模具的修复技术与应用

金荣植

模具的主要失效形式有表面磨损、表面剥落、表面裂纹等，大多数失效模具可应用合适的维修技术进行修复，使其恢复使用性能。目前模具的修复技术主要有热喷涂、电刷镀、堆焊、激光修复等技术。现已出现专业模具修补机器，对模具磨损部位进行无热堆焊，可满足模具的耐磨性、耐热性及耐蚀性等要求。

由于模具制造工艺复杂、生产周期长、加工费用高，尤其是精密复杂模具或大型模具制造加工费很高，如一汽每年用于模具制造及维修的费用高达上千万元。若是模具早期失效，将给企业造成重大经济损失。因此，应用各种修复技术修复失效的模具，使其恢复使用性能重新投入使用，可达到延长模具使用寿命、降低成本、提高经济效益的目的。

模具修复过程如下。

（1）工艺过程 分析修复原因→制订修复方案和方法→进行修复→试模和验证。

（2）修复操作过程 对模具进行检查→拆卸损坏部位→清洗零件→分析、核查、确定修复方法→配备及修整损坏零件→更换修配零件→装配模具→试模和验证。

一、热喷涂修复技术

模具特别是热作模具，不仅在较高的温度下工作，而且承受磨损、挤压、冲击及冷热疲劳作用。在使用过程中易损坏，导致使用寿命降低。当模具表面磨损或划伤后，只要程度不严重，均可修复，从而延长模具使用寿命。热喷涂修复技术主要有火焰喷涂、等离子弧喷涂和超声速喷涂等，将粉末状或丝状的金属或非金属材料加热熔化或软化形成熔滴，并以一定速度射向预处理过的基体表面，形成具有一定结合强度的金属以及WC、TiN等化合物涂层修复模具，可恢复甚至提高模具的耐磨性及耐蚀性等。

1.火焰喷涂与应用

（1）火焰喷涂 火焰喷涂是利用燃气（乙炔、丙烷、天然气等）及助燃气体（氧）混合燃烧作为热源，喷涂材料则以一定的传送方式进入火焰，加热到熔融或软化状态，然后依靠气体或火焰加速喷射到基体上。火焰喷涂根据喷涂材料的不同，又分为丝材火焰喷涂和粉末火焰喷涂。

火焰喷涂设备简单、操作方便、成本低，但其喷涂层强度不高。热影响区和变形较大，因此常用于低强度模具表面形状修复，使模具使用寿命延长。

（2）应用 五菱汽车股份有限公司使用火焰喷涂NiCr60A修复汽车大梁成形模，陕西咸阳偏转线圈集团公司采用火焰喷涂30Cr13修复进口绕制线圈模具，均取得了较好的效果。

2.等离子弧喷涂与应用

（1）等离子弧喷涂 等离子弧喷涂是以氮气（N2）、惰性气体如氩气（Ar）等作为工作介质，在专用的喷枪内发生电离形成热等离子，再将进入该等离子弧区的粉末状涂层材料熔融、雾化，并高速喷送到被涂工件表面，形成涂层。

等离子弧喷涂热源能量密度较高，可用于模具表面改性处理，或用于微量磨损模具表面修复，但喷涂层与基材之间为机械结合，因此多用于非冲击载荷条件下的模具表面改性及形状修复，例如在热作模具表面等离子弧喷涂钴基合金，使用寿命可延长两倍。

（2）应用 在工具钢制作的高熔点金属挤压模具上等离子弧喷涂0.5～1.0mm的氧化铝涂层，可将使用温度从1320℃提高到1650℃，喷涂氧化锆涂层，挤压温度可达2370℃，模具的使用寿命可延长5～10倍。

3.超声速喷涂与应用

（1）超声速喷涂 超声速喷涂获得的喷涂层与基材之间结合强度高，因此可用于中等冲击载荷作用下的模具表面改性及修复，且修复后模具不需要或很少机加工就可以使用。

（2）应用 广州有色金属研究院采用超声速喷涂硬质合金工艺，使Cr12钢拉深模修模频率从500件/次提高到700件/次，模具寿命提高3～8倍。

该技术已被一汽集团公司成功用于拉深模重要工作面的表面改性，模具使用寿命明显提高。

二、电刷镀修复技术

电刷镀是在常温和无槽条件下，在工件局部表面快速电化学沉积一种金属或合金镀层方法。电刷镀具有设备简单、工艺简单、操作灵活、沉积速度快、镀层表面粗糙度值低、镀层硬度与耐蚀性高等优点。采用电刷镀方法，不仅可使模具寿命提高4倍左右，还可对磨损模具再修复处理，如模具型腔表面的局部划伤、拉毛沟槽、锈斑磨损等缺陷的修复。修复后模具表面的耐磨性、硬度、表面粗糙度等都能够达到原来的性能指标。同时，电刷镀费用低，一般只占模具成本的0.5%～2%。

现代化的电刷镀技术可以在不拆卸模具的前提下，完成对模具表面的修复，而且能够保证修复后的工作面仍有足够低的表面粗糙度值。

以CrWMn钢型腔模局部拉毛沟槽的电刷镀修复为例进行描述。

1.电刷镀装置

电刷镀装置如图1所示。

2.电源

由主电路和控制电路组成。主电路输出为单向220V，交流电经过降压和整流后，输出100Hz脉动直流电源。输出的电压可以无级调节，通常为0～25V。控制电路通过所耗的电量，可以控制镀层厚度。

3.电刷镀溶液

（1）预处理溶液 其一，电净液。用来消除金属表面的油污。其配方如下：NaOH（C.P.）35～50g/L，Na2CO3（C.P.）40～45g/L，Na3PO4·12H2O（C.P.）140～180g/L，NaCl（C.P.）4.4～5g/L。该溶液pH=12～13。

其二，活化液。有A、B两种活化液可分别使用。初次活化选用A活化液，使金属的表面晶格完全显露出来，再次使用B活化液，消除黑灰色碳化物，使基体呈银白色。

A活化液配方：H2SO4（C.P.）80～85g/L，（NH4）2SO4110～120g/L。该溶液pH＜2。

B活化液配方：Na3（C6H5O7）·2H2O（C.P.）142～145g/L，H3（C6H5O7）（C.P.）90～100g/L，NiCL2·5H2O（C.P.）2～5g/L。该溶液pH＝4。

式中，C.P.表示化学纯，Na3（C6H5O7）·2H2O为柠檬酸钠，H3（C6H5O7）为柠檬酸。

（2）金属溶液 其一，特殊镍溶液。该溶液能够改善金属基体的可镀性，提高基体与工作层的结合强度，一般为1～3μm。其配方如下：NiSO4·6H2O 380～400g/L，NiCl2·5H2O 14～20g/L，H3（C6H5O7）30～70g/L，HCl 20～40g/L。该溶液pH＝1。

图1 电刷镀装置

其二，快速镍溶液。该溶液沉积金属的速度快，模具修复后的硬度为52HRC左右，有良好的耐磨性和耐蚀性，与CrWMn钢模具基体有良好的结合力。

其配方如下：NiSO4·6H2O 250～300g/L，K3（C6H5O7）80～130g/L，缓冲盐A 40～60g/L，缓冲盐B 20～30g/L，添加剂0.1g/L。该溶液pH＝7～8。

4.操作流程

表面预处理（钳工修复模具的沟槽表面，利于镀笔接触凹槽部位；修复部位修形后，用砂布打磨，表面粗糙度Ra在6.3μm以下；测量出要修复的金属厚度，并用绝缘漆或涤纶胶带保护非修复区）→电净（模具接负极，镀笔接正极，用电净液去除修复表面的油污，电压10～20V，时间10～30s）→自来水冲洗→活化（使用A活化液，电压6～12V，时间5～30s，表面呈黑灰色）→自来水冲洗→活化（使用B活化液，电压15～25V，时间5～30s，表面呈银白色）→打底层（选用特殊镍溶液，电压8～12V，相对擦拭速度15mm/min左右，镀层厚1～3μm）→自来水冲洗→镀工作层（选用快速镍溶液，电压8～15V，相对擦拭速度15mm/min左右）→自来水冲洗→钳工修整（达到所需的形状和尺寸）。

三、激光熔覆修复技术

激光熔覆是利用高能激光束在金属表面辐照，使涂覆材料熔化，与基体结合并迅速凝固，在基材表面形成一层具有特殊物理、化学或力学性能的材料。激光熔覆技术现在不仅可对成形模具进行表面修复，也可对已加工成形的模具进行表面改性。激光熔覆特点为：①激光加热和冷却快，熔覆层组织细小且致密。②激光束的能量密度高，激光熔覆对基材的热影响小，变形小，不破坏基体的力学性能。③可有效对局部区域进行改性或修补裂痕、崩角及磨损的密封边。④激光束的功率、位置和形状等能够精确控制，易实现选区甚至微区熔覆精密修复，用极小的成本在模具的不同部位实现不同的力学性能。⑤对基体材料的要求低，在多数材料上都可以应用此项技术。⑥可实现较大面积和较深厚度的修复。

1.常用熔覆材料

目前，激光熔覆常采用的材料主要有自熔性合金材料、碳化物弥散或复合材料等。

2.激光器的选择

目前，使用较多且效果较理想的是CO2激光器，这种激光器功率大，能量分布均匀，特别适用于大面积熔覆。

3.激光熔覆的工艺流程

激光熔覆按熔覆材料的供给方式大致可分为两大类，即预置式激光熔覆和同步式激光熔覆。预置式激光熔覆是将熔覆材料预先置于基材表面的熔覆部位，然后采用激光束辐照扫描熔化；同步式激光熔覆则是将熔覆材料置于直接送入激光束中，使供料和熔覆同步完成，熔覆材料以粉、丝、板的形式加入，其中以粉末的形式最为常用且相对成熟。

（1）预置式激光熔覆的主要工艺流程：基材熔覆部位预处理→预置→熔覆处理→预热→激光熔化→后热处理。

（2）同步式激光熔覆主要工艺流程：基材熔覆部位预处理→送料→激光熔化→后热处理。

4.应用

大众桑塔纳汽车行李箱横梁拉深凹模表面激光修复。修复部位：模具两端圆弧角；基体材料：球墨铸铁；修复后的性能要求：耐磨，硬度50～55HRC；修复厚度3mm左右。

下面以5CrMnMo钢模具的激光修复为例进行描述。

（1）激光修复系统 激光修复技术是集高功率激光、计算机、数控机床、CAD/CAM、先进材料、数控技术等多科学应用技术。激光修复过程如图2所示。

其一，同轴送粉装置。送粉装置由送粉器和同轴送粉嘴组成。在送粉器的粉斗下部，由于平衡气压的作用形成气固两相流化，并从导管开孔，随载气输送粉末。送粉量由输送气体的压力调节，拓宽了送粉范围，实现从5～150g/min均匀连续可调送粉，送粉精度高达±5%。

图2 激光模具修复系统

其二，模具修复过程的控制。采用红外测温技术来检测激光加工区域的温度场，结合温度场标定结果推导出实际的温度场信息，来控制激光器功率输出值以及CNC机床的运动速度，以保持熔池温度稳定，避免模具由于过热或温度不均产生裂纹、气孔等缺陷。采用比色测温仪进行测温，其光路系统选用单台相机，切换不同滤色片的单通道图像记录方式。滤光片及其控制保证两个滤光片交替置于数字相机图像记录光路中，移动响应时间＜10ms，由计算机控制的高精度步进电动机实现准确定位。

（2）激光修复模具工艺参数 激光修复工艺参数主要有激光功率P、扫描速度vs、送粉速度vf、熔池温度等。激光修复过程中，需要控制熔化材料的熔点（取基体、粉末材料两者最高熔点）Tm＋（50～100）℃。参考温度场计算，理论上P值取1～2kW、vs为2～4mm/s可满足要求。至于熔覆层表面不平度，可通过调节送粉量实现其最小化。

（3）激光修复设备 采用横流连续波5kW-CO2激光器，光速模式为多模，光斑直径为4mm，基体材料（模具）为5CrMnMo钢。由于Ni合金粉流动性好，与基体相结合后表面光洁，价格适中，故选用了Ni60镍基合金粉末材料，其化学成分如附表所示。选定激光功率P为1.5kW，vs＝3.2mm/s，vf＝310mg/s。

（4）工艺 在激光修复模具过程中，在工艺参数P＝1.5kW、vs＝3.2mm/s、vf＝310mg/s，熔覆层厚度1～2mm，可得到较理想的表面质量。为防止模具表面出现裂纹，可以对模具进行200℃×2h的预热处理。在修复过程中可以使用氩气侧吹保护激光熔覆部位。实际用于模具修复需要借助激光修复系统的控制部位，不断调节送粉速度vf，克服熔覆层表面的凸凹不平。

（5）检验结果 经检验激光熔覆层组织，在相当宽的范围内可获得组织均匀、细小致密和性能优异的修复层。通过优化工艺参数、基体预热的方法可以提高模具修复质量。

四、堆焊技术与应用

堆焊技术原理是将填充金属焊接在模具损坏处的表面上，以得到所要求的性能和规格。对模具进行堆焊修复可大大降低成本，缩短生产周期，因而堆焊技术得到了广泛应用。按工艺方法分为电弧堆焊和火花堆焊。通常在堆焊后进行去应力退火，以防裂纹的产生。

由于市场竞争的需要，新产品的试制周期要求很短，往往对曾用于大批量生产过的旧模具通过改制翻新来代替试制用模具。有时在试制过程中还要改变产品的形状，都需对模具进行修整。模具的修整，通常要求所用材料要具有良好的堆焊加工性。析出硬化钢一般都能进行堆焊加工。堆焊部位的切削加工、镜面加工和花纹加工性能与基体一样。

热锻模在使用一段时间后，模腔发生磨损或变形而影响尺寸精度时，可进行补焊或机械加工翻新模具。

1.曲轴锻模局部堆焊修复

（1）模具的修复部位 曲轴锻模最常见的失效形式为模具凸缘部位（见图3，①～⑤处）磨损（见图4）、疲劳裂纹（见图4）、龟裂、脆性断裂和开裂、塑性变形（见图5）等。凸缘部位磨损、变形、开裂、断裂，意味着整体模具寿命的终止。为提高模具使用寿命，可实施模具局部堆焊，即对局部的疲劳裂纹、磨损、塑性变形采用堆焊技术进行修复。

（2）模具材料 中小型锤锻模应用45Cr2NiMoVSi钢，大型锤锻模使用5CrNiMo钢。

（3）模具修复工艺 首先，将模具进行整体预热，然后对相关部位堆焊。对于疲劳裂纹和开裂的部位要将裂纹清理干净，再用模具钢焊条实施堆焊，最后入炉时效处理，消除应力。如果预热、堆焊和时效各工序合理，堆焊部位的寿命与基体基本相同，甚至更高。

2.凸凹模刃口局部崩角堆焊修复

当凸模、凹模刃口局部有崩角时（见图6），可将崩掉的部分用与凸、凹模基体材料相同的焊条堆焊补上，堆焊后再按图样尺寸精度要求加工，但加工应在表面退火后进行。

Ni60镍基合金化学成分（质量分数，%）及性能表

3.塑料模具型腔沿口磕碰修复

塑料模分型面型腔沿口磕碰产生如图7所示的缺口，修复的方法有补焊锉修复法和挤胀修复法（见图8）。补焊采用氩弧焊接，修研由钳工完成。挤胀修复法在缺口附近的钻孔直径一般为8～10mm，挤凸的型腔侧壁由钳工修整，堵头与分型面应修平。

4.40Cr钢制模具堆焊修复

（1）将模具表面污物清理干净，CO2气体保护焊，焊丝牌号H08Mn2SiA，直径0.8mm，焊接电流100A，电弧电压18～21V，采用短路过渡，先均匀转动模具零件于爬坡位引燃电弧施焊，使焊道以螺旋方式向前推进，以达到一周焊道受热均匀，防止模具零件变形弯曲。

（2）将模具零件表面温度控制在200℃，焊后保温2h，空冷。

5.淬硬型模具钢模具的堆焊修复

淬硬型模具钢的堆焊加工性能比火焰淬火专用钢要差得多，因而进行堆焊加工时，更易产生裂纹。其裂纹的产生主要与焊接后的冷速太快有关。焊接时必须备有回火炉，对被焊接模具预先整体预热（480～520℃），然后进行快速焊接修补，再放入比预热温度高50℃的回火炉中保温。放入炉中的焊接件达到保温时间后，随炉冷至室温。模具的修补工艺过程如图9所示。同时，应选用与被焊接模具材料相适应的焊条。在进行焊接操作时，为了简便起见，常用气焊焊炬把模具加热到一定的预热温度，但由于这种方法容易使大的或形状复杂的模具在预热过程中发生开裂，所以一般情况下不允许采用这种方法进行预热。只有在模具经退火或高温回火后，才能用气焊焊炬预热和堆焊修复。

上述程序可简单归纳如下：破损模具→退火或高温回火→焊接前预热（480～520℃）→快速焊接修补后加热（550～580℃）并随炉冷却→修复精加工→（热处理）→磨削或研磨→成品。

图3 美国通用赛车曲轴终锻模

图4 磨损与疲劳裂纹示意

图5 塑性变形示意

图6 凸、凹模刃口局部崩掉示意

图7 分型面型腔沿口局部磕碰缺口示意

图8 挤胀修复法

五、模具修补机修复

模具修补机是修复模具表面磨损、加工缺陷的高新设备。模具修补机强化模具寿命长，经济效益好。可以应用各种铁基合金（碳钢、合金钢、铸铁）、镍基合金等各种金属材料模具及工件的表面强化及修复并大幅提高使用寿命。

1.模具修补机的原理

其是利用高频电火花放电原理，对工件进行无热堆焊来修补金属模具的表面缺陷与磨损，主要特点是热影响区域小，模具修复后不会变形，不用退火，无应力集中，不出现裂纹，保证了模具的完好性；也可以利用它的强化功能对模具工件进行表面强化处理，满足模具的耐磨性、耐热性、耐蚀性等性能要求。

2.应用范围

模具修补机可用于机械、汽车、轻工、家电、石油、化工及电力等行业，用于热挤压模具、温挤压膜具、热锻摸、轧辊以及关键零件等的修复与表面强化处理。

例如，可应用ESD—05型电火花堆焊修复机对磨损、碰伤、划痕的注射模补焊，以及对压铸模如锌铝压铸模的锈蚀、脱落、损伤修复。机器功率900W，输入电压AC220V，频率50～500Hz，电压范围20～100V，输出百分比10%～100%。

六、其他修复技术

1.采用热处理收缩工艺修复磨损的冷作模具

（1）冷镦模型腔磨损后，可用缩孔处理并重新淬火的方法予以修复，重新装机使用。缩孔热处理工艺可采用将模具加热到600～650℃，然后使模具由外表面向中心冷却，在冷却到150℃左右时，由于外表面的冷缩，可使模具中心产生压应力，并使型腔收缩0.15～0.20mm。收缩后的模具，经过重新淬火处理后，即可再次使用。一般在正常情况下，此法可处理2～3次，从而可以大大延长模具的总寿命。

（2）T10、T11钢制拉拔、拉深凹模，在工作中磨损超差后，可先经高温加热，然后重新常规淬火，可自行缩孔修复。

2.冲裁模凸凹模修复方法

（1）磨削修复方法 当冲裁模凸凹模刃口崩刃小于2mm时，一般用磨削方法去掉崩刃部位，以达到修复目的。采用此修复方法时，由于磨削余量较大，应采用切削液进行冷却，以防磨削时产生退火现象。

（2）刃块倒置修复法 当凸凹模拼块的刃口崩刃深度超过2mm、不宜用磨削方法修复时，可将刃块拆卸下来翻一面再重新装配，以达到修复目的。采用此法时，凸凹模拼块必须对称，上下面形状尺寸要完全一致，螺销孔是通孔。为保证修理质量，必须把镶板上的圆柱销孔扩大5mm左右，紧配销塞修平后，再固定拼块配作销孔。

（3）加垫块修复法 一些凸凹模拼块，不能采用倒置方法修复时，可用电火花、线切割方法，在高度方向切去崩刃部分，然后在下面加垫块后，重新装配来达到修复要求。修理时垫块外形尺寸可按拼块配做，一般略小于拼块尺寸0.1～0.2mm，而垫块厚度要略大于切去的厚度尺寸，一般厚度增加0.3～0.5mm，这样在装配后有一定的磨削余量。

（4）镶入修复法 崩刃的深度大于10mm或刃口面在厚度方向有裂纹时，可以用镶入法来修复，由于这种裂纹不能用倒置法或加垫块方法修理，故用线切割方法把有缺陷的部位切除，再镶入一个同样大小的刃块来修复。为了保证刃块修复后有足够的强度，应用此修理方法的模具凸凹模拼块尺寸不能过小。配合的方式一般采用无间隙配合，为防止镶入后拼块胀裂，镶入时不能有过盈，如果有间隙时，可用粘结剂粘牢。配合部分的形状一般有圆形和燕尾形两种。镶块在镶入前先要油修一下，再轻轻压入。镶块的材料可利用其他报废模具的刃块。

图9 冷作模具钢的堆焊修复工艺

图10 金属圈紧固法示意

（5）金属圈紧固修复法 当整体式凹模出现裂纹时，可在外表面用一个金属圈紧固（见图10）使其恢复原尺寸。对于有些尺寸较小的组合式凹模拼块松动时也可采用此方法。紧固金属圈的材料可用Q235A钢，厚度低于凹模5mm左右。为便于加工和装配，金属圈与凹模可采用0.1mm左右的间隙配合，金属圈套入凹模后用螺钉固定于模座上，四周配合处用扁錾铆紧，使凹模恢复到要求尺寸。