一种用于热作模具修复堆焊的专用焊条的制作方法
【技术领域】
[0001]本发明属于焊接材料领域，尤其涉及一种用于热作模具修复堆焊的专用焊条。
【背景技术】
[0002]近年来，随着我国冶金工业及制造业的迅猛发展，模具特别是热作模具，如热乳工作辊、热锻模、热挤压模、热冲裁模等的用量越来越大，现已成为工业生产中大量应用的消耗件之一。模具在使用过程中由于磨损及热疲劳等原因会产生剥落、擦伤、磨损等而失效。如何提高它的使用寿命一直是国内外关注的研究热点。模具的寿命主要取决于模具材料、结构设计、热处理工艺、加工等几个方面。我国模具使用寿命只有国外的1/2-1/3，存在精度低、加工周期长的问题。鉴于模具的失效大都由表面开始，从节省能源和资源、充分发挥材料性能潜力并获得特殊性能和最大技术经济效益出发，提高和改进模具工作面材料的性能是延长模具使用寿命的关键。生产中常采用堆焊的方法在模具坯料上制备合金层，获得双金属模具，既降低了成本，又提高了模具的性能；堆焊也是修复模具延长其寿命的重要技术手段。堆焊需要与各种模具用钢配套的焊接材料。
[0003]堆焊常用的焊接材料有焊条和焊丝。焊条采用气渣联合保护，冶金质量较好，可以通过药皮和焊芯过渡合金元素，焊缝杂质含量少、洁净度较高，焊缝具有较高的抗疲劳性能。同时焊条使用灵活，也比较适合模具修复的短焊缝和不规则焊缝工况。因此，焊条常用于小型模具的堆焊修复，人们为此研发了多种热作模具堆焊焊条，如公布号为CN102240872A的专利“热锻模具堆焊修复及再制造用特种焊条”其药皮化学成分的重量百分比(wt%)为钛白粉1-3，大理石25-40，萤石10-15，石英3-5，白土子2-4，高碳铬铁8-12，高碳锰铁2-4，硅铁2-4，钛铁6-9，钼铁9-11，铈氧化物4-8，金属镍5-8，石墨1_2 ;焊芯为H08A。该焊条采用Cr-N1-Mo合金系，焊条药皮中高碳铬铁的最大含量为12%，熔敷金属的Cr含量远低于11 %，难以保证堆焊金属在800°C及800°C以下具有足够的抗氧化能力，用于热作模具堆焊时高温抗氧化能力较差；该专利焊条加入的碳化物形成元素主要是Cr，Cr的碳化物是间隙化合物，间隙化合物的熔点和硬度不如间隙相的高，加热时也比较容易分解，氮化物和某些碳化物(如T1、V、Nb的碳化物)形成间隙相，间隙相具有高硬度、高熔点、尺寸细小等优点，但该焊条没有采用氮化物强化；另外，该焊条起细化晶粒作用的合金元素只有Mo。授权公告号CN2507605Y “模具堆焊焊条”实用新型专利提出了一种管状焊条用于模具堆焊，该焊条以优质无缝钢管作导电载体，管外涂有药皮，管内填充粒状合金药芯，末端焊接设有夹持端。该专利没有涉及药芯和药皮的具体配方。焊条虽具有上述优点，但焊条不适于自动焊，堆焊效率较低，在大型热作模具的堆焊中使用极少。焊丝可用于自动焊，焊接效率高、焊接质量稳定，因此，焊丝是大型模具堆焊常用的焊接材料。焊丝分为实心焊丝和药芯焊丝，模具堆焊金属合金元素含量较高，合金元素含量高的实心焊丝制造困难，所以模具堆焊主要用药芯焊丝，尤以金属和铁合金粉末为药粉主要组成的金属粉芯焊丝应用最广，金属粉芯焊丝合金成分调整容易、制造简便，焊缝基本无熔渣、多层堆焊无需清渣，焊接生产效率高，也不会产生夹渣缺陷。近年来，人们对研发模具堆焊用金属粉芯焊丝比较重视，如授权公告号CN1093450C的发明专利“时效马氏体钢钨极氩弧焊金属粉芯焊丝及其制造方法”公开了一种用于模具堆焊的钨极氩弧焊用金属粉芯焊丝，金属粉芯中各粉料的重量配比为:39-78% Ni,0-26% Co,0-18% Mo,0.2-6% Ti,0.7-1.68% Al,0.2-1.455% Nb，0-0.72 % Re, 0-0.15 % Te, 0-0.25 % Se, 0.02-0.04 % B，0.01-0.02 % Zr,0.01-0.1 % Ca,药芯占焊丝的重量百分比为30-52%。授权公告号为CN103008924B发明专利“一种用于锻造模具堆焊的药芯焊丝及应用”公开了一种用于锻造模具的堆焊药芯焊丝，焊丝采用碳钢钢带包裹药芯粉末，药芯焊丝填充率为30%?37%，药芯粉末包括以下质量百分含量的物质:氟化钙4%?7%，纯碱0.5%?3%，石英0.5%?4%，金红石20Z0?6%，高碳铬铁13.6%?27.2%，纯铬粉 13.9%?19.2%，镍粉 2.2%?5.7%，电解锰 1.8%?4.3%，钼铁粉6.3%?13.2%，硅铁粉2.1 %?5.0%，钒铁粉0.6%?1.9% ;余量为还原铁粉。申请号为201410748560.5发明专利“一种热锻模具用气体保护堆焊药芯焊丝”公开的堆焊药芯焊丝采用Cr-N1-Mo-W-V-Co合金系，采用CO2气体保护焊，加入Co提高了耐氧化性、红硬性、耐磨性能，但成本显著提高。
[0004]熔敷金属高温抗氧化性能优异、耐磨性好、洁净度高、具有良好抗疲劳性能的堆焊焊条是模具制造与修复再制造急需的焊接材料，目前我国该类焊条的性能与国外还存在较大差距。研发热作模具堆焊用焊条对于提高热作模具寿命具有重要意义。
【发明内容】
[0005]针对现有技术的不足，本发明通过焊条配方的优化设计提供一种马氏体基体的模具堆焊焊条，通过向药皮中加入纳米氮化铬粉末和氧化钇，使堆焊金属能够同时满足热作模具高温抗氧化性、高耐磨性、高洁净度、抗疲劳性能等技术要求。
[0006]本发明中通过在药皮中加入纳米氮化铬粉末来改善焊条韧性和抗裂性能，使其能够达到热作模具高韧性和抗裂性能的标准要求。同时，纳米级粉末活性大，冶金反应剧烈，弥补电弧焊熔池存在时间短、冶金反应不充分的弊端，使其适于电弧焊方法。
[0007]其中，所述的“热作模具”主要是指锤锻模具、热顶锻模具、热挤压模具、热冲裁模具、精锻模具或压铸模具等。
[0008]具体技术方案如下:
[0009]—种用于热作模具修复堆焊的专用焊条，由药皮和焊芯两部分组成；所述药皮质量与焊芯质量之比为0.4-0.6:1 ;所述药皮配方以质量份计如下:大理石20-25，萤石10-15，钛白粉1-3，石英2-5，云母2-5，纯碱0.5-1，电解锰4-8,45#硅铁2-6，钛铁1-4，金属铬20-35，高碳铬铁20-30，石墨0-5，钒铁2_6，钼铁12-18，钨粉2_4，镍粉4_8，纳米氮化络粉1-2，氧化乾粉2_6。
[0010]含有纳米氮化铬粉的堆焊金属具有优异的高温硬度、耐磨性能，以及良好的韧性和抗裂性能，因此，纳米氮化铬粉优选作为用于形成热作模具的堆焊合金粉末的基础原料使用。
[0011]其中，当纳米氮化铬粉的含量低于I质量份时，高温硬度、耐磨性能，韧性和抗裂性能不良。另一方面，如果纳米氮化铬粉的含量高于2质量份，堆焊金属易产生气孔缺陷，成本亦升高。本发明已确认了下述结果:如果纳米氮化铬粉的含量不低于I质量份且不超过2质量份时，可获得期待的高温硬度、耐磨性能，韧性和抗裂性能。
[0012]氧化钇稀土作为除金属和铁合金、矿化物、纳米氮化铬以及不可避免的杂质以外的余分而包含的金属氧化物，其发挥净化堆焊金属、球化夹杂物、促使形成氮化物间隙相，提高堆焊金属的抗疲劳性能的作用。就其含量而言，尽管不能一概而论，但当氧化钇的含量低于2质量份时，可能会导致氧化钇净化和抗疲劳性能效果减弱。
[0013]另一方面，氧化钇的含量高于6质量份时，可能会导致高温硬度和耐磨性能下降，因此，本申请中将氧化乾的加入量限定在6质量份以下，因此不会产生上述问题。
[0014]优选地，所述药皮配方以质量份计如下:大理石22-25，萤石12-15，钛白粉1.5-3,石英3-5，云母3-5，纯碱0.75-1，电解锰6_8，45#硅铁3_6，钛铁2_4，金属铬25-35，高碳铬铁24-30，石墨2-5，钒铁3-6，钼铁14-18，钨粉3_4，镍粉6_8，纳米氮化铬粉1.2_2，氧化钇粉 3-6。
[0015]优选地，所述药皮配方以质量份计如下:大理石22-24，萤石12-14，钛白粉1.5-2,石英3-4，云母3-4，纯碱0.75-0.85，电解锰6_7，45#硅铁3_5，钛铁2_3，金属铬25-30，高碳铬铁24-28，石墨2-3，钒铁3-4，钼铁14-16，钨粉3-3.5，镍粉6_7，纳米氮化铬粉1.2-1.6，氧化钇粉3-4。
[0016]上述药皮配方中，电解金属猛的成分以质量比计Mn含量不小于99.5% ；45#娃铁的成分以质量比计是40.0%?47.0% Si，0.1 % C，余为Fe和不影响性能的杂质；钛铁的成分以质量比计是23 %?35 % Ti，8.5 % Al，5 % Si，2.5 % Mn，余为Fe和不影响性能的杂质；金属络的成分以质量比计Cr含量不小于98%;高碳络铁的成分以质量比计Cr不小于60%，C为6%?10%，Si不大于3%，S不超过0.04%，P不超过0.04%，余为Fe和不影响性能的杂质；石墨的成分以质量比计是94%?99% C ;银铁的成分以质量比计是50% V，0.2% C，2% Si，0.8% Al，余为Fe和不影响性能的杂质；钼铁的成分以质量比计是50% Mo，3% Si，余为Fe和不影响性能的杂质；钨粉的