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1、(10)申请公布号 CN 103862194 A (43)申请公布日 2014.06.18 CN 103862194 A (21)申请号 201410106067.3 (22)申请日 2014.03.20 B23K 35/30(2006.01) B23K 35/40(2006.01) (71)申请人 北京工业大学 地址 100124 北京市朝阳区平乐园 100 号 (72)发明人 贺定勇 周正 郭泽策 王曾洁 蒋建敏 王智慧 (74)专利代理机构 北京思海天达知识产权代理 有限公司 11203 代理人 刘萍 (54) 发明名称 一种用于热锻模具修复的堆焊药芯焊丝 (57) 摘要 一种用于热锻模。
2、具修复的堆焊药芯焊丝， 属 于焊接材料技术领域。采用碳钢钢带包裹药芯 粉末， 所述的药芯粉末包括以下质量百分含量 的物质 ： 氟化钠 ： 2 6% ； 氟化钙 ： 5 8% ； 金红 石 ： 3 5.5% ； 石英 ： 1 5% ； 高碳铬铁 ： 4.3 13.2% ； 纯铬粉 ： 24.8 38.3% ； 镍粉 ： 6 11.3% ； 钨铁粉 ： 1.5 3.5% ； 电解锰 ： 2.5 5.1% ； 钼铁 粉 ： 14.7 27.3% ； 硅铁粉 ： 3.6 6.1% ； 钒铁粉 ： 0.21.4% ； 余量为还原铁粉。 药芯焊丝的填充率 为 20 35%。同现有材料相比， 本发明具有以下。
3、 优点 ：（1） 具有很好的热稳定性和耐热疲劳性能， 硬度范围 48-52HRC（2） 堆焊金属具有高抗裂性， 无需焊前预热、 焊后立即热处理 ；（3） 堆焊工艺性 好， 焊缝成形美观。 (51)Int.Cl. 权利要求书 1 页 说明书 4 页 附图 1 页 (19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)发明专利申请 权利要求书1页 说明书4页 附图1页 (10)申请公布号 CN 103862194 A CN 103862194 A 1/1 页 2 1. 一种用于热锻模具修复的堆焊药芯焊丝， 采用碳钢钢带包裹药芯粉末， 药芯焊丝填 充率为 20 35%， 其特征在于 ： 药芯焊丝由氟化钠、 。
4、氟化钙、 金红石、 石英和合金粉组成， 所 述合金粉包括高碳铬铁粉、 纯铬粉、 镍粉、 钨铁粉、 电解锰、 钼铁粉、 硅铁粉、 钒铁粉、 还原铁 粉。 2. 如权利要求 1 所述的一种用于热锻模具修复的堆焊药芯焊丝， 其特征在于 ： 所添加 的药芯粉末含有以下质量百分含量的物质 ： 氟化钠 ： 2 6% ； 氟化钙 ： 5 8% ； 金红石 ： 3 5.5% ； 石英 ： 1 5% ； 高碳铬铁 ： 4.3 13.2% ； 纯铬粉 ： 24.8 38.3% ； 镍粉 ： 6 11.3% ； 钨 铁粉 ： 1.5 3.5% ； 电解锰 ： 2.5 5.1% ； 钼铁粉 ： 14.7 27.3% 。
5、； 硅铁粉 ： 3.6 6.1% ； 钒铁 粉 ： 0.2 1.4% ； 余量为还原铁粉。 3. 如权利要求 2 所述的一种用于热锻模具修复的堆焊药芯焊丝， 其特征在于 ： 药芯组 分的质量百分含量是 ： 氟化钠 ： 3 5% ； 氟化钙 ： 5.5 7.5% ； 金红石 ： 3.5 5% ； 石英 ： 2 4.3% ； 高碳铬铁 ： 5.310.8% ； 纯铬粉 ： 25.836.9% ； 镍粉 ： 6.510.3% ； 钨铁粉 ： 23% ； 电解锰 ： 3 4.6% ； 钼铁粉 ： 15.7 26.3% ； 硅铁粉 ： 3.8 5.6% ； 钒铁粉 ： 0.3 1.3% ； 余量 为还原。
6、铁粉。 4.采用权利要求13任意一项的一种用于热锻模具修复的堆焊药芯焊丝制备堆焊合 金的方法， 其特征在于， 包括如下步骤 ： 步骤 1， 按照所述的药芯焊丝配制药芯粉末， 轧制， 最终获得直径为 2.4mm 的药芯焊丝 ； 步骤 2， 采用二氧化碳气体、 或体积百分比为 80% 氩气和 20% 二氧化碳的混合气体 保护焊工艺制备堆焊合金， 焊接工艺参数为 ： 电压 ： 24-28V ； 电流 ： 280-320A ； 送丝速度 ： 430-460mm/min ； 气体流速 ： 18-23L/min ； 焊丝伸出导电嘴的长度 ： 14-28mm。 5. 如权利要求 5 所述的方法制备的堆焊合金。
7、， 其特征在于， 堆焊合金中各元素的质量 百分含量在如下范围内 ： C ： 0.05 0.25% ； Cr ： 8.5 13.5% ； Ni ： 1 2.6% ； W ： 0.2 1.2% ； Mn ： 0.45 0.8% ； Mo ： 2.5 4.3% ； Si ： 0.1 0.6% ； V ： 0.05 0.25% ； Fe ： 余量。 6. 如权利要求 5 所述的方法制备的堆焊合金， 其特征在于， 堆焊合金中各元素的质量 百分含量在如下范围内 ： C ： 0.1 0.2% ； Cr ： 9 13% ； Ni ： 1.6 2% ； W ： 0.3 1.1% ； Mn ： 0.5 0.65%。
8、 ； Mo ： 2.7 4.1% ； Si ： 0.2 0.5% ； V ： 0.1 0.2% ； Fe ： 余量。 权 利 要 求 书 CN 103862194 A 2 1/4 页 3 一种用于热锻模具修复的堆焊药芯焊丝 技术领域 0001 本发明属于材料加工焊接材料领域， 具体涉及一种用于热锻模具修复的堆焊药芯 焊丝。 背景技术 0002 热锻模具工况复杂， 在热锻过程中， 模腔表面金属受热使其硬度和强度显著降低， 在承受反复热、 冷的作用下出现热疲劳， 此外， 模腔金属表面在工况下还会出现变形、 氧化、 磨损、 断裂等失效形式， 使得产品要求达不到工艺标准。因此， 热锻模具一般使用几千次。
9、之 后就要对模具型腔进行修复， 修复后的模具可以达到甚至超过修复以前的使用周期。 0003 采用堆焊工艺修复热锻模具， 可避免模具整体报废， 节省机加工和热处理费用， 缩 短模具翻新周期， 并能够有效延长模具的使用寿命， 对降低生产成本、 合理使用材料具有重 要意义。 由于热锻模具碳当量较高， 目前广泛使用的热锻模具修复药芯焊丝， 必须将热锻模 具焊前预热 450左右， 焊后立即回火热处理， 以保证修复处不开裂， 导致工效降低、 劳动强 度增大。 此外， 广泛使用的堆焊合金回火热处理后硬度低于45HRC， 且热稳定性差。 因此， 开 发一种无需焊前预热、 焊后缓冷， 回火稳定性好， 并满足工况。
10、硬度高于 45HRC 的热锻模具堆 焊药芯焊丝具有重要意义。 发明内容 0004 本发明的目的在于解决当前堆焊材料出现的抗裂性不足的问题， 同时具有很高的 热稳定性及硬度， 550回火后硬度可保持 48-52HRC， 优于传统产品。 0005 一种用于热锻模具修复的堆焊药芯焊丝， 采用碳钢钢带包裹药芯粉末， 药芯焊丝 填充率为 20 35%， 其特征在于 ： 药芯焊丝由氟化钠、 氟化钙、 金红石、 石英和合金粉组成， 所述合金粉包括高碳铬铁粉、 纯铬粉、 镍粉、 钨铁粉、 电解锰、 钼铁粉、 硅铁粉、 钒铁粉、 还原 铁粉。 0006 进一步， 所述的药芯粉末包括以下质量百分含量的物质 ： 氟。
11、化钠 ： 26% ； 氟化钙 ： 5 8% ； 金红石 ： 3 5.5% ； 石英 ： 1 5% ； 高碳铬铁 ： 4.3 13.2% ； 纯铬粉 ： 24.8 38.3% ； 镍粉 ： 6 11.3% ； 钨铁粉 ： 1.5 3.5% ； 电解锰 ： 2.5 5.1% ； 钼铁粉 ： 14.7 27.3% ； 硅铁 粉 ： 3.6 6.1% ； 钒铁粉 ： 0.2 1.4% ； 余量为还原铁粉。 0007 采用所述的一种用于热锻模具修复的堆焊药芯焊丝制备堆焊合金的方法， 其特征 在于， 包括如下步骤 ： 0008 步骤 1， 按照所述的药芯焊丝配制药芯粉末， 轧制， 最终获得直径为 2.4m。
12、m 的药芯 焊丝 ； 0009 步骤 2， 采用二氧化碳气体、 或体积百分比为 80% 氩气和 20% 二氧化碳的混合气 体保护焊工艺制备堆焊合金， 焊接工艺参数为 ： 电压 ： 24-28V ； 电流 ： 280-320A ； 送丝速度 ： 430-460mm/min ； 气体流速 ： 18-23L/min ； 焊丝伸出导电嘴的长度 ： 14-28mm。 0010 所获得熔敷金属中合金元素的质量百分含量在以下范围内 ： C ： 0.050.25% ； Cr ： 说 明 书 CN 103862194 A 3 2/4 页 4 8.5 13.5% ； Ni ： 1 2.6% ； W ： 0.2 1。
13、.2% ； Mn ： 0.45 0.8% ； Mo ： 2.5 4.3% ； Si ： 0.1 0.6% ； V ： 0.05 0.25% ； Fe ： 余量。 0011 优选所述药芯焊丝中药芯成分质量百分含量为 ： 氟化钠 ： 3 5% ； 氟化钙 ： 5.5 7.5% ； 金红石 ： 3.5 5% ； 石英 ： 2 4.3% ； 高碳铬铁 ： 5.3 10.8% ； 纯铬粉 ： 25.8 36.9% ； 镍粉 ： 6.5 10.3% ； 电解锰 ： 3 4.6% ； 钼铁粉 ： 15.7 26.3% ； 硅铁粉 ： 3.8 5.6% ； 钒铁 粉 ： 0.3 1.3% ； 余量为还原铁粉。。
14、 0012 所获得熔敷金属中合金元素的质量百分含量在以下范围内 ： C ： 0.1 0.2% ； Cr ： 9 13% ； Ni ： 1.6 2% ； W ： 0.3 1.1% ； Mn ： 0.5 0.65% ； Mo ： 2.7 4.1% ； Si ： 0.2 0.5% ； V ： 0.1 0.2% ； Fe ： 余量。 0013 其中各种粉作用如下 ： 0014 氟化物 ： 对熔渣起稀释作用， 降低熔渣熔点， 增加熔渣的流动性， 有利于降低堆焊 金属中的氢含量。 0015 金红石 ： 改善熔渣覆盖性、 脱渣性， 并起到稳弧作用。 0016 石英 ： 使熔渣具有良好的覆盖性能。 0017 。
15、高碳铬铁 ： 向焊缝金属过渡碳元素。在堆焊材料设计中， 碳是最重要的强化元 素， 也是致脆元素。碳具有间隙固溶强化的作用， 增加材料中碳的含量， 将促进马氏体的 形成。但碳含量过高， 易获得片状马氏体， 其亚结构为孪晶， 虽然对强度有利， 但对韧性不 利。高的碳含量还会促进碳化物的粗化， 降低钢的性能。此外， 高的碳含量还会增加堆焊合 金碳当量， 增加焊缝产生脆化和裂纹倾向。因此本发明设计堆焊合金中 C 含量为 0.05 0.25wt.%， 有效简化了焊前预热、 焊后缓冷工艺， 对应药芯焊丝中加入的高碳铬铁含量为 4.3 13.2wt.%。 0018 纯铬粉 ： 可显著提高合金的淬透性， 产生。
16、固溶强化， 促进马氏体的形成， 并提高热 疲劳裂纹抗力。 0019 镍粉 ： 镍可以提高奥氏体稳定性， 增加残余奥氏体量， 提高堆焊金属的塑、 韧性， 降 低马氏体开始转变温度 Ms 点， 从而使中、 高碳钢在免预热， 免热处理的条件下堆焊也不开 裂。 0020 钨铁粉 ： 向焊缝金属过渡钨元素， W 原子半径大且弹性模量高， 会与位错产生交互 作用， 锁住位错使其难于运动， 产生很好的固溶强化作用， 因此少量添加 W 元素即可显著提 高合金的硬度， 但 W 含量过高， 易导致堆焊合金热疲劳性能差， 塑韧性降低， 易发生早期断 裂。 因此本发明设计堆焊合金中W含量为0.21.2wt.%， 对应。
17、药芯焊丝中加入的钨铁含量 为 1.5 3.5wt.%。 0021 钼铁粉 ： 向焊缝金属过渡钼元素， 提高堆焊合金的再结晶温度， 从而有效提高堆焊 合金的高温强度。 0022 钒铁粉 ： 向焊缝金属过渡钒元素， 钒是强碳化物形成元素， 起到弥散强化作用， 并 提高堆焊合金的持久强度。 0023 电解锰、 硅铁 ： 利用锰硅联合脱氧， 提高元素过渡系数。 0024 还原铁粉 ： 填补余量。 0025 本发明热锻模具修复的堆焊药芯焊丝的制备方法包括以下步骤 ： 0026 将轧钢带成 U 形槽， 再向 U 形槽中加入占本发明药芯焊丝总重 20 35% 说 明 书 CN 103862194 A 4 3。
18、/4 页 5 0027 的药芯粉末 ； 0028 将 U 形槽合口， 使药芯包裹其中， 通过拉丝模， 逐道拉拔、 减径， 最 0029 后使其直径达到 2.4mm， 得到最终产品。 0030 热锻模具修复堆焊合金采用二氧化碳或体积百分比为 80% 氩气和 20% 二氧化碳 的混合气体保护焊工艺制备， 焊接电流选择280-320A ； 电压24-28V ； 送丝速度 ： 430-460mm/ min ； 气体流速 ： 18-23L/min ； 焊丝伸出导电嘴的长度 ： 14-28mm。采用这一工艺参数能够制 备出符合热锻模具修复工况要求的堆焊合金层。 0031 与现有材料相比， 本发明的优点是 。
19、： 0032 1、 堆焊金属具有高抗裂性， 无需焊前预热、 焊后立即热处理， 堆焊后修复处不出现 裂纹 ； 0033 2、 具有很好的热稳定性且硬度在 45HRC 以上， 550回火后硬度可保持 48-52HRC， 满足高硬度热锻模具修复需要 ； 0034 3、 堆焊工艺性好 ： 电弧稳定、 飞溅小、 焊缝成形美观。 附图说明 0035 图 1 ： 本发明热锻模具修复堆焊药芯焊丝堆焊熔敷金属金相显微图 ； 0036 图 2 ： 本发明热锻模具修复堆焊药芯焊丝堆焊焊缝形貌图。 具体实施方式 0037 下面通过实施例进一步阐明本发明的实质性特点和显著优点， 本发明决非仅局限 于所陈述的实施例。 0。
20、038 各实施例中相同部分如下所述 ： 0039 1、 实施例中药芯焊丝外皮选用规格为 120.3mm（宽度为 12mm， 厚度为 0.3mm） 的 碳钢钢带， 药芯焊丝药芯成分在实施例中具体说明， 所选粉末分别过 60 目筛子， 将所选各 种粉末放入混粉机内混合 10 分钟， 然后将得到的药芯粉末加入 U 形的钢带槽中， 将 U 形槽 合口， 使药粉包裹其中。 然后分别经过直径为 ： 3.55mm、 3.2mm、 2.9mm、 2.75mm、 2.6mm、 2.5mm、 2.4mm 的拉丝模， 逐道拉拔、 减径， 最后使其直径达到 2.4mm， 得到堆焊药芯焊丝。 0040 2、 焊丝堆焊过。
21、程中将工艺参数均设定为 ： 电压 ： 24-28V ； 电流 ： 280-320A ； 送丝速 度 ： 430-460mm/min ； 气体流速 ： 18-23L/min ； 焊丝伸出导电嘴的长度 ： 14-28mm。 0041 实施例 1 0042 取氟化钠 500g， 氟化钙 750g， 金红石 500g， 石英 430g， 高碳铬铁 430g， 纯铬粉 2480g， 纯镍粉 600g， 钨铁粉 150g， 电解锰 510g， 钼铁粉 2730g， 硅铁粉 610g， 钒铁粉 140g， 还 原铁粉 170g。将得到的药芯粉末加入 U 形的钢带槽中， 填充率为 30%， 将 U 形槽合口，。
22、 得到 直径为 2.4mm 的堆焊药芯焊丝后， 按上述工艺制备堆焊层， 所获得熔敷金属中合金成分为 ： C ： 0.05wt.% ； Cr ： 8.5wt.% ； Ni ： 1wt.% ； W ： 0.2wt.% ； Mn ： 0.8wt.% ； Mo ： 4.3wt.% ； Si ： 0.6wt.% ； V ： 0.25wt.% ； Fe ： 余量。 0043 实施例 2 0044 取氟化钠 200g， 氟化钙 550g， 金红石 350g， 石英 100g， 高碳铬铁 1320g， 纯铬粉 3830g， 纯镍粉 1130g， 钨铁粉 350g， 电解锰 250g， 钼铁粉 1470g， 硅。
23、铁粉 360g， 钒铁粉 20g， 说 明 书 CN 103862194 A 5 4/4 页 6 还原铁粉 70g。将得到的药芯粉末加入 U 形的钢带槽中， 填充率为 30%， 将 U 形槽合口， 得 到直径为 2.4mm 的堆焊药芯焊丝后， 按上述工艺制备堆焊层， 所获得熔敷金属中合金成分 为 ： C ： 0.25wt.% ； Cr ： 13.5wt.% ； Ni ： 2.6wt.% ； W ： 1.2wt.% ； Mn ： 0.45wt.% ； Mo ： 2.5wt.% ； Si ： 0.1wt.% ； V ： 0.05wt.% ； Fe ： 余量。 0045 实施例 3 0046 取氟化。
24、钠 600g， 氟化钙 500g， 金红石 550g， 石英 500g， 高碳铬铁 530g， 纯铬粉 2580g， 纯镍粉 650g， 钨铁粉 200g， 电解锰 460g， 钼铁粉 2630g， 硅铁粉 560g， 钒铁粉 130g， 还 原铁粉 110g。将得到的药芯粉末加入 U 形的钢带槽中， 填充率为 30%， 将 U 形槽合口， 得到 直径为 2.4mm 的堆焊药芯焊丝后， 按上述工艺制备堆焊层， 所获得熔敷金属中合金成分为 ： C ： 0.1wt.% ； Cr ： 9wt.% ； Ni ： 1.6wt.% ； W ： 0.3wt.% ； Mn ： 0.65wt.% ； Mo ： 。
25、4.1wt.% ； Si ： 0.5wt.% ； V ： 0.2wt.% ； Fe ： 余量。 0047 实施例 4 0048 取氟化钠 300g， 氟化钙 800g， 金红石 300g， 石英 200g， 高碳铬铁 1080g， 纯铬粉 3690g， 纯镍粉 1030g， 钨铁粉 300g， 电解锰 300g， 钼铁粉 1570g， 硅铁粉 380g， 钒铁粉 30g， 还 原铁粉 20g。将得到的药芯粉末加入 U 形的钢带槽中， 填充率为 30%， 将 U 形槽合口， 得到直 径为 2.4mm 的堆焊药芯焊丝后， 按上述工艺制备堆焊层， 所获得熔敷金属中合金成分为 ： C ： 0.2wt.。
26、% ； Cr ： 13wt.% ； Ni ： 2wt.% ； W ： 1.1wt.% ； Mn ： 0.5wt.% ； Mo ： 2.7wt.% ； Si ： 0.2wt.% ； V ： 0.1wt.% ； Fe ： 余量。 0049 对实例所制备的堆焊层熔敷金属进行硬度实验、 回火稳定性实验、 抗裂性实验， 测 试结果如表 1 所示。 0050 采用 HR-150A 洛氏硬度机测定硬度值， 载荷为 150kg， 对熔敷金属取十点测硬度， 最后得到该药芯焊丝堆焊层的平均洛氏硬度值。 0051 回火稳定性试验的试样尺寸大小相同， 将试样放入箱式电阻炉中加热到设置的温 度并保温设定的时间后， 随炉。
27、冷却至室温取出。回火温度选择 550， 回火时间分别选用 4、 8、 12 小时。将每个不同回火制度下的试样进行常温硬度试验， 用洛氏硬度的变化率来评判 该材料的回火稳定性的好坏。 0052 抗裂性试验时， 在保证焊前不预热， 焊后不进行热处理的前提下， 在未经过堆焊的 热锻模具上连续堆焊 3 层， 焊完后观测焊道表面， 用砂轮打磨平整后再用着色探伤技术显 示焊道上的裂纹情况。 0053 表 1 实施例 1-4 熔敷金属的焊态硬度、 回火后的硬度 (HRC) 和抗裂性 0054 说 明 书 CN 103862194 A 6 1/1 页 7 图 1 图 2 说 明 书 附 图 CN 103862194 A 7 。