本发明属于焊接材料制造技术领域，具体涉及一种用于大型热锻模具表面强化的自保护药芯丝材及其制备方法。
背景技术：
我国机械行业重大标志性成果8万吨模锻液压机(世界上最大的模锻液压机)自2013年投产使用以来，在航空航天、能源、船舶等领域大型关键零件的制造中发挥了不可替代的作用。现在都采用将模锻液压机用于和大型热锻模具(单套重量达60～100吨)配合成形难变形材料(如钛合金、高温合金、超高强度钢等)，此时，大型热锻模具型腔的工作区域表面层处于高温(500-700℃)重载(4万吨以上)等极端工况下，使得大型热锻模具型腔的工作区域极易产生磨损、变形、开裂等失效问题，导致大型热锻模具在锻造2-3件锻件之后就无法再次使用。再加上现在的大型热锻模具的尺寸大(大型热锻模具的单边大3-6m，投影面积可达3-5㎡)，使得现有的大型热锻模具的制造周期长，制备成本高(大型热锻模具的制造成本在300-500万)；这样就使得由于大型模具型腔的工作区域容易损坏而导致整个大型热锻模具直接报废，使得采用大型热锻模具制备锻件的成本极高；因此，现在需要研究一种专用的自保护药芯丝材来作为大型热锻模具型腔的表面强化层，来解决大型热锻模具型腔在高温重载条件的极端工况下容易产生磨损、变形、开裂等问题；由于现在世界上只有俄罗斯有两台7.5万吨模锻液压机与8万吨模锻液压机属于同一量级，因此，现在对8万吨模锻液压机配合使用的大型热锻模具的相关研究非常的少，迄今为止还没有见到用作大型热锻模具型腔表面强化层的材料的相关报道。
技术实现要素：
针对上述现有技术的不足，本发明所要解决的技术问题是：提供一种用于大型热锻模具表面强化的自保护药芯丝材，解决现有的大型热锻模具的型腔表面层工作区域在温度为500～700℃，载荷在4万吨以上的极端条件下出现磨损、变形和开裂，导致大型热锻模具使用寿命极短等技术问题；同时还提供了一种用于大型热锻模具表面强化的自保护药芯丝材的制备方法。
为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案如下：
一种用于大型热锻模具表面强化的自保护药芯丝材，，该药芯丝材中药芯的化学成分以质量百分数计，包括铬元素含量26-30％、钼元素含量8-10％、钨元素含量1.8-3％、镍元素含量1.5-2.5％、硅元素含量0.8-1.2％、锰元素含量0.6-1.0％、铌元素含量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％，余量为钴和杂质。
本技术方案中，通过对大型热锻模具型腔中的表面强化层原料的组成和配比进行了大量的研究，制备得到药芯丝材；然后将药芯丝材堆焊在大型热锻模具型腔中形成表面强化层，并且大型热锻模具满足在8万吨模锻液压机上成形大型难变形材料锻件时，大型热锻模具型腔中的表面强化层满足性能要求，不易出现磨损、变形和开裂的情况；还能够提高与过渡层之间的结合强度；这是由于含铬的质量百分比为26-30％，这是为了形成cr7c7、cr23c6、cr3c等化合物，适量的cr-c型碳化物可以作为高温耐磨骨架，作为钴基固溶体的支撑；再加上钼、钨、铌元素均为强碳化物的形成元素，它们不仅能够与铬、碳元素形成复合碳化物进一步提高丝材的高温耐磨性，还能够在熔池中优先析出，弥散分布细化组织；镍是非碳化物形成元素，适量的镍强化基体，降低过热敏感性，起到沉淀强化的作用，在提高钢的强度和硬度的同时保持良好的韧性；硅、锰、碳(石墨粉)起到脱氧固定，增强自保护的作用。因此，使得本发明制得的药芯丝材堆焊形成的表面强化层在常温下力学性能能够满足下列要求：屈服强度σs≥800mpa，抗拉度σb≥1050mpa,，延伸率δ≥20％，收缩率ψ≥30％，冲击功akv≥35j；使得本发明提供的药芯丝材在大型热锻模具型腔中堆焊形成表面强化层后，表面强化层在常温下的力学性能能够满足要求，使得本发明在温度为500-700℃，载荷为4万吨以上的极端工况下，表面强化层不易发生磨损、变形和开裂的情况，使得大型热锻模具的使用寿命提高了10倍以上。
作为优选地，该药芯丝材中药芯的化学成分以质量百分数计，包括铬元素含量28％、钼元素含9％、钨元素含量2.4％、镍元素含量2％、硅元素含量1％、锰元素含量0.8％、铌元素含量0.23％、碳元素含量1.4％、磷元素含量0.01％、硫元素含量0.01％，余量为钴和杂质。采用上述原料组成和原料配比，制备的药芯丝材在大型热锻模具型腔中堆焊形成的表面强化层在常温下的力学性能更加均衡。
权利要求1-4中任意一项所述的用于大型热锻模具表面强化的自保护药芯丝材的制备方法，包括如下步骤：
1)将原材料在120℃下分别烘干1h，采用80目筛子分别对干燥后的各种原材料进行筛分，将筛分后的原材料在80℃的环境下保存备用；
2)按照需求称取药芯丝材药芯的原材料，将称取的原材料加入到混料机中混合2h，得到药芯粉末；
3)获取h08a钢带进行超声波清洗并干燥后，将h08a钢带的横截面加工呈u型结构，然后用加粉器将步骤2)中得到的药芯粉末加入h08a钢带中后进行轧制成型，然后将h08a钢带合口形成药芯丝材基体；
4)采用拉丝模将步骤3)中得到药芯丝材基体进行拉拔减径，得到直径为1.6～3.2mm的药芯丝材。
本技术方案中，通过对药芯丝材成分和配比的设计，然后通过上述方法制备得到药芯丝材，使得本发明制得的药芯丝材在常温下的硬度约为hrc30-33，药芯丝材在常温下的硬度适中，加工性能良好；也方便将药芯丝材在大型热锻模具型腔中进行堆焊，再通过机械加工，使得大型热锻模具中可以得到高精度型腔；另外，通过本发明中的药芯丝材堆焊形成的表面强化层长时间在高温重载的极端工况下，与对表面强化层进行周期性回火处理的影响相似，在高温重载的极端工况下使得表面强化层的硬度在一定程度上得到提高；表面强化层在高温冲击载荷作用下内部组织会产生大量的位错和孪晶，随着冲击载荷的作用，各位错之间、位错与孪晶之间互交割缠结，形成高密度的胞状结构，进而使得位错运动受阻。同时，形成的金属间化合物niw硬质合金相等和析出的大量弥散碳化物颗粒，使其具有非常明显的冲击硬化效果，所以在大型难变形材料锻件成形过程中，表面强化层的强度和硬度反而会有提升；使得表面强化层更不容易出现磨损、变形和开裂等情况发生。
作为优选地，所述步骤4)中得到的药芯丝材的直径为2.4mm。药芯丝材的直径设置为2.4mm，这样使得通过在大型热锻模具型腔中的表面上堆焊3-5层药芯丝材就可形成表面强化层，一方面避免了堆焊层数过少，表面强化层与过渡层之间出现元素过渡的问题，导致表面强化层的组织结构难以控制；另一方面，避免堆焊层数过多，导致表面强化层受到的热影响大，并且焊接工作量大，堆焊效率低；因此，保证了表面强化层的抗磨损、抗变形和热稳定性更好的同时，使得表面强化层堆焊的效率更高。
与现有技术相比，本发明具有如下的优点：
(1)本发明通过对大型热锻模具型腔中的表面强化层原料的组成和配比进行了大量的研究，制备得到药芯丝材；使得药芯丝材在大型热锻模具型腔中堆焊形成的表面强化层的力学性能可以达到：σs(屈服强度)≥800mpa，σb(抗拉度)≥1050mpa,，δ(延伸率)≥20％，ψ(收缩率)≥30％，akv(冲击功)≥35j；使得大型热锻模具表面强化层在高温(500～700℃)重载(4万吨以上))的工况条件下的抗磨损、抗变形和热稳定性能能够满足要求，通过实验证明，与现有技术相比，使得大型热锻模具的使用寿命提高了10倍以上。
(2)本发明制得的药芯丝材在常温下的硬度约为hrc30-33，使得药芯丝材在常温下的硬度适中，加工性能良好；方便将药芯丝材在大型热锻模具型腔中进行堆焊，再通过机械加工，使得大型热锻模具中可以得到高精度型腔；提高了表面强化层的成型质量和焊接工艺性能；另外，通过本发明中的药芯丝材堆焊形成的表面强化层长时间在高温重载的极端工况下，与对表面强化层进行周期性回火处理的影响相似，在高温重载的极端工况下使得表面强化层的硬度在一定程度上得到提高；再使得表面强化层的硬度和强度提高的同时，还能够保证表面强化层与过渡层之间的结合强度达到1000mpa以上，在工作过程不会出现脱落的情况。
(3)本发明中提供的药芯丝材中药芯的组成中含有硅、锰等元素，在保证表面强化层良好的抗磨损、抗变形和热稳定性能同时；还使得在焊接过程中，药芯丝材中的硅、锰等在焊接过程中与氧气反应，因此不需要在焊接的过程中通入氩气或者二氧化碳作为保护气体，使得药芯丝材在焊接的过程形成无氧的焊接环境能够对正在焊接的药芯丝材形成自保护作用，因此在药芯丝材在堆焊形成表面强化层的过程中几乎不产生氧化皮，焊缝美观，还使得多道多层焊接时不需要清渣，提高表面强化层堆焊的效率的同时，使得堆焊形成的表面强化层的质量更好。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明作进一步详细说明。下述实施例所描述的具体药芯丝材中药芯的组分配比、工艺条件及其结果是为了更好的解释本发明,而不构成对本发明保护范围的限定。
实施例1
1)将原材料铬、钼、钨、镍、硅、锰、铌、碳、磷、硫和钴在120℃下分别烘干1h，采用80目筛子分别对干燥后的各种原材料进行筛分，将筛分后的原材料在80℃的环境下保存备用；
2)按照下列配比称取药芯丝材药芯的原材料：铬元素含量28％、钼元素含量9％、钨元素含量2.4％、镍元素含量2％、硅元素含量1％、锰元素含量0.8％、铌元素含量0.23％、碳元素含量1.4％、磷元素含量0.01％、硫元素含量0.01％、余量为钴，将称取的原材料加入到混料机中混合2h，得到药芯粉末；
3)获取h08a钢带进行超声波清洗并干燥后，将h08a钢带的横截面加工呈u型结构，然后用加粉器将步骤2)中得到的药芯粉末加入h08a钢带中后进行轧制成型，然后将h08a钢带合口形成药芯丝材基体；
4)采用拉丝模将步骤3)中得到药芯丝材基体进行拉拔减径，得到直径为2.4mm的药芯丝材。
分别将实施例1中得到的表面强化层自保护药芯丝材堆焊3次得到试样1、2、3；控制焊接电流为130a，焊接电压为26v，焊接速度为0.3m/min。层间焊接温度控制在300℃。对药芯丝材的焊接工艺性能和焊接形成的表面强化层的力学性能进行检测得到表1。
表1为实施例1中试样1、2、3的焊接工艺性能和药芯丝材堆焊3次形成的表面强化层的力学性能表
实施例2
1)将原材料铬、钼、钨、镍、硅、锰、铌、碳、磷、硫和钴在120℃下分别烘干1h，采用80目筛子分别对干燥后的各种原材料进行筛分，将筛分后的原材料在80℃的环境下保存备用；
2)按照下列配比称取药芯丝材药芯的原材料：铬元素含量26％、钼元素含量8％、钨元素含量1.8％、镍元素含量1.5％、硅元素含量0.8％、锰元素含量0.6％、铌元素含量0.15％、碳元素含量1.2％、磷元素含量0.01％、硫元素含量0.01％、余量为钴，将称取的原材料加入到混料机中混合2h，得到药芯粉末；
3)获取h08a钢带进行超声波清洗并干燥后，将h08a钢带的横截面加工呈u型结构，然后用加粉器将步骤2)中得到的药芯粉末加入h08a钢带中后进行轧制成型，然后将h08a钢带合口形成药芯丝材基体；
4)采用拉丝模将步骤3)中得到药芯丝材基体进行拉拔减径，得到直径为2.4mm的药芯丝材。
分别将实施例1中得到的表面强化层自保护药芯丝材堆焊3次得到试样4、5、6；控制焊接电流为130a，焊接电压为26v，焊接速度为0.3m/min。层间焊接温度控制在300℃。对药芯丝材的焊接工艺性能和焊接形成的表面强化层的力学性能进行检测得到表2。
表2为实施例2中试样4、5、6的焊接工艺性能和药芯丝材堆焊3次形成的表面强化层的力学性能表
实施例3
1)将原材料铬、钼、钨、镍、硅、锰、铌、碳、磷、硫和钴在120℃下分别烘干1h，采用80目筛子分别对干燥后的各种原材料进行筛分，将筛分后的原材料在80℃的环境下保存备用；
2)按照下列配比称取药芯丝材药芯的原材料：铬元素含量30％、钼元素含量10％、钨元素含量3％、镍元素含量2.5％、硅元素含量1.2％、锰元素含量1.0％、铌元素含量0.3％、碳元素含量1.6％、磷元素含量0.01％、硫元素含量0.01％、余量为钴，将称取的原材料加入到混料机中混合2h，得到药芯粉末；
3)获取h08a钢带进行超声波清洗并干燥后，将h08a钢带的横截面加工呈u型结构，然后用加粉器将步骤2)中得到的药芯粉末加入h08a钢带中后进行轧制成型，然后将h08a钢带合口形成药芯丝材基体；
4)采用拉丝模将步骤3)中得到药芯丝材基体进行拉拔减径，得到直径为2.4mm的药芯丝材。
分别将实施例1中得到的表面强化层自保护药芯丝材堆焊3次得到试样7、8、9；控制焊接电流为130a，焊接电压为26v，焊接速度为0.3m/min。层间焊接温度控制在300℃。对药芯丝材的焊接工艺性能和焊接形成的表面强化层的力学性能进行检测得到表3。
表3为实施例3中试样7、8、9的焊接工艺性能和药芯丝材堆焊3次形成的表面强化层的力学性能表
经实际生产实践,该大型热锻模具目前在8万吨压机上已经生产合格钛合金锻件7批次，采用表面强化层材料制备的大型热锻模具型腔状态良好，仅出现轻微氧化现象，不影响使用精度，寿命提高10倍以上。
最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。