新型熱作模具鋼焊縫的熱疲勞性能

王均杰，潘全喜

（鄭州職業技術學院，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

（鄭州職業技術學院，河南鄭州450121）

對新型熱作模具鋼進行焊接修復，研究退火溫度對焊縫熱疲勞性能的影響。結果表明，試樣經530℃退火溫度時，退火組織最細，焊縫抗疲勞性能最佳。試樣經530℃退火時，500周次熱循環后裂紋發育成熟，經2000周次熱循環后焊縫龜裂嚴重。隨著熱循環周次增加，試樣表面硬度下降，焊縫主裂紋長度增加。退火溫度530℃時焊縫熱穩定性最高，裂紋擴展最慢。

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，廣泛應用于壓鑄模、熱壓模、鍛模和擠壓模中。熱作模具鋼的工作環境要求長期處于高溫狀態下，具有高強韌性、抗氧化性、耐熱穩定性及熱疲勞性能[1-2]。隨著使用時間的延長，模具鋼組織和性能發生變化，熱疲勞性能降低，壽命縮短，從而導致模具失效。由于模具鋼失效將消耗大量生產成本，對工業生產造成極大的損失，因此，有必要對模具鋼進行處理以延長使用壽命，提高工業生產效率[3-4]。

熱作模具鋼工作時冷熱狀態急劇變化，其造成的各方向應力容易導致裂紋萌生，對模具鋼使用壽命產生不利影響，因此有必要對模具鋼進行焊接修復，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行表面自清潔作用；焊縫成形好，受到大多數企業青睞[7]。在此選用自行設計的新型鑄造熱作模具鋼為研究對象，采用TIG焊接修復，對試樣進行熱疲勞循環試驗，并對熱循環后的試樣在不同溫度進行退火處理，研究退火溫度對含有預制裂紋的焊縫熱疲勞性能的影響。

1 試驗材料和方法

試驗材料為自行設計熔煉的新型熱作模具鋼（HHD鋼），在150 kg中頻感應電爐中熔煉，其化學成分如表1所示。采用砂型鑄造，澆鑄尺寸200mm× 100mm×25mm。將試驗鋼在電阻爐中進行熱處理。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，化學成分如表2所示。焊接工藝為氬氣流量10L/min，焊道數10，焊接電流120A，手工雙面焊。

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

表2 焊心化學成分Tab.2 Chem ical composition of corew ire％

為了增強焊接修補在模具鋼服役過程中的熱疲勞性能，對焊接接頭進行穩定化熱處理試驗，將熱處理后的焊接試樣進行細磨和拋光減少表面溝痕后，進行熱疲勞試驗。熱疲勞試驗在熱疲勞試驗機上進行，自動控制加熱溫度、加熱時間和記錄循環次數，在600℃至室溫之間進行加熱和冷卻循環，加熱時間60 s，冷卻時間2 s。在500周次熱循環后對一組試樣進行退火處理，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，采用洛氏硬度計檢測熱疲勞試樣前后表面洛氏硬度，每個試樣取5個點的平均值。

2 試驗結果和分析

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，在單位體積內晶界面積越大，從而焊縫強度最高，裂紋擴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℃退火后經不同周次熱循環后的形貌如圖2所示。經500周次熱循環后，焊縫表面微裂紋長大，裂紋發育成熟；經1 000周次熱循環后，表面熱疲勞裂紋沿預制切口前端呈放射狀擴展，單位面積上熱疲勞裂紋數量增加，同時裂紋紋理也加深；隨著熱循環周次增加到1 500次，裂紋開始進入穩定擴展階段，同時沿橫向、縱向發展，構成網絡狀形貌，此時焊縫硬度迅速降低；經2 000次熱循環后，焊縫表面主裂紋變寬變長，龜裂較為嚴重。

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

2.3 焊縫熱疲勞試樣硬度

為了進一步研究不同熱循環周次下熱疲勞裂紋對試樣性能的影響，對不同熱循環周次后經不同溫度退火后的試樣表層硬度進行表征，結果如圖3所示。經過2 000次熱循環后，試樣表面硬度均降低，出現循環軟化現象。當疲勞上限溫度高于材料退火溫度時，模具鋼焊縫組織出現碳化物聚集，從而導致硬度和強度下降，硬度衰減嚴重，熱疲勞性能降低，由此帶來裂紋萌生、加速擴展，材料軟化。經2 000周次熱循環后，未經退火和經550℃退火后表面硬度最低，硬度下降嚴重，抗熱疲勞性能最差；經510℃退火后抗熱疲勞性能次之；經530℃退火后硬度相對較高，表明熱穩定最好，具有較高的抗熱疲勞性能。

圖3 焊縫不同循環次數后硬度Fig.3 Hardnessofwelding seam atdifferent thermalcycles

2.4 焊縫熱裂紋擴展速率

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展速率?？梢钥闯觯髟嚇釉?00周次熱循環后裂紋萌生已經結束，未退火試樣萌生和擴展速率較快。經1 000周次熱循環后，各試樣主裂紋長度增加，結合硬度曲線可知，此時硬度也緩慢下降，表明裂紋進入穩定擴展階段。隨著循環次數分別增加至1 500周次和2 000周次，主裂紋長度增加變緩，這是因為裂紋長度的增長是部分裂紋變寬形成主裂紋，在熱循環次數超過1 000周次后，小裂紋由于應力的釋放而未繼續擴展，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530℃退火后在2 000周次熱循環后裂紋擴展最慢，由0.2mm增加到1.1mm，約為未退火試樣裂紋長度的50％。

圖4 焊縫不同循環次數后主裂紋長度Fig.4 Length ofmain crack at different thermal cycles

3 結論

（1）模具鋼焊縫在退火溫度530℃時，退火組織最細，焊縫抗疲勞性能最佳。

（2）試樣經530℃退火時，500周次熱循環后裂紋發育成熟，經2 000周次熱循環后焊縫龜裂嚴重。

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

（4）隨著熱循環周次增加，焊縫主裂紋長度增加，530℃退火時裂紋擴展最慢。

[1]趙柏森.熱作模具鋼特性及焊接修復應用現狀[J].熱加工工藝，2013，42（17）：10-14.

[2]于影霞,何柏林,李力.國內外模具材料的現狀及發展趨勢[J].熱加工工藝，2009，38（02）：45-48.

[3]馬國.鑄造模具鋼焊接修復工藝研究[D].吉林：吉林大學，2013.

[4]張軼君.電脈沖與退火處理對熱作模具鋼焊縫熱疲勞性能的影響[D].吉林：吉林大學，2007.

[5]劉京，李鑄國，姚成武.P20模具鋼的雙層回火激光熔覆修復技術[J].中國表面工程，2013，26（1）：6-12.

[6]騰祺，玉大輝，羅杰，等.焊接技術與模具修復技術初探[J].輕工科技，2014（7）：83-84.

[7]劉福廣，李振偉，馮琳杰，等.05Cr17Ni4Cu4Nb鋼焊接接頭的疲勞性能[J].焊管，2013，36（11）：23-26.

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，主要從事機械工程的教研工作。