CN103707022A - 一种用于锻模再制造的复合强化方法及其锻模和使用方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于锻模再制造的复合强化方法及其锻模和使用方法，所述复合强化方法中采用先堆焊，再机加工，最后喷丸的方式，确保锻锻模有良好的内部韧性和较高的表面性能。所述锻模采用所述复合强化方法得到，所述锻模使用时，锻模型腔加入石墨乳润滑，防止凸峰部位材料的过度磨损和脱落。本发明在能够保证锻模仍然具备较好的内部韧性和表面强度性能，具有较好的耐磨耐疲劳性能的基础上，还能够降低机加工难度，并能够进一步延长锻模使用寿命。

Description

一种用于锻模再制造的复合强化方法及其锻模和使用方法

技术领域

本发明涉及一种锻模表面强化处理方法，具体涉及一种用于锻模再制造的复合强化方法及其锻模和使用方法。

 

背景技术

在锻造过程中，锻模通常在高温、高压、高负荷的恶劣条件下工作，因而锻模型腔容易因塑性变形、过度磨损、疲劳裂纹而失效，导致锻模使用寿命大大降低。失效锻模一般可通过再制造达到循环使用的目的。

目前，锻模再制造的主流工艺是整体堆焊。其工艺过程一般为：对锻造锻模失效型腔的疲劳层及裂纹进行碳弧气刨清理，将锻模预热，采用焊条或焊丝对型腔进行堆焊再制造，之后进行热处理，再加工出锻模型腔。

为进一步提高锻模性能，发明人曾提出一种锻模堆喷复合焊制备方法并申请了申请号为201010102393.9的发明专利。该技术中，采用在锻模基体上先堆焊，再喷焊，最后机加工的方式制得锻模。采用该方法制得或者再制造的锻模，能够使得锻模具有较好的内部韧性和表面强度性能，一定程度上提高锻模热硬性和耐疲劳性，使得锻模寿命得到一定程度延长，但仍然存在以下缺陷。

1、采用堆焊加喷焊的方式，虽然提高了硬度，但是由于喷焊层硬度较高，故喷焊后在机加工时会造成不便，加大了机加工难度，加剧了机加工刀具的磨损并导致降低了机加工的精度。同时也使得机加工后会在锻模内腔表面留下微裂纹和尖锐刀痕。这样微裂纹和尖锐刀痕成为锻模潜在的裂纹源，并且降低了表面粗糙度。这些因素对堆焊锻模的疲劳性能、耐磨损性能有较大的影响，最终影响了堆焊锻模的使用寿命的进一步延长。

2、锻模经堆焊及机加工后表层会形成有害的残余拉应力场，后续的钳工打磨无法将其清除，降低了锻模表层抗疲劳性能，同样会降低锻模使用寿命。

3、该方法制得的锻模润滑效果较差，锻造过程中锻模和坯料摩擦较大，导致锻模磨损严重，降低了锻模使用寿命。

故在保证锻模仍然具备较好的内部韧性和表面性能的基础上，怎样克服上述缺陷，进一步延长锻模寿命，成为本领域技术人员需要考虑解决的问题。

 

发明内容

针对上述现有技术的不足，本发明要解决的技术问题是：怎样提供一种在能够保证锻模仍然具备较好的内部韧性和表面强度性能，具有较好的耐磨耐疲劳性能的基础上，还能够降低机加工难度，并能够进一步延长锻模使用寿命的用于锻模再制造的复合强化方法及其锻模和使用方法

为了解决上述技术问题，本发明中采用了如下的技术方案：

一种用于锻模再制造的复合强化方法，包括先对锻模表面待强化区进行堆焊的步骤，其特征在于，堆焊之后先对锻模进行机加工至所需尺寸，然后再对锻模表面待强化区进行喷丸处理。其中堆焊之前需要对待强化锻模表面清理消缺，堆焊时，预留机加余量。

这样，本发明中堆焊工艺后，取消了喷焊的工艺过程，直接机加工为所需型腔尺寸，再进行喷丸处理。这样，堆焊工艺确保了锻模具有较好的内部韧性，喷丸处理确保了具有良好的表面强度。同时堆焊后直接进行机加加工，降低机加工难度，提高了机加工精度，机加工后进行喷丸处理，不仅提高了锻模型腔表面性能，而且消除了机加工后在锻模内腔表面留下微裂纹和尖锐刀痕，消除了潜在的裂纹源，获得圆滑的亚光表面，提高锻模表面的耐磨及耐疲劳性能，并省去传统工艺的钳工打磨工序，降低劳动负荷，提高了表面性能。同时喷丸的方式，能够改变堆焊及机加工后锻模表层形成的应力场分布，并在表层形成有益的残余压应力，提高锻模表面耐疲劳性能，进一步延长锻模使用寿命。

上述方法，具体包括依次执行的以下步骤：

A 对于待强化锻模表面进行清理，去除氧化皮及油污等，对于有疲劳层、裂纹、磨损、变形的部位用碳弧气刨刨掉；

B对锻模进行整体预热，装炉温度≤450℃，保温温度450℃±20℃；

C采用保温材料包裹进行堆焊，控制焊接过程中锻模温度≥300℃；

D 堆焊完毕立刻进行去应力回火，装炉温度≤450℃，保温温度550℃±20℃，去应力回火后，将锻模沙冷至室温；

E 对堆焊后的锻模进行机械加工，使锻模各部位尺寸到位；

F 将上述锻模放在喷丸设备的载物台上进行喷丸处理。

上述具体工艺方法步骤，能够确保锻模的内部性能和表面性能均能够更好地满足锻模使用要求，最大程度延长了锻模使用寿命。

作为优化，所述E步骤中机加预留0.01-0.05mm的喷丸压实量。更加确保喷丸后型腔尺寸能够精确满足要求。

作为优化所述F步骤中弹丸选用不锈钢弹丸，硬度控制在45~60HRC左右, 喷射弹丸的覆盖范围为锻模型腔及飞边槽桥部，喷丸覆盖率在100%以上； 以便获得圆滑亚光表面，及均匀的表面压应力场。

作为优化，所述C步骤中焊条堆焊之前在200-250℃下烘干1h。这样，可以更加有效防止气孔、裂纹等焊接缺陷的产生。

作为优化，所述C步骤中堆焊方式为气体保护焊保护气体为、CO₂和Ar的混合气体。既能降低氢脆、硫脆的倾向，提高焊缝力学性能，又能提高熔敷率，提高生产效率。

本发明方法采用上述工艺过程的机理和作用，再次详述如下：

热作锻模钢的堆焊处理，既是一种锻模失效后的再制造方式，也是一种锻模强化方式，该工艺能提高锻模型腔热强度、热硬性和耐磨性。但与此同时，在堆焊的后会形成残余应力场，经及加工后在锻模表面留下残余拉应力场，降低了模具表面的耐疲劳性能。同时，机加工后留下微裂纹和尖锐刀痕成为潜在的裂纹源，并且降低表面粗糙度。这些因素对堆焊锻模的抗疲劳性能、耐磨损性能有较大的影响，最终影响了堆焊锻模的使用寿命。

而喷丸能在锻模堆焊层表面引入残余压应力，抑制裂纹的萌生和扩展，其过程同时产生大量位错组织，使堆焊层内枝晶组织得以改善，而且喷丸能有效去除机加刀痕带来的潜在裂纹源，抑制裂纹的萌生和扩展，经过喷丸后的堆焊锻模其疲劳性能大大增加。喷丸后在锻模表面形成的细小微坑具有良好的储存润滑油的作用，改善了润滑条件，降低锻模磨损，延长锻模使用寿命。而且喷丸的方法简单易行，省去传统工艺的钳工打磨工序，降低劳动负荷，提高生产效率。

本发明还公开了一种再制造锻模，其特点在于采用上述复合强化方法得到。具有性能优良，使用寿命长的优点。

本发明还公开了一种上述再制造锻模的使用方法，其特点在于，使用时在锻模型腔加入石墨乳润滑，使得石墨乳填充储存于喷丸产生的微坑内，使坯料与锻模表面凸峰部位的相互阻碍作用减弱，承载点应力下降，防止凸峰部位材料的过度磨损和脱落，降低锻模磨损，延长锻模使用寿命，同时由于改善了润滑条件，摩擦力降低，锻件表面质量得到提高。

本发明的特点及优点详述如下：

A 锻模的堆焊处理可以改善锻模表层的力学性能，其硬度有一定提升，而后续的喷丸处理由于晶粒细化和加工硬化等作用可以进一步提高锻模表面的硬度，从而改善堆焊层的耐磨性能。

B采用喷丸的方式，能够改变堆焊及机加工后锻模表层形成的应力场分布，并在表层形成有益的残余压应力，提高锻模表面耐疲劳性能，进一步延长锻模使用寿命。

C 喷丸能消除机加工后在锻模内腔表面留下微裂纹和尖锐刀痕，消除了潜在的裂纹源，获得圆滑的亚光表面，提高锻模表面的耐磨及耐疲劳性能，进一步延长锻模使用寿命。

D 经喷丸处理后的锻模表面会产生大量细小的微坑，在锻模使用过程中这些微坑将起到储存润滑剂的效果，锻模在石墨乳润滑状态下，坯料与锻模表面凸峰部位的相互阻碍作用减弱，承载点应力下降，防止凸峰部位材料的过度磨损和脱落，降低锻模磨损，延长锻模使用寿命，同时由于改善了润滑条件，摩擦力降低，锻件表面质量得到提高。

F 经过堆焊+喷丸复合强化处理的锻模，磨损比较缓慢，锻模局部无严重的塑性变形和打塌现象，所生产的锻件尺寸更稳定，产品一致性更好。

G 本发明所涉及的对锻模堆焊后喷丸的方法简单易行，省去传统工艺的钳工打磨工序，降低劳动负荷，提高生产效率，实施方便，适用面广，强化效果显著，值得大力推广。

综上所述，本发明在能够保证锻模仍然具备较好的内部韧性和表面强度性能，具有较好的耐磨耐疲劳性能的基础上，还能够降低对机加工的要求，并能够进一步延长锻模使用寿命。

 

附图说明

图1为实例验证过程中，喷丸加工时的示意图。

图2为实例验证过程中，5CrNiMo钢试样经过不同强化处理后的摩擦磨损性能对比图。

具体实施方式

下面结合附图和具体试验验证过程对本发明作进一步的详细说明。

一种用于锻模再制造的复合强化方法，包括先对锻模表面待强化区进行堆焊的步骤，其特点在于，堆焊之后先对锻模进行机加工至所需尺寸，然后再对锻模表面待强化区进行喷丸处理。其中堆焊之前需要清理待强化锻模表面，确保堆焊层厚度能够达到10mm以上要求，以能够确保锻模内部性能可以达到要求以及满足后续处理需要；堆焊时，预留机加余量。

上述方法，具体包括依次执行的以下步骤：

A 对于待强化锻模表面进行清理，去除氧化皮及油污等，对于有疲劳层、裂纹、磨损、变形的部位用碳弧气刨刨掉；去除裂纹及已恶化的锻模表层组织，这样，可以确保堆焊基体和堆焊层连接强度，消除失效表层对再制造锻模的影响。

B对锻模进行整体预热，装炉温度≤450℃，保温温度450℃±20℃；具体实施时，可采用井式电阻炉对锻模进行整体预热，确保装炉温度≤450℃，升温时间0.2-0.5h，保温温度450℃±20℃。采用上述工艺预热锻模，可有效控制锻模心部及表层温差，降低热应力。保温温度450℃±20℃可降低堆焊时基体与焊缝的温差，减小热应力。保温应确保锻模整体均匀热透。

C 采用保温材料包裹进行堆焊，控制焊接过程中锻模温度≥300℃；具体实施时，将锻模放置在铺设有复合硅酸盐绝热毡的底座上，同时用复合硅酸盐绝热毡包覆锻模的外轮廓，将待堆焊的锻模型腔暴露出来。控制焊接过程中温降后的锻模温度≥300℃；焊条堆焊之前在200-250℃下烘干1h；堆焊方式为气体保护焊，保护气体为CO₂和Ar的混合气体。采用保温措施控制堆焊过程的基体温降后的锻模温度≥300℃，缩小焊缝与基体的温差，减小热应力，降低焊接裂纹倾向。焊条堆焊之前在200-250℃下烘干1h，可以有效防止气孔、裂纹等焊接缺陷的产生。堆焊采用CO₂和Ar的混合气体保护焊，既能降低氢脆、硫脆的倾向，提高焊缝力学性能，又能提高熔敷率，提高生产效率。

D 堆焊完毕立刻进行去应力回火，装炉温度≤450℃，保温温度550℃±20℃，去应力回火后，将锻模沙冷至室温。具体实施时，可采用井式电阻炉，装炉温度≤450℃，升温时间0.3-0.5h，保温温度550℃±20℃，去应力回火后，将锻模放置在沙坑中。用沙子将锻模埋没完全，沙冷至室温。沙坑由颗粒平均直径1mm的普通河沙组成。堆焊完毕立刻进行去应力回火，可以充分利用堆焊后锻模预热，节约能源消耗。采用上述工艺回火，充分去除焊接残余应力，提高锻模使用过程中的稳定性。采用电阻炉和沙坑在满足工艺要求的前提下可以节省成本。

E 对堆焊后的锻模进行机械加工，预留0.01-0.05mm的喷丸压实量。更加确保喷丸后型腔尺寸能够精确满足要求；

F 将上述清理干净的锻模放在喷丸设备的载物台上进行喷丸处理，保证锻模表面待强化区的喷丸覆盖率在100%以上。喷丸处理时，可以将上述锻模放在喷丸设备的载物台上进行喷丸处理，载物台固定不动，喷枪采用可移动式，其喷射弹丸的覆盖范围为锻模型腔及飞边槽桥部，弹丸选用不锈钢弹丸，硬度控制在45~60HRC左右；喷丸喷嘴距锻模表面距离为30～50mm，喷丸的喷射角在30⁰ -90⁰之间变化，喷射压力为0.3-0.5Mpa，不锈钢弹丸的直径为0.3～0.6mm，弹丸速度30～60m/s；喷丸过程中，应针对锻模型腔的结构特点和复杂程度，通过喷丸时间、喷丸距离和角度的合理控制，喷射弹丸的覆盖范围为锻模型腔及飞边槽桥部。采用上述喷丸工艺，确保喷丸对尺寸的影响只在0.05mm以内，可将机加预留的压实量压实，同时，确保了喷丸过后，得到的锻模型腔表面层具有良好的表面强度性能，具备较好的耐磨耐疲劳性能，能够很好地满足锻模使用要求，延长锻模使用寿命。

故上述具体工艺方法步骤，能够确保锻模的内部性能和表面性能均能够更好地满足锻模使用要求，最大程度延长了锻模使用寿命。

本发明还公开了一种再制造锻模，采用上述复合强化方法得到。具有性能优良，使用寿命长的优点。

本发明还公开了一种上述再制造锻模的使用方法，使用时在锻模型腔加入石墨乳润滑，使得石墨乳填充储存于喷丸产生的微坑内，使坯料与锻模表面凸峰部位的相互阻碍作用减弱，承载点应力下降，防止凸峰部位材料的过度磨损和脱落，降低锻模磨损，延长锻模使用寿命，同时由于改善了润滑条件，摩擦力降低，锻件表面质量得到提高。

为了验证本发明的强化效果，申请人进行了实例验证。

申请人按照上述具体实施方式的技术方案对一套5CrNiMo热作锻模钢曲轴锻模进行堆焊+喷丸复合强化处理。图1为喷丸加工时的示意图。图中，标号1表示锻模，标号2表示堆焊层，标号3表示弹丸，标号4表示喷枪。

对经过堆焊+喷丸复合强化处理的曲轴锻模作观察和检测如下：

A 、曲轴堆焊锻模在喷丸处理前后，宏观比较，锻模型腔表面更加光洁和一致，表面机加工刀痕消失。

B、 对喷丸后的堆焊锻模进行了残余应力检测实验：采用盲孔法测得堆焊后该锻模表面残余拉应力值约为245MPa，喷丸后该锻模表面残余压应力值约为356 MPa；

C 、5CrNiMo钢试样经过不同强化处理（堆焊处理、堆焊+喷丸处理）后的摩擦磨损性能对比如图2所示。可以看出，试样经过堆焊+喷丸复合强化处理后失重量明显减小，表面其耐磨性能有显著提高。

D、实际生产的跟踪统计表明，新制5CrNiMo钢热锻曲轴锻模的平均寿命约为6700件/套，而经过堆焊+喷丸复合强化处理的曲轴锻模，其寿命达到9800件/套，锻模寿命提高了46.3%。可以看出，该复合强化处理方法可以显著地提高锻模的使用寿命。

Claims (6)

1.一种用于锻模再制造的复合强化方法，包括先对锻模表面待强化区进行堆焊的步骤，其特征在于，堆焊之后先对锻模进行机加工至所需尺寸，然后再对锻模表面待强化区进行喷丸处理。

2.如权利要求1所述的用于锻模再制造的复合强化方法，其特征在于，具体包括依次执行的以下步骤：

A 对于待强化锻模表面进行清理，去除氧化皮及油污等，对于有疲劳层、裂纹、磨损、变形的部位用碳弧气刨刨掉；

B对锻模进行整体预热，装炉温度≤450℃，保温温度450℃±20℃；

C采用保温材料包裹进行堆焊，控制焊接过程中锻模温度≥300℃；

D 堆焊完毕立刻进行去应力回火，装炉温度≤450℃，保温温度550℃±20℃，去应力回火后，将锻模沙冷至室温；

E 对堆焊后的锻模进行机械加工，使锻模各部位尺寸到位；

F 将锻模放在喷丸设备的载物台上进行喷丸处理。

3.如权利要求2所述的用于锻模再制造的复合强化方法，其特征在于，所述E步骤中机加预留0.01-0.05mm的喷丸压实量。

4.如权利要求2所述的用于锻模再制造的复合强化方法，其特征在于，所述F步骤中弹丸选用不锈钢弹丸，硬度控制在45~60HRC左右, 喷射弹丸的覆盖范围为锻模型腔及飞边槽桥部。

5.一种再制造锻模，其特征在于采用上述任一权利要求所述的复合强化方法得到。

6.如权利要求5所述再制造锻模的使用方法，其特征在于，使用时在锻模型腔加入石墨乳润滑，使得石墨乳填充储存于喷丸产生的微坑内，形成良好润滑，从而降低锻模磨损，进一步延长锻模寿命，并提高锻件表面质量。

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