本发明涉及模具修复
技术领域：
，特别涉及一种用于管模修复的焊料及管模修复方法。
背景技术：
：在现代基础设施建设中，离心铸造球墨铸铁管以其壁薄、重量轻、强度高、伸长率大、防腐、易运输、安装、耐压、承载、抗震能力强等优点，已逐步取代了传统的水泥管和灰铁管，广泛用于城市输水、排污、大型引水工程、电线、电缆套管等工程中。铸管模是制造离心球铁铸管的关键部件，在离心铸造球墨铸铁管的制造成本中占有很高的比例。目前国内铸管模材质主要为21crmo10模具钢，在浇铸前先对铸管模内壁进行预热，管模内表面均布一层模粉，外壁通循环水冷却，水温一般控制在50℃左右，铁水浇铸温度为1400℃～1450℃，随铁水流入管模，管模高速旋转，离心转速约400转/分，经计算机数值模拟的管模内壁最高温度大约为600℃。内壁产生龟裂后，还要涂抹或撒硅铁粉作为孕育剂，填充裂纹，抗表面氧化，每根铸管生产周期约3～6min。由于铸管模长期在高温条件下工作，而且内外温差较大，因此十分容易因热疲劳而磨损失效，使用寿命普遍较低。从管模内部的失效形式来看，铸管模的失效主要是因热疲劳应力造成的龟裂，裂纹呈网络状，均匀分布，没有明显的方向性。而铸管模的制造成本昂贵，目前热疲劳磨损失效后缺少能进行通体堆焊修复的高寿命的堆焊材料，使得失效的铸管模基本不进行通体堆焊修复，造成了巨大浪费，也给企业带来了沉重的经济负担，因此开发出适用于管模堆焊的高抗热疲劳堆焊材料，具有重要的经济意义。技术实现要素：本发明针对现有技术中存在的至少一种技术问题，提供一种用于管模修复的焊料及管模修复方法，能够对失效管模进行通体修复，保证焊接修复处的材质与管模材质基本一致，且焊接修复处的耐高温性能和力学性能较佳，使用寿命较长。为解决上述问题，本发明的技术方案如下：一种用于管模修复的焊料，所述焊料为低合金堆焊料，所述焊料各组分质量分数包括：c0.15～0.25％、si0.35～0.75％、mn0.5～0.8％、cr2.8～3.4％、mo1.05～1.35％、v0.40～0.48％，余量为fe。进一步，所述c的含量为0.18～0.22％。进一步，所述mo的含量为1.15～1.25％。进一步，所述cr的含量为3.0～3.2％。进一步，所述si的含量为0.46～0.58％。进一步，所述焊料还包括有ni，所述ni的含量为0.25～0.35％。本发明还提供了利用上述焊料的管模修复方法，包括以下步骤：s1.焊接准备：将焊料和焊剂装入埋弧焊焊机，焊剂选用sj101型焊剂；s2.焊接：使用埋弧焊焊机对管模内壁进行修复焊接，焊接电流400～600a，堆焊层厚度不小于5mm；s3机加工：将步骤s2修复焊接后的管模内壁进行打磨和抛光处理，使管模内壁平整、光滑；s4.热处理：将步骤s3机加工处理后的管模放入真空炉内，以2～8℃/min的升温速率升温至560～580℃，而后维持0.8h以上，最后自然冷却至室温，完成管模的修复。进一步，所述步骤s1中，焊料与焊剂的重量比为0.8～0.95。进一步，所述步骤s2中，所述堆焊层厚度不小于8mm。进一步，所述步骤s4中，所述升温速率控制在3～5℃/min，升温至560～580℃后维持1.0～1.2h。本发明的有益效果是：本发明设计了专用于管模修复的埋弧焊焊料，能够对失效管模进行通体修复，保证焊接修复处的材质与管模材质基本一致，确保修复后的管模在使用时的热胀冷缩系数基本一致，有效提高了修复后管模的使用寿命；本发明的焊料配合特定的修复方法，能够使焊接处的熔敷金属获得较为合理的晶相组织结构，整体硬度和强度较高，热疲劳性能较佳，有效延长管模的使用寿命；本发明提供了较为便捷、低成本的修复方法，能够对失效管模完成修复，有效降低了了离心铸造球墨铸铁管的生产成本，有效降低了资源浪费，具有较佳的经济效益。具体实施方式以下对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。本发明的一种用于管模修复的焊料，所述焊料为低合金堆焊料，所述焊料各组分质量分数包括：c0.15～0.25％、si0.35～0.75％、mn0.5～0.8％、cr2.8～3.4％、mo1.05～1.35％、v0.40～0.48％，余量为fe。本发明的焊料可以制备成焊条或者焊丝，供埋弧焊焊机使用。本发明之前，现有的管模修复焊料种类繁多，有低合金焊料、中碳合金焊料、低铬焊料、高镍焊料等等，而且修复的焊接方式也有激光焊接和埋弧焊两种。比如中国专利号为cn201711287439.7的发明专利中公开了一种用于修复离心球磨管模内壁的半导体激光熔覆镍基合金粉末，属于高镍焊料，然而采用激光焊接的方式修复管模内壁操作难度极大，成本也极高，通体修复难度较大。而且镍基焊料虽然耐高温性能较佳，高温强度也较好，但是该焊料的熔敷金属的成分与管模本体材料的成分差异较大，在使用时容易因热胀冷缩系数差异导致熔敷金属脱落和开裂。而采用埋弧焊堆焊修复，目前使用较多的是edpcrmov-a0系列的焊料和edd-c系列焊料，依据国家标准gb/t984-2001，上述两个系列焊料分别为低中合金和高速钢焊料。主要是上述两型焊料的熔敷金属的成分与目前管模的材质21crmo10模具钢相对接近。通过分析国标中上述两型焊料的成分可知，对于低碳、中低合金堆焊焊料而言，需要添加一定量的mn和硅，以脱氧和除硫，同时硅的含量需要在0.8％以上，以提高熔敷金属的强度和硬度。硅可以在焊接过程中溶于钢水中的铁素体使钢的强度和硬度增加，使焊缝强度增加。其次，在焊料中mo的含量较低时，需要添加1％左右的ni，以增加熔敷金属的硬度。然而对于管模修复而言，需要考虑的不光是强度和硬度，而需要考虑材料的整体的高温疲劳性能。发明人发现，高温疲劳性能和材料的韧性同样有一定的关联。管模的工作环境处于内部高温、外部低温的温度环境，内外温差较大，此时材料由于热胀冷缩，会积累较大的内应力，当内应力超出材料极限或者材料本身材质脆性较高时就会出现开裂。此外，长期处于这样的温度条件下，材料的内部晶相组织结构不稳定时更易发生龟裂，发明人推测这是由于不稳定的晶相组织会在恶劣的温度环境下导致材料晶相组织的变异，引发材料脆性激增，导致龟裂。基于此发现，发明人在设计焊料时将硅的含量做了相应的调整，同时降低了mn的添加量。硅会引发熔敷金属的脆性，因此在本发明的焊料中硅仅仅起到脱氧的作用，发明人通过反复试验后，确定在本焊料体系中，在si含量控制在0.35～0.75％、mn含量控制在0.5～0.8％时，焊接时，硅会完全以熔渣的形式脱除，不会在熔敷金属中形成残留，而同时可以确保脱氧的效果。与此同时，为了确保最终熔敷金属的硬度和强度，发明人在焊料中调高了碳的占比，将c的占比调节到了0.15～0.25％，同时添加了一定含量的mo和v，以保证在熔敷金属中不含硅的前提下，材料硬度不会下降。在考虑了焊料的整体性能后，发明人还详细分析了21crmo10模具钢的热胀冷缩系数，并针对性的对焊料的各组分含量进行了优化，以确保熔敷金属的热胀冷缩系数与21crmo10模具钢一致性较高，避免因热胀冷缩系数差异导致熔敷金属层的使用寿命下降。在本发明较为优选的实施方式中，所述c的含量为0.18～0.22％。在本发明较为优选的实施方式中，所述mo的含量为1.15～1.25％。发明人通过大量实验后，确定上述c含量以及mo含量，可以确保熔敷金属的硬度接近21crmo10模具钢，同时熔敷金属的热胀冷缩系数能够与21crmo10模具钢高度一致，熔敷金属的韧性优于21crmo10模具钢。在本发明较为优选的实施方式中，所述cr的含量为3.0～3.2％。发明人通过大量实验后，确定cr的含量在上述最优范围内，可以调节熔敷金属的热胀冷缩系数，使熔敷金属的热胀冷缩系数能够与21crmo10模具钢高度一致。在本发明较为优选的实施方式中，所述si的含量为0.46～0.58％。发明人通过大量实验后，确定si的含量在上述最优范围内，可以控制熔敷金属中mn的含量，对于调节熔敷金属的热胀冷缩系数能够起到关键作用。熔敷金属中mn含量控制在较低的范围内时，当其它组分的含量与21crmo10模具钢接近时，熔敷金属的热胀冷缩系数能够与21crmo10模具钢高度一致，发明人在实验研究时发现，不含mn或者mn含量稍高，都会导致熔敷金属的热胀冷缩系数发生变化，导致cr和mo的含量发生细微变化都会对材料的热胀冷缩系数发生较大变化。在本发明较为优选的实施方式中，所述焊料还包括有ni，所述ni的含量为0.25～0.35％。添加ni可以进一步提高材料的硬度，并进而提高材料的热疲劳性能。然而ni的添加量过大会导致材料的热胀冷缩系数发生较大变化，同时还会一定程度使材料的脆性增加。发明人通过实验，进而发现在0.25～0.35％的添加量下，可以一定程度提高熔敷金属的硬度，同时脆性和热胀冷缩系数变化细微。本发明的核心是依据对21crmo10模具钢制备的管模失效修复的研究，发现修复材料的韧性和热胀冷缩系数对使用寿命有极大影响。从而设计了特定的c、si、mn、cr和mo的比例，以获得焊接熔敷金属韧性优于21crmo10模具钢，热胀冷缩系数与21crmo10模具钢一致性极高的焊料作为管模修复的专用焊料，确保修复后的管模与新管模的质量基本相同，同时使用寿命较长。由此可见，c、si、mn、cr和mo的比例配合是本发明能够获得较佳技术效果的核心。本发明还提供了利用上述焊料的管模修复方法，包括以下步骤：s1.焊接准备：将焊料和焊剂装入埋弧焊焊机，焊剂选用sj101型焊剂；s2.焊接：使用埋弧焊焊机对管模内壁进行修复焊接，焊接电流400～600a，堆焊层厚度不小于5mm；s3机加工：将步骤s2修复焊接后的管模内壁进行打磨和抛光处理，使管模内壁平整、光滑；s4.热处理：将步骤s3机加工处理后的管模放入真空炉内，以2～8℃/min的升温速率升温至560～580℃，而后维持0.8h以上，最后自然冷却至室温，完成管模的修复。由于本发明的焊料的特殊设计思路，本发明在设计焊料时关注了韧性和热胀冷缩系数，而对于硬度和强度做了一定的牺牲。熔敷金属的硬度和表面硬度均要略低于21crmo10模具钢，考虑到通过配比调节硬度会影响韧性和热胀冷缩系数，本发明设计了专门的修复工艺，通过焊接后的热处理提高熔敷金属的硬度，这样不但不会影响热胀冷缩系数，还会一定程度增强韧性。发明人通过实验后发现，经过热处理后，熔敷金属的晶相组织结构以铁素体为主，c以较细颗粒均匀分布，表面c含量有一定提高，内部晶相组织结构更加稳定，热疲劳性能得到了较大提升。在本发明较为优选的实施方式中，所述步骤s1中，焊料与焊剂的重量比为0.8～0.95。本发明的焊料可以节约焊机用量。在本发明较为优选的实施方式中，所述步骤s2中，所述堆焊层厚度不小于8mm。在本发明较为优选的实施方式中，所述步骤s4中，所述升温速率控制在3～5℃/min，升温至560～580℃后维持1.0～1.2h。采用上述工艺参数，能够使得晶相组织结构中铁素体的占比更高，晶相组织结构更加稳定。以下以失效龟裂的管模作为实验品，以本发明的焊料和修复方法对其进行修复的实施例。而后对修复部分的熔敷金属层进行检测，将检测结果与全新的管模的相关参数进行对比。实施例1焊料配方：c0.15％、si0.35％、mn0.8％、cr3.4％、mo1.35％、v0.48％，余量为fe。s1.焊接准备：将焊料和焊剂装入埋弧焊焊机，焊剂选用sj101型焊剂，焊料与焊剂的重量比为1.06；s2.焊接：使用埋弧焊焊机对管模内壁进行修复焊接，焊接电流400～600a，堆焊层厚度5～8mm；s3机加工：将步骤s2修复焊接后的管模内壁进行打磨和抛光处理，使管模内壁平整、光滑；s4.热处理：将步骤s3机加工处理后的管模放入真空炉内，以8℃/min的升温速率升温至560～580℃，而后维持1.5h，最后自然冷却至室温，完成管模的修复。实施例2焊料配方：c0.25％、si0.75％、mn0.5％、cr2.8％、mo1.05％、v0.40％、ni0.35％，余量为fe。s1.焊接准备：将焊料和焊剂装入埋弧焊焊机，焊剂选用sj101型焊剂，焊料与焊剂的重量比为0.98；s2.焊接：使用埋弧焊焊机对管模内壁进行修复焊接，焊接电流400～600a，堆焊层厚度不小于8～10mm；s3机加工：将步骤s2修复焊接后的管模内壁进行打磨和抛光处理，使管模内壁平整、光滑；s4.热处理：将步骤s3机加工处理后的管模放入真空炉内，以2℃/min的升温速率升温至560～580℃，而后维持0.8h，最后自然冷却至室温，完成管模的修复。实施例3焊料配方：c0.22％、si0.46％、mn0.5～0.8％、cr3.2％、mo1.15％、v0.42％、ni0.25％，余量为fe。s1.焊接准备：将焊料和焊剂装入埋弧焊焊机，焊剂选用sj101型焊剂，焊料与焊剂的重量比为0.8；s2.焊接：使用埋弧焊焊机对管模内壁进行修复焊接，焊接电流400～600a，堆焊层厚度不小于8～10mm；s3机加工：将步骤s2修复焊接后的管模内壁进行打磨和抛光处理，使管模内壁平整、光滑；s4.热处理：将步骤s3机加工处理后的管模放入真空炉内，以3℃/min的升温速率升温至560～580℃，而后维持1.0h以上，最后自然冷却至室温，完成管模的修复。实施例4焊料配方：c0.18％、si0.58％、mn0.5～0.8％、cr3.0％、mo1.25％、v0.44％、ni0.30％，余量为fe。s1.焊接准备：将焊料和焊剂装入埋弧焊焊机，焊剂选用sj101型焊剂，焊料与焊剂的重量比为0.95；s2.焊接：使用埋弧焊焊机对管模内壁进行修复焊接，焊接电流400～600a，堆焊层厚度不小于8～10mm；s3机加工：将步骤s2修复焊接后的管模内壁进行打磨和抛光处理，使管模内壁平整、光滑；s4.热处理：将步骤s3机加工处理后的管模放入真空炉内，以5℃/min的升温速率升温至560～580℃，而后维持1.2h以上，最后自然冷却至室温，完成管模的修复。对实施例1～4的修复部分的熔敷金属的硬度、热胀冷缩系数与21crmo10模具钢的差异度、韧性和使用寿命进行检测和计算，相关检测方法采用国家标准的方法，所得结果见表1。项目硬度(hrc)热胀冷缩系数差异韧性使用寿命实施例1581.4％优于新管模比新管模高21％实施例2611.2％优于新管模比新管模高23％实施例3600.9％优于新管模比新管模高28％实施例4621.1％优于新管模比新管模高26％新管模56///表1修复管模参数表通过表1的数据可知，采用本发明的焊料和修复方法修复的管模，修复的熔敷金属层的热胀冷缩系数与管模本体材质之间的差异在1.5％以内，一致性较高，硬度也高于新管模内壁的硬度，韧性也优于新管模，通体修复后的管模使用寿命比新管模还提高了20％以上。可见本发明的焊料和修复方法对管模修复具有极佳的效果。以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。当前第1页1 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技术特征：1.一种用于管模修复的焊料，所述焊料为低合金堆焊料，其特征在于，所述焊料各组分质量分数包括：c0.15～0.25％、si0.35～0.75％、mn0.5～0.8％、cr2.8～3.4％、mo1.05～1.35％、v0.40～0.48％，余量为fe。
2.根据权利要求1所述的一种用于管模修复的焊料，其特征在于，所述c的含量为0.18～0.22％。
3.根据权利要求1所述的一种用于管模修复的焊料，其特征在于，所述mo的含量为1.15～1.25％。
4.根据权利要求1所述的一种用于管模修复的焊料，其特征在于，所述cr的含量为3.0～3.2％。
5.根据权利要求1所述的一种用于管模修复的焊料，其特征在于，所述si的含量为0.46～0.58％。
6.根据权利要求1所述的一种用于管模修复的焊料，其特征在于，所述焊料还包括有ni，所述ni的含量为0.25～0.35％。
7.一种利用权利要求1～6所述焊料的管模修复方法，其特征在于，包括以下步骤：
s1.焊接准备：将焊料和焊剂装入埋弧焊焊机，焊剂选用sj101型焊剂；
s2.焊接：使用埋弧焊焊机对管模内壁进行修复焊接，焊接电流400～600a，堆焊层厚度不小于5mm；
s3机加工：将步骤s2修复焊接后的管模内壁进行打磨和抛光处理，使管模内壁平整、光滑；
s4.热处理：将步骤s3机加工处理后的管模放入真空炉内，以2～8℃/min的升温速率升温至560～580℃，而后维持0.8h以上，最后自然冷却至室温，完成管模的修复。
8.根据权利要求7所述的管模修复方法，其特征在于，所述步骤s1中，焊料与焊剂的重量比为0.8～0.95。
9.根据权利要求7所述的管模修复方法，其特征在于，所述步骤s2中，所述堆焊层厚度不小于8mm。
10.根据权利要求7所述的管模修复方法，其特征在于，所述步骤s4中，所述升温速率控制在3～5℃/min，升温至560～580℃后维持1.0～1.2h。
技术总结本发明公开了一种用于管模修复的焊料，所述焊料为低合金堆焊料，所述焊料各组分质量分数包括：C 0.15～0.25％、Si 0.35～0.75％、Mn 0.5～0.8％、Cr 2.8～3.4％、Mo 1.05～1.35％、V 0.40～0.48％，余量为Fe。本发明还公开了利用上述焊料进行管模修复的修复方法，通过焊接修复、机加工和热处理，完成对管模的修复。本发明能够对失效管模进行通体修复，保证焊接修复处的材质与管模材质基本一致，且焊接修复处的耐高温性能和力学性能较佳，使用寿命较长。
技术研发人员：田高潮
受保护的技术使用者：黄石市高潮工矿机械有限公司
技术研发日：2020.11.19
技术公布日：2021.03.12
