浅谈热作模具的失效形式及耐磨层的修复工艺

摘 要 5CrNiMo钢由于高温耐磨性好被用作热作摸具铁，本文是针对表面堆焊层修复有缺陷的大型热作模具这种工艺进行研究的。通过对热作模具的失效形式分析及修复工艺如焊前加工，焊前预热和保温，模具热保护及焊补工艺，焊接修复工艺规范，焊后热处理的试验分析，得出最有效的堆焊工艺参数，并在实际生产中应用。

关键词 热作模具 堆焊 工艺 热处理

中图分类号：TG142.45 文献标识码：A

利用堆焊技术，对大型铸锻模耐磨层的堆焊工艺进行研究，修复报废旧热锻模或加工超差的热锻模，制造新热锻模，代替传统的热锻模制造技术，是国内外热锻模技术发展的趋势。

目前，国内多用5CrNiMo、5CrMnMo、B3（3Cr2WNiMoV）钢制造热锻模和切边模。B3钢较前两种模具钢性能优良，但是，其模胚的锻造工艺性能差，成品率低，成本明显提高；5CrNiMo钢经淬火并500～600高温回火后，具有较高的硬度（HRC40～48）和高的强度及冲击韧性（lb=1200～1400MPa，Zk=40～70J/cm2 ），适合制造形状复杂，冲击负荷重，要求高强度和高的韧度的大型锻模。此次分析的是一拖锻造厂使用的5CrNiMo钢的大型模具的修复工艺（焊条主要化学成分：C 0.48、Cr 1.30、Mn 1.74、Mo 0.51）。

1 热作模具常用材料及性能

本课题所研究的模具的基体材料为热作模具钢5CrNiMo，其化学成分见表1：

这种材料在高温下具有较高的硬度、强度和耐磨性，是制造模具的理想材料，它具有好的淬透性，优良的耐磨性、导热性和抗氧化性，是制造热锻模具的首选之材。但是，该材料含碳量大于0.4%，其它合金元素的含量也比较高，所以可焊性就比较差。对这种材料进行焊补时，必须严格按规程操作。其常规热处理工艺曲线见图1。

2 热作模具主要失效形式分析

热作模具的失效形式一般有热磨损，堆塌，热疲劳龟裂，裂纹和断裂等几种形式。

热磨损主要是由于材料的热强性不够而造成的一种失效形式。在全国的“热锻模块系列化调研总结”中提到：热磨损是目前国产模具的主要失效形式，其中尤以各类抗压力模具和小型锤锻模具更为突出。

塌陷（塌陷）主要是模具材料红硬性不足，工作温度下的屈服强度低，每次锤过后产生微量塑性变形积累造成的模具失效形式。 根据“热锻模块系列化调研总结”总结，堆塌是热锻模仅次于热磨损失效的另一种失效形式，一拖锻造厂的十吨锤锻模的大齿轮锻模和曲轴锻模，失效形式都是以堆塌为主的。

热疲劳龟裂指在热锻模行腔上，产生的表面网状裂纹。它是由于模具的热疲劳性不足引起的一种失效形式。据研究热疲劳裂纹性能的结果可知：模具材料的导热性降低，热裂敏感性增大。一般导热性随含碳量和合金元素含量的增加而降低（但钴除外）。同一材料硬度高比硬度低更易形成热疲劳裂纹。硬度低的组织除了和热传导较好有关外，还和韧性好坏有关，韧性好裂纹发展速率低，抗热疲劳性能好。因此，锻造不充分、未焊合、铸锭内未焊合的气泡、疏松和树枝状结晶以及非金属夹杂物等都是易引起热疲劳发生发展的内部原因。

裂纹和断裂多在型腔和锤锻模燕尾的应力集中的圆角处发生发展。型腔裂纹发展较深，降低总寿命，严重时引起锻模开裂甚至失效，最严重的断裂失效形式是在工作过程中突然开裂。

热作模具的失效形式是十分复杂的，一个模具的失效往往伴随着一种或多种失效形式。根据热作模具实际使用的具体情况来分析和确定它的失效形式，采取有效的修复措施，提高模具的使用寿命。

3 修复工艺及热处理

大部分热作模具失效后，经修复仍可继续使用。目前热作模具的修复方法很多，如热喷涂、电镀、堆焊等，其中用堆焊方法修复和制造热作模具，在近十几年得到广泛的应用和研究。

堆焊是机械制造行业中的一个重要制造手段和维修手段，是用焊接的方法把填充金属熔敷在金属表面以得到所要求的性能和尺寸。常见的堆焊方法有氧乙炔火焰堆焊、手工电弧堆焊、埋弧堆焊、熔化极气体保护电弧堆焊、钨极氩弧堆焊等，手工电弧堆焊是发展最早、最简单、应用最普遍的堆焊方法。埋弧自动堆焊具有生产率高，堆焊过程机械化、自动化水平高，堆焊质量好等优点，但是在热作模具修复中，由于热作模具型槽十分复杂，不宜采用埋弧自动堆焊及电渣堆焊，故目前手工电弧堆焊在热作模具修复和制造中应用较为广泛。

3.1 模具的焊前加工

在实际生产过程中，由开裂或者脱落导致失效的模具，一般情况下不会是大面积的损坏。采用堆焊工艺修复时，可使用锉刀锉去废旧部分，锉刀加工的深度根据模具的大小和损坏的程度而定，但加工时一定要将全部裂纹清除。如果裂纹过浅，可适当加深。对小型模具，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 焊前预热和保温

模具材料是高合金钢，模具焊前预热和焊后保温是保证焊接质量的重要条件。升温速度和保温时间根据模具大小而定，预热工艺规范见图2：

3.5 焊后热处理

经过补焊的锻模，有一定的脆性和内应力。为减少模具变形和开裂现象，必须经过严格的回火处理。Capilla技术要求回火温度550℃，保温时间为8小时。这个温度和保温时间对母材硬度影响不大，对模具高于HRC45～50的部分硬度会有所降低。所以此试验要求回火温度550℃，保温时间为8小时的条件下进行。焊后热处理工艺曲线见图4：

通过本次试验数据和结果分析可知，在模具修复过程中，堆焊层工艺过程是保证修复质量的一个重要的环节。模具修复时应严格预热，低于300℃停止焊接，焊接过程中应保温，焊后及时进行回火处理。另外在热作模具修复方面，选择适当的焊条做过渡层和硬层也在修复过程中起着非常重要的作用，如用美国WELEL535E焊条做过渡层，用哈尔滨2#做硬层修复的模具在各方面都能够达到热作模具的使用要求。