本發(fā)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夾心層的自保護藥芯絲材及其制備方法。
背景技術：
我國機械行業(yè)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(fā)揮了不可替代的作用。現在將8萬噸模鍛液壓機與大型熱鍛模具(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(qū)域處于高溫(350-700℃)重載(4萬噸以上載荷)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，形變量達到10mm以上，使得大型熱鍛模具無法在繼續(xù)使用；另外，由于現在的大型熱鍛模具的尺寸大(大型熱鍛模具的單邊尺寸大3-6m，型腔投影面積可達3-5㎡)；導致大型熱鍛模具的使用壽命極短、成本極高。
目前公開號為cn104741499a，專利名稱為“一種夾心層鍛模及鍛模夾心層堆焊的制備方法”的中國專利公開了通過在模具基體與過渡層之間堆焊一層夾心層的設計方式，使得，在高壓下允許夾心層發(fā)生較大彈性變形甚至微小塑性變形，將模具型腔下面的集中峰值應力迅速擴散衰減，并以近似均勻分布應力傳遞到鑄鋼基體層上，從而使鑄鋼基體所受的最大應力減低，鑄鋼基體在承壓時更加安全，避免峰值應力直接導致鑄鋼基體產生裂紋，有效地解決了現有的大型熱鍛模具在高溫重載的條件下容易發(fā)生嚴重塑性變形、開裂、壽命短等技術問題。
雖然目前提出通過在過渡層與模具基體之間設置夾心層的方式來解決大型熱鍛模具使用壽命短的問題，但是目前還沒有見到有關夾心層材料相關研究的報道。
技術實現要素：
針對上述現有技術的不足，本發(fā)明所要解決的技術問題是：提供一種用于大型熱鍛模具夾心層的自保護藥芯絲材，解決了現有的夾心層材料在高溫重載的極端工況下，夾心層的彈性變形和應力擴散能力差，夾心層與鑄鋼基體和過渡層之間的結合強度小以及夾心層的成型質量和焊接工藝性能差的技術問題；同時還提供了一種用于大型熱鍛模具夾心層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(fā)明采用的技術方案如下：
一種用于大型熱鍛模具夾心層的自保護藥芯絲材，該藥芯絲材中藥芯的化學成分以質量百分數計，碳元素含量0.24-0.4％、硅元素含量0.2-0.6％、錳元素含量0.8-1.2％、磷元素含量≤0.02％、硫元素含量≤0.02％、鉻元素含量1.8-2.5％、鎳元素含量1.8-2.5％、鉬元素含量1.2-1.6％，釩元素含量13-18％，余量為鐵和雜質。
本技術方案中，通過對夾心層材料組分和組分的百分比含量進行了大量的試驗，使得通過本發(fā)明提供的藥芯絲材堆焊形成的大型熱鍛模具夾心層能夠滿足在8萬噸模鍛液壓機上成形大型難變形鍛件的性能要求，因為，本技術方案中含釩量為13-18％，在夾心層中形成顆粒狀均勻分布的v-c型化合物，提高熱穩(wěn)定性和韌性；含鉻量為1.8-2.5％，形成適量的網狀cr-c型碳化物，作為高溫抗變形骨架；鉬元素為強碳化物形成元素，它不僅能夠與鉻、碳元素形成復合碳化物進一步提高絲材的高溫穩(wěn)定性和抗裂性，還能夠在熔池中優(yōu)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、碳到脫氧固定，增強自保護的作用；因此，使得本發(fā)明制得的藥芯絲材堆焊形成的夾心層在常溫下力學性能能夠滿足下列要求：屈服強度σs≥750mpa，抗拉度σb≥1000mpa，400℃時的壓縮強度≥750mpa，延伸率δ≥25％，收縮率ψ≥35％，沖擊功akv≥40j；使得本發(fā)明提供的藥芯絲材堆焊成形的夾心層在高溫(400℃左右)重載(4萬噸以上)的極端工況條件下，夾心層能夠發(fā)生較大的彈性變形，并且夾心層只會發(fā)生微小的塑性變形，甚至不發(fā)生塑性變形，使得可以將大型熱鍛模具型腔下面的集中峰值應力(通常呈楔形，危害大)迅速擴散衰減，并以近似均勻分布應力傳遞到鑄鋼基體層上，保護大型熱鍛模具整體結構的安全性，尤其保護模具基體不會被損壞，避免造成巨大損失；并且本發(fā)明制得的藥芯絲材的硬度適中，具有良好的塑性和韌性，同時合金組分搭配合理，與鑄鋼基體和過渡層材料形成良好過渡，使得本發(fā)明中夾心層與模具基體和過渡層的結合強度高，能夠有效提升8萬噸模鍛液壓機上高溫重載下難變形材料的模鍛成型能力。
作為優(yōu)選地，該藥芯絲材中藥芯的化學成分以質量百分數計，碳元素含量0.32％、硅元素含量0.4％、錳元素含量1.0％、磷元素含量0.01％、硫元素含量0.01％、鉻元素含量2.2％、鎳元素含量2.1％、鉬元素含量1.4％，釩元素含量16％，余量為鐵和雜質。藥芯絲材采用上述配比使藥芯絲材堆焊的焊接工藝性能更好，以及通過藥芯絲材堆焊成形的夾心層的力學性能更好，保證了本發(fā)明中制備的藥芯絲材的塑性、韌性、強度和硬度等力學性能更均衡。
權利要求1-4中任意一項所述的用于大型熱鍛模具夾心層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(huán)境下保存?zhèn)溆茫皇沟每梢杂行Э刂圃牧狭６?，使其更均勻，提升脫氧劑反應活性和焊接冶金過程的自保護效果。
2)按照需求稱取原材料，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。
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。
將藥芯絲材的直徑設置為2.4mm，這樣可以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夾心層，一方面避免了堆焊層數過少，導致夾心層的組織結構難以控制，影響夾心層的作用；另一方面，避免堆焊層數過多，導致夾心層受到的熱影響大，并且焊接工作量大，堆焊效率低；因此，本發(fā)明保證了夾心層的韌性和塑性性能，使得夾心層對大型熱鍛模具型腔下面的集中峰值應力的擴散能力更好的同時，保證夾心層堆焊效率更高。
與現有技術相比，本發(fā)明具有如下的優(yōu)點：
(1)本技術方案中，通過對夾心層材料組分和組分的百分比含量進行了大量的試驗，使得本發(fā)明制得的藥芯絲材堆焊形成的夾心層在常溫下力學性能能夠滿足下列要求：屈服強度σs≥750mpa，抗拉度σb≥1000mpa，400℃時的壓縮強度≥750mpa，延伸率δ≥25％，收縮率ψ≥35％，沖擊功akv≥40j；因此，本發(fā)明提供的藥芯絲材堆焊成形的夾心層在高溫(400℃左右)重載(4萬噸以上)的極端工況條件下，夾心層能夠發(fā)生較大的彈性變形，并且夾心層只會發(fā)生微小的塑性變形，甚至不發(fā)生塑性變形，使得可以將大型熱鍛模具型腔下面的集中峰值應力(通常呈楔形，危害大)迅速擴散衰減，并以近似均勻分布應力傳遞到鑄鋼基體層上，保護大型熱鍛模具整體結構的安全性。
(2)本發(fā)明中制得的藥芯絲材在常溫下的硬度適中，并且對藥芯絲材的組分和含量設計，使得藥芯絲材的堆焊過程中的焊接工藝性能良好，使得通過藥芯絲材堆焊形成的夾心層具有良好的塑性和韌性，同時使得夾心層分別鑄鋼模具基體和過渡層之間的結合強度達到1000mpa以上；能夠有效提升8萬噸模鍛液壓機上高溫重載下難變形材料的模鍛成型能力。
(3)本發(fā)明中提供的藥芯絲材的組分中含有適量的硅、錳等元素，在保證夾心層良好的韌性和塑性的同時，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(huán)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夾心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，提高表夾心層堆焊的效率的同時，使得堆焊形成的夾心層的質量更好，使得夾心層對保護鑄鋼模具基體的作用更好。
具體實施方式
下面結合具體實施例對本發(fā)明作進一步詳細說明。下述實施例所描述具體藥芯絲材中藥芯組分的配比、工藝條件及其結果是為了更好的解釋本發(fā)明,而不構成對本發(fā)明保護范圍的限定。
實施例1
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(huán)境下保存?zhèn)溆茫?/p>
2)按照下列配比稱取藥芯絲材中的藥芯原材料：碳元素含量0.32％、硅元素含量0.4％、錳元素含量1％、磷元素含量0.01％、硫元素含量0.01％、鉻元素含量2.2％、鎳元素含量2.1％、鉬元素含量1.4％，釩元素含量16％，余量為鐵，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中得到的夾心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250a，焊接電壓為28v，焊接速度為0.4m/min。層間焊接溫度控制在300℃。對得到的試樣1、2、3的焊接工藝性能和對焊接形成的夾心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次形成的夾心層的力學性能表
實施例2
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(huán)境下保存?zhèn)溆茫?/p>
2)按照下列配比稱取藥芯絲材中的藥芯原材料：碳元素含量0.24％、硅元素含量0.2％、錳元素含量0.8％、磷元素含量0.01％、硫元素含量0.01％、鉻元素含量1.8％、鎳元素含量1.8％、鉬元素含量1.2％，釩元素含量13％，余量為鐵，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2中得到的夾心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250a，焊接電壓為28v，焊接速度為0.4m/min。層間焊接溫度控制在300℃。對得到的試樣4、5、6的焊接工藝性能和對焊接形成的夾心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次形成的夾心層的力學性能表
實施例3
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(huán)境下保存?zhèn)溆茫?/p>
2)按照下列配比稱取藥芯絲材中的藥芯原材料：碳元素含量0.4％、硅元素含量0.6％、錳元素含量1.2％、磷元素含量0.01％、硫元素含量0.01％、鉻元素含量2.5％、鎳元素含量2.5％、鉬元素含量1.6％，釩元素含量18％，余量為鐵，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3中得到的夾心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250a，焊接電壓為28v，焊接速度為0.4m/min。層間焊接溫度控制在300℃。對得到的試樣7、8、9的焊接工藝性能和對焊接形成的夾心層的力學性能進行檢測得到表3。
表3為實施例3中制得的藥芯絲材的焊接工藝性能和藥芯絲材堆焊3次形成的夾心層的力學性能
經實際生產實踐,采用帶有“夾心層”結構的大型熱鍛模具，目前在8萬噸壓機上已經生產某型號鈦合金釣尾框鍛件7批次，未出現劇烈塑性變形、開裂等失效，鑄鋼基體得到有效保護，效果顯著。
最后說明的是，以上實施例僅用以說明本發(fā)明的技術方案而非限制，盡管參照較佳實施例對本發(fā)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(fā)明的技術方案進行修改或者等同替換，而不脫離本發(fā)明技術方案的宗旨和范圍，其均應涵蓋在本發(fā)明的權利要求范圍當中。