淺談鍛砧設(shè)計(jì)修復(fù)方法

文/房志遠(yuǎn)，馮東曉，衛(wèi)凌云，張營(yíng)杰·中國(guó)重型機(jī)械研究院股份公司

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

⑴具有良好的導(dǎo)熱性、較好的耐熱疲勞性能，防止鍛砧產(chǎn)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(jié)構(gòu)和機(jī)械性能。

⑶在高溫下具有較高的強(qiáng)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(wěn)定性，使鍛砧在工作時(shí)不致因受熱而產(chǎn)生硬度下降現(xiàn)象。

⑸良好的加工工藝性能及熱處理性能。

在鍛造過(guò)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(jī)械疲勞裂紋、磨損和塑性變形。前兩種形式將會(huì)導(dǎo)致鍛砧破裂，降低鍛砧的使用壽命；后兩種會(huì)造成鍛砧尺寸變化，嚴(yán)重影響鍛件的表面質(zhì)量和尺寸精度，導(dǎo)致鍛出不合格的鍛件。

為了更好的解決以上問(wèn)題，廣大技術(shù)人員采取了許多積極措施。如在鍛砧內(nèi)部加工孔道通水，來(lái)降低鍛砧砧體與表層溫差，減少熱疲勞裂紋的產(chǎn)生，也可以盡量避免鍛砧產(chǎn)生局部回火軟化而被壓塌；在鍛造低塑性材料和形狀復(fù)雜的鍛件時(shí)，選用合理的潤(rùn)滑劑，減小坯料與鍛砧摩擦，降低鍛砧磨損，提高鍛件質(zhì)量，同時(shí)對(duì)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(guò)改變鍛砧表層材料，來(lái)提高鍛砧的使用壽命，供大家設(shè)計(jì)參考。

鑲塊法

圖1 鑲塊式鍛砧結(jié)構(gòu)示意圖

中國(guó)重型院為某廠設(shè)計(jì)的20MN 鍛造壓機(jī)的鍛砧采用了鑲塊式結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，安裝維護(hù)方便。鍛砧結(jié)構(gòu)如圖1 所示。在砧塊的中部加工有T 形槽，在槽中嵌入一長(zhǎng)為700mm、厚為150mm 的鑲塊，砧塊與鑲塊之間采用過(guò)盈配合，過(guò)盈量為0.3 ～0.4mm。安裝時(shí)，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(gè)圓柱銷加以定位。

對(duì)于高校的知識(shí)產(chǎn)權(quán)管理而言，主要的目標(biāo)是對(duì)科研技術(shù)成果及其他智力成果的開發(fā)、利用、轉(zhuǎn)讓和發(fā)展進(jìn)行系統(tǒng)化的管理。但是在目前的高校知識(shí)產(chǎn)權(quán)管理中，還存在以下方面的諸多問(wèn)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(huán)境中工作。鑲塊材料為高溫合金GH4037。GH4037是奧氏體型時(shí)效強(qiáng)化的鎳基合金，具有高的熱強(qiáng)性、良好的綜合性能和組織穩(wěn)定性，廣泛用于制造航空發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪工作葉片，可在800 ～850℃之間長(zhǎng)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(xù)使用時(shí)間大幅提高，大大降低了換砧停工損失；長(zhǎng)時(shí)間工作后，鑲塊砧砧面仍可保持平滑，對(duì)改善鍛件表面質(zhì)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(jié)省大量鍛砧修復(fù)費(fèi)用，取得良好的經(jīng)濟(jì)效益。

GH4037 具有良好的可鍛性。鑄錠鍛造時(shí)，始鍛溫度為1160℃，終鍛溫度不低于1000℃，開鍛時(shí)打擊應(yīng)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(zhì)合金或立方氮化硼（CBN）刀具進(jìn)行加工。

表面堆焊法

表面堆焊是材料表面改性的一種經(jīng)濟(jì)而快速的工藝方法，越來(lái)越廣泛地應(yīng)用于各個(gè)工業(yè)領(lǐng)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(dá)到冶金結(jié)合，以滿足工藝要求的性能和尺寸的方法。在各種表面技術(shù)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?；谝陨系膬?yōu)點(diǎn)，表面堆焊特別適合嚴(yán)重磨損工況下工件表面的強(qiáng)化或修復(fù)。圖2 所示為帶表面堆焊錘頭的鍛機(jī)。

徑向鍛造是一種新型的多錘頭鍛造工藝，在國(guó)防、汽車制造及冶金等領(lǐng)域有著越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。其特點(diǎn)是鍛打速度快、鍛造尺寸精度高、表面粗糙度小、生產(chǎn)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(zhì)鉆桿等。我國(guó)先后從奧地利GFM公司引進(jìn)多臺(tái)精鍛機(jī)，錘頭是該設(shè)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(dá)800 ～900℃，工作環(huán)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(qiáng)度、疲勞強(qiáng)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(jī)

錘頭結(jié)構(gòu)如圖3 所示，其堆焊層分為中間過(guò)渡層和表面工作層。

圖3 錘頭結(jié)構(gòu)示意圖

精鍛機(jī)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(yù)熱到350℃，并在堆焊過(guò)程中保持該溫度。

⑶用φ5mm 直徑焊條堆焊中間過(guò)渡層，焊接電流180 ～190A。每焊一層，立即進(jìn)行錘擊，消除應(yīng)力。

⑷清理中間過(guò)渡層表面，將錘頭預(yù)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(jìn)行錘擊，消除應(yīng)力。

⑹焊后將錘頭在電爐內(nèi)加熱到550℃，保溫10 ～12 小時(shí)，消除應(yīng)力，并在爐內(nèi)以最大不超過(guò)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(jìn)口，其價(jià)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(guó)內(nèi)進(jìn)行精鍛機(jī)錘頭的制造及修復(fù)，研制出錘頭表面工作層堆焊材料HGH520和過(guò)渡層堆焊材料HGH847，試制成功800t 精鍛機(jī)錘頭，錘頭質(zhì)量可靠，使用壽命與進(jìn)口錘頭相當(dāng)，填補(bǔ)了國(guó)內(nèi)大型精鍛機(jī)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(fù)技術(shù)。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(jié)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(dá)到滿足材料表面特定性能要求的同時(shí)又可節(jié)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(zhì)不變。應(yīng)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(fù)合材料，陶瓷材料等。

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

錘頭基體材料3Cr2W8V 經(jīng)鍛造和熱處理后，使其硬度達(dá)到50 ～55HRC，然后對(duì)錘頭基體表面進(jìn)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(yù)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(shù)為六層，熔覆層厚度為3mm；

⑶工藝參數(shù)如下：激光功率：3kW，掃描速度4.8mm/min；

⑷將熔覆部位機(jī)加至成品尺寸。

焊后對(duì)錘頭做性能與探傷分析，結(jié)果表明：熔覆層稀釋率低，對(duì)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(jié)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(dá)64HRC。

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

結(jié)束語(yǔ)

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(huán)境下，經(jīng)過(guò)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(jīng)濟(jì)效益。表面技術(shù)特別是離子注入技術(shù)、激光化學(xué)氣相沉積和陶瓷涂層噴涂技術(shù)等的飛速發(fā)展，也值得我們關(guān)注和應(yīng)用。