CN101628374B - 一种基于铸钢基体的双层金属堆焊制备锻模的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于铸钢基体的双层金属堆焊制备锻模的方法，利用铸钢作为锻模基体，形成波浪形基体表面，并通过在基体层上进行双层金属堆焊，再回火去应力，模具最后机加工成型。本发明提供了一种能同时较好地满足锻模模具在硬度、强度和韧性等方面的性能要求，同时又可减小生产成本的锻模制备方法；实现了低成本、低能耗、短时间、高利用率、高效率、高性能和高效益的制造和使用模具，对模具行业具有无法估量的意义。

Description

一种基于铸钢基体的双层金属堆焊制备锻模的方法

技术领域

本发明涉及一种锻模模具的制备方法。

背景技术

随着我国经济水平的飞速发展和工业化程度的极大提高，各种锻模模具的应用也越来越普遍和重要，如何能利用更少的资源，生产出更多质量更好的产品，将是工业发展的一个方向，所以在锻模模具设计时，必须要综合考虑其性能和成本两方面。在现有技术中，常常采用各种模具钢来制造锻模模具。有些模具钢拥有良好的强硬度和韧性等综合性能，能够满足锻模工况需求，但普遍价格较高，制备工艺流程较多，周期较长。而其他的模具钢不是硬度和强度太高，韧塑性较差，加工时刃角部位易崩裂和剥落，使锐角变钝或缺损；就是硬度和强度较低，为保持足够的韧塑性，则模具接触面因较软而磨损较快。以上两种情况都将改变模具的尺寸和形状，从而严重影响加工后的尺寸精度和表面粗糙度。即使模具进行重新修模和更换，也要延长时间周期，增加生产成本，而且模具的重新装卡和定位也必将影响产品的加工质量。

综上所述，现有的锻模模具中，模具的性能和成本往往不能同时得到较好的满足。有较好硬度、强度和韧塑性性能的模具钢价格通常又很贵，模具制造工艺过程多。因此，寻找一种能同时较好地满足锻模模具在硬度、强度和韧塑性两方面的性能要求，同时又可减小生产成本和工序的锻模制备方法，就成为本技术领域亟待解决的问题。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，为了克服上述现有技术的不足而提供一种能同时较好地满足锻模模具在硬度、强度和韧塑性两方面的性能要求，同时又可降低生产成本、节省锻造工序、缩短锻模制造周期的锻模制备方法。

为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：

一种基于铸钢基体的双层金属堆焊制备锻模的方法，包括以下步骤：

a、采用铸钢作为模具基体材料浇注出待焊模具基体，其中型腔部位，预留堆焊余量厚度。所预留堆焊余量厚度视具体的模具种类和型号而定，一般可预留30～40mm。

b、在待焊模具基体上沿预留堆焊余量处形状先一次堆焊强度和韧性稍好的过渡层，焊至模具型腔轮廓线下9～10mm；其中所述强度和韧性稍好是指其力学性能指标能达到以下标准：σ_s(屈服强度)≥707MPa，σ_b(抗拉强度)≥980MPa，δ(延伸率)≥11.7％，ψ(收缩率)≥28.9％，硬度35～36HRC。这样，过渡层能与基体结合良好，提高了铸钢基体的可焊接特性和强度，有效连接基体层与抗热疲劳性能层，降低焊材成本。

c、在过渡层上二次堆焊强化层，焊至型腔轮廓线上4～5mm；通常，所述二次堆焊强化层的厚度为15mm左右，覆盖模具工作部位，型腔轮廓线上4～5mm为预留机械加工余量。其力学性能指标为：σ_s(屈服强度)≥893MPa，σ_b(抗拉强度)≥1148MPa，δ(延伸率)≥9.6％，ψ(收缩率)≥30.5％，硬度44～46HRC。该层强硬度和韧性均比过渡层高，延伸率、收缩率、冲击韧性和高温性能良好，为耐磨与抗热疲劳性能层，在锻模模具工作中起主要作用。强化层在室温和500～600℃时的力学性能几乎相同，加热到500℃时，仍能保持住40HRC左右硬度。各梯度层结合强度高，强化工作部位对回火脆性并不敏感，从600℃缓慢冷却下来以后，冲击韧性仅稍有降低。堆焊强化部位淬透性好，每个梯度层的断面各部位硬度几乎一致。

d、将二次堆焊完毕后的模具重复进行两次回火后缓冷工艺，其中回火温度为530℃～570℃，缓冷温度至180℃。这是因为模具在焊接热影响区会产生马氏体、奥氏体等不稳定组织，同时存在较大内应力。并且如果模具冷却速度过快，很容易产生淬硬组织，从而出现裂纹等缺陷。所以堆焊后模具要回火缓冷处理，得到稳定的回火马氏体，提高组织稳定性，使模具在使用过程中不再发生组织转变，从而使其几何尺寸和性能保持稳定。同时消除内应力，以便改善模具的使用性能并稳定其几何尺寸。也提高其延性或韧性，调整模具的力学性能以满足使用要求。为了防止第一类回火脆性的产生，采用了高温回火，即回火温度控制在530℃～570℃；为了防止第二类回火脆性的产生，采用了二次回火缓冷工艺。

e、将第二次缓冷后的模具放置空气中进行空冷至室温。这是因为缓冷至180℃以下后，组织及性能基本稳定，可在空气中冷却至室温。

f、对空冷后的模具进行机械加工，使模具各部分尺寸到位。锻模堆焊后的部位，具有较高的硬度，一般的机械加工力一法无法保证尺寸。堆焊后的型腔表面很不平整，可先用平面磨床或数控加工的盘刀加工出平面，钳工按图纸要求划线，先用电脉冲机床加工成形，再用数控铣削进行小余量的切削，或直接用砂轮打磨，使模具的各部分尺寸到位。

作为优化，所述a步骤中，浇注出的待焊模具底部浇注为波浪形状。可增加焊接时焊材与基体材料的结合强度，能大大提高最终得到的锻模模具的整体性能要求。

作为进一步优化，所述a步骤中，需对浇注出的待焊模具进行在920℃淬火并在650℃回火的处理，并油冷至室温。这样，可消除残余铸态组织，又可使组织不致过热，避免得到退火组织，使其综合机械性能满足产品要求。

在上述技术的所述步骤b和步骤c中，作为优化，在堆焊之前，需对待焊模具进行表面清洁处理，二次堆焊完成后去除堆焊层表面的氧化皮及焊渣。其中所述表面清洁处理指清除沙、氧化皮、油污、铁锈、毛刺以及铸造缺陷。具体地说可用碳弧气刨去除缩孔，龟裂等铸造缺陷，再用风砂轮枪清除沙、氧化皮、油污、铁锈、毛刺等，清洁模具表面。

作为再一步优化，在所述步骤b和步骤c中，在堆焊过程中间断性地敲击模具令其振动，振动频率为20～40次/分钟。这样可达到使熔敷金属延伸，防止氢脆，细化强化部位晶粒，圆滑棱角，减少应力集中，提高尺寸精度稳定性，消除堆焊表层的微小裂纹和熔渣缺陷，抑制裂纹出现的目的，使堆焊金属疲劳寿命提高。其中细化晶粒不仅可以提高材料的强度，还可以改善其塑性和韧性。使得双层金属堆焊强化过程产生的应力得到较好的释放，令各堆焊层强硬性、韧性结合的更好。

在上述技术的所述步骤b和步骤c中，作为进一步优化，堆焊时需通CO₂、Ar混合气体进行保护，所述气体比例为：Ar80％～90％，CO₂10％～20％。采取通入CO₂、Ar混合气体，可保护熔池和熔滴，将它们与空气隔绝，防止焊缝产生气孔等缺陷。电弧在保护气流的压缩下热量集中，焊接速度较快，熔池较小，热影响区窄，焊件焊后变形小。由于采用了富氩混和气方式，焊接过程中的飞溅也明显减少，提高焊接质量。

在所述步骤b和步骤c中，作为再一步优化，焊接时焊丝送丝速度为5～8M/min，焊接电流360～440A，焊接电压35～36V。上述参数范围的选取是因为，当焊接电压太低时，有粘连母材的倾向。电压太高，电弧现象明显增加，熔池不稳定，飞溅也增大；焊接电流增加，焊道的熔深、熔宽、堆高均随这增加，而稀释率略有下降，但电流过大，飞溅会增加；而随着焊接速度的增加，焊道的熔宽和堆高减小，熔深和稀释率增加，焊速过高，会使电弧发生率增加，为控制一定的稀释率，保证堆焊层性能，焊接速度一般控制在5～8M/min。合适的焊接参数，可稳定熔池，防止飞溅，控制稀释率等，提高得到的堆焊层性能。

在所述步骤b和步骤c中，作为再进一步的优化，堆焊前模具需预热至450～500℃，堆焊过程中模具温度需保持在300℃以上。这样，模具在堆焊时保持一定温度，使熔敷金属与母材之间降低温度差的影响，避免从热影响区带来种种缺陷。如果焊接处不进行预热，由于焊接热的激热剧冷，其结果会使高碳铸钢母材生成马氏体，焊接处淬硬，组织、机械性能变坏，甚至产生裂缝等致命的事故。

中国锻造行业目前主要以5CrNiMo、5CrMnMo、H13等作为模具钢，这些钢种具有一定的淬透性、高温强度和冲击韧性，但普遍价格较高。同时，模具损坏失效后，主要采用局部焊接或整体下落两种方式进行模具修复。局部焊接经济效益不高，整体下落则造成模具基材的浪费，并且由于锻模基材质量的减少使其机械性能加速降低，造成模具提前报废，同时支出极大的机加工费用及热处理费用。因此，申请人考虑到，如果能将较廉价的铸钢作为模具基体材料，将会在成本方面节约大量资金，同时因为是浇注模具，在时间上也会缩短。高碳铬锰钢由于能形成稳定的碳化物，同时硬度和耐磨性均较高，可考虑选用。

选用的普通铸钢经过淬火+回火处理后，显微组织为回火索氏体和少量贝氏体。常温下表面硬度20～30HRC左右，高温条件下硬度及冲击韧性下降严重，淬透性、高温强度、耐热疲劳性能差，不能直接用作模具钢使用。因此，采用双层金属堆焊技术，对其表面进行强韧化处理，使工作区域达到甚至超过普通模具钢5CrNiMo、5CrMnMo、H13的性能，实现降低成本、节能降耗、提高模具寿命的目的。

“双层金属堆焊技术”是选用有很高红硬性的堆焊金属，堆焊在模具易于疲劳的部位，使模具的型腔桥部刃口部位的强度、硬度、耐磨性和红硬性都大大提高实际形成了一种“双层金属强化模具”。该项技术使得模具使用单位新开模具数量大大减少，产品成本大幅度降低，节能降耗效果明显，为企业和国家带来显著的经济效益和社会效益，有利于资源的节约及模具材料的循环利用，对整个模具行业的结构调整具有带动性作用。

双层金属堆焊技术具有以下几个方面的优势：1、最大限度的利用模块材料。通过双层金属堆焊可以使模块高度保持不变，理论上可以无数次反复进行，实现模块的“零”报废，从而节约模具材料。2、可以修复因模块尺寸不够而已报废的模具，使其“起死回生”，符合国家提倡的“资源再生”的要求和政策导向。3、节约加工费用。双层金属堆焊一般是在模具的型腔部位进行，其它部位不需再加工，所以与整体下落翻新方法相比节省加工费用。4、提高模具的使用寿命。用双层金属堆焊的模具，还有一个其他方法无可比拟的优势，即可以在一套模具上，根据模具各部位的不同需求，分别选用不同的堆焊材料，使模具各部位的使用寿命相匹配，从而极大的提高整套模具的使用寿命。5、由于双层金属堆焊表面强化使模具的使用寿命提高，减少了换模次数，减少了停机时间，也减轻了工人的劳动强度，使设备利用率大大提高。

综上所述，相比于现有技术，本发明具有如下优点：

1.采用较廉价的铸钢作为模具基体材料，整个待强化模具直接浇注成待焊形状，与原来新制模具相比，节省锻造工序和机械加工时间，成本降低，基体材料利用率高，新制模具开发周期缩短。

2.新制铸钢模具双层金属堆焊表面强化后，与目前常用的5CrNiMo锻造模具相比，在型腔部位的综合机械性能都比较好，由于采用在模具型腔进行堆焊修复，模块高度无需下落，这样可保持模块的最大质量，大大降低了模块开裂的可能性，模块基材的寿命提高。同时通过双层金属堆焊各梯度功能层，每个梯度层起不同功效，综合改善铸钢模具，提高其工作区域强度、韧性等性能。

3.通过对模具型腔的整体焊接可以将一种锻件的模具改制为另一种锻件的模具，充分利用旧模块无需再开新模。

4.本发明必将在模具制造与再制造，关键部位修复，材料制备，资源循环利用，以及绿色循环制造等领域具有广阔的应用价值和发展前景。

总之，本发明提供了一种能同时较好地满足锻模模具在硬度、强度和韧塑性两方面的性能要求，同时又可减小生产成本的锻模制备方法；实现了低成本、低能耗、短时间、高利用率、高效率、高性能和高效益的制造和使用模具，对模具行业具有无法估量的意义。

附图说明

图1是用于在本发明具体实施方式中所例举的一种普通锻模的结构示意图。

图2是本发明具体实施方式中所述步骤a中浇注出的待焊模具截面结构示意图。

图3为本发明具体实施方式中用于说明各堆焊层情况的模具截面结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细说明。

下面采取具体如图1所示的锻模模具的制备过程，来对本发明做进一步详细说明，因本发明对现有技术作出创造性贡献的地方在于本发明方法的各步骤，而不是在于锻模形状和种类的选择，故本具体实施方式中只列举了一种具体结构的锻模对本方法进行详细说明，但是本发明方法中的各步骤对于不同形状和种类的锻模，均应视为是适合的。

本具体实施方式中需制备的锻模为普通锻模的下模，形状如图1所示，其制备方法包括以下步骤：

a、采用铸钢作为模具基体材料浇注出待焊模具基体D，其中型腔部位，预留堆焊余量厚度30mm。所采用的铸钢选用高碳铬锰钢ZG25MnCrNiMo进行浇注，采用普通浇注工艺，浇注出的待焊模具底部浇注为波浪形状，模具型腔部位呈半圆弧形状，留加工余量，如图2所示。浇注出的锻模模具在920℃淬火+650℃回火处理后，油冷至室温，以提高其力学性能。

b、在待焊模具基体D上沿预留堆焊余量处形状先一次堆焊强度和韧性稍好的过渡层A，焊至模具型腔轮廓线下9mm；其中所述强度和韧性稍好是指其力学性能指标能达到以下标准：σ_s(屈服强度)≥707MPa，σ_b(抗拉强度)≥980MPa，δ(延伸率)≥11.7％，ψ(收缩率)≥28.9％，硬度35～36HRC。具体实施时，可选择与铸钢基体成分相近，或者经过相同热处理后在强硬度和韧性等方面性能相差不多的低氢型堆焊焊丝，这样，过渡层能与基体结合良好，提高了铸钢基体的可焊接特性和强度，有效连接基体层与抗热疲劳性能层，降低焊材成本。

c、在过渡层A上二次堆焊强化层B，焊至型腔轮廓线上4～5mm；通常，所述二次堆焊强化层B的厚度为15mm左右，覆盖模具工作部位，其中轮廓线上4～5mm为预留机械加工余量。其强化层B的力学性能指标为：σ_s(屈服强度)≥893MPa，σ_b(抗拉强度)≥1148MPa，δ(延伸率)≥9.6％，ψ(收缩率)≥30.5％，硬度44～46HRC。具体实施时，可选择强硬度高、韧性较好的低氢型堆焊焊丝。可使该层强硬度和韧性均比A高，延伸率、收缩率、冲击韧性和高温性能良好，为耐磨与抗热疲劳性能层，在锻模模具工作中起主要作用。强化层B在室温和500～600℃时的力学性能几乎相同，加热到500℃时，仍能保持住40HRC左右硬度。各梯度层结合强度高，强化工作部位对回火脆性并不敏感，从600℃缓慢冷却下来以后，冲击韧性仅稍有降低。堆焊强化部位淬透性好，每个梯度层的断面各部位硬度几乎一致。

d、将二次堆焊完毕后的模具重复进行两次回火后缓冷工艺，其中回火温度为550℃，缓冷温度至180℃。

e、将第二次缓冷后的模具放置空气中进行空冷至室温。

f、对空冷后的模具进行机械加工，使模具各部分尺寸到位。锻模堆焊后的部位，具有较高的硬度，一般的机械加工力一法无法保证尺寸。堆焊后的型腔表面很不平整，可先用平面磨床或数控加工的盘刀加工出平面，钳工按图纸要求划线，先用电脉冲机床加工成形，再用数控铣削进行小余量的切削，或直接用砂轮打磨，使模具的各部分尺寸到位。

在具体实施时，在上述步骤b的堆焊之前，需对待焊模具进行堆焊强化前处理，包括：

1)模具表面清洁处理，清除沙、氧化皮、油污、铁锈、毛刺以及铸造缺陷；

2)整体预热模具至450℃。

3)保温材料包覆模具，将待堆焊的模具型腔暴露出来。过程温度≥300℃。

在步骤b和步骤c的堆焊过程中，需：

1)采用自动CO₂、Ar混合气体(保护气体比例：Ar80％，CO₂20％)保护双层金属堆焊工艺，使用米勒焊丝机在模具待强化面上沿型腔进行过渡层A一次堆焊，焊接送丝速度为7M/min，焊接电流400A，焊接电压36V。该层焊至型腔轮廓线下9mm。

2)强化过程分多层进行。堆焊上一层合金材料后，去除堆焊层表面的氧化皮及焊渣。

3)二次堆焊：在表面清理后的一次焊接层上接着堆焊特殊合金材料B。焊接送丝速度为7M/min，焊接电流400A，焊接电压36V。该层厚度15mm。

4)最后去除堆焊层表面的氧化皮及焊渣。

整个焊接过程中，模具温度低于300℃，必须重新装炉预热。边焊边用榔头用力敲击。其中，各堆焊层结构如图3所示，图中，A为堆焊过渡层，B为堆焊强化层，C为模具实际型腔轮廓线，D为铸钢模具基体。

上述步骤d和步骤e是用于完成焊后热处理，具体实施时包括：

1)第一次去应力回火：堆焊完毕立刻进行回炉升温，采用设备130KW井式电阻炉，装炉温度≤450℃，升温时间0.4h，加热温度550℃±20℃，保温时间按照模块的最大几何尺寸每50毫米保温1小时计算，保温时间应确保模具预热热透。

2)第一次缓冷：第一次去应力回火后，将模体放置在保温沙坑中。保温沙坑由颗粒平均直径1mm的普通河沙组成，保温沙坑温度维持在180℃。用沙子将模体埋没完全，保温时间≥12h，之后将模具取出沙坑。过程中的温度监测由红外线测温仪完成。

3)第二次去应力回火：将模体从保温沙坑中取出进入第二次去应力回火，工艺规范如第一次去应力回火。

4)第二次缓冷：模具完成第二次去应力回火后，将模体放置在保温沙坑中开始第二次缓冷，工艺规范如第一次缓冷。

5)空冷：模具完成第二次缓冷后温度180℃，从保温沙坑中取出后放置在空气中进行空冷至室温。此时模体内大部分残余奥氏体转变为马氏体，并使马氏体消除了内应力，此时，堆焊部位硬度要高于模体硬度。

经上述步骤d和e后得到的模具最终再经步骤f进行机械加工，最终制得如图1所述形状的完整锻模成品。其成品模具型腔表面硬度平均为45HRC，无裂纹、夹杂等缺陷。过渡层A与基体材料结合良好，力学性能指标与铸钢基体调质处理后相比稍好一些，起到过渡连接作用，同时强化基体模具。强化层B强硬度比过渡层A提高很多，延伸率、收缩率、冲击韧性和高温性能良好，起到改善模具型腔强硬性、韧性的目的。通过各梯度功能层，综合改善ZG25MnCrNiMo模具，提高其工作区域强度、韧性等性能，可以代替经整体锻造生产的锻模模具。

在本锻模实际实验中，模具寿命可提高50％以上，减少了换模次数，减少了停机时间，也减轻了工人的劳动强度，使设备利用率大大提高，不仅节约基体材料，降低模具成本，还提高了使用寿命。

因为本发明对于现有技术作出创造性贡献的地方最主要的是在于方法步骤的本身，故在具体实施方式中，很多数据或数值是公布的优化值，并没有就每一个具体的数值范围均举出不同的数值进行说明。应该视作只要这些数值属于本发明说明书中所述数值范围，就能够实施本发明并实现发明目的，仅仅只是实施效果可能相对较差些。

Claims (7)

1.一种基于铸钢基体的双层金属堆焊制备锻模的方法，其特征在于包括以下步骤：

a、采用铸钢作为模具基体材料浇注出待焊模具基体，其中型腔部位，预留堆焊余量；

b、在待焊模具基体上沿预留堆焊余量处形状先一次堆焊强度和韧性稍好的过渡层，焊至模具型腔轮廓线下9～10mm；其中所述强度和韧性稍好是指其力学性能指标能达到以下标准：σ_s(屈服强度)≥707MPa，σ_b(抗拉强度)≥980MPa，δ(延伸率)≥11.7％，ψ(收缩率)≥28.9％，硬度35～36HRC；

c、在过渡层上二次堆焊强化层，焊至型腔轮廓线上4～5mm；强化层的力学性能指标为：σ_s(屈服强度)≥893MPa，σ_b(抗拉强度)≥1148MPa，δ(延伸率)≥9.6％，ψ(收缩率)≥30.5％，硬度44～46HRC；

d、将二次堆焊完毕后的模具重复进行两次回火后缓冷工艺，其中回火温度为530℃～570℃，缓冷温度至180℃；

e、将第二次缓冷后的模具放置空气中进行空冷至室温；

f、对空冷后的模具进行机械加工，使模具各部分尺寸到位。

2.如权利要求1所述的基于铸钢基体的双层金属堆焊制备锻模的方法，其特征在于，所述a步骤中，浇注出的待焊模具基体的型腔部位预留堆焊余量处的底部为波浪形状。

3.如权利要求1所述的基于铸钢基体的双层金属堆焊制备锻模的方法，其特征在于，所述a步骤中，需对浇注出的待焊模具进行在920℃淬火并在650℃ 回火的处理，并油冷至室温。

4.如权利要求1所述的基于铸钢基体的双层金属堆焊制备锻模的方法，其特征在于，在所述步骤b和步骤c中，在堆焊过程中间断性地敲击模具令其振动，振动频率为20～40次/分钟。

5.如权利要求1所述的基于铸钢基体的双层金属堆焊制备锻模的方法，其特征在于，所述步骤b和步骤c中，在堆焊之前，需对待焊模具进行表面清洁处理，二次堆焊完成后去除堆焊层表面的氧化皮及焊渣。

6.如权利要求1所述的基于铸钢基体的双层金属堆焊制备锻模的方法，其特征在于，所述步骤b和步骤c中，堆焊时需通CO₂、Ar混合气体进行保护，所述气体比例为：Ar80％～ 90％，CO₂10％～20％。

7.如权利要求1所述的基于铸钢基体的双层金属堆焊制备锻模的方法，其特征在于，所述步骤b和步骤c中，焊接时焊丝送丝速度为5～8M/min，焊接电流360～440A，焊接电压35～36V。 

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