輥鍛模具堆焊修復(fù)技術(shù)

文/周發(fā)明，李偉，蔣林濤·湖北三環(huán)車橋有限公司

輥鍛模具堆焊修復(fù)技術(shù)

文/周發(fā)明，李偉，蔣林濤·湖北三環(huán)車橋有限公司

熱鍛成形是一種生產(chǎn)效率高、加工質(zhì)量好，節(jié)約原材料的先進(jìn)加工方法，在機(jī)械、電機(jī)、汽車、拖拉機(jī)、航空、輕工、石化、動力各工業(yè)部門中得到廣泛應(yīng)用，工業(yè)生產(chǎn)中對熱鍛金屬模具的需求量很大。由于熱鍛金屬模具的工作條件惡劣，服役壽命短，經(jīng)常出現(xiàn)開裂、磨損、壓塌、冷熱疲勞等早期失效的情況。因此，對熱鍛金屬模具進(jìn)行堆焊修復(fù)，延長其使用壽命，具有重大的經(jīng)濟(jì)意義。

模具堆焊技術(shù)在平鍛模已有較廣泛的應(yīng)用，并取得較好效果。采用輥鍛精制坯制造長桿類鍛件具有金屬流線好、產(chǎn)品質(zhì)量好、設(shè)備及模具投資少、材料利用率高、污染少、能耗低、轉(zhuǎn)產(chǎn)換型快、生產(chǎn)效率高等優(yōu)勢。目前，利用輥鍛工藝制坯的生產(chǎn)企業(yè)多達(dá)百家，輥鍛回轉(zhuǎn)模具的用量很大。對輥鍛回轉(zhuǎn)模具采用模具堆焊技術(shù)制造修復(fù)具有重大意義。

本文介紹了基材為5CrMnMo、5CrNiMo的輥鍛模具，采用堆焊修復(fù)模具的技術(shù)，最大限度利用舊模塊材料，提高模具壽命；節(jié)省熱處理費(fèi)用，節(jié)約能源，降低模具制造成本；縮短模具制造周期，節(jié)省加工費(fèi)用，減少停機(jī)時(shí)間，為企業(yè)增加了經(jīng)濟(jì)效益。

輥鍛模具的選材

針對輥鍛模具工作部位和受力狀態(tài)的不同，模具受熱程度和失效模式也不同，因此，要求不同模具有不同的使用性能。采用不同硬度及性能的合金焊材，堆焊制造、堆焊修復(fù)模具，來達(dá)到熾熱的鍛坯在輥鍛模具型腔內(nèi)急劇變形成形，模具表面在驟冷驟熱交變的惡劣工作條件下，必須具備以下性能：較高的硬度、較好的淬透性、沖擊韌性、耐冷熱疲勞性能、熱穩(wěn)定性、高溫耐磨性、抗高溫氧化性能、抗裂性等。

⑴選用5CrMnMo、5CrNiMo熱作模具鋼作為基材，熱處理硬度在34～42HRC之間。5CrMnMo、5CrNiMo材料成本較低，熱處理工藝不復(fù)雜比較成熟，具有較好的切削性能、耐沖擊性、抗裂性以及中等的淬透性。但是，常、高溫耐磨性、耐冷熱疲勞性能、熱穩(wěn)定性、抗高溫氧化性能較差。

⑵選用與本體材質(zhì)比較接近的堆焊金屬焊材作為打底層，硬度在34～42HRC之間。如RMD136、RMD142。

⑶模具型腔過渡層，模具主要受不太大的壓應(yīng)力，選用硬度在42～48HRC之間熱作模具堆焊材料，如RMD248。堆焊材料具有較高的硬度與強(qiáng)度，使模具不變形。

⑷模具表面工作層在驟冷驟熱交變的惡劣工作條件下，模具在工作過程中除了承受較大壓應(yīng)力外，還受到熾熱金屬對模具型腔的加熱和摩擦作用，工作環(huán)境惡劣，選用硬度大于55HRC的金屬堆焊材料堆焊，如RMD650、RMG2#，該材料堆焊金屬有極佳綜合力學(xué)性能、耐磨損、高耐熱和抗熱疲勞性能。

這樣模具由里及表就形成了硬度由39HRC左右到45HRC左右再到表層的55HRC以上硬度梯度，達(dá)到表面硬度高，里面韌度大的效果，從而提高模具壽命，節(jié)能節(jié)材。

堆焊修復(fù)工藝

焊前準(zhǔn)備

圖1所示的待修復(fù)模膛表面應(yīng)整體向下或向外加工10mm以上（一般10～15mm）。加工方法主要有以下3個(gè)方面：

⑴用合金銑刀銑削加工擴(kuò)大模膛。

⑵用電弧氣刨擴(kuò)大模膛。

⑶采用較大石墨電極電火花加工模膛。采用電弧氣刨擴(kuò)大模膛時(shí)，一般氣刨后需用砂輪打磨掉滲碳層直到整個(gè)模膛表面見到金屬光澤為止。清除型槽底部的尖角，使施焊時(shí)運(yùn)條方便，清渣容易，防止焊接缺陷，擴(kuò)大后模具型腔截面圖，如圖2所示。

加工后的模膛表面應(yīng)著色探傷，探測模膛表面是否還存在未加工掉的裂紋等缺陷，若存在裂紋時(shí)則應(yīng)徹底清除。

焊前預(yù)熱

熱鍛金屬模具鋼的碳當(dāng)量高，焊接性差容易產(chǎn)生冷裂紋，故堆焊時(shí)必須預(yù)熱，預(yù)熱的參數(shù)為隨爐升溫到450℃保溫，保溫時(shí)間一般根據(jù)模具的厚度以30mm保溫1h計(jì)算，通常保溫時(shí)間為4～12h。小模具的保溫時(shí)間可稍短些，但一般不能低于4h；大模具的保溫時(shí)間可稍長些，但一般不長于12h。模具放入工位器具保溫箱中或用石棉板蓋好保溫待焊。

堆焊合金層

盡量把工件置于平焊或爬坡施焊位置。從打底層依次堆焊過渡層焊材硬度在34～42HRC之間，較高的強(qiáng)度層焊材硬度在42～48HRC之間，以及表面工作層焊材硬度在55HRC以上，工作層需堆層數(shù)以保證加工后，表面工作層深度3～6mm左右，焊道搭邊一般為上一焊道的1/3。收尾拉開電弧時(shí)應(yīng)作圓周運(yùn)動，填滿弧坑，避免弧坑裂紋，施焊層次圖如圖3所示。

圖1 模具圖

圖2 擴(kuò)大后的型腔截面圖

圖3 施焊層次圖

焊縫搭邊成形應(yīng)良好，不允許有未焊透、夾渣等缺陷，焊縫尺寸應(yīng)符合要求，應(yīng)當(dāng)有3～5mm的加工余量。

堆焊合金層時(shí)，應(yīng)注意以下幾方面的問題：

⑴避免產(chǎn)生火口裂紋（收弧裂紋）。避免的辦法為，收弧前，焊絲原地稍停留一些時(shí)間，或后一道焊縫起弧時(shí)，在前一道焊道收弧處開始。

⑵避免產(chǎn)生氣孔。避免產(chǎn)生氣孔的辦法有以下5條。

1）選擇合理的焊接工藝參數(shù)。通常以保證穩(wěn)定的電弧燃燒過程和不使模具堆焊處長時(shí)間在過熱狀態(tài)為標(biāo)準(zhǔn)：φ1.6mm藥芯焊絲焊接參數(shù)的選擇范圍為，電流在260～360A之間，電壓在26～32V之間；φ2.4mm藥芯焊絲焊接參數(shù)的選擇范圍為，電流在360～540A之間，電壓在30～38V之間。

2）保護(hù)氣體為Ar和CO2的混合氣體，Ar的體積含量約為80％～90％，CO2的體積含量約為10％～20％。

3）CO2氣體出口必須接加熱器。

4）選用技術(shù)較熟練的焊工。

5）模具堆焊前，不要過早拆開藥芯焊絲的包裝；已拆開包裝的藥芯焊絲應(yīng)盡快用完，若實(shí)在用不完應(yīng)重新用塑料袋包裝好以免受潮，或放在低溫（50～100℃）的干燥爐里面保持干燥。

⑶避免夾渣。避免夾渣的辦法是每焊完一層都把焊渣清除干凈。

熱處理

模具焊后應(yīng)立即進(jìn)行消除應(yīng)力的熱處理。熱處理工藝為：模具隨爐升溫至550℃保溫10h，保溫時(shí)間一般根據(jù)模具的厚度以1h/25mm計(jì)算，通常保溫時(shí)間為6～24h，一般小模具的保溫時(shí)間較短些，但一般不能低于8h；大模具的保溫時(shí)間可長些，但一般不長于24h。保溫后模具隨爐冷卻至100℃左右出爐，或把模具從爐中取出后用石棉布包裹緩冷。

焊材堆焊模具時(shí)，最好采用兩次熱處理的方法。采用兩次熱處理工藝時(shí)，總熱處理保溫時(shí)間和一次熱處理時(shí)間相同，但每次熱處理的保溫時(shí)間減半，即以1h/50mm計(jì)算。

加工模膛

模具在投入加工前，最好再進(jìn)行一次著色探傷，若發(fā)現(xiàn)裂紋，還應(yīng)清除干凈并再一次進(jìn)行補(bǔ)焊直至整個(gè)堆焊層表面無任何缺陷為止。模具堆焊完成后且經(jīng)探傷未發(fā)現(xiàn)任何缺陷時(shí)，可加工模具，加工后堆焊層圖如圖4所示。

圖4 加工后焊層圖

結(jié)束語

采用模具堆焊制造、修復(fù)技術(shù)制造輥鍛模具，它既克服了現(xiàn)有直接用低耐熱鋼5CrMnMo、5CrNiMo常、高溫耐磨性、耐冷熱疲勞性能、熱穩(wěn)定性、抗高溫氧化性能較差的缺陷，又克服用中耐熱鋼如3Cr2W8V、H11、H13等模具材料貴，熱處理工藝復(fù)雜，易開裂的缺陷。它既發(fā)揮了5CrMnMo、5CrNiMo材料的易切削、耐沖擊性、抗裂性，又擁有相當(dāng)于中耐鋼3Cr2W8V、H11、H13材料的極佳綜合力學(xué)性能、耐磨損、高耐熱和抗熱疲勞性能，由里及表形成硬度梯度，達(dá)到表面硬度高，里面韌度強(qiáng)的效果，從而提高模具壽命，減少模具加工次數(shù)，減輕模具車間加工壓力和加工費(fèi)用，并且縮短模具加工周期，減少停機(jī)時(shí)間和轉(zhuǎn)產(chǎn)次數(shù)，為企業(yè)帶來很好的經(jīng)濟(jì)效益。

周發(fā)明，工程師，主要從事汽車用鍛件及鍛造工藝設(shè)計(jì)與制造方面的工作，擁有多項(xiàng)國家發(fā)明專利。

生產(chǎn)［主輔工藝］ Manufacture