（材料加工工程专业论文）zg35mnsi堆焊过渡层材料的组织和性能及优化选择(1).pdf

重庆大学硕士学位论文 中文摘要 摘要 堆焊修复和制造技术广泛应用于多个领域，低合金铸钢基体堆焊在模具制造 和修复上有广泛的发展前景和空间，尤其是对于特大型模具的制造有明显的技术 优势和经济优势。 采用低合金铸钢基体堆焊强化修复和制造模具，由于低合金铸钢基层和堆焊 覆层材料在物理和化学性能上存在很大的差异，使得低合金铸钢基体在堆焊过程 中易出现覆层堆焊金属被稀释、熔合线附近马氏体脆化，增加焊接应力和变形， 出现焊接裂纹，降低焊接质量等问题，严重影响其在实际生产中的使用性能。为 了获得优秀的堆焊整体性能，采用在低合金铸钢基层和堆焊覆层之间添加过渡层 是一种有效的解决方法。堆焊过程中，先在低合金铸钢基层堆焊过渡层，然后进 行覆层堆焊。本文中采用中碳低合金铸钢z g 3 5 m n s i 作为堆焊基体材料和市场上 取得广泛应用的i 蝴d 2 4 8 焊材为堆焊覆层，选用3 种过渡层材料i m m l 3 6 、 1 w d 5 3 5 和r m d l 4 2 ，进行过渡层组织和性能的对比和优化。 直接覆层堆焊，主要分析低合金铸钢z g 3 5 m n s i 与覆层堆焊界面。对低合金 铸钢z g 3 5 m n s i 堆焊过渡层的组织性能检测和材料的优化选择是本文研究的重点。 其中添加过渡层堆焊可分为三大区域：低合金铸钢与过渡层界面区域、过渡层与 覆层界面区域及过渡层堆焊区域。 低合金铸钢z g 3 5 m n s i 直接覆层堆焊和添加过渡层堆焊对比分析：通过e d s 线扫描发现，直接覆层堆焊的成分梯度变化最大，添加过渡层堆焊线扫描化学成 分均匀过渡。过渡层材料i u m d l 3 6 和i u m d 5 3 5 均有效防止低合金铸钢z g 3 5 m n s i 与过渡层焊缝熔合区的碳迁移，避免脆硬马氏体层的出现。其中过渡层i 洲d 1 3 6 所获接头脱碳增碳现象最小，保证获得接头具有良好的力学性能，显微硬度和力 学性能测试也验证了这一结果，具有高的抗拉强度，低合金铸钢z g 3 5 m n s i + 过渡 层砌) 1 3 6 + 覆层r m d 2 4 8 平均抗拉强度最大，达到6 9 9 5 m p a 。通过金相检测和 力学性能测试，结果表明，添加堆焊过渡层r m d l 3 6 后的成分、组织和性能过渡 均匀，韧性和强度最好。 总之，过渡层堆焊有利于低合金铸钢z g 3 5 m n s i 、过渡层和覆层之间的组织性 能。通过本文的实验研究，采用i t m d l 3 6 过渡层材料可在一定程度上成功实现低 合金铸钢z g 3 5 m n s i 、过渡层和覆层的高质量连接。本文的研究课题来源于生产实 践中遇到的问题，研究的内容可以为低合金铸钢材料的堆焊修复和强化制造的生 产应用提供理论依据，对于该技术的使用和推广有一定的指导和参考价值。 重庆大学硕士学位论文 中文摘要 关键词：锻造模具，中碳低合金铸钢，过渡层堆焊，显微组织，力学性能 i i a b s t r a c t a ss u r f a c i n gi ss i n l p l ei i lt e c l l i l i q u ea n de c o n o m i ci ne q u i p m e n t ，i ti s 丽d e l yu s e d t or e p a i ro rm 锄叫沁t u r ei nm a n yi n d u s 仃i e sf i e l d s s 妇i n go n l ec a s ts t e e lt om a ：k e f b 珞i 1 1 9d i e sh a v ea m o r eb r o a dd e v e l o p m e n ts p a c ea n dm es 缸毽e ，e s p e c i a l l yi nm e1 a g e r f o 玛i n gd i e so w i i l gt oi t so b v i o u st e c l l i l i c a la n de c o n o n l i c a la d v a n t a g e so v e ro t l l e r m e t h o d s s 疵i n go nt l l ec a s ts t e e lt om 出ef o 唱i i 培d i e sc a l lc o 埘l b i i l et l l ee x c e l l e n tw e a r r e s i s 协c eo f 龇c l a d d i n g1 a y e ra n d 恤1 0 wc o s to fm ec a s ts t e e l w l l i l em eg r e a t d i r e n c eo fp h y s i c a la 1 1 dc h e m i c a lp r o p e r t i e sb e 铆e e nt h ec 缄s t e e la n dt 1 1 ec l a d d i n g l a y e rc a j le a s i l yr e s u l ti nt 1 1 ew e l dd i l u t i o na n ds o m ec r a c k s ，w h j c hh e a v i l yi n n u e n c e d m es e r v i c ep e 墒册a i l c eo ft l l i sh n do fm o u l d ，s oi ti sd i 伍c u ht og e tag o o di n t e 铲a t i o n o f 廿l ec a s ts t e e la 1 1 dm ec l a d d i n gl a y e r 蛐gs u r f 犯i i l g g e n e r a l l y ，at i 彻s i t i o n1 a y e ri sa d o p t e db e 铆e e nt l l ec a s ts t e e l 趾d 1 ec l a d d i n g l a y e r ，t h u ss u r f - a c i n gp r o c e d l eo ft l l e s em a t e r i a l si n c l u d e s 廿l r e es t e p s ：f i r s t l y ，、e l d i n g f o rt h et 啪s i t i o nl a y e ro n 1 ec a s ts t e e l ，t l l e nf o r l ec l a d d i i l g1 a y e ro nt l l e 仃a n s i t i o n 1 a y e r 1 1 1 es 慨i n gw e l d i n ge x p e r i m e n to nc a s ts t e e lz g 35 m i l s id e v e l o p e db y c h o n g q i n gj i e x i nd i e & m o u l di n c 1 t d h a sb e e nc a r r i e do u t 谢t hc l a d ( 1 i n g1 a y e r 剐】d 2 4 8 谢d e l yu s e di nm a r k e t 7 1 1 1 i sp 印e r 谢1 ls t u d yt h r e ek i n d so f 衄1 s i t i o nl a y e r m a t e r i a l ( i w 【d 13 6 ，r m d 5 3 5 ，a i l dr m d l 4 2 ) c a s t s t e e lz g 3 5 m n s ia i l d 廿l ep e 墒m a i l c e o fs u r f i a c i n g i nt l l es u r f - a c i n gt e c l l l l i q u e “c a s ts t e e l + c l a d d i n g1 a y e cm er e s e a r c hf o c u s e do nm e c a s ts t e e l t 1 1 ec l a d d i n gl a y e ri n t e r f a c e i n 廿1 es u r f a c i n gt e c l l l l i q u e “c a s ts t e e l + 仃a n s i t i o n l a y e r + c l a d d i l l g1 a y e ct h e 仃a l l s “i o n1 a y e rc a n b ed i v i d e di n t om r e er e g i o n s ：c a s ts t e e l - 仃a n s i t i o nl a y e ri n t e r f - a c e ，仃a n s i t i o nl a y e r - c l a d d i n gl a y e rn e r f a c ea n dt r a n s i t i o nl a y e r i 沁s e a r c he m p h a s i so nt h i sm a t e r i a li sp l a c e do nt 1 1 es u r f a c i n gt e c l l i l o l o g yc o n t r 0 1a n d p e r f o r m a n c et e s to fm e 仃a n s i t i o nl a y e r ，i nw t l i c hm em i c r o s 仃i j c t u r e ，p h a s es 仇l c t u r e c o n s t i 枷o na n dc h e m i c a lc o m p o s i t i o nv a r i a t i o na r ea n a l y z e di nd “1 i na d d i t i o n ，t 1 1 e s 疵i n gb o n d i l l gs t r e n g t hw a s e v a l l l a t e do nm e c h a n i c a lp r o p e r t i e s i i l l i sp a p e r ，t h r e ek i n d so fm m s i t i o nl a y e ro fd i f r e r e n tc h e m i c a lc 0 i i l p o s i t i o na n d m e c h a i l i c a lp r o p e 而e sh a v eb e e ns t l l d i e d ，e s p e c i a l l yt h e 、v e l d i i l gp e r f o m a n c e t h e e 丘e c t so ft k e ek i l l d so ft r a n s i t i o nl a y e ra r e rs u l 彘l c i i l gw e r ei n v e s t i 黟此db yo p t i c a l m i c r o s c o p e ，s c 础ge l e c 仃o n1 1 1 i c r o s c o p et e s t ，e n e 玛ys p e c 咖a 1 1 2 l l y s i s ，h a r d n e s st e s t i i i 重庆大学硕士学位论文 英文摘要 趾dt e n s i l et e s t c 曲o nm i 目a t i o n ，也ec 抽o ni n i 铲a t e s 舶m 恤c a s ts t e e lz g 3 5 s it o c l a d d i n gl a y e rs i d e ，i so b v i o u si n 锄e a l i n gs t a t e e n e 玛ys p e 栅a n a l y s i ss h o w sm a t a l l 缸蛆s i t i o n1 a y e r sc a np r o m o t ec h e i l l i c a l c o m p o s i t i o nu 1 1 i f o m 协m s i t i o n 龇l d t r 趾s i t i o nl a y e r 啪13 6a n dr m d 5 3 5c a np r e v e n tc a r b o ni i l i g r a t i o ne 骶c t i v e l y t h e b e s t 仃a n s i t i o nl a y e r ，r m d l3 6 ，i ss e l e c t e db yc o m p a r i n gt h et 1 1 r e ek i n do f 仃a n s i t i o n l a y e r so v e r a l lp e r f o m 趾c e 1 1 1 er e s l l l t ss h o w e d 也a cm e 仃a i l s i t i o nl a y e r 心仍1 3 6c a n e 伍c i e n t l yp r e v e n t 行o ma r i s i n go fc r a c k sa r l dh 叭i i l e s sg r a d i e n td i s t r i b u t i o ni ss a t i s f i e d i i law o r d ，t h e 衄l s i t i o n1 a y e rc a ni m p r o v em ei n t e r f a c i a l 面c r o s 仇l c t u 】旧；p r e v e n t 丘o m 撕s i n go fc r a c k s t h er e s u l 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】。堆焊的物理本质和冶金过程与一般熔焊工艺基本相同， 没有大的差别。但是二者的主要目的不尽相同，一般熔焊主要达到零部件连接作 用，但是堆焊的目的并不是为了起到连接作用，而是恢复或增大零部件尺寸，充 分发挥堆焊合金的优良性能，获得特殊性能的覆层，延长设备或零件的服役寿命 【3 ，4 o 堆焊作为一项传统的表面工程技术，由于产品市场的需求和现代化技术的支 撑，堆焊技术不断焕发青春，堆焊已经由产品修复发展为产品制造和再制造的重 要工艺环节，成为产品修复和制造中不可缺少的关键技术。利用堆焊工艺作为生 产手段修复和制造的双金属和多金属零部件，零部件的基体和堆焊层，可采用不 同性能的材料，获得基体与表面性能差别较大的复合材料，能满足不同部位对材 料的不同性能要求。这样，零部件不但可以获得优异的综合性能，而且能够充分 发挥各种材料的工作潜力。常规焊接方法都可以用来堆焊，因此堆焊操作方便简 单，经济效益好，有利于零部件的循环利用，有利于节能环保，有利于实现可持 续发展，能创造的产值高附加值大。并且和其他表面技术相比，堆焊技术有明显 的优势和潜力。堆焊技术也被称为绿色制造技术，具有广阔的发展前景【5 1 。 1 2 模具堆焊研究和应用现状 1 2 1 模具堆焊修复和制造技术研究现状 目前堆焊技术已经广泛地应用于耐磨损、耐腐蚀等有特殊性能要求的零件的 修复或制造中。其中模具的堆焊修复和制造技术，也就是对模具的表面采用堆焊 处理，是堆焊技术的一个重要方向和领域，也是失效模具修复和新制模具的一种 重要方法。热成形模具工作环境恶劣，由于模具表面直接接触高温坯料，表面温 度可达到5 0 0 6 5 0 。模具进行润滑和冷却时，又会降到1 5 0 2 0 0 。反复的加 热和冷却作用，会产生热应力和组织应力的交变作用。同时模具在工作过程中， 会受到较大的机械压力和冲击载荷，以及坯料成型过程中的塑性流变引起的强烈 摩擦。这些不利因素如周期性的热负荷和机械负荷叠加作用在一起，模具易出现 重庆大学硕士学位论文 1 绪论 断裂、变形、热疲劳和热磨损等形式的失效。而且，有时模具的失效不仅仅是其 中一种失效形式，还可能同时出现几种失效形式。在这些模具失效形式中，模具 磨损导致零件尺寸超差和模具失效是最常见的失效，据统计发现，在高温成形过 程中模具因磨损而产生的失效会达到甚至超过7 0 ，断裂失效约占2 0 ，塑性变 形约占1 0 。冷作模具和塑料模具寿命可达几十万甚至上百万件，而热锻模具的 寿命比较低，一般在几千件，有时甚至几百件，几十件。并且热锻模具寿命国内 同国外比，差距也很明显，国内的模具寿命仅有对应国外模具寿命的1 3 左右。这 种差距是多方位的，存在的主要问题包括：模具材料、模具结构设计、模具加工 技术等方面。亟待解决的问题就是提高热锻模的寿命和失效热锻模的高质量修复。 根据热锻模具的工况条件和失效模式，要求热锻模表面和型腔具有优良的高温耐 磨性、较高的高温屈服强度、抗回火稳定性和耐疲劳性能，来抵抗和减缓模具磨 损和疲劳失效：而模具基体则需要在满足强度的要求下有足够的韧塑性，来适应 模具工作中的冲击要求，避免模块断裂失效。实现热锻模具的良好的高温强度和 高温硬度，与热韧塑性的合理匹配和协调统一，是热锻模具提高服役性能、延长 服役寿命和实现模具经济性的关键性问题。对于传统的均质模具钢材料，高热强 硬性和高韧塑性二个要求相互矛盾，难以同时满足这两个要求，只能在高热强硬 性和高韧塑性两个方面相互妥协。均质模具钢的局限性严重制约了热锻模具寿命， 仅从均质模具材料出发，难以解决热锻模具的寿命问题【1 2 1 5 j 。 随着模具表面技术的发展，功能梯度材料的概念引进到了模具修复和制造当 中，人们提出了采用双金属或者多金属来制造热锻模具的新方法，打破了传统均 质模具钢材料的局限。如借鉴爆炸焊接制造金属复合材料，采用爆炸成型制造多 金属或多金属热锻模具。但是其在使用过程中受到爆炸焊接的工艺重复性差和安 全性等因素影响，没有取得广泛的应用。而堆焊技术在这种功能梯度模具理念的 引领下，由于其操作简单、节约模具钢材料、低成本、短周期及高效率，获得了 广阔的应用和发展空间。堆焊技术能够制备出符合要求的高质量的双金属或多金 属的热锻模具，具有价格与性能双重优势，实现基体材料和堆焊覆层材料的合理 搭配。研究合适的锻模基体材料和堆焊强化材料采用堆焊技术实现功能梯度，对 于提高锻模寿命和节约成本具有重要意义【1 6 体j 。 d 3 3 7 和d 3 9 7 是两种较早获得应用的热锻模焊条，其主要成分相当于热锻模 具钢材料3 c r 2 w 8 和5 c r m n m o 。其堆焊前需要预热，焊后需要缓冷。机械加工前 还需退火降低硬度，加工后需调质处理，工序繁杂。且修复模具的寿命仪相当于 新制模具的7 0 8 0 ，难以满足堆焊技术的发展和模具制造的需求【1 9 2 。 用堆焊方法修复和制造热锻模，在近十几年得到广泛的研究，主要集中在耐 磨堆焊材料设计、组织性能分析和新型堆焊工艺的研究。 2 重庆大学硕士学位论文 1 绪论 魏琪，栗卓新等参考马氏体时效钢1 8 n i 的合金成分，研制了马氏体时效钢t i g 模具堆焊金属粉芯焊丝，焊后硬度低，容易加工。通过时效处理，硬度达到5 0 h r c 以上。并对其堆焊熔覆金属进行红硬性和热疲劳性能检测，结果表明具有高的强 度，塑韧性，以及良好的热稳定性睇1 | 。 马超，李爱农对h 1 3 型c 0 2 自保护堆焊药芯焊丝的组织和性能进行研究，并 和模具钢材料h 1 3 和5 c r n i m o 进行对比。由于焊丝采用了“少量多元”的合金元 素设计，通过少量、多种碳化物形成元素，可以达到多种碳化物复合强化的效果瞄j 。 并且在回火过程中，依靠二次强化，保证堆焊合金具有好的抗回火软化性和优异 的耐磨性能，“少量多元”是一种堆焊材料合金设计的可行方法【2 3 j 。 许勇静，陈俐研究分析了中碳c r - m o v 堆焊合金的成分对其组织及性能的影 响。堆焊材料合金元素的含量和性能不存在简单的正比关系，盲目的加入大量的 合金元素，不一定能起到改善性能的作用，其综合性能取决于各相的组成和比例， 以及分布状况。对合金成分的优化选择，可以实现材料的经济性和使用性的统一 【2 4 】 o 赵昆，王红英等选择铁基合金粉末和碳化钨硬质合金颗粒作为堆焊材料，采 用研制的等离子弧堆焊装置，获得了获得铁基合金+ 碳化钨硬质合金的复合堆焊 层。堆焊层碳化钨合金分布较均匀，可有效地避免复合堆焊层的整体脆化【25 1 。 李强采用正交试验方法优化设计焊条配方，成功设计获得了低合金耐磨损抗 裂堆焊焊条，其显微组织为低碳马氏体+ 高碳马氏体+ 残余奥氏体+ 弥散分布的碳化 物。通过碳化物在基体中弥散分布实现高的耐磨性，残余奥氏体可以改善组织的 韧性。通过成分设计，以获得高强韧的混合型马氏体+ 弥散分布的硬质相，是耐磨 焊条的一个发展方向【2 6 j 。 李午申，宋炳章，冯灵芝等采用计算机辅助设计的方法，利用二次旋转回归 设计焊条化学成分，建立了堆敷金属硬度、耐磨性与药皮合金剂问三者之间的数 学模型，并且将优化预测值与实验值比对，取得了良好的效果【2 。 张建强，郭嘉琳，张国栋等采用高温加速模拟研究马氏体耐热钢t 9 1 和贝氏 体耐热钢1 2 c r 2 m o w v n b 异种钢接头，在不同焊缝强度匹配下接头的失效形式、 界面破坏特征及失效机理。低匹配焊接接头的界面蠕变损伤较严重，力学性能下 降明显，失效倾向较大；而中匹配接头的蠕变损伤及失效倾向较小，中匹配与低 匹配接头的持久强度比较接近；而高匹配接头的持久强度最低。对于 t 9 1 1 2 c r l m o v 异种钢接头，选用蠕变强度接近1 2 c r l m o v 钢的焊缝金属比较合适 【2 8 】 o 谢冰，罗键等提出了采用“母材+ 过渡层+ 耐磨层”的复合堆焊修复方法。在 满足堆焊表面热强性和耐磨性要求的条件下，实现堆焊层硬度梯度变化，改善母 重庆大学硕士学位论文 1 绪论 材与耐磨层的结合性能，减少直接覆层堆焊的开裂倾向，为模具堆焊修复有一定 的指导意义幽j 。 罗键，王向杰等在低碳钢q 2 3 5 上进行堆焊实验，研究了外加磁场对堆焊层的 微观组织、硬度、耐磨性和热强硬性的影响规律。外加磁场可以细化晶粒和改善 硬质相促使其均匀分布，有利提高堆焊的整体性能【l 引。 1 2 2 模具堆焊修复和制造技术的广泛应用 随着堆焊技术的发展，新型堆焊材料的不断开发和工艺方法的改进，堆焊技 术在失效模具修复和模具制造中也得到了实际的应用，取得了一定的效果。 在实际应用方面，李文彬、官军等人用d 3 9 7 焊条( 成分接近5 c 心压n m o ) 对 材料为5 c 删。的台车轴套筒模和台车轮热锻模具失效后进行堆焊修复，修复后 的使用寿命与新制模具寿命基本一样，堆焊修复经济有效【3 0 j 。 任雪岩等人用堆焊技术对大型覆盖件模具进行刃口修复，以及拉延模和成形 模的磨损面恢复尺寸及强化。大幅降低了生产成本，缩短开发周期【3 。 于影霞，何柏林选用普通铸铁和4 2 c r m o 作为大型修边模的基体材料，采用堆 焊方法修复和制造刃口，保证刃口的高硬度，耐冲击，耐磨和抗疲劳【3 2 ，3 引。 1 3 研究目的及意义 堆焊强化技术可使用廉价的普通钢材作为基体材料，加上表面堆焊强化处理， 实现用普通钢+ 堆焊表面强化代替模具钢。低合金铸钢基体堆焊制造热锻模技术是 指以低合金铸钢为锻模基体，在低合金铸钢基体表面堆焊制造热锻模具【3 4 ，35 1 。国 内最大的3 0 0 m n 模锻水压机用锻模通常采用5 c r n i m o 、5 c 心压n m o 等模具钢，模 具钢由钢锭经通过锻造后再进行机械加工获得。由于模块尺寸大，存在锻造工序 周期长、锻造难度大、锻后热处理易出现裂纹等问题，使大型锻模制造成本相当 高，严重影响了大型模锻件的生产制造成本和市场竞争力。低合金铸钢基体堆焊 在锻造模具制造和修复上有广阔的发展前景和空间，尤其是对于特大型模具的制 造上有明显的技术优势。使用低合金铸钢基体堆焊的主要目的在于充分利用低合 金铸钢材料的强度、塑韧性、易成形制造等特点，和堆焊材料的耐腐蚀、耐热、 耐磨、光亮等特殊性能。可降低生产成本，节约稀有金属资源，具有重要的科学 意义和重大经济价值，缩短开发周期，提高市场竞争力，将给大型及超大型锻模 制造提供一种新的方法和途径。 采用低合金铸钢z g 3 5 m n s i 作为锻模基体，通过堆焊强化修复和制造模具， 由于低合金铸钢基层和堆焊覆层材料的物理和化学性能存在较大的差别，使得低 合金铸钢基体在堆焊过程中易出现覆层堆焊金属被稀释、熔合线附近马氏体脆化， 增加焊接应力和变形，出现焊接裂纹，降低焊接质量等问题，严重影响其在实际 4 重庆大学硕士学位论文 1 绪论 生产中的使用性能。为了获得优秀的堆焊性能，在低合金铸钢基层和堆焊覆层之 间通过添加过渡层是解决问题的一种思路和方法，本文采用手工电弧堆焊技术在 低合金铸钢z g 3 5 m n s i 上进行过渡层+ 覆层堆焊的实验。研究堆焊过渡层对低合金 铸钢基体和堆焊覆层成分、组织和性能的影响及其规律，并探索过渡层堆焊机理， 分析过渡层堆焊如何作用于低合金铸钢基体、过渡层和覆层组织和性能过渡【j 6 j 。 本文的实验研究和分析发现，根据低合金铸钢基体材料和堆焊覆层材料的成分组 织和性能，选择合适的过渡层材料可以实现低合金铸钢基体、过渡层和覆层的高 质量连接和结合。本文的研究课题来源于生产实践，可以为研究和制备新型双金 属或多金属梯度材料热锻模，以及低合金铸钢材料的堆焊修复和强化制造热锻模 提供理论依据，对于该技术的使用和推广有一定的指导和参考价值。 1 4 研究的主要内容 低合金铸钢z g 3 5 m n s i 直接覆层堆焊i m m 2 4 8 ，主要分析低合金铸钢 z g 3 5 m n s i 与堆焊覆层界面区域。对低合金铸钢z g 3 5 m n s i 添加过渡层堆焊，共选 择了三种过渡层材料，对过渡层区域的组织性能检测和材料的优化选择是本文研 究的重点。其中过渡层堆焊区域可分为三大区域：低合金铸钢与过渡层界面区域、 过渡层与覆层界面区域及过渡层焊缝区域。 本文的主要研究工作包括： 低合金铸钢z g 3 5 m n s i 的化学成分、显微组织和力学性能，以及其焊接性 能分析。 低合金铸钢z g 3 5 m n s i 直接覆层堆焊，低合金铸钢基体z g 3 5 m n s i 与堆焊 覆层焊缝熔合区的化学成分过渡及金相组织，并且通过硬度和拉伸力学性能测试 分析，低合金铸钢基体z g 3 5 m n s i 直接堆焊覆层的力学性能以及薄弱环节。 比较不同堆焊过渡层材料的组织性能。分析低合金铸钢z g 3 5 m n s i 与堆焊 过渡层界面区域，堆焊过渡层与堆焊覆层界面区域，及过渡层堆焊区域的化学成 分过渡及金相组织，并通过硬度和拉伸力学性能测试分析添加过渡层后的力学性 能以及薄弱环节。 优化选择过渡层材料，探索过渡合金对高硬度厚层堆焊裂纹倾向的影响规 律，寻找高硬度厚层堆焊情况下防止裂纹产生的过渡层材料及工艺方法。 重庆大学硕士学位论文 2 直接覆层堆焊与过渡层堆焊工艺及实验设计 2 直接覆层堆焊与过渡层堆焊工艺及实验设计 2 1 引言 随着对提升模具寿命的迫切需求和堆焊技术的发展，采用低合金铸钢基体堆 焊制造模具拥有广阔的发展和应用空问。低合金铸钢冶金制造适应性和可变性比 较强，容易通过成分和组织的控制，合理选择热处理达到要求的力学性能和使用 性能。并且低合金铸钢拥有良好机械加工性，各向同性和整体结构性强。容易实 现可达数吨、数十吨乃至数百吨大型件的制造，在价格和经济性方面具有竞争优 势。目前，我国已经形成了比较完善的满足多种用途需求的低合金铸钢系列。 根据热锻模具对材料的性能要求，低合金铸钢基体直接覆层堆焊，由于低合 金铸钢基体z g 3 5 m n s i 和堆焊覆层材料成分、组织及性能差别较大，焊接难度大， 且覆层堆焊厚度过大时，容易产生较大的应力，甚至导致裂纹。采用过渡层堆焊 的方法，并优化选择过渡层材料是实现低合金铸钢基体堆焊锻模优良性能的有效 手段。在低合金铸钢z g 3 5 m n s i 与覆层之间采用过渡层结构设计，改善直接堆焊 的薄弱环节，低合金铸钢z g 3 5 m n s i 、过渡层和耐磨层相互间结合良好，有利于提 高堆焊锻模的整体性能，并且节约资源。 2 2 实验材料 要用低合金铸钢基体堆焊制造热锻模具，必须根据热锻模具的工作条件和受 力状况来设计和选择低合金铸钢基体材料，对堆焊制造锻模用低合金铸钢基体材 料进行研究和分析。重庆杰信模具有限公司基于数值模拟的锻模受力分析和工艺 实践，提出了堆焊制造锻模用低合金铸钢基体的组织和性能指标；并对低合金铸 钢基体堆焊制造热锻模具试产使用失效后，低合金铸钢基体的组织和性能进行研 究和分析，证明设计的低合金铸钢材料的可行性。本文选择低合金铸钢基体材料 为中碳低合金高强度铸钢z g 3 5 m n s i ，属于锰系低合金铸钢，即以锰为主要合金元 素，并在此基础上添加少量其它合金元素，如硅、铬等，以达到进一步强化和获 得一些特殊使用性能( 如耐热、耐磨) 的目的。表2 1 为低合金铸钢z g 3 5 m n s i 化学成分规范。低合金铸钢z g 3 5 s i 热处理工艺为正火+ 回火，其正火温度为 8 9 0 9 1 0 ；回火温度为5 5 0 5 8 0 ，随后空冷。表2 2 为低合金铸钢z g 3 5 m n s i 力学性能规范。 不同堆焊零部件的服役条件千差万别，堆焊合金成分的设计主要应满足零部 件服役环境的要求，同时要考虑成本等因素。因此合理制定堆焊层的合金成分是 决定堆焊效果的关键。针对低合金铸钢堆焊热锻模具，选择覆层堆焊材料为热作 6 重庆大学硕士学位论文2 直接覆层堆焊与过渡层堆焊工艺及实验设计 模具钢堆焊材料砌沮) 2 4 8 。该热作模具堆焊材料目前广泛应用于5 c 心4 n m o 和h 1 3 等材料制造机械压力机锻模和锤锻模的堆焊修复和制造，堆焊金属有优异的高温 强度和热稳定性，耐磨损和抗疲劳能力强，综合力学性能好，在市场上使用情况 良好。 表2 1 低合金铸钢z g 3 5 m n s i 的化学成分规范 ：! 垒垒! 皇兰：! ! 坠宝里垒皇坐i 壁型里竺坐卫q 坠皇堕q ! 塑堡! 竺! 坐! 旦z 璺型塾皇! ! 圣鱼! 兰垒尘璺i 材料元素cm ns ips c r 低合金铸钢 质量分数( ) 0 3 0 41 3 1 8 0 3 卸5 0 0 2 0 0 2 0 2 0 4 z g 3 5 h 1 s i 表2 2 低合金铸钢z g 3 5 m n s i 的力学性能规范 1 抽1 e 2 27 r h em e c h a i l i c a lp r o p e n i e so f m el o wa l l o yc a s ts t e e lz g 3 5 m n s i 材料 os ob6 1 l r a & 1 低合金铸钢 4 8 0 m p a7 0 0 伊a1 2 2 2 3 0 j z g 3 5 m n s j 分别选用r m d l 3 6 、r m d 5 3 5 和i m i d l 4 2 为过渡层材料，三种材料均在市 场上有一定的应用。其中低碳马氏体高强钢堆焊材料i m 皿1 3 6 和i 蝴d 5 3 5 价格比 较便宜，堆焊金属热处理后硬度约为h i 地3 5 3 8 ，具有良好的机械加工性能，一般 可用来为热锻模具恢复尺寸。并且塑韧性较好，也可用于大型锤锻模深槽处的堆 焊，减弱开裂倾向。热作模具钢堆焊材料r m d l 4 2 热处理后硬度约为h r c 4 0 5 0 ， 加工稍有困难，有较好韧性、回火稳定性和热疲劳性能【1 】。 2 3 工艺方案和试样制备及焊接工艺过程 2 3 1 堆焊方法 大部分焊接方法都可以用来堆焊，常见的堆焊方法包含氧乙炔焰堆焊、气体 保护电弧堆焊，埋弧堆焊，等离子弧堆焊和电渣堆焊等。堆焊工艺方法不同，特 点也不同，每种堆焊方法各有其优缺点。熔覆速度、稀释率和堆焊层厚度是代表 不同堆焊方法的重要指标，也是选择焊接方法的重要依据。 其中焊条电弧堆焊是手工操纵焊条，用焊条和母材表面之间产生的电弧热作 为热源，使填充金属熔覆在基体表面的一种堆焊方法，是目前主要的堆焊方法之 一。该方法设备简单、操作方便灵活、适用性强，不受堆焊位置和形状的限制， 可达性好，小型或形状不规则零件尤为适合，适用于现场堆焊。主要缺点是熔覆 重庆大学硕士学位论文2 直接覆层堆焊与过渡层堆焊工艺及实验设计 效率低且稀释率大。熔化极气体保护电弧堆焊是利用外加气体作为电弧介质。连 续送进的可熔化的堆焊材料与母材之间产生的电弧热，使堆焊金属熔覆在母材表 面的一种堆焊方法，这种方法可见度好，可半自动或全自动堆焊。又可分为c 0 2 气体保护堆焊、氩气保护堆焊和自保护药芯焊丝堆焊【3 j 。 根据各种堆焊方法的特点和堆焊试块的设计，并且焊接研究工作应尽可能接 近工业生产的实际状况，选用的焊接方法要在实际生产中具有较高的生产率和低 的生产成本。综合考虑以上各方面因素，本课题中的堆焊工艺试验选择采用手工 电弧堆焊。 2 3 2 堆焊用低合金铸钢z g 3 5 s i 试块设计 图2 1 模具堆焊示意图 f i g 2 1s k e t c hm 印o fm o u l ds u r f 酏i n g ( a ) 试块示意图 ( a ) s k e t c hm a po f t e s ts p e c i m e n ( b ) 试块截面图 ( b ) t h es e c t i o no ft e s ts p e c i m e n 图2 2 堆焊用低合金铸钢z g 3 5 凡恤s i 试块示意图 f i g 2 2s k e t c hm a po f l o wa l l o yc a s ts t e e lz g 35 m n s i t e s ts p e c i m e n 图2 1 为低合金铸钢基体堆焊制造模具示意图，首先在低合金铸钢基体型腔d 上堆焊过渡层焊材a ，然后堆焊覆层焊材b ，并且预留机械加工余量c 。设计堆焊 重庆大学硕士学位论文2 直接覆层堆焊与过渡层堆焊工艺及实验设计 用低合金铸钢试块，应使堆焊过程能够较真实地模拟和反应生产现场的真实工况， 同时便于堆焊操作和实验研究取样。图2 2 为堆焊用低合金铸钢试块示意图，选择 低合金铸钢z g 3 5 m n s i 为基体材料，尺寸为1 5 0 m m 1 5 0 i m 7 0 m m 长方块，并锯 割出尺寸为1 5 0 6 0 4 0 的缺口。共计4 块，分别记作试块a 、试块b 、试块c 和试 块d 。 低合金铸钢z g 3 5 m n s i 基体材料由大江信达铸造有限公司进行浇铸和正火+ 回 火处理，并且进行成分、组织、性能分析及探伤检测，满足表2 1 和表2 2 的成分及 性能要求，保证产品质量合格。 2 3 3 工艺参数和工艺过程及注意事项 本文中堆焊试验在大江杰信锻造有限公司进行，图2 3 为生产所用的逆变式直 流弧焊机，该设备由华远公司制造。图2 4 为1 3 0 k w 井式电阻炉，对低合金铸钢基 体预热和堆焊后热处理。 图2 3 逆变式直流弧焊机 f i g 2 1 3i i l v e r t e r 咖ed ca r cw e l d i n gm a c l l i n e 图2 41 3 0 k w 井式电阻炉 f i g 2 413 0 k wp i tt y p et e m p e f i l l gr e s i s t a n c ef u m a c e 采用碳弧气刨清理低合金铸钢z g 3 5 m n s i 表面裂纹和缺陷，保持表面清洁，尽 量清除和减少堆焊位置的杂质，排除氧化物、铁锈和油污等对堆焊过程的影响。 对于堆焊而言，尤其当堆焊厚度比较大时，极易出现的焊接缺陷是开裂和剥离， 重庆大学硕士学位论文2 直接覆层堆焊与过渡层堆焊工艺及实验设计 为防止此类现象的发生，一般需进行焊前预热及焊后保温。在堆焊前要进行预热 处理，目的是使低合金铸钢基体的温度升高，减少焊层与基体间的热胀冷缩差别， 减少热应力，防止焊层脱落或产生裂纹，减小工件的变形，提高焊层的结合强度。 预热温度由堆焊金属的成分、基体材质、堆焊面积大小及堆焊部位的刚性等因素 来确定。确定低合金铸钢z g 3 5 m n s i 基体预热温度为4 5 0 1 0 ，保温时问按照模 块的最大几何尺寸每5 0 毫米保温1 小时计算，保温时间应保证试块预热热透，确定 为2 h 。 表2 1 3 焊接工艺参数 豢 焊接电流 焊接电压焊接速度层问温度 焊接材料 av ( m m m i n ) 过渡层1 3 02 61 0 03 5 0 覆层 1 5 03 01 2 03 5 0 ( a ) 基体+ 覆层堆焊( b ) 基体+ 过渡层堆焊+ 覆层堆焊 ( a ) m a t r i x + c l a d d i n gl a y e r ( b ) m a 仃i x + 仃a n s i t i o nl a y e r + c l a d d i n gl a y e r 图2 5 堆焊后试块示意图 f i g 2 5s k e t c hm 印o f c a s ts t e e lt e s ts p e c i m e na 缸e rs u 娟置c i n g 表2 3 为堆焊工艺参数，堆焊工艺参数的选取原则是在保证良好焊缝成形的前 提下，尽可能采用小的焊接热输入，以降低母材对堆焊层的稀释，选用手工电弧 堆焊，小电流、短电弧和窄焊缝。堆焊时每层焊后及时清渣。堆焊完毕立刻进行 去应力回火，回炉升温加热温度为5 5 0 土1 0 ，保温时间为2 h 。之后将试块放置在 保温沙坑中缓冷，冷却到1 8 0 后空冷【3 7 ，38 j 。图2 5 ( a ) 所示为低合金铸钢基体直 接覆层堆焊的焊后示意图。图2 5 ( b ) 所示为低合金铸钢基体首先进行过渡层堆焊， 然后进行覆层堆焊的焊后示意图，其中覆层与基体之间过渡层厚度控制在4 重庆大学硕士学位论文 2 直接覆层堆焊与过渡层堆焊工艺及实验设计 5 m m ，该设计有利于实验分析过渡层对基体和耐磨层的相互作用。 2 4 实验方法 采用电火花线切割方法切取试样。低合金铸钢基体+ 覆层堆焊取样位置如图2 6 ( a ) 所示。低合金铸钢基体+ 过渡层堆焊+ 覆层堆焊取样位置如图2 6 ( b ) 所示。 试样沿与熔合线相垂直的方向选取，试件长度方向包含低合金铸钢基体、热影响 区和焊材，即试件包含所有的微结构区。 ( a ) 低合金铸钢基体+ 覆层堆焊取样位置 ( a ) s 锄p l i i l gl o c a t i o no f m a t r i x + c l a d d i n gl a y e r ( b ) 低合金铸钢基体+ 过渡层堆焊+ 覆层堆焊取样位置 ( b ) s 锄p l i n gl o c a t i o no fm a t r i x + 仃a 1 1 s i t i o n1 a y e 什c l a d d i n g1 a y e r 图2 6 试块取样位置图 f i g 2 6s k e t c hm a po fs a 【n p l m gl o c a t i o n 2 4 1 拉伸性能测试 拉伸试验是在重庆大学电子万能拉伸试验机上进行。根据国家标准和试块尺 寸的限制，图2 7 为拉伸试样尺