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摘 要：锤锻模工作环境恶劣，使用寿命短。模具失效后的进一步修复成为延长锤锻模使用寿命的重要措施。目前常用的局部焊修和整体下落的修复方法都存在着不同的缺陷，针对两种方法的不足，就45Cr2MoVNiSi锤锻模提出用整体堆焊修复工艺,可以大幅提高模具的综合机械性能,最终提高使用寿命。
关键词：45Cr2MoVNiSi钢；锤锻模；整体堆焊
0 引言
45CrMoVNiSi是近年来研制的新型热作模具用钢，相比5CrMnMo和5CrNiMo等常见钢种，其高温强度有所提高，且含碳量有略微下降，韧性有所提高，弥补了5CrMnMo和5CrNiMo在较大载面和较高温度时热稳定性、热疲劳性及洋透性不够的缺陷。45CrMoVNiSi常用于大吨位锤锻模和机锻模。
锤锻模是在高温、高压、高冲击负荷的条件下工作的，恶劣的工作条件导致模具产生磨损、裂纹、软化等失效，致使模具使用寿命大大缩短。目前模具失效后的修复主要有两种方法，一是局部焊修，二是整体下落。局部焊修适用于局部尺寸超差或局部损坏的模具，但无法修复设备下限的模具，对模具的一次使用寿命提高不明显，经济效益不高。整体下落一方面造成模具材料的浪费，，无形中缩短了模具的使用寿命——锤锻模一般下落3～5次即报废；另一方面模体高度减小，机械性能加速下降，易造成模具在使用性能上的提前报废。同时，整体下落的机械加工费和热处理费用也是非常可观的。
针对局部焊修和整体下落两种方法的不足，本文提出整体堆焊工艺对模具实行修复，模体高度无需整体下落，根据模具不同部位的性能要求采用不同的焊接材料，可以大幅提高模具的综合机械性能，最终提高模具的使用寿命。
1 45Cr2MoVNiSi锤锻模工作环境和失效分析
45Cr2MoVNiSi锤锻模在高温下通过冲击加压，强制金属成形。模具在工作过程中经受巨大的冲击负荷，同时经受压应力、拉应力和附加弯曲应力，被锻金属在模具型腔内流动又产生强烈的摩擦力，型腔表面经常与高温金属（钢铁坯料约为1100～1150℃）接触，模具本身温度高达300～400℃，局部达到500～600℃，高温使模腔表面的硬度和强度显著降低；锻件取出后，模具型腔要用水或压缩空气冷却，模具受到反复加热和冷却，在交变热应力的作用下，极易产生热疲劳损伤。基于上述工作环境，锤锻模失效主要表现为型腔尺寸磨损，产生纵向、横向裂纹，以及网状裂纹。
模具在锻击过程中，各个部位承受的压力是不均匀的。模膛中变形金属高速流动的部位（模口、过桥、凸缘等部位），会因剧烈的摩擦热效应而软化，因软化而使其在高温高压的作用下产生塑性变形（歪扭），这就要求模具具有很高的强度和硬度；模膛中变形金属缓慢流动的部位（模膛底部），承受较大的弯曲力矩，因应力集中而产生裂纹，这就要求模具具有很好的韧性。理想的模具应是在不同的部位具有不同的性能，这靠热处理是很难做到的。堆焊制造模具的优势就在于用不同性能的焊接材料堆焊模具的不同部位，满足各部位不同的性能要求。
2 整体堆焊修复工艺探讨
2.1 修复工艺流程
焊前准备——模具型腔的整体扩大——预热——堆焊——回火——粗、精加工——钳修——合格交付。
2.2 修复工艺难点分析
一是堆焊材料的选择。材料选择的困难是由于模具在不同的部位要求有不同的性能，需要选用不同的材料来堆焊。堆焊材料选择的基本原则是：选择韧性较好但又不降低强度的堆焊材料，堆焊模膛内受力相对不大和深型沟槽、模膛底部圆角等应力集中处；选择硬度较高、强度较好的强韧性堆焊材料堆焊模膛内的凸起部位和桥部等受力较大或磨损较严重处；选择韧性较好、硬度适中的堆焊材料堆焊模具燕尾、键槽、钳口、导轨以及压弯模膛高出分模面的部分。
二是型腔的加工。整体堆焊后，型腔硬度高，普通铣床难以加工，需用大型数控铣床来加工，设备成本较高。
三是焊前清理。堆焊前必须去掉型腔裂纹及表面碳化层，用电弧气刨清除很难检验裂纹是否去净，深、窄沟槽处碳化层难以清除干净，给堆焊成功带来很大困难。
四是过程保温。45Cr2MoVNiSi模具在堆焊前必须进行预热。预热一方面可以避免焊接时堆焊金属与母材之间形成脆性区和减少热收缩造成的内应力，另一方面合理的预热温度可以使堆焊金属硬度均匀。45Cr2MoVNiSi的焊前预热温度达到450～500℃，整个堆焊过程也在不低于230℃的温度范围内进行，这就要求操作者要随时用点温计测温，当温度低于450℃时就需返炉预热。
2.3 修复工艺控制..
2.3.1 焊前准备
将待用焊条烘干，烘干温度为350～400℃，时间为2小时。烘干后的焊条应在两天内用完，不能用完下次使用时应再烘干。焊条烘干的主要目的是为了消除焊条中的水分，以免堆焊过程中产生气孔。
对待焊处的缺陷、裂纹、油污、氧化皮和疲劳层进行清理。避免堆焊层中预埋缺陷或裂纹，防止油污和氧化皮进入堆焊层中影响堆焊金属的性能。
若模膛需整体堆焊时，应将型腔整体扩大5～2Omm。
23.2 预热
45Cr2MoVNiSi类模具预热参数为随炉升温至450～500℃，保温4～5小时。当预热温度和堆焊层间温度保证在Ms（230℃）点以上时，堆焊后不易发生马氏体转变，堆焊后获得的产物是下贝氏体组织，有较高的强度和硬度，塑性和韧性也较好。
2.3.3 堆焊材料选择
工艺试验选用的是南京江龙焊接技术有限公司的热模系列特种焊条。
堆焊模膛内沟槽和底部圆角等应力集中处，选用热模1号。HRC=42～46，该材料堆焊金属强度高，抗冲击性强，并有较好的抗冷热疲劳，抗金属间磨损，抗氧化和抗裂等性能。
堆焊模膛内的凸起部位和桥部等受力较大或磨损较严重处，选用热模2号。 HRC=46～51，该材料堆焊金属有极佳的综合力学性能，尤其是抗变形、抗塌陷、耐磨损、抗疲劳龟裂能力极强。
堆焊切边模刃口，选用热模3号。 HRC=53～57，该材料堆焊金属具有超强的耐磨性、红硬性和热强稳定性，也有较好的抗冲击性能。
堆焊模膛以外受力不大的部位，如燕尾、键槽、导轨等，选用比较经济的普通焊接材料，如普通碳素钢焊条E4303、E5015。
2.3.4 堆焊方法选择
尽量采用平焊法，从模膛深处开始逐层向上堆焊。堆焊过程中一是注意保证层间温度不低于工艺要求温度（230℃）；二是为避免产生收弧裂纹，收弧前原地停留时间应稍长些或后一道焊缝起弧时在前一道收弧处开始；三是为避免产生气孔，堆焊时应压低电弧，采用短弧焊，焊条稍作横向摆动，并要烘干焊条；四是为避免夹渣，每焊完一道将焊渣清除干净。
2.3.5 焊后回火处理
焊后回火的目的一是防止焊接裂纹的产生。堆焊后模具表面和内部温差大，表面金属收缩而产生内应力，当内应力较大时易产生裂纹。二是消除焊接残余应力。45Cr2MoVNiSi类模具堆焊后随炉升温到550℃，保温8小时，出炉缓慢空冷。值得注意的是，焊后应及时回火或在Ms点（230℃）以上保温等待回火。
3 结束语
整体堆焊修复不仅缩短了模具制造的工艺过程, 提高了生产效率, 而且节约了模具制造费用, 甚至可以实现废弃模具的再利用。
参考文献:
[1]张国栋.45Cr2NiMoVSi钢制锤锻模的热处理[J].热加工工艺，1997，（1）.
[2]张进.提高锤锻模使用寿命的措施[J].金属热处理，2001，（8）.
[3]程培源.模具寿命与材料[M].北京:机械工业出版社,1999.
关键词：45Cr2MoVNiSi钢；锤锻模；整体堆焊
0 引言
45CrMoVNiSi是近年来研制的新型热作模具用钢，相比5CrMnMo和5CrNiMo等常见钢种，其高温强度有所提高，且含碳量有略微下降，韧性有所提高，弥补了5CrMnMo和5CrNiMo在较大载面和较高温度时热稳定性、热疲劳性及洋透性不够的缺陷。45CrMoVNiSi常用于大吨位锤锻模和机锻模。
锤锻模是在高温、高压、高冲击负荷的条件下工作的，恶劣的工作条件导致模具产生磨损、裂纹、软化等失效，致使模具使用寿命大大缩短。目前模具失效后的修复主要有两种方法，一是局部焊修，二是整体下落。局部焊修适用于局部尺寸超差或局部损坏的模具，但无法修复设备下限的模具，对模具的一次使用寿命提高不明显，经济效益不高。整体下落一方面造成模具材料的浪费，，无形中缩短了模具的使用寿命——锤锻模一般下落3～5次即报废；另一方面模体高度减小，机械性能加速下降，易造成模具在使用性能上的提前报废。同时，整体下落的机械加工费和热处理费用也是非常可观的。
针对局部焊修和整体下落两种方法的不足，本文提出整体堆焊工艺对模具实行修复，模体高度无需整体下落，根据模具不同部位的性能要求采用不同的焊接材料，可以大幅提高模具的综合机械性能，最终提高模具的使用寿命。
1 45Cr2MoVNiSi锤锻模工作环境和失效分析
45Cr2MoVNiSi锤锻模在高温下通过冲击加压，强制金属成形。模具在工作过程中经受巨大的冲击负荷，同时经受压应力、拉应力和附加弯曲应力，被锻金属在模具型腔内流动又产生强烈的摩擦力，型腔表面经常与高温金属（钢铁坯料约为1100～1150℃）接触，模具本身温度高达300～400℃，局部达到500～600℃，高温使模腔表面的硬度和强度显著降低；锻件取出后，模具型腔要用水或压缩空气冷却，模具受到反复加热和冷却，在交变热应力的作用下，极易产生热疲劳损伤。基于上述工作环境，锤锻模失效主要表现为型腔尺寸磨损，产生纵向、横向裂纹，以及网状裂纹。
模具在锻击过程中，各个部位承受的压力是不均匀的。模膛中变形金属高速流动的部位（模口、过桥、凸缘等部位），会因剧烈的摩擦热效应而软化，因软化而使其在高温高压的作用下产生塑性变形（歪扭），这就要求模具具有很高的强度和硬度；模膛中变形金属缓慢流动的部位（模膛底部），承受较大的弯曲力矩，因应力集中而产生裂纹，这就要求模具具有很好的韧性。理想的模具应是在不同的部位具有不同的性能，这靠热处理是很难做到的。堆焊制造模具的优势就在于用不同性能的焊接材料堆焊模具的不同部位，满足各部位不同的性能要求。
2 整体堆焊修复工艺探讨
2.1 修复工艺流程
焊前准备——模具型腔的整体扩大——预热——堆焊——回火——粗、精加工——钳修——合格交付。
2.2 修复工艺难点分析
一是堆焊材料的选择。材料选择的困难是由于模具在不同的部位要求有不同的性能，需要选用不同的材料来堆焊。堆焊材料选择的基本原则是：选择韧性较好但又不降低强度的堆焊材料，堆焊模膛内受力相对不大和深型沟槽、模膛底部圆角等应力集中处；选择硬度较高、强度较好的强韧性堆焊材料堆焊模膛内的凸起部位和桥部等受力较大或磨损较严重处；选择韧性较好、硬度适中的堆焊材料堆焊模具燕尾、键槽、钳口、导轨以及压弯模膛高出分模面的部分。
二是型腔的加工。整体堆焊后，型腔硬度高，普通铣床难以加工，需用大型数控铣床来加工，设备成本较高。
三是焊前清理。堆焊前必须去掉型腔裂纹及表面碳化层，用电弧气刨清除很难检验裂纹是否去净，深、窄沟槽处碳化层难以清除干净，给堆焊成功带来很大困难。
四是过程保温。45Cr2MoVNiSi模具在堆焊前必须进行预热。预热一方面可以避免焊接时堆焊金属与母材之间形成脆性区和减少热收缩造成的内应力，另一方面合理的预热温度可以使堆焊金属硬度均匀。45Cr2MoVNiSi的焊前预热温度达到450～500℃，整个堆焊过程也在不低于230℃的温度范围内进行，这就要求操作者要随时用点温计测温，当温度低于450℃时就需返炉预热。
2.3 修复工艺控制..
2.3.1 焊前准备
将待用焊条烘干，烘干温度为350～400℃，时间为2小时。烘干后的焊条应在两天内用完，不能用完下次使用时应再烘干。焊条烘干的主要目的是为了消除焊条中的水分，以免堆焊过程中产生气孔。
对待焊处的缺陷、裂纹、油污、氧化皮和疲劳层进行清理。避免堆焊层中预埋缺陷或裂纹，防止油污和氧化皮进入堆焊层中影响堆焊金属的性能。
若模膛需整体堆焊时，应将型腔整体扩大5～2Omm。
23.2 预热
45Cr2MoVNiSi类模具预热参数为随炉升温至450～500℃，保温4～5小时。当预热温度和堆焊层间温度保证在Ms（230℃）点以上时，堆焊后不易发生马氏体转变，堆焊后获得的产物是下贝氏体组织，有较高的强度和硬度，塑性和韧性也较好。
2.3.3 堆焊材料选择
工艺试验选用的是南京江龙焊接技术有限公司的热模系列特种焊条。
堆焊模膛内沟槽和底部圆角等应力集中处，选用热模1号。HRC=42～46，该材料堆焊金属强度高，抗冲击性强，并有较好的抗冷热疲劳，抗金属间磨损，抗氧化和抗裂等性能。
堆焊模膛内的凸起部位和桥部等受力较大或磨损较严重处，选用热模2号。 HRC=46～51，该材料堆焊金属有极佳的综合力学性能，尤其是抗变形、抗塌陷、耐磨损、抗疲劳龟裂能力极强。
堆焊切边模刃口，选用热模3号。 HRC=53～57，该材料堆焊金属具有超强的耐磨性、红硬性和热强稳定性，也有较好的抗冲击性能。
堆焊模膛以外受力不大的部位，如燕尾、键槽、导轨等，选用比较经济的普通焊接材料，如普通碳素钢焊条E4303、E5015。
2.3.4 堆焊方法选择
尽量采用平焊法，从模膛深处开始逐层向上堆焊。堆焊过程中一是注意保证层间温度不低于工艺要求温度（230℃）；二是为避免产生收弧裂纹，收弧前原地停留时间应稍长些或后一道焊缝起弧时在前一道收弧处开始；三是为避免产生气孔，堆焊时应压低电弧，采用短弧焊，焊条稍作横向摆动，并要烘干焊条；四是为避免夹渣，每焊完一道将焊渣清除干净。
2.3.5 焊后回火处理
焊后回火的目的一是防止焊接裂纹的产生。堆焊后模具表面和内部温差大，表面金属收缩而产生内应力，当内应力较大时易产生裂纹。二是消除焊接残余应力。45Cr2MoVNiSi类模具堆焊后随炉升温到550℃，保温8小时，出炉缓慢空冷。值得注意的是，焊后应及时回火或在Ms点（230℃）以上保温等待回火。
3 结束语
整体堆焊修复不仅缩短了模具制造的工艺过程, 提高了生产效率, 而且节约了模具制造费用, 甚至可以实现废弃模具的再利用。
参考文献:
[1]张国栋.45Cr2NiMoVSi钢制锤锻模的热处理[J].热加工工艺，1997，（1）.
[2]张进.提高锤锻模使用寿命的措施[J].金属热处理，2001，（8）.
[3]程培源.模具寿命与材料[M].北京:机械工业出版社,1999.