本發明屬于焊接材料制造技術領域，具體涉及一種用于大型熱鍛模具表面強化的自保護藥芯絲材及其制備方法。
背景技術：
我國機械行業重大標志性成果8萬噸模鍛液壓機(世界上最大的模鍛液壓機)自2013年投產使用以來，在航空航天、能源、船舶等領域大型關鍵零件的制造中發揮了不可替代的作用。現在都采用將模鍛液壓機用于和大型熱鍛模具(單套重量達60～100噸)配合成形難變形材料(如鈦合金、高溫合金、超高強度鋼等)，此時，大型熱鍛模具型腔的工作區域表面層處于高溫(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域極易產生磨損、變形、開裂等失效問題，導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3-5㎡)，使得現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域容易損壞而導致整個大型熱鍛模具直接報廢，使得采用大型熱鍛模具制備鍛件的成本極高；因此，現在需要研究一種專用的自保護藥芯絲材來作為大型熱鍛模具型腔的表面強化層，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生磨損、變形、開裂等問題；由于現在世界上只有俄羅斯有兩臺7.5萬噸模鍛液壓機與8萬噸模鍛液壓機屬于同一量級，因此，現在對8萬噸模鍛液壓機配合使用的大型熱鍛模具的相關研究非常的少，迄今為止還沒有見到用作大型熱鍛模具型腔表面強化層的材料的相關報道。
技術實現要素：
針對上述現有技術的不足，本發明所要解決的技術問題是：提供一種用于大型熱鍛模具表面強化的自保護藥芯絲材，解決現有的大型熱鍛模具的型腔表面層工作區域在溫度為500～700℃，載荷在4萬噸以上的極端條件下出現磨損、變形和開裂，導致大型熱鍛模具使用壽命極短等技術問題；同時還提供了一種用于大型熱鍛模具表面強化的自保護藥芯絲材的制備方法。
為了解決上述技術問題，本發明采用的技術方案如下：
一種用于大型熱鍛模具表面強化的自保護藥芯絲材，，該藥芯絲材中藥芯的化學成分以質量百分數計，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。
本技術方案中，通過對大型熱鍛模具型腔中的表面強化層原料的組成和配比進行了大量的研究，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化層，并且大型熱鍛模具滿足在8萬噸模鍛液壓機上成形大型難變形材料鍛件時，大型熱鍛模具型腔中的表面強化層滿足性能要求，不易出現磨損、變形和開裂的情況；還能夠提高與過渡層之間的結合強度；這是由于含鉻的質量百分比為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、鈮元素均為強碳化物的形成元素，它們不僅能夠與鉻、碳元素形成復合碳化物進一步提高絲材的高溫耐磨性，還能夠在熔池中優先析出，彌散分布細化組織；鎳是非碳化物形成元素，適量的鎳強化基體，降低過熱敏感性，起到沉淀強化的作用，在提高鋼的強度和硬度的同時保持良好的韌性；硅、錳、碳(石墨粉)起到脫氧固定，增強自保護的作用。因此，使得本發明制得的藥芯絲材堆焊形成的表面強化層在常溫下力學性能能夠滿足下列要求：屈服強度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化層后，表面強化層在常溫下的力學性能能夠滿足要求，使得本發明在溫度為500-700℃，載荷為4萬噸以上的極端工況下，表面強化層不易發生磨損、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。
作為優選地，該藥芯絲材中藥芯的化學成分以質量百分數計，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。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化層在常溫下的力學性能更加均衡。
權利要求1-4中任意一項所述的用于大型熱鍛模具表面強化的自保護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目篩子分別對干燥后的各種原材料進行篩分，將篩分后的原材料在80℃的環境下保存備用；
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中混合2h，得到藥芯粉末；
3)獲取h08a鋼帶進行超聲波清洗并干燥后，將h08a鋼帶的橫截面加工呈u型結構，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行拉拔減徑，得到直徑為1.6～3.2mm的藥芯絲材。
本技術方案中，通過對藥芯絲材成分和配比的設計，然后通過上述方法制備得到藥芯絲材，使得本發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行堆焊，再通過機械加工，使得大型熱鍛模具中可以得到高精度型腔；另外，通過本發明中的藥芯絲材堆焊形成的表面強化層長時間在高溫重載的極端工況下，與對表面強化層進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化層的硬度在一定程度上得到提高；表面強化層在高溫沖擊載荷作用下內部組織會產生大量的位錯和孿晶，隨著沖擊載荷的作用，各位錯之間、位錯與孿晶之間互交割纏結，形成高密度的胞狀結構，進而使得位錯運動受阻。同時，形成的金屬間化合物niw硬質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，表面強化層的強度和硬度反而會有提升；使得表面強化層更不容易出現磨損、變形和開裂等情況發生。
作為優選地，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化層，一方面避免了堆焊層數過少，表面強化層與過渡層之間出現元素過渡的問題，導致表面強化層的組織結構難以控制；另一方面，避免堆焊層數過多，導致表面強化層受到的熱影響大，并且焊接工作量大，堆焊效率低；因此，保證了表面強化層的抗磨損、抗變形和熱穩定性更好的同時，使得表面強化層堆焊的效率更高。
與現有技術相比，本發明具有如下的優點：
(1)本發明通過對大型熱鍛模具型腔中的表面強化層原料的組成和配比進行了大量的研究，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化層的力學性能可以達到：σs(屈服強度)≥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、抗變形和熱穩定性能能夠滿足要求，通過實驗證明，與現有技術相比，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行堆焊，再通過機械加工，使得大型熱鍛模具中可以得到高精度型腔；提高了表面強化層的成型質量和焊接工藝性能；另外，通過本發明中的藥芯絲材堆焊形成的表面強化層長時間在高溫重載的極端工況下，與對表面強化層進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化層的硬度在一定程度上得到提高；再使得表面強化層的硬度和強度提高的同時，還能夠保證表面強化層與過渡層之間的結合強度達到1000mpa以上，在工作過程不會出現脫落的情況。
(3)本發明中提供的藥芯絲材中藥芯的組成中含有硅、錳等元素，在保證表面強化層良好的抗磨損、抗變形和熱穩定性能同時；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，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氣體，使得藥芯絲材在焊接的過程形成無氧的焊接環境能夠對正在焊接的藥芯絲材形成自保護作用，因此在藥芯絲材在堆焊形成表面強化層的過程中幾乎不產生氧化皮，焊縫美觀，還使得多道多層焊接時不需要清渣，提高表面強化層堆焊的效率的同時，使得堆焊形成的表面強化層的質量更好。
具體實施方式
下面結合具體實施例對本發明作進一步詳細說明。下述實施例所描述的具體藥芯絲材中藥芯的組分配比、工藝條件及其結果是為了更好的解釋本發明,而不構成對本發明保護范圍的限定。
實施例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目篩子分別對干燥后的各種原材料進行篩分，將篩分后的原材料在80℃的環境下保存備用；
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中混合2h，得到藥芯粉末；
3)獲取h08a鋼帶進行超聲波清洗并干燥后，將h08a鋼帶的橫截面加工呈u型結構，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行拉拔減徑，得到直徑為2.4mm的藥芯絲材。
分別將實施例1中得到的表面強化層自保護藥芯絲材堆焊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℃。對藥芯絲材的焊接工藝性能和焊接形成的表面強化層的力學性能進行檢測得到表1。
表1為實施例1中試樣1、2、3的焊接工藝性能和藥芯絲材堆焊3次形成的表面強化層的力學性能表
實施例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目篩子分別對干燥后的各種原材料進行篩分，將篩分后的原材料在80℃的環境下保存備用；
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中混合2h，得到藥芯粉末；
3)獲取h08a鋼帶進行超聲波清洗并干燥后，將h08a鋼帶的橫截面加工呈u型結構，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行拉拔減徑，得到直徑為2.4mm的藥芯絲材。
分別將實施例1中得到的表面強化層自保護藥芯絲材堆焊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℃。對藥芯絲材的焊接工藝性能和焊接形成的表面強化層的力學性能進行檢測得到表2。
表2為實施例2中試樣4、5、6的焊接工藝性能和藥芯絲材堆焊3次形成的表面強化層的力學性能表
實施例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目篩子分別對干燥后的各種原材料進行篩分，將篩分后的原材料在80℃的環境下保存備用；
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中混合2h，得到藥芯粉末；
3)獲取h08a鋼帶進行超聲波清洗并干燥后，將h08a鋼帶的橫截面加工呈u型結構，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行拉拔減徑，得到直徑為2.4mm的藥芯絲材。
分別將實施例1中得到的表面強化層自保護藥芯絲材堆焊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℃。對藥芯絲材的焊接工藝性能和焊接形成的表面強化層的力學性能進行檢測得到表3。
表3為實施例3中試樣7、8、9的焊接工藝性能和藥芯絲材堆焊3次形成的表面強化層的力學性能表
經實際生產實踐,該大型熱鍛模具目前在8萬噸壓機上已經生產合格鈦合金鍛件7批次，采用表面強化層材料制備的大型熱鍛模具型腔狀態良好，僅出現輕微氧化現象，不影響使用精度，壽命提高10倍以上。
最后說明的是，以上實施例僅用以說明本發明的技術方案而非限制，盡管參照較佳實施例對本發明進行了詳細說明，本領域的普通技術人員應當理解，可以對本發明的技術方案進行修改或者等同替換，而不脫離本發明技術方案的宗旨和范圍，其均應涵蓋在本發明的權利要求范圍當中。