淺談熱作模具的失效形式及耐磨層的修復(fù)工藝

摘 要 5CrNiMo鋼由于高溫耐磨性好被用作熱作摸具鐵，本文是針對(duì)表面堆焊層修復(fù)有缺陷的大型熱作模具這種工藝進(jìn)行研究的。通過對(duì)熱作模具的失效形式分析及修復(fù)工藝如焊前加工，焊前預(yù)熱和保溫，模具熱保護(hù)及焊補(bǔ)工藝，焊接修復(fù)工藝規(guī)范，焊后熱處理的試驗(yàn)分析，得出最有效的堆焊工藝參數(shù)，并在實(shí)際生產(chǎn)中應(yīng)用。

關(guān)鍵詞 熱作模具 堆焊 工藝 熱處理

中圖分類號(hào)：TG142.45 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

利用堆焊技術(shù)，對(duì)大型鑄鍛模耐磨層的堆焊工藝進(jìn)行研究，修復(fù)報(bào)廢舊熱鍛模或加工超差的熱鍛模，制造新熱鍛模，代替?zhèn)鹘y(tǒng)的熱鍛模制造技術(shù)，是國(guó)內(nèi)外熱鍛模技術(shù)發(fā)展的趨勢(shì)。

目前，國(guó)內(nèi)多用5CrNiMo、5CrMnMo、B3（3Cr2WNiMoV）鋼制造熱鍛模和切邊模。B3鋼較前兩種模具鋼性能優(yōu)良，但是，其模胚的鍛造工藝性能差，成品率低，成本明顯提高；5CrNiMo鋼經(jīng)淬火并500～600高溫回火后，具有較高的硬度（HRC40～48）和高的強(qiáng)度及沖擊韌性（€%lb=1200～1400MPa，€%Zk=40～70J/cm2 ），適合制造形狀復(fù)雜，沖擊負(fù)荷重，要求高強(qiáng)度和高的韌度的大型鍛模。此次分析的是一拖鍛造廠使用的5CrNiMo鋼的大型模具的修復(fù)工藝（焊條主要化學(xué)成分：C 0.48、Cr 1.30、Mn 1.74、Mo 0.51）。

1 熱作模具常用材料及性能

本課題所研究的模具的基體材料為熱作模具鋼5CrNiMo，其化學(xué)成分見表1：

這種材料在高溫下具有較高的硬度、強(qiáng)度和耐磨性，是制造模具的理想材料，它具有好的淬透性，優(yōu)良的耐磨性、導(dǎo)熱性和抗氧化性，是制造熱鍛模具的首選之材。但是，該材料含碳量大于0.4%，其它合金元素的含量也比較高，所以可焊性就比較差。對(duì)這種材料進(jìn)行焊補(bǔ)時(shí)，必須嚴(yán)格按規(guī)程操作。其常規(guī)熱處理工藝曲線見圖1。

2 熱作模具主要失效形式分析

熱作模具的失效形式一般有熱磨損，堆塌，熱疲勞龜裂，裂紋和斷裂等幾種形式。

熱磨損主要是由于材料的熱強(qiáng)性不夠而造成的一種失效形式。在全國(guó)的“熱鍛模塊系列化調(diào)研總結(jié)”中提到：熱磨損是目前國(guó)產(chǎn)模具的主要失效形式，其中尤以各類抗壓力模具和小型錘鍛模具更為突出。

塌陷（塌陷）主要是模具材料紅硬性不足，工作溫度下的屈服強(qiáng)度低，每次錘過后產(chǎn)生微量塑性變形積累造成的模具失效形式。 根據(jù)“熱鍛模塊系列化調(diào)研總結(jié)”總結(jié)，堆塌是熱鍛模僅次于熱磨損失效的另一種失效形式，一拖鍛造廠的十噸錘鍛模的大齒輪鍛模和曲軸鍛模，失效形式都是以堆塌為主的。

熱疲勞龜裂指在熱鍛模行腔上，產(chǎn)生的表面網(wǎng)狀裂紋。它是由于模具的熱疲勞性不足引起的一種失效形式。據(jù)研究熱疲勞裂紋性能的結(jié)果可知：模具材料的導(dǎo)熱性降低，熱裂敏感性增大。一般導(dǎo)熱性隨含碳量和合金元素含量的增加而降低（但鈷除外）。同一材料硬度高比硬度低更易形成熱疲勞裂紋。硬度低的組織除了和熱傳導(dǎo)較好有關(guān)外，還和韌性好壞有關(guān)，韌性好裂紋發(fā)展速率低，抗熱疲勞性能好。因此，鍛造不充分、未焊合、鑄錠內(nèi)未焊合的氣泡、疏松和樹枝狀結(jié)晶以及非金屬夾雜物等都是易引起熱疲勞發(fā)生發(fā)展的內(nèi)部原因。

裂紋和斷裂多在型腔和錘鍛模燕尾的應(yīng)力集中的圓角處發(fā)生發(fā)展。型腔裂紋發(fā)展較深，降低總壽命，嚴(yán)重時(shí)引起鍛模開裂甚至失效，最嚴(yán)重的斷裂失效形式是在工作過程中突然開裂。

熱作模具的失效形式是十分復(fù)雜的，一個(gè)模具的失效往往伴隨著一種或多種失效形式。根據(jù)熱作模具實(shí)際使用的具體情況來(lái)分析和確定它的失效形式，采取有效的修復(fù)措施，提高模具的使用壽命。

3 修復(fù)工藝及熱處理

大部分熱作模具失效后，經(jīng)修復(fù)仍可繼續(xù)使用。目前熱作模具的修復(fù)方法很多，如熱噴涂、電鍍、堆焊等，其中用堆焊方法修復(fù)和制造熱作模具，在近十幾年得到廣泛的應(yīng)用和研究。

堆焊是機(jī)械制造行業(yè)中的一個(gè)重要制造手段和維修手段，是用焊接的方法把填充金屬熔敷在金屬表面以得到所要求的性能和尺寸。常見的堆焊方法有氧乙炔火焰堆焊、手工電弧堆焊、埋弧堆焊、熔化極氣體保護(hù)電弧堆焊、鎢極氬弧堆焊等，手工電弧堆焊是發(fā)展最早、最簡(jiǎn)單、應(yīng)用最普遍的堆焊方法。埋弧自動(dòng)堆焊具有生產(chǎn)率高，堆焊過程機(jī)械化、自動(dòng)化水平高，堆焊質(zhì)量好等優(yōu)點(diǎn)，但是在熱作模具修復(fù)中，由于熱作模具型槽十分復(fù)雜，不宜采用埋弧自動(dòng)堆焊及電渣堆焊，故目前手工電弧堆焊在熱作模具修復(fù)和制造中應(yīng)用較為廣泛。

3.1 模具的焊前加工

在實(shí)際生產(chǎn)過程中，由開裂或者脫落導(dǎo)致失效的模具，一般情況下不會(huì)是大面積的損壞。采用堆焊工藝修復(fù)時(shí)，可使用銼刀銼去廢舊部分，銼刀加工的深度根據(jù)模具的大小和損壞的程度而定，但加工時(shí)一定要將全部裂紋清除。如果裂紋過淺，可適當(dāng)加深。對(duì)小型模具，至少要留有5～7mm的深度用于堆焊，大型模具可再加深一些。

3.2 焊前預(yù)熱和保溫

模具材料是高合金鋼，模具焊前預(yù)熱和焊后保溫是保證焊接質(zhì)量的重要條件。升溫速度和保溫時(shí)間根據(jù)模具大小而定，預(yù)熱工藝規(guī)范見圖2：

3.5 焊后熱處理

經(jīng)過補(bǔ)焊的鍛模，有一定的脆性和內(nèi)應(yīng)力。為減少模具變形和開裂現(xiàn)象，必須經(jīng)過嚴(yán)格的回火處理。Capilla技術(shù)要求回火溫度550℃，保溫時(shí)間為8小時(shí)。這個(gè)溫度和保溫時(shí)間對(duì)母材硬度影響不大，對(duì)模具高于HRC45～50的部分硬度會(huì)有所降低。所以此試驗(yàn)要求回火溫度550℃，保溫時(shí)間為8小時(shí)的條件下進(jìn)行。焊后熱處理工藝曲線見圖4：

通過本次試驗(yàn)數(shù)據(jù)和結(jié)果分析可知，在模具修復(fù)過程中，堆焊層工藝過程是保證修復(fù)質(zhì)量的一個(gè)重要的環(huán)節(jié)。模具修復(fù)時(shí)應(yīng)嚴(yán)格預(yù)熱，低于300℃停止焊接，焊接過程中應(yīng)保溫，焊后及時(shí)進(jìn)行回火處理。另外在熱作模具修復(fù)方面，選擇適當(dāng)?shù)暮笚l做過渡層和硬層也在修復(fù)過程中起著非常重要的作用，如用美國(guó)WELEL535E焊條做過渡層，用哈爾濱2#做硬層修復(fù)的模具在各方面都能夠達(dá)到熱作模具的使用要求。