淺談鍛砧設計修復方法

文/房志遠，馮東曉，衛凌云，張營杰·中國重型機械研究院股份公司

鍛砧種類繁多，比如自由鍛造壓機的平砧、V形砧、摔子，精鍛機的錘頭等，它們都是鍛壓設備的重要組成部分。鍛砧材料應具備以下性能：

⑴具有良好的導熱性、較好的耐熱疲勞性能，防止鍛砧產生熱裂紋，使其在冷熱交變的工作條件下仍具有較高的壽命。

⑵淬透性能好，使鍛砧具有均勻的組織結構和機械性能。

⑶在高溫下具有較高的強度、硬度、沖擊韌性，以便能承受較大的變形抗力和具有良好的耐磨性。

⑷具有良好的回火穩定性，使鍛砧在工作時不致因受熱而產生硬度下降現象。

⑸良好的加工工藝性能及熱處理性能。

在鍛造過程中，鍛砧一直與熾熱的鍛件接觸，工作條件十分惡劣。鍛砧的損壞基本有四種形式：熱疲勞裂紋、機械疲勞裂紋、磨損和塑性變形。前兩種形式將會導致鍛砧破裂，降低鍛砧的使用壽命；后兩種會造成鍛砧尺寸變化，嚴重影響鍛件的表面質量和尺寸精度，導致鍛出不合格的鍛件。

為了更好的解決以上問題，廣大技術人員采取了許多積極措施。如在鍛砧內部加工孔道通水，來降低鍛砧砧體與表層溫差，減少熱疲勞裂紋的產生，也可以盡量避免鍛砧產生局部回火軟化而被壓塌；在鍛造低塑性材料和形狀復雜的鍛件時，選用合理的潤滑劑，減小坯料與鍛砧摩擦，降低鍛砧磨損，提高鍛件質量，同時對鍛砧起冷卻的作用；使用高壓水或壓縮空氣噴除坯料表面的氧化皮。

本文主要介紹如下三種方法，通過改變鍛砧表層材料，來提高鍛砧的使用壽命，供大家設計參考。

鑲塊法

圖1 鑲塊式鍛砧結構示意圖

中國重型院為某廠設計的20MN 鍛造壓機的鍛砧采用了鑲塊式結構，結構簡單，安裝維護方便。鍛砧結構如圖1 所示。在砧塊的中部加工有T 形槽，在槽中嵌入一長為700mm、厚為150mm 的鑲塊，砧塊與鑲塊之間采用過盈配合，過盈量為0.3 ～0.4mm。安裝時，將砧塊加熱后裝入鑲塊，冷縮后鑲塊便緊固于砧塊之上，最后將鑲塊與砧塊之間打入兩個圓柱銷加以定位。

對于高校的知識產權管理而言，主要的目標是對科研技術成果及其他智力成果的開發、利用、轉讓和發展進行系統化的管理。但是在目前的高校知識產權管理中，還存在以下方面的諸多問題。

砧塊材料為5CrMnMo。5CrMnMo 模具鋼屬于低耐熱高韌性鋼，通常在400℃以下環境中工作。鑲塊材料為高溫合金GH4037。GH4037是奧氏體型時效強化的鎳基合金，具有高的熱強性、良好的綜合性能和組織穩定性，廣泛用于制造航空發動機渦輪工作葉片，可在800 ～850℃之間長期工作。

相較于整塊式材料為5CrMnMo或5CrNiMo的鍛砧，高溫合金鑲塊砧連續使用時間大幅提高，大大降低了換砧停工損失；長時間工作后，鑲塊砧砧面仍可保持平滑，對改善鍛件表面質量，提高鍛件尺寸精度有顯著效果；合金工具鋼鍛砧壓凹后，刨削修理十分困難，使用鑲塊砧可以節省大量鍛砧修復費用，取得良好的經濟效益。

GH4037 具有良好的可鍛性。鑄錠鍛造時，始鍛溫度為1160℃，終鍛溫度不低于1000℃，開鍛時打擊應輕和快，壓下量控制在10%～15%，待鑄造組織破碎后可逐漸增大變形量至35%～40%。GH4037合金的切削加工性差，可以使用硬質合金或立方氮化硼（CBN）刀具進行加工。

表面堆焊法

表面堆焊是材料表面改性的一種經濟而快速的工藝方法，越來越廣泛地應用于各個工業領域中。它是用電焊或氣焊等方法把填充金屬熔覆在金屬工件表面，堆焊層與工件基材達到冶金結合，以滿足工藝要求的性能和尺寸的方法。在各種表面技術中，堆焊的表面層最厚而且致密；堆焊層與工件基材剝落傾向小；其受工件大小、形狀的限制小；能堆焊的合金種類很多，有鐵基、鎳基、鈷基、碳化鎢基和銅基等。基于以上的優點，表面堆焊特別適合嚴重磨損工況下工件表面的強化或修復。圖2 所示為帶表面堆焊錘頭的鍛機。

徑向鍛造是一種新型的多錘頭鍛造工藝，在國防、汽車制造及冶金等領域有著越來越廣泛的應用。其特點是鍛打速度快、鍛造尺寸精度高、表面粗糙度小、生產率和成材率高，尤其適合鍛造高合金鋼及難變形、難熔材料的軸類件，用芯棒還可鍛空心軸，如槍管、炮管、石油地質鉆桿等。我國先后從奧地利GFM公司引進多臺精鍛機，錘頭是該設備的重要部件。由于錘頭與高溫鍛件高頻率接觸，其表面工作層的溫度最高可達800 ～900℃，工作環境十分惡劣。錘頭工作面采用焊條堆焊而成，使其在高溫下具有較高的持久強度、疲勞強度以及良好的抗氧化性能和耐磨性能等。

圖2 帶表面堆焊錘頭的鍛機

錘頭結構如圖3 所示，其堆焊層分為中間過渡層和表面工作層。

圖3 錘頭結構示意圖

精鍛機錘頭基體材料為56NiCrMo7V，先在基體上用Boe Fox SACA 焊條堆焊中間層，再在中間層上面用ARGONWELD 52 焊條堆焊表面層。錘頭堆焊程序如下：

⑴焊前徹底清理基體堆焊表面，打磨掉裂紋和斷口等。

⑵將錘頭預熱到350℃，并在堆焊過程中保持該溫度。

⑶用φ5mm 直徑焊條堆焊中間過渡層，焊接電流180 ～190A。每焊一層，立即進行錘擊，消除應力。

⑷清理中間過渡層表面，將錘頭預熱到350℃，并保持該溫度。

⑸用φ4mm 直徑ARGONWELD 52 焊條，按WIG法堆焊表面工作層。每焊一層，立即進行錘擊，消除應力。

⑹焊后將錘頭在電爐內加熱到550℃，保溫10 ～12 小時，消除應力，并在爐內以最大不超過15℃/h 的冷卻速度緩慢降至室溫。

⑺采用銑削或電火花加工錘頭至所需尺寸。

錘頭是一種易損件，如果全部依靠進口，其價格十分昂貴。重慶特殊鋼廠和北京鋼鐵研究總院的科研人員，立足于國內進行精鍛機錘頭的制造及修復，研制出錘頭表面工作層堆焊材料HGH520和過渡層堆焊材料HGH847，試制成功800t 精鍛機錘頭，錘頭質量可靠，使用壽命與進口錘頭相當，填補了國內大型精鍛機錘頭制造的空白。

激光熔覆法

激光熔覆法是一種新的表面改性和表面修復技術。它是以高能密度的激光束為熱源在基體表面熔接一層成分和性能完全不同于基體而又與基體具有冶金結合的合金表層，以提高表面的耐磨、耐蝕、耐熱、抗氧化或電氣特性，從而達到滿足材料表面特定性能要求的同時又可節約大量的材料成本。激光熔覆僅要求基體材料表面一極薄層熔化，這種合金熔覆層基本保持其原有成分和性質不變。應用廣泛的激光熔覆材料主要有：鎳基、鈷基、鐵基、鈦合金、銅合金、顆粒型金屬基復合材料，陶瓷材料等。

內蒙古金屬材料研究所的技術人員利用激光熔覆技術，對DA65-100 型精鍛機之基體材料為3Cr2W8V 的錘頭進行表面改性處理，取得了很好的效果。

錘頭基體材料3Cr2W8V 經鍛造和熱處理后，使其硬度達到50 ～55HRC，然后對錘頭基體表面進行激光熔覆，熔覆層材料選擇146#鈷基合金粉末，其工藝路線為：粉末烘干→熔覆基體表面清理→基體預熱→激光熔覆→試樣保溫緩冷處理→精加工。

錘頭表面激光熔覆具體程序如下：

⑴將錘頭待熔覆表面清理干凈；

⑵熔覆層數為六層，熔覆層厚度為3mm；

⑶工藝參數如下：激光功率：3kW，掃描速度4.8mm/min；

⑷將熔覆部位機加至成品尺寸。

焊后對錘頭做性能與探傷分析，結果表明：熔覆層稀釋率低，對錘頭基體的損傷較小，激光熔覆的熱影響層薄，約為1.7mm；熔覆層與基體熔合較好，結合率大于99%，熔覆層組織致密，微觀缺陷少；錘頭表層硬度顯著提高，最高硬度值達64HRC。

激光熔覆是一種低耗節能的先進制造技術，用此技術可以在不改變錘頭基體組織性能的前提下，增強或修復錘頭的工作表面，顯著提高錘頭的使用壽命。

結束語

本文介紹了三種鍛砧表面處理的方法，即鑲塊法、表面堆焊法及激光熔覆法，即使在惡劣的工作環境下，經過處理的鍛砧使用壽命也能大幅提高，取得令人滿意的效果和經濟效益。表面技術特別是離子注入技術、激光化學氣相沉積和陶瓷涂層噴涂技術等的飛速發展，也值得我們關注和應用。