

(2)本發(fā)明制得的藥芯絲材在常溫下的硬度約為hrc30-33，使得藥芯絲材在常溫下的硬度適中，加工性能良好；方便將藥芯絲材在大型熱鍛模具型腔中進(jìn)行堆焊，再通過機(jī)械加工，使得大型熱鍛模具中可以得到高精度型腔；提高了表面強(qiáng)化層的成型質(zhì)量和焊接工藝性能；另外，通過本發(fā)明中的藥芯絲材堆焊形成的表面強(qiáng)化層長時(shí)間在高溫重載的極端工況下，與對(duì)表面強(qiáng)化層進(jìn)行周期性回火處理的影響相似，在高溫重載的極端工況下使得表面強(qiáng)化層的硬度在一定程度上得到提高；再使得表面強(qiáng)化層的硬度和強(qiáng)度提高的同時(shí)，還能夠保證表面強(qiáng)化層與過渡層之間的結(jié)合強(qiáng)度達(dá)到1000mpa以上，在工作過程不會(huì)出現(xiàn)脫落的情況。

(3)本發(fā)明中提供的藥芯絲材中藥芯的組成中含有硅、錳等元素，在保證表面強(qiáng)化層良好的抗磨損、抗變形和熱穩(wěn)定性能同時(shí)；還使得在焊接過程中，藥芯絲材中的硅、錳等在焊接過程中與氧氣反應(yīng)，因此不需要在焊接的過程中通入氬氣或者二氧化碳作為保護(hù)氣體，使得藥芯絲材在焊接的過程形成無氧的焊接環(huán)境能夠?qū)φ诤附拥乃幮窘z材形成自保護(hù)作用，因此在藥芯絲材在堆焊形成表面強(qiáng)化層的過程中幾乎不產(chǎn)生氧化皮，焊縫美觀，還使得多道多層焊接時(shí)不需要清渣，提高表面強(qiáng)化層堆焊的效率的同時(shí)，使得堆焊形成的表面強(qiáng)化層的質(zhì)量更好。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)說明。下述實(shí)施例所描述的具體藥芯絲材中藥芯的組分配比、工藝條件及其結(jié)果是為了更好的解釋本發(fā)明,而不構(gòu)成對(duì)本發(fā)明保護(hù)范圍的限定。

實(shí)施例1

1)將原材料鉻、鉬、鎢、鎳、硅、錳、鈮、碳、磷、硫和鈷在120℃下分別烘干1h，采用80目篩子分別對(duì)干燥后的各種原材料進(jìn)行篩分，將篩分后的原材料在80℃的環(huán)境下保存?zhèn)溆茫?/p>

2)按照下列配比稱取藥芯絲材藥芯的原材料：鉻元素含量28％、鉬元素含量9％、鎢元素含量2.4％、鎳元素含量2％、硅元素含量1％、錳元素含量0.8％、鈮元素含量0.23％、碳元素含量1.4％、磷元素含量0.01％、硫元素含量0.01％、余量為鈷，將稱取的原材料加入到混料機(jī)中混合2h，得到藥芯粉末；

3)獲取h08a鋼帶進(jìn)行超聲波清洗并干燥后，將h08a鋼帶的橫截面加工呈u型結(jié)構(gòu)，然后用加粉器將步驟2)中得到的藥芯粉末加入h08a鋼帶中后進(jìn)行軋制成型，然后將h08a鋼帶合口形成藥芯絲材基體；

4)采用拉絲模將步驟3)中得到藥芯絲材基體進(jìn)行拉拔減徑，得到直徑為2.4mm的藥芯絲材。

分別將實(shí)施例1中得到的表面強(qiáng)化層自保護(hù)藥芯絲材堆焊3次得到試樣1、2、3；控制焊接電流為130a，焊接電壓為26v，焊接速度為0.3m/min。層間焊接溫度控制在300℃。對(duì)藥芯絲材的焊接工藝性能和焊接形成的表面強(qiáng)化層的力學(xué)性能進(jìn)行檢測(cè)得到表1。

表1為實(shí)施例1中試樣1、2、3的焊接工藝性能和藥芯絲材堆焊3次形成的表面強(qiáng)化層的力學(xué)性能表

實(shí)施例2

1)將原材料鉻、鉬、鎢、鎳、硅、錳、鈮、碳、磷、硫和鈷在120℃下分別烘干1h，采用80目篩子分別對(duì)干燥后的各種原材料進(jìn)行篩分，將篩分后的原材料在80℃的環(huán)境下保存?zhèn)溆茫?/p>

2)按照下列配比稱取藥芯絲材藥芯的原材料：鉻元素含量26％、鉬元素含量8％、鎢元素含量1.8％、鎳元素含量1.5％、硅元素含量0.8％、錳元素含量0.6％、鈮元素含量0.15％、碳元素含量1.2％、磷元素含量0.01％、硫元素含量0.01％、余量為鈷，將稱取的原材料加入到混料機(jī)中混合2h，得到藥芯粉末；

3)獲取h08a鋼帶進(jìn)行超聲波清洗并干燥后，將h08a鋼帶的橫截面加工呈u型結(jié)構(gòu)，然后用加粉器將步驟2)中得到的藥芯粉末加入h08a鋼帶中后進(jìn)行軋制成型，然后將h08a鋼帶合口形成藥芯絲材基體；

4)采用拉絲模將步驟3)中得到藥芯絲材基體進(jìn)行拉拔減徑，得到直徑為2.4mm的藥芯絲材。

分別將實(shí)施例1中得到的表面強(qiáng)化層自保護(hù)藥芯絲材堆焊3次得到試樣4、5、6；控制焊接電流為130a，焊接電壓為26v，焊接速度為0.3m/min。層間焊接溫度控制在300℃。對(duì)藥芯絲材的焊接工藝性能和焊接形成的表面強(qiáng)化層的力學(xué)性能進(jìn)行檢測(cè)得到表2。

表2為實(shí)施例2中試樣4、5、6的焊接工藝性能和藥芯絲材堆焊3次形成的表面強(qiáng)化層的力學(xué)性能表

實(shí)施例3

1)將原材料鉻、鉬、鎢、鎳、硅、錳、鈮、碳、磷、硫和鈷在120℃下分別烘干1h，采用80目篩子分別對(duì)干燥后的各種原材料進(jìn)行篩分，將篩分后的原材料在80℃的環(huán)境下保存?zhèn)溆茫?/p>

2)按照下列配比稱取藥芯絲材藥芯的原材料：鉻元素含量30％、鉬元素含量10％、鎢元素含量3％、鎳元素含量2.5％、硅元素含量1.2％、錳元素含量1.0％、鈮元素含量0.3％、碳元素含量1.6％、磷元素含量0.01％、硫元素含量0.01％、余量為鈷，將稱取的原材料加入到混料機(jī)中混合2h，得到藥芯粉末；

3)獲取h08a鋼帶進(jìn)行超聲波清洗并干燥后，將h08a鋼帶的橫截面加工呈u型結(jié)構(gòu)，然后用加粉器將步驟2)中得到的藥芯粉末加入h08a鋼帶中后進(jìn)行軋制成型，然后將h08a鋼帶合口形成藥芯絲材基體；

4)采用拉絲模將步驟3)中得到藥芯絲材基體進(jìn)行拉拔減徑，得到直徑為2.4mm的藥芯絲材。

分別將實(shí)施例1中得到的表面強(qiáng)化層自保護(hù)藥芯絲材堆焊3次得到試樣7、8、9；控制焊接電流為130a，焊接電壓為26v，焊接速度為0.3m/min。層間焊接溫度控制在300℃。對(duì)藥芯絲材的焊接工藝性能和焊接形成的表面強(qiáng)化層的力學(xué)性能進(jìn)行檢測(cè)得到表3。

表3為實(shí)施例3中試樣7、8、9的焊接工藝性能和藥芯絲材堆焊3次形成的表面強(qiáng)化層的力學(xué)性能表

經(jīng)實(shí)際生產(chǎn)實(shí)踐,該大型熱鍛模具目前在8萬噸壓機(jī)上已經(jīng)生產(chǎn)合格鈦合金鍛件7批次，采用表面強(qiáng)化層材料制備的大型熱鍛模具型腔狀態(tài)良好，僅出現(xiàn)輕微氧化現(xiàn)象，不影響使用精度，壽命提高10倍以上。

最后說明的是，以上實(shí)施例僅用以說明本發(fā)明的技術(shù)方案而非限制，盡管參照較佳實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)行了詳細(xì)說明，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解，可以對(duì)本發(fā)明的技術(shù)方案進(jìn)行修改或者等同替換，而不脫離本發(fā)明技術(shù)方案的宗旨和范圍，其均應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的權(quán)利要求范圍當(dāng)中。