新型热作模具钢焊缝的热疲劳性能

王均杰，潘全喜

（郑州职业技术学院，河南郑州450121）

新型热作模具钢焊缝的热疲劳性能

王均杰，潘全喜

（郑州职业技术学院，河南郑州450121）

对新型热作模具钢进行焊接修复，研究退火温度对焊缝热疲劳性能的影响。结果表明，试样经530℃退火温度时，退火组织最细，焊缝抗疲劳性能最佳。试样经530℃退火时，500周次热循环后裂纹发育成熟，经2000周次热循环后焊缝龟裂严重。随着热循环周次增加，试样表面硬度下降，焊缝主裂纹长度增加。退火温度530℃时焊缝热稳定性最高，裂纹扩展最慢。

HHD钢；热疲劳裂纹；硬度；退火温度

0 前言

热作模具钢作为一种重要钢种，广泛应用于压铸模、热压模、锻模和挤压模中。热作模具钢的工作环境要求长期处于高温状态下，具有高强韧性、抗氧化性、耐热稳定性及热疲劳性能[1-2]。随着使用时间的延长，模具钢组织和性能发生变化，热疲劳性能降低，寿命缩短，从而导致模具失效。由于模具钢失效将消耗大量生产成本，对工业生产造成极大的损失，因此，有必要对模具钢进行处理以延长使用寿命，提高工业生产效率[3-4]。

热作模具钢工作时冷热状态急剧变化，其造成的各方向应力容易导致裂纹萌生，对模具钢使用寿命产生不利影响，因此有必要对模具钢进行焊接修复，延长其使用寿命[5-6]。TIG焊接方法能有效与周围空气隔绝；电极本身不熔于金属；焊接过程中电弧可以进行表面自清洁作用；焊缝成形好，受到大多数企业青睐[7]。在此选用自行设计的新型铸造热作模具钢为研究对象，采用TIG焊接修复，对试样进行热疲劳循环试验，并对热循环后的试样在不同温度进行退火处理，研究退火温度对含有预制裂纹的焊缝热疲劳性能的影响。

1 试验材料和方法

试验材料为自行设计熔炼的新型热作模具钢（HHD钢），在150 kg中频感应电炉中熔炼，其化学成分如表1所示。采用砂型铸造，浇铸尺寸200mm× 100mm×25mm。将试验钢在电阻炉中进行热处理。热处理工艺为：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热处理后材料的表面油污，用砂纸打磨去除表面氧化物。采用TIG焊焊接，选用与母材成分相近的S-700BB焊丝，焊丝直径φ2mm，化学成分如表2所示。焊接工艺为氩气流量10L/min，焊道数10，焊接电流120A，手工双面焊。

表1 模具钢的化学成分Tab.1 Chem ical compositions of die steel％

表2 焊心化学成分Tab.2 Chem ical composition of corew ire％

为了增强焊接修补在模具钢服役过程中的热疲劳性能，对焊接接头进行稳定化热处理试验，将热处理后的焊接试样进行细磨和抛光减少表面沟痕后，进行热疲劳试验。热疲劳试验在热疲劳试验机上进行，自动控制加热温度、加热时间和记录循环次数，在600℃至室温之间进行加热和冷却循环，加热时间60 s，冷却时间2 s。在500周次热循环后对一组试样进行退火处理，退火温度分别选择510℃、530℃和550℃，退火时间1 h。

采用体视显微镜观察试样裂纹长度，采用扫描电镜观测试样形貌及组织，采用洛氏硬度计检测热疲劳试样前后表面洛氏硬度，每个试样取5个点的平均值。

2 试验结果和分析

2.1 退火温度对试样组织的影响

不同温度退火后焊缝组织如图1所示。

图1 不同温度退火后焊缝组织Fig.1 M icrostructure of welding seam at different annealing treatment

未经退火时，焊缝组织中碳化物呈不均匀分布，尺寸大小不一，晶界和晶界交界处存在碳化物和夹杂物偏聚。经过退火处理后，焊缝组织中晶界碳化物偏聚度降低，尺寸变小，其中530℃退火后组织最小，碳化物呈弥散分布，细化程度最佳。510℃和550℃退火后组织较为粗大。一般来说，晶粒尺寸越小，在单位体积内晶界面积越大，从而焊缝强度最高，裂纹扩展时所需消耗的能量较大，焊缝抗热疲劳性能增加，这表明530℃为试样较为合适的退火温度。

2.2 焊缝热疲劳裂纹形貌

模具钢焊缝在530℃退火后经不同周次热循环后的形貌如图2所示。经500周次热循环后，焊缝表面微裂纹长大，裂纹发育成熟；经1 000周次热循环后，表面热疲劳裂纹沿预制切口前端呈放射状扩展，单位面积上热疲劳裂纹数量增加，同时裂纹纹理也加深；随着热循环周次增加到1 500次，裂纹开始进入稳定扩展阶段，同时沿横向、纵向发展，构成网络状形貌，此时焊缝硬度迅速降低；经2 000次热循环后，焊缝表面主裂纹变宽变长，龟裂较为严重。

图2 焊缝不同热循环次数下热裂纹形貌Fig.2 Crack morphologies of welding seam at different thermal cycles

2.3 焊缝热疲劳试样硬度

为了进一步研究不同热循环周次下热疲劳裂纹对试样性能的影响，对不同热循环周次后经不同温度退火后的试样表层硬度进行表征，结果如图3所示。经过2 000次热循环后，试样表面硬度均降低，出现循环软化现象。当疲劳上限温度高于材料退火温度时，模具钢焊缝组织出现碳化物聚集，从而导致硬度和强度下降，硬度衰减严重，热疲劳性能降低，由此带来裂纹萌生、加速扩展，材料软化。经2 000周次热循环后，未经退火和经550℃退火后表面硬度最低，硬度下降严重，抗热疲劳性能最差；经510℃退火后抗热疲劳性能次之；经530℃退火后硬度相对较高，表明热稳定最好，具有较高的抗热疲劳性能。

图3 焊缝不同循环次数后硬度Fig.3 Hardnessofwelding seam atdifferent thermalcycles

2.4 焊缝热裂纹扩展速率

各试样主裂纹长度如图4所示，各段斜率表示热疲劳裂纹扩展速率。可以看出，各试样在500周次热循环后裂纹萌生已经结束，未退火试样萌生和扩展速率较快。经1 000周次热循环后，各试样主裂纹长度增加，结合硬度曲线可知，此时硬度也缓慢下降，表明裂纹进入稳定扩展阶段。随着循环次数分别增加至1 500周次和2 000周次，主裂纹长度增加变缓，这是因为裂纹长度的增长是部分裂纹变宽形成主裂纹，在热循环次数超过1 000周次后，小裂纹由于应力的释放而未继续扩展，且随着氧化而消失，因此主裂纹总长度增加变缓。对比不同退火温度试样可知，经530℃退火后在2 000周次热循环后裂纹扩展最慢，由0.2mm增加到1.1mm，约为未退火试样裂纹长度的50％。

图4 焊缝不同循环次数后主裂纹长度Fig.4 Length ofmain crack at different thermal cycles

3 结论

（1）模具钢焊缝在退火温度530℃时，退火组织最细，焊缝抗疲劳性能最佳。

（2）试样经530℃退火时，500周次热循环后裂纹发育成熟，经2 000周次热循环后焊缝龟裂严重。

（3）随着热循环周次增加，试样表面硬度下降。退火温度530℃时试样硬度下降幅度最小，热稳定性最高。

（4）随着热循环周次增加，焊缝主裂纹长度增加，530℃退火时裂纹扩展最慢。

[1]赵柏森.热作模具钢特性及焊接修复应用现状[J].热加工工艺，2013，42（17）：10-14.

[2]于影霞,何柏林,李力.国内外模具材料的现状及发展趋势[J].热加工工艺，2009，38（02）：45-48.

[3]马国.铸造模具钢焊接修复工艺研究[D].吉林：吉林大学，2013.

[4]张轶君.电脉冲与退火处理对热作模具钢焊缝热疲劳性能的影响[D].吉林：吉林大学，2007.

[5]刘京，李铸国，姚成武.P20模具钢的双层回火激光熔覆修复技术[J].中国表面工程，2013，26（1）：6-12.

[6]腾祺，玉大辉，罗杰，等.焊接技术与模具修复技术初探[J].轻工科技，2014（7）：83-84.

[7]刘福广，李振伟，冯琳杰，等.05Cr17Ni4Cu4Nb钢焊接接头的疲劳性能[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，河南平顶山人，讲师，硕士，主要从事机械工程的教研工作。