李 昱 余圣甫

(華中科技大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，武漢 430074)

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5CrNiMo熱作模具CO2氣體保護(hù)焊修復(fù)用藥芯焊絲研制

李 昱 余圣甫

(華中科技大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，武漢 430074)

開發(fā)了用于5CrNiMo熱作模具修復(fù)的藥芯焊絲，用高速攝影觀察NaF含量對焊接電弧穩(wěn)定性的影響，并對堆焊層金屬組織和力學(xué)性能進(jìn)行測試分析。結(jié)果表明，當(dāng)藥芯粉中加入質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1.5%的NaF作為穩(wěn)弧劑時，焊接過程最穩(wěn)定，產(chǎn)生的焊接飛濺最少且以小顆粒飛濺為主；優(yōu)化后的焊絲堆焊獲得的堆焊層表面無焊接缺陷；堆焊層金屬主要為馬氏體，硬度高于鍛造5CrNiMo熱作模具鋼；在600 ℃高溫環(huán)境下，堆焊層金屬強(qiáng)度與室溫強(qiáng)度相當(dāng)，高溫穩(wěn)定性好；堆焊層金屬在600 ℃的磨損率比鍛造5CrNiMo熱作模具鋼低18.75%，可用于模具鋼的堆焊修復(fù)。

5CrNiMo熱作模具 藥芯焊絲 焊接工藝 堆焊層金屬

0 序 言

熱作模具鋼是模具鋼的重要組成部分，主要用于制造錘鍛模、熱擠壓模和壓鑄模，其工作特點(diǎn)是在一定的負(fù)荷下使高溫固態(tài)金屬發(fā)生塑性變形或使高溫液態(tài)金屬壓鑄成形，在工作過程中，熱作模具由于與高溫金屬直接接觸會發(fā)生高溫氧化并承受著極大的沖擊載荷與強(qiáng)烈的塑性摩擦，容易出現(xiàn)高溫磨損等失效形式，造成模具報廢[1-4]。通過堆焊的方法修復(fù)熱作模具鋼，使修復(fù)后的模具具有與之前相當(dāng)甚至更好的性能，可以有效的提高模具的使用壽命，降低生產(chǎn)成本，具有極大的經(jīng)濟(jì)效益[5]。

近年來國內(nèi)進(jìn)行5CrNiMo熱作模具堆焊修復(fù)時，多用焊條電弧焊，其自動化程度和生產(chǎn)效率較低。相較于焊條電弧焊，半自動CO2氣體保護(hù)焊配合藥芯焊絲進(jìn)行模具鋼修復(fù)具有高效、便于操作等優(yōu)點(diǎn)，同時藥芯焊絲比手工焊條生產(chǎn)效率高，且可以靈活配比合金成分。然而，專用5CrNiMo熱作模具CO2氣體保護(hù)焊焊絲很少見。針對這一情況，文中開發(fā)出一種適用于CO2氣體保護(hù)焊修復(fù)5CrNiMo熱作模具的金屬型藥芯焊絲，并通過在藥芯焊絲中加入穩(wěn)弧劑，研究穩(wěn)弧劑含量對焊接過程穩(wěn)定性和焊接飛濺的影響[6]；并對堆焊層金屬組織成分、硬度、拉伸性能及高溫耐磨性進(jìn)行了測試分析。

1 試驗(yàn)材料與方法

1.1 焊絲成分設(shè)計(jì)

以5CrNiMo熱作模具鋼的化學(xué)成分(表1)為依據(jù)設(shè)計(jì)藥芯焊絲成分。在5CrNiMo化學(xué)成分的基礎(chǔ)上適當(dāng)降低C的含量，降低裂紋產(chǎn)生傾向；適當(dāng)提高Cr，V的含量，保證堆焊層金屬的強(qiáng)度和硬度；提高M(jìn)n含量，保證堆焊層金屬的韌性及焊接脫氧；提高M(jìn)o的含量，保證堆焊層金屬的高溫穩(wěn)定性。按以上思路制作藥芯焊絲，獲得熔敷金屬化學(xué)成分見表2[7]。同時，針對CO2氣體保護(hù)焊焊接電弧不穩(wěn)定，焊接飛濺較大等缺點(diǎn)，在藥芯焊絲中加入適量NaF作為穩(wěn)弧劑，保證焊接過程的穩(wěn)定性，為獲得合適的NaF含量，試驗(yàn)設(shè)計(jì)NaF質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為0%，0.5%，1%，1.5%，2%，2.5%，比較在藥芯焊絲中加入不同含量NaF對焊接電弧穩(wěn)定性及焊接飛濺的影響。根據(jù)堆焊層金屬成分, 選擇合適的藥芯粉材，拉拔出直徑為1.2 mm，填充率為15%的藥芯焊絲。

1.2 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)采用CO2氣保護(hù)焊在尺寸為200 mm×150 mm×16 mm的Q235基板上堆焊，焊接電流I=240 A，焊接電壓為U=32 V，氣體流量Q=20 L/min，焊絲伸出長度L=25 mm，焊接速度v=45 cm/min。

采用CMOS高速攝影儀拍攝焊接過程，記錄焊接飛濺情況，背景光源采用激光，功率為30 W，拍攝幀率為1 500 f/s；收集焊接飛濺顆粒，按直徑大小統(tǒng)計(jì)飛濺顆粒，并稱出焊前、焊后試板及飛濺顆粒的質(zhì)量，按公式(1)計(jì)算飛濺率：

表1 5CrNiMo熱作模具鋼化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)

表2 堆焊層金屬化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)

ω=G1/(G1+G2)×100%

(1)

式中,ω為飛濺率；G1為飛濺質(zhì)量；G2為堆焊層金屬質(zhì)量。

采用AE2000MET顯微鏡觀察經(jīng)預(yù)磨、拋光及腐蝕后堆焊層金屬微觀組織形貌。

采用200HR-150型洛氏硬度計(jì)測量堆焊層及鍛造5CrNiMo熱作模具鋼硬度。

采用AG-100KN試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行高溫拉伸試驗(yàn)，試驗(yàn)環(huán)境溫度為室溫及600 ℃，保溫時間10 min,加載速度2 mm/min，獲得試樣的斷后伸長率、斷面收縮率、屈服強(qiáng)度及抗拉強(qiáng)度。

采用BRUKER CETR-UMT摩擦磨損設(shè)備進(jìn)行高溫干摩擦磨損試驗(yàn)[8]，試驗(yàn)采用銷盤式對磨，上摩擦副為堆焊層金屬，下摩擦副為鍛后調(diào)質(zhì)態(tài)5CrNiMo鋼，試樣尺寸如圖1所示。試驗(yàn)環(huán)境溫度為600 ℃，保溫時間10 min，載荷400 N，試驗(yàn)盤轉(zhuǎn)速為300 r/min，磨損時間30 min，試驗(yàn)前后用精度為0.000 1 g的電子天平稱重，計(jì)算失重量及其磨損率。

圖1 高溫磨損試驗(yàn)?zāi)Σ粮背叽?/p>

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 焊縫表面成型質(zhì)量

圖2為藥芯焊絲堆焊所得焊縫表面成型照片?？梢钥闯觯傅勒R，堆焊層金屬表面沒有裂紋、咬邊、氣孔等缺陷，成型質(zhì)量良好。由此可見，研制的焊絲在給定的參數(shù)值下進(jìn)行焊接有良好的成型性。

2.2 NaF對焊接工藝性能的影響

焊接電弧的穩(wěn)定性是指在正常焊接情況下，焊接電弧電壓和焊接電流隨時間的波動幅度[9]。在焊接過程中，焊接電弧電壓和焊接電流隨時間波動的幅度越小，焊接電弧的穩(wěn)定性越好。圖3為藥芯焊絲藥芯粉中NaF與焊接電弧電壓波動值的關(guān)系。由圖可見，隨著氟化鈉的增加，焊接電弧的穩(wěn)定性呈先增加后降低的趨勢，這是由于在焊接冶金過程中，NaF分解產(chǎn)生很多鈉離子和氟離子，鈉離子的電離電位較低，比較容易電離，保證了焊接電弧中帶電粒子數(shù)量；氟離子則會與焊接過程中產(chǎn)生的氫離子結(jié)合，產(chǎn)成HF氣體。當(dāng)NaF含量較低時，鈉離子起主導(dǎo)作用，起到了穩(wěn)定電弧的作用，當(dāng)NaF含量不斷增加，HF氣體逐漸增多，在熔滴中產(chǎn)生氣泡，氣泡爆破，降低了焊接電弧的穩(wěn)定性[10]。

表3為藥芯焊絲中不同NaF含量對飛濺的尺寸大小與飛濺顆粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)的影響。圖4為焊接過程高速攝影照片，可以看出在該焊接規(guī)范下，熔滴過渡的主要形式是細(xì)顆粒過渡，熔滴直徑為焊絲直徑的1.5倍左右。從圖表中可以看出，當(dāng)NaF質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0%，即不加入NaF時，焊接電弧波動較大，產(chǎn)生大量飛濺，且以大顆粒飛濺為主，當(dāng)NaF質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1.5%時，焊接電弧穩(wěn)定，產(chǎn)生的飛濺最少，且以小顆粒飛濺為主。

表3 NaF對焊接飛濺顆粒大小的影響

圖4 NaF質(zhì)量分?jǐn)?shù)對焊接過程電弧及飛濺的影響

圖5為藥芯粉中NaF質(zhì)量分?jǐn)?shù)對焊接飛濺率的影響。由圖看出，加入NaF可以降低藥芯焊絲的飛濺，但NaF質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)到1.5%以后，焊接飛濺率反而升高。這是因?yàn)镹aF在焊接冶金過程中生成Na+和F-，Na+可以穩(wěn)定電弧，細(xì)化熔滴，而F-與H+結(jié)合形成HF。因此，當(dāng)NaF的比例適當(dāng)，可以減少焊接飛濺。若藥芯粉中加入較多NaF時，在焊接冶金過程中，會產(chǎn)生較多HF氣體，反而使得焊接飛濺率增大。

圖5 NaF質(zhì)量分?jǐn)?shù)對焊接飛濺率的影響

2.3 堆焊層金屬化學(xué)成分及微觀組織

表4為試驗(yàn)所得堆焊層金屬化學(xué)成分表，圖6為堆焊層金屬焊態(tài)的微觀組織照片，堆焊層金屬焊態(tài)的微觀組織主要為馬氏體和少量殘余奧氏體。表5為堆焊層金屬及鍛造5CrNiMo鋼硬度的測量結(jié)果。從表中可以看出堆焊層金屬硬度明顯高于鍛造5CrNiMo鋼。這是由于堆焊層金屬中馬氏體組織含量較高，同時藥芯焊絲中Cr，Mo，V的含量較高，這些元素與碳元素的結(jié)合性能比Fe與碳元素的結(jié)合性能強(qiáng)，在焊接冶金過程中，與碳元素結(jié)合形成碳化物，提高了堆焊層金屬的硬度[11]。

表4 堆焊層金屬化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)

圖6 堆焊層微觀組織

表5 堆焊層金屬及鍛造5CrNiMo硬度測量 HRC

2.4 堆焊層金屬拉伸性能

如圖7所示，試驗(yàn)得到焊態(tài)堆焊層金屬室溫及600 ℃環(huán)境下拉伸試驗(yàn)應(yīng)力與位移的曲線，表6為試驗(yàn)獲得的焊態(tài)堆焊層金屬的力學(xué)性能，包括斷后伸長率A、斷面收縮率Z、屈服強(qiáng)度ReL以及抗拉強(qiáng)度Rm。從表中可以看出，堆焊層金屬在室溫及600 ℃高溫環(huán)境下，屈服強(qiáng)度及抗拉強(qiáng)度變化不大，這是因?yàn)樵谒幮竞附z中提高了Mo元素的含量，細(xì)化了堆焊層金屬的晶粒，提高了堆焊層金屬的熱強(qiáng)性能，抑制堆焊層金屬的回火脆性，使堆焊層金屬在高溫時仍保持足夠的強(qiáng)度[12]。

圖7 室溫及600 ℃應(yīng)力-位移曲線

2.5 堆焊層金屬高溫磨損性能

表7為5CrNiMo熱作模具鋼與堆焊層金屬高溫摩擦磨損的試驗(yàn)結(jié)果，從表中可以看出，堆焊層金屬的磨損失重率低于鍛造生產(chǎn)的5CrNiMo的磨損失重率，通過計(jì)算可知，磨損率下降18.75%。這是因?yàn)槎押笇咏饘僦械腃r，Mo，V的含量較之鍛鋼中的含量要高，這些元素都是強(qiáng)碳化物形成元素，在焊接過程中，與C元素結(jié)合，形成碳化物，提高了堆焊層金屬的高溫摩擦性能，降低了堆焊層金屬的高溫磨損率[13]。

表6 室溫及600 ℃拉伸性能試驗(yàn)

表7 鍛造5CrNiMo及堆焊層金屬磨損情況

3 結(jié) 論

(1)添加NaF作為穩(wěn)弧劑，可有效提高焊接過程穩(wěn)定性，減少焊接飛濺。當(dāng)添加NaF的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1.5%時，焊接過程最穩(wěn)定，飛濺較少且以小顆粒飛濺為主。

(2)堆焊層金屬在室溫環(huán)境下，抗拉強(qiáng)度為1 095.77 MPa，屈服強(qiáng)度為970.21 MPa；在600 ℃環(huán)境下，抗拉強(qiáng)度為1 061.93 MPa，屈服強(qiáng)度為926.24 MPa，堆焊層金屬高溫穩(wěn)定性好。

(3)藥芯焊絲中Cr,V等元素提高組織中碳化物和馬氏體含量，提高堆焊層的硬度和耐磨性。600 ℃時堆焊層金屬的平均磨損失重為0.004 7 g，磨損率為0.13%，其磨損率比之鍛造5CrNiMo鋼材的磨損率低18.75%，抗高溫磨損性能更優(yōu)。

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2017-01-21

TG422.3

李 昱，1993年出生，碩士研究生，主要從事熱作模具堆焊修復(fù)方面的研究工作。