新型熱作模具鋼焊縫的熱疲勞性能

王均杰，潘全喜

（鄭州職業(yè)技術(shù)學(xué)院，河南鄭州450121）

新型熱作模具鋼焊縫的熱疲勞性能

王均杰，潘全喜

（鄭州職業(yè)技術(shù)學(xué)院，河南鄭州450121）

對新型熱作模具鋼進(jìn)行焊接修復(fù)，研究退火溫度對焊縫熱疲勞性能的影響。結(jié)果表明，試樣經(jīng)530℃退火溫度時，退火組織最細(xì)，焊縫抗疲勞性能最佳。試樣經(jīng)530℃退火時，500周次熱循環(huán)后裂紋發(fā)育成熟，經(jīng)2000周次熱循環(huán)后焊縫龜裂嚴(yán)重。隨著熱循環(huán)周次增加，試樣表面硬度下降，焊縫主裂紋長度增加。退火溫度530℃時焊縫熱穩(wěn)定性最高，裂紋擴(kuò)展最慢。

HHD鋼；熱疲勞裂紋；硬度；退火溫度

0 前言

熱作模具鋼作為一種重要鋼種，廣泛應(yīng)用于壓鑄模、熱壓模、鍛模和擠壓模中。熱作模具鋼的工作環(huán)境要求長期處于高溫狀態(tài)下，具有高強(qiáng)韌性、抗氧化性、耐熱穩(wěn)定性及熱疲勞性能[1-2]。隨著使用時間的延長，模具鋼組織和性能發(fā)生變化，熱疲勞性能降低，壽命縮短，從而導(dǎo)致模具失效。由于模具鋼失效將消耗大量生產(chǎn)成本，對工業(yè)生產(chǎn)造成極大的損失，因此，有必要對模具鋼進(jìn)行處理以延長使用壽命，提高工業(yè)生產(chǎn)效率[3-4]。

熱作模具鋼工作時冷熱狀態(tài)急劇變化，其造成的各方向應(yīng)力容易導(dǎo)致裂紋萌生，對模具鋼使用壽命產(chǎn)生不利影響，因此有必要對模具鋼進(jìn)行焊接修復(fù)，延長其使用壽命[5-6]。TIG焊接方法能有效與周圍空氣隔絕；電極本身不熔于金屬；焊接過程中電弧可以進(jìn)行表面自清潔作用；焊縫成形好，受到大多數(shù)企業(yè)青睞[7]。在此選用自行設(shè)計(jì)的新型鑄造熱作模具鋼為研究對象，采用TIG焊接修復(fù)，對試樣進(jìn)行熱疲勞循環(huán)試驗(yàn)，并對熱循環(huán)后的試樣在不同溫度進(jìn)行退火處理，研究退火溫度對含有預(yù)制裂紋的焊縫熱疲勞性能的影響。

1 試驗(yàn)材料和方法

試驗(yàn)材料為自行設(shè)計(jì)熔煉的新型熱作模具鋼（HHD鋼），在150 kg中頻感應(yīng)電爐中熔煉，其化學(xué)成分如表1所示。采用砂型鑄造，澆鑄尺寸200mm× 100mm×25mm。將試驗(yàn)鋼在電阻爐中進(jìn)行熱處理。熱處理工藝為：退火800℃/1.5 h，淬火930℃/1 h，回火500℃/1 h。

用酒精溶液清洗去除熱處理后材料的表面油污，用砂紙打磨去除表面氧化物。采用TIG焊焊接，選用與母材成分相近的S-700BB焊絲，焊絲直徑φ2mm，化學(xué)成分如表2所示。焊接工藝為氬氣流量10L/min，焊道數(shù)10，焊接電流120A，手工雙面焊。

表1 模具鋼的化學(xué)成分Tab.1 Chem ical compositions of die steel％

表2 焊心化學(xué)成分Tab.2 Chem ical composition of corew ire％

為了增強(qiáng)焊接修補(bǔ)在模具鋼服役過程中的熱疲勞性能，對焊接接頭進(jìn)行穩(wěn)定化熱處理試驗(yàn)，將熱處理后的焊接試樣進(jìn)行細(xì)磨和拋光減少表面溝痕后，進(jìn)行熱疲勞試驗(yàn)。熱疲勞試驗(yàn)在熱疲勞試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行，自動控制加熱溫度、加熱時間和記錄循環(huán)次數(shù)，在600℃至室溫之間進(jìn)行加熱和冷卻循環(huán)，加熱時間60 s，冷卻時間2 s。在500周次熱循環(huán)后對一組試樣進(jìn)行退火處理，退火溫度分別選擇510℃、530℃和550℃，退火時間1 h。

采用體視顯微鏡觀察試樣裂紋長度，采用掃描電鏡觀測試樣形貌及組織，采用洛氏硬度計(jì)檢測熱疲勞試樣前后表面洛氏硬度，每個試樣取5個點(diǎn)的平均值。

2 試驗(yàn)結(jié)果和分析

2.1 退火溫度對試樣組織的影響

不同溫度退火后焊縫組織如圖1所示。

圖1 不同溫度退火后焊縫組織Fig.1 M icrostructure of welding seam at different annealing treatment

未經(jīng)退火時，焊縫組織中碳化物呈不均勻分布，尺寸大小不一，晶界和晶界交界處存在碳化物和夾雜物偏聚。經(jīng)過退火處理后，焊縫組織中晶界碳化物偏聚度降低，尺寸變小，其中530℃退火后組織最小，碳化物呈彌散分布，細(xì)化程度最佳。510℃和550℃退火后組織較為粗大。一般來說，晶粒尺寸越小，在單位體積內(nèi)晶界面積越大，從而焊縫強(qiáng)度最高，裂紋擴(kuò)展時所需消耗的能量較大，焊縫抗熱疲勞性能增加，這表明530℃為試樣較為合適的退火溫度。

2.2 焊縫熱疲勞裂紋形貌

模具鋼焊縫在530℃退火后經(jīng)不同周次熱循環(huán)后的形貌如圖2所示。經(jīng)500周次熱循環(huán)后，焊縫表面微裂紋長大，裂紋發(fā)育成熟；經(jīng)1 000周次熱循環(huán)后，表面熱疲勞裂紋沿預(yù)制切口前端呈放射狀擴(kuò)展，單位面積上熱疲勞裂紋數(shù)量增加，同時裂紋紋理也加深；隨著熱循環(huán)周次增加到1 500次，裂紋開始進(jìn)入穩(wěn)定擴(kuò)展階段，同時沿橫向、縱向發(fā)展，構(gòu)成網(wǎng)絡(luò)狀形貌，此時焊縫硬度迅速降低；經(jīng)2 000次熱循環(huán)后，焊縫表面主裂紋變寬變長，龜裂較為嚴(yán)重。

圖2 焊縫不同熱循環(huán)次數(shù)下熱裂紋形貌Fig.2 Crack morphologies of welding seam at different thermal cycles

2.3 焊縫熱疲勞試樣硬度

為了進(jìn)一步研究不同熱循環(huán)周次下熱疲勞裂紋對試樣性能的影響，對不同熱循環(huán)周次后經(jīng)不同溫度退火后的試樣表層硬度進(jìn)行表征，結(jié)果如圖3所示。經(jīng)過2 000次熱循環(huán)后，試樣表面硬度均降低，出現(xiàn)循環(huán)軟化現(xiàn)象。當(dāng)疲勞上限溫度高于材料退火溫度時，模具鋼焊縫組織出現(xiàn)碳化物聚集，從而導(dǎo)致硬度和強(qiáng)度下降，硬度衰減嚴(yán)重，熱疲勞性能降低，由此帶來裂紋萌生、加速擴(kuò)展，材料軟化。經(jīng)2 000周次熱循環(huán)后，未經(jīng)退火和經(jīng)550℃退火后表面硬度最低，硬度下降嚴(yán)重，抗熱疲勞性能最差；經(jīng)510℃退火后抗熱疲勞性能次之；經(jīng)530℃退火后硬度相對較高，表明熱穩(wěn)定最好，具有較高的抗熱疲勞性能。

圖3 焊縫不同循環(huán)次數(shù)后硬度Fig.3 Hardnessofwelding seam atdifferent thermalcycles

2.4 焊縫熱裂紋擴(kuò)展速率

各試樣主裂紋長度如圖4所示，各段斜率表示熱疲勞裂紋擴(kuò)展速率?？梢钥闯?，各試樣在500周次熱循環(huán)后裂紋萌生已經(jīng)結(jié)束，未退火試樣萌生和擴(kuò)展速率較快。經(jīng)1 000周次熱循環(huán)后，各試樣主裂紋長度增加，結(jié)合硬度曲線可知，此時硬度也緩慢下降，表明裂紋進(jìn)入穩(wěn)定擴(kuò)展階段。隨著循環(huán)次數(shù)分別增加至1 500周次和2 000周次，主裂紋長度增加變緩，這是因?yàn)榱鸭y長度的增長是部分裂紋變寬形成主裂紋，在熱循環(huán)次數(shù)超過1 000周次后，小裂紋由于應(yīng)力的釋放而未繼續(xù)擴(kuò)展，且隨著氧化而消失，因此主裂紋總長度增加變緩。對比不同退火溫度試樣可知，經(jīng)530℃退火后在2 000周次熱循環(huán)后裂紋擴(kuò)展最慢，由0.2mm增加到1.1mm，約為未退火試樣裂紋長度的50％。

圖4 焊縫不同循環(huán)次數(shù)后主裂紋長度Fig.4 Length ofmain crack at different thermal cycles

3 結(jié)論

（1）模具鋼焊縫在退火溫度530℃時，退火組織最細(xì)，焊縫抗疲勞性能最佳。

（2）試樣經(jīng)530℃退火時，500周次熱循環(huán)后裂紋發(fā)育成熟，經(jīng)2 000周次熱循環(huán)后焊縫龜裂嚴(yán)重。

（3）隨著熱循環(huán)周次增加，試樣表面硬度下降。退火溫度530℃時試樣硬度下降幅度最小，熱穩(wěn)定性最高。

（4）隨著熱循環(huán)周次增加，焊縫主裂紋長度增加，530℃退火時裂紋擴(kuò)展最慢。

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Thermal fatigue property of new style HHD steelweld

WANG Junjie，PAN Quanxi
（Zhengzhou TechnicalCollege，Zhengzhou 450121 china）

By the welding repair of new type of hot-work die steel(HHD)，studied the effect of annealing temperature on the thermal fatigue properties ofweld.The results show that at the annealing temperature of 530℃，the annealing organization is the finest，weld fatigue resistance performance of the best.After annealing at 530℃，the crack ismature after 500 thermal cycles，and after 2 000 thermal cycles the weld is strictly thermal crack.With the increasing of thermal cycle，the surface hardness of sample decreases，the length of themain crack increases.The weld has the highest thermal stability at the annealing temperature of 530℃，and the crack extension is the slowest.

HHD steel；thermal fatigue crack；hardness；annealing temperature

TG405

A

1001-2303（2015）07-0144-04

10.7512/j.issn.1001-2303.2015.07.31

2014-10-20；

2014-11-06

王均杰（1974—），男，河南平頂山人，講師，碩士，主要從事機(jī)械工程的教研工作。