浅谈锻砧设计修复方法

文/房志远，冯东晓，卫凌云，张营杰·中国重型机械研究院股份公司

锻砧种类繁多，比如自由锻造压机的平砧、V形砧、摔子，精锻机的锤头等，它们都是锻压设备的重要组成部分。锻砧材料应具备以下性能：

⑴具有良好的导热性、较好的耐热疲劳性能，防止锻砧产生热裂纹，使其在冷热交变的工作条件下仍具有较高的寿命。

⑵淬透性能好，使锻砧具有均匀的组织结构和机械性能。

⑶在高温下具有较高的强度、硬度、冲击韧性，以便能承受较大的变形抗力和具有良好的耐磨性。

⑷具有良好的回火稳定性，使锻砧在工作时不致因受热而产生硬度下降现象。

⑸良好的加工工艺性能及热处理性能。

在锻造过程中，锻砧一直与炽热的锻件接触，工作条件十分恶劣。锻砧的损坏基本有四种形式：热疲劳裂纹、机械疲劳裂纹、磨损和塑性变形。前两种形式将会导致锻砧破裂，降低锻砧的使用寿命；后两种会造成锻砧尺寸变化，严重影响锻件的表面质量和尺寸精度，导致锻出不合格的锻件。

为了更好的解决以上问题，广大技术人员采取了许多积极措施。如在锻砧内部加工孔道通水，来降低锻砧砧体与表层温差，减少热疲劳裂纹的产生，也可以尽量避免锻砧产生局部回火软化而被压塌；在锻造低塑性材料和形状复杂的锻件时，选用合理的润滑剂，减小坯料与锻砧摩擦，降低锻砧磨损，提高锻件质量，同时对锻砧起冷却的作用；使用高压水或压缩空气喷除坯料表面的氧化皮。

本文主要介绍如下三种方法，通过改变锻砧表层材料，来提高锻砧的使用寿命，供大家设计参考。

镶块法

图1 镶块式锻砧结构示意图

中国重型院为某厂设计的20MN 锻造压机的锻砧采用了镶块式结构，结构简单，安装维护方便。锻砧结构如图1 所示。在砧块的中部加工有T 形槽，在槽中嵌入一长为700mm、厚为150mm 的镶块，砧块与镶块之间采用过盈配合，过盈量为0.3 ～0.4mm。安装时，将砧块加热后装入镶块，冷缩后镶块便紧固于砧块之上，最后将镶块与砧块之间打入两个圆柱销加以定位。

对于高校的知识产权管理而言，主要的目标是对科研技术成果及其他智力成果的开发、利用、转让和发展进行系统化的管理。但是在目前的高校知识产权管理中，还存在以下方面的诸多问题。

砧块材料为5CrMnMo。5CrMnMo 模具钢属于低耐热高韧性钢，通常在400℃以下环境中工作。镶块材料为高温合金GH4037。GH4037是奥氏体型时效强化的镍基合金，具有高的热强性、良好的综合性能和组织稳定性，广泛用于制造航空发动机涡轮工作叶片，可在800 ～850℃之间长期工作。

相较于整块式材料为5CrMnMo或5CrNiMo的锻砧，高温合金镶块砧连续使用时间大幅提高，大大降低了换砧停工损失；长时间工作后，镶块砧砧面仍可保持平滑，对改善锻件表面质量，提高锻件尺寸精度有显著效果；合金工具钢锻砧压凹后，刨削修理十分困难，使用镶块砧可以节省大量锻砧修复费用，取得良好的经济效益。

GH4037 具有良好的可锻性。铸锭锻造时，始锻温度为1160℃，终锻温度不低于1000℃，开锻时打击应轻和快，压下量控制在10%～15%，待铸造组织破碎后可逐渐增大变形量至35%～40%。GH4037合金的切削加工性差，可以使用硬质合金或立方氮化硼（CBN）刀具进行加工。

表面堆焊法

表面堆焊是材料表面改性的一种经济而快速的工艺方法，越来越广泛地应用于各个工业领域中。它是用电焊或气焊等方法把填充金属熔覆在金属工件表面，堆焊层与工件基材达到冶金结合，以满足工艺要求的性能和尺寸的方法。在各种表面技术中，堆焊的表面层最厚而且致密；堆焊层与工件基材剥落倾向小；其受工件大小、形状的限制小；能堆焊的合金种类很多，有铁基、镍基、钴基、碳化钨基和铜基等。基于以上的优点，表面堆焊特别适合严重磨损工况下工件表面的强化或修复。图2 所示为带表面堆焊锤头的锻机。

径向锻造是一种新型的多锤头锻造工艺，在国防、汽车制造及冶金等领域有着越来越广泛的应用。其特点是锻打速度快、锻造尺寸精度高、表面粗糙度小、生产率和成材率高，尤其适合锻造高合金钢及难变形、难熔材料的轴类件，用芯棒还可锻空心轴，如枪管、炮管、石油地质钻杆等。我国先后从奥地利GFM公司引进多台精锻机，锤头是该设备的重要部件。由于锤头与高温锻件高频率接触，其表面工作层的温度最高可达800 ～900℃，工作环境十分恶劣。锤头工作面采用焊条堆焊而成，使其在高温下具有较高的持久强度、疲劳强度以及良好的抗氧化性能和耐磨性能等。

图2 带表面堆焊锤头的锻机

锤头结构如图3 所示，其堆焊层分为中间过渡层和表面工作层。

图3 锤头结构示意图

精锻机锤头基体材料为56NiCrMo7V，先在基体上用Boe Fox SACA 焊条堆焊中间层，再在中间层上面用ARGONWELD 52 焊条堆焊表面层。锤头堆焊程序如下：

⑴焊前彻底清理基体堆焊表面，打磨掉裂纹和断口等。

⑵将锤头预热到350℃，并在堆焊过程中保持该温度。

⑶用φ5mm 直径焊条堆焊中间过渡层，焊接电流180 ～190A。每焊一层，立即进行锤击，消除应力。

⑷清理中间过渡层表面，将锤头预热到350℃，并保持该温度。

⑸用φ4mm 直径ARGONWELD 52 焊条，按WIG法堆焊表面工作层。每焊一层，立即进行锤击，消除应力。

⑹焊后将锤头在电炉内加热到550℃，保温10 ～12 小时，消除应力，并在炉内以最大不超过15℃/h 的冷却速度缓慢降至室温。

⑺采用铣削或电火花加工锤头至所需尺寸。

锤头是一种易损件，如果全部依靠进口，其价格十分昂贵。重庆特殊钢厂和北京钢铁研究总院的科研人员，立足于国内进行精锻机锤头的制造及修复，研制出锤头表面工作层堆焊材料HGH520和过渡层堆焊材料HGH847，试制成功800t 精锻机锤头，锤头质量可靠，使用寿命与进口锤头相当，填补了国内大型精锻机锤头制造的空白。

激光熔覆法

激光熔覆法是一种新的表面改性和表面修复技术。它是以高能密度的激光束为热源在基体表面熔接一层成分和性能完全不同于基体而又与基体具有冶金结合的合金表层，以提高表面的耐磨、耐蚀、耐热、抗氧化或电气特性，从而达到满足材料表面特定性能要求的同时又可节约大量的材料成本。激光熔覆仅要求基体材料表面一极薄层熔化，这种合金熔覆层基本保持其原有成分和性质不变。应用广泛的激光熔覆材料主要有：镍基、钴基、铁基、钛合金、铜合金、颗粒型金属基复合材料，陶瓷材料等。

内蒙古金属材料研究所的技术人员利用激光熔覆技术，对DA65-100 型精锻机之基体材料为3Cr2W8V 的锤头进行表面改性处理，取得了很好的效果。

锤头基体材料3Cr2W8V 经锻造和热处理后，使其硬度达到50 ～55HRC，然后对锤头基体表面进行激光熔覆，熔覆层材料选择146#钴基合金粉末，其工艺路线为：粉末烘干→熔覆基体表面清理→基体预热→激光熔覆→试样保温缓冷处理→精加工。

锤头表面激光熔覆具体程序如下：

⑴将锤头待熔覆表面清理干净；

⑵熔覆层数为六层，熔覆层厚度为3mm；

⑶工艺参数如下：激光功率：3kW，扫描速度4.8mm/min；

⑷将熔覆部位机加至成品尺寸。

焊后对锤头做性能与探伤分析，结果表明：熔覆层稀释率低，对锤头基体的损伤较小，激光熔覆的热影响层薄，约为1.7mm；熔覆层与基体熔合较好，结合率大于99%，熔覆层组织致密，微观缺陷少；锤头表层硬度显著提高，最高硬度值达64HRC。

激光熔覆是一种低耗节能的先进制造技术，用此技术可以在不改变锤头基体组织性能的前提下，增强或修复锤头的工作表面，显著提高锤头的使用寿命。

结束语

本文介绍了三种锻砧表面处理的方法，即镶块法、表面堆焊法及激光熔覆法，即使在恶劣的工作环境下，经过处理的锻砧使用寿命也能大幅提高，取得令人满意的效果和经济效益。表面技术特别是离子注入技术、激光化学气相沉积和陶瓷涂层喷涂技术等的飞速发展，也值得我们关注和应用。