（材料加工工程专业论文）真空扩散焊接双金属复合模具钢的研究.pdf

摘要 摘要 高碳高合金冷作模具钢具有高硬度、高耐磨性，热处理后变形小，承载力大等特点， 在国内外大中型冷作模具中得到广泛应用。但其碳化物偏析较严重，容易导致方向性变 形和强韧性降低。将高硬度冷作模具钢与高韧性合金结构钢制成的双金属复合模具钢可 以克服上述缺点，并且节约资源，降低成本。制造双金属复合模具钢可以采用热锻轧焊、 爆炸焊和真空扩散焊等多种方法，其中以真空扩散焊为最佳选择。 本文采用拉伸试验、弯曲试验、硬度试验、扫描电镜( s e m ) 断口形貌观察、能谱微 区成分分析( e d x ) 、金相分析( o m ) 、显微硬度分析等方法研究了常用冷作模具钢 c r l 2 m o v 及高速钢w 6 m 0 5 c r 4 v 2 ( 以下简称m 2 ) 与合金弹簧钢5 0 c r v a 、合金结构钢 4 0 c r 及高速钢m 3 5 的真空扩散焊接。结果表明： 焊接温度为l1 5 0 ，焊接压力为2 0 m p a ，保温时间为3 0 m i n ，真空度小于1 0 1 0 叫p a 的条件下即可以实现c r l 2 m o v 5 0 c r v a 、m 2 5 0 c r v a 良好的冶金结合；拉伸试验、弯 曲试验的断裂都发生在高硬度、高耐磨的c r l 2 m o v 和m 2 上。因此，焊接面的结合强 度已经高于c r l 2 m o v 和m 2 的抗拉强度及抗弯强度。 焊接温度为11 0 0 ，焊接压力为2 0 m p a ，保温时间为3 0 m i n ，真空度小于1 0 1 0 叫p a 的条件下即可以实现c r l 2 m o 、w o c r 、m 2 4 0 c r 良好的冶金结合；拉伸试验、弯曲试验 的断裂发生在高硬度、高耐磨c r l 2 m o v 或者发生在低强度的4 0 c r 上。因此，焊接面的 结合强度已经高于c r l 2 m o v 和4 0 c r 的抗拉强度及抗弯强度。 焊接温度为11 5 0 ，焊接压力为2 0 m p a ，保温时间为3 0 m i n ，真空度小于1 0 x1 0 。1 p a 的条件下即可以实现m 2 m 3 5 良好的冶金结合；拉伸试验、弯曲试验的断裂都发生在高 硬度、高耐磨的m 2 上。因此，焊接面的结合强度已经高于m 2 的抗拉强度及抗弯强度。 关键词：冷作模具钢；合金结构钢；真空扩散焊；力学性能；显微组织 大连交通大学工学硕士学位论文 a b s t r a c t h i 曲一c a r b o na n dh i g h - a l l o yc o l dw o r kd i es t e e lh a sb e e nw i d e l ya p p l i e di nl a r g ea n d m e d i u mc o l dw o r kd i ea th o m ea n da b r o a d ，b e c a u s ei tp o s s e s s i n gh i g h - h a r d n e s s ，h i g h w e a l r e s i s t a n t ，l i t t l ed e f o r m a t i o na f t e rh e a tt r e a t m e n ta n dg r e a tc a r r y i n gc a p a c i t y b u tt h es e r o u s c a r b i d es e g r e g a t i o no fw h i c hi sa p tt oc a u s ed i r e c t i o n a ld e f o r m a t i o n s ，s 仃e n g t h t o u g h n e s s d e c r e a s i n g i n s t e a db yb i m e t a lc o m p o s i t ed i es t e e lt h a tf a b r i c a t e du s i n gh i g h h a r d n e s sc o l d w o r kd i es t e e la n dh i g h t o u g h n e s sa l l o ys t r u c t u r es t e e lc a no v e r c o m et h ed e f e c t sm e n t i o n e d a b o v e ，s a v es o u r c ea n dr e d u c ec o s t v a r i o u sa p p r o a c h e da r ea p p l i e di nt h ec o u r s eo f m a n u f a c t u r i n gb i m e t a lc o m p o s i t ed i es t e e l ，s u c ha sh o tf o r g e d r o l l e dw e l d i n g ，e x p l o s i v e w e l d i n ga n dv a c u u md i f f u s i o nw e l d i n ga r ea p p l i e d ，a m o n gw h i c h ，t h ev a c u u md i f f u s i o n w e l d i n gi st h eo p t i m a l t h ev a c u u md i f f u s i o nb o n d i n go fc o l dw o r kd i es t e e lc r l2 m o va n dh i g hs p e e ds t e e l w 6 m 0 5 c r 4 v 2 ( m 2 ) w i t ha l l o ys p r i n gs t e e l5 0 c r v a ，a l l o ys t r u c t u r es t e e l4 0 c ra n dh i g l l s p e e ds t e e lm 3 5w a ss t u d i e db ym e a n so fh a r d n e s st e s t ，t e n s i l et e s t ，b e n d i n gt e s t ，s e m ，e d x a n do ma n a l y s i sa n dm i c r o h a r d n e s st e s t s o u n dm e t a l l u r g i c a lb o n d i n gw a so b t a i n e db e t w e e nt h et w od i s s i m i l a rm a t e r i a l so f c r l 2 m o v 5 0 c r v a ，m 2 5 0 c r v aa t11 5 0 f o r3 0m i n u t e ，b o n d i n gp r e s s u r ei s2 0 m p aa n dt h e v a c u u ml e v e li sl e s st h a n1 0x10 。1 p a ；t h ef r a c t u r eo ft e n s i l et e s ta n db e n d i n gt e s tb e t ht o o k i np l a c eo nt h ec r l2 m o va n dm 2 ，w h i c hh a v eh i g h e rh a r d n e s sa n dw e a r r e s i s t a n c e t h e r e f o r e i tc a nb es e e nt h a tt h es 仃e n g t ho fb o n d i n gz o n ei sh i g h e rt h a nc r l 2 m o va n dm 2m a t r i x s o u n dm e t a l l u r g i c a lb o n d i n gw a so b t a i n e db e t w e e nt h et w od i s s i m i l a rm a t e r i a l so f c r l2 m o v 4 0 c r 、m 2 4 0 c ra t 1 1o o f o r3 0m i n u t e ，b o n d i n gp r e s s u r ei s2 0 m p aa n dt h e v a c u u ml e v e li s1 e s st h a n1 ox10 1 p a ；t h ef r a c t u r eo ft e n s i l et e s ta n db e n d i n gt e s tt o o ki n p l a c eo nt h ec r l2 m o v o r4 0 c r t h e r e f o r e ，i tc a nb es e e nt h a tt h es 仃e n g t ho fb o n d i n gz o n ei s h i g h e rt h a nc r l 2 m o va n d4 0 c rm a t r i x s o u n dm e t a l l u r g i c a lb o n d i n gw a so b t a i n e db e t w e e nt h et w od i s s i m i l a rm a t e r i a l so f m 2 m 3 5a t1 15 0 f o r3 0m i n u t e b o n d i n gp r e s s u r ei s2 0 m p aa n dt h ev a c u u ml e v e li sl e s s t h a n1 0x10 ”p a ；mf r a c t u r eo ft e n s i l et e s ta n db e n d i n gt e s tb e t ht o o ki np l a c eo nt h em 2 w h i c hh a v eh i g h e rh a r d n e s sa n dw e a r - r e s i s t a n c e t h e r e f o r e i tc a nb es e e nt h a tt h es t r e n g t ho f b o n d i n gz o n ei sh i g h e rt 1 1 a nm 2m a t r i x k 呵w o r d s ：e o l dw o r kd i es t e e l ；a l l o ys t r u c t u r es t e e l ；v a c u u md i f f u s i o nb o n d i n g ； m e c h a n i c a lp r o p e r t i e s ；m i e r o s t r u c t u r e i i 大连交通大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解太整塞通太堂有关保护知识产权及保 留、使用学位论文的规定，即：研究生在校攻读学位期间论文工作的 知识产权单位属太整交通太堂，本人保证毕业离校后，发表或使用 论文工作成果时署名单位仍然为太整塞通太堂。学校有权保留并向 国家有关部门或机构送交论文的复印件及其电子文档，允许论文被查 阅和借阅。 本人授权太整交通太堂可以将学位论文的全部或部分内容编入 中国科学技术信息研究所中国学位论文全文数据库等相关数据库 进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论 文。 ， 。( 保密的学位论文在解密后应遵守此规定) 学位论吝作者签名；同毳搿毒导师签名：1 生多务易 ， ， ： 日期：刁菇万年7 月岁日白期：2 移甜年否月印日 _ ， i 学位论文作者毕业后去南：。香f 虹 工作单位天匝轨、勾衫象团 电话： 通讯地址： 。 i邮编： 电子信箱：眠d d 酿79 产 o 护、踟川、铆， 大连交通大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作 及取得的研究成果：尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢及参考 文献的地方外，论文中不包含他人或集体已经发表或撰写过的研究成 7 果，也不包含为获得太蔓塞通太。堂或其他教育机构的学位或证书而 使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在 论文中作了明确的说明并表示谢意。 本人完全意识到本声明的法律效力，申请学位论文与资料若有不 实之处，由本人承担_ _ 切相关责任o - 警位话文尊者缬阁毳诽； 日如：汐移年月；日 绪论 绪论 模具是现代制造业的核心工具，是机械制造业中不可缺少的成型工具l l j 。用模具生 产制品所达到的高精度、高复杂程度、高一致性、高生产率、低耗能及低耗材使模具在 制造业中的地位越来越重要。现在，模具生产水平已成为衡量一个国家制造业生产水平 的重要标志之一。没有高水平的模具就没有高水平的产品已成为共识【2 l 。日本、美国、 德国等工业发达国家制造业的发展历程说明，凡是制造业发达的国家，模具产业必繁荣。 而模具产业的发展，必定拉动模具材料的消费。近几十年我国模具材料市场的现状和国 内外模具材料发展的情况分析结果表明，我国模具材料正处于发展的上升通道中，模具 材料市场前景看好p 7 j 。 模具材料是模具制造的基础，是制造高质量、高寿命模具的前提【8 】。随着我国国民 经济的迅速发展，人们对产品的审美观、价值观也不断提高。对各类模具产品，也提出 了更高、更新的要求，因而，势必对模具材料在数量上、系列上、质量上提出更高的要 求队1 0 1 。模具材料中以金属材料占主导地位，金属材料中又以合金模具钢最为重要。模 具钢一般分为三大类：冷作模具钢、热作模具钢和塑料模具钢。其中冷作模具钢的用量 最大，产品居首位【l 。 模具用材甚广，除常用的合金模具钢外，还有轴承钢、高速工具钢、弹簧钢、渗碳 钢、调质钢和不锈钢等，但常用的只有2 0 多种。常用的冷作模具钢有c r l 2 ，c r l 2 m o v ， w 6 m 0 5 c r 4 v 2 ( m 2 ) 等。这些钢种的用量约占模具钢用量的3 0 左右【1 2 1 。这些常用的冷 作模具钢的性能不全面，一些冷作模具钢如c r l 2 型，耐磨性较好，但韧性较差。而有 些钢种虽然韧性改善了，但耐磨性又有所下降，故用户在选材时不得不权衡利弊来考虑 【1 3 】。为了克服冷作模具钢硬度与韧性的矛盾，我们将高耐磨的冷作模具钢和韧性较好的 合金弹簧钢或合金结构钢通过真空扩散焊复合在一起，将高耐磨的冷作模具钢用于模具 的工作部分，基体则是耐冲击、韧性较好的合金弹簧钢或合金结构钢。这样，不仅降低 了模具材料的成本，而且还可提高模具的使用寿命。 一、金属固态连接的实质 在金属不熔化的情况下，要形成焊接接头就必须产生所谓的金属键，也就是说，在 两个相邻的原子( 或离子) 之间要产生相互作用的力，这种力在整块的金属内部是永远都 存在着的，并决定了该金属的整体性。在一定的条件下，两块金属的表面之间，也能产 生这样的力而使两者结合在一起。 大连交通大学工学硕士学位论文 为了使a 、b 两块金属结合在一起，两块金属表面原子之间的距离必须接近到相互 原子间的引力作用范围内。图1 为原子之间作用力与原子间距离的关系图。可以看出， 两个原子充分远离时其相互间的作用力几乎为零，随着原子间距的不断靠近，相互间的 引力不断增大。当原子间距约为金属晶体原子点阵平均原子间距的1 5 倍时，引力到达 最大。如果原子进一步靠近，则引力和斥力的大小相等，原子间作用力为零，从能量的 角度看此状态最稳定。这时自由电子成为共有，与晶格点阵的金属离子相互作用形成金 属键，使焊接面间形成金属键结合。 剥 k 穴 刮 最大引力 。仃、_ 卜 2 子闻鑫离彳8 平衡位置 图1 原子之间作用力与原子间距离的关系 f i glr e l a t i o n s h i po f t h ef o r c eo fa c t i o na n dd i s t a n c ei n t e r a t o m i c 金属表面经过各种机械方法加工后，就会带来几何形状因素和物理状态的变化。 就几何形状而言，经冷加工( 车、铣、磨) 的金属表面可以分为宏观的几何表面( 波 形度) 和微观的几何表面( 粗糙度) 。宏观表面和微观表面可以用两条曲线来表示：波 形曲线和粗糙度的频率曲线，频率曲线是叠加在波形曲线上的。由微观突起的形状、高 度以及它们顶点之间的距离来看，粗糙度可以是多种多样的( 见图2 ) 。通常，总是把 波形度和粗糙度看作是棱形的、锥形的和球形的凸起。 应该把波形度理解为凸起和凹陷相互交错的总和，这种凸起和凹陷在某种程度上是 有规律地、周期性地重复出现而形成不平整，它们的尺寸比较接近，相互之间的间距要 比宏观的不平整小些。波浪的形状近似接近于正弦曲线。 2 绪论 微观的几何形状( 粗糙度) 取决于机械加工时的进刀量、工具质量和材料。微观不 平的高度在粗磨的情况下是8 - - - 1 4 x1 0 6 m ，而在研磨和精磨的情况下是o 3 l 1 0 6 m 。 金属表面的粗糙度是用断面图形来表示的。 ( 审( d ) 图2 两个具有波形度和粗糙度的金属表面接触时的几种可能的情况 f i g2 s o m ep o s s i b l es i t u a t i o n so fc o n t a c to fm e t a ls u r f a c e w i t l ld i f f e r e n tw a v e f o r m d e g r e er o u g h n e s s 金属表面的物理状态的特点是存在表面薄膜和多种表面层( 见图3 ) 。1 区为未经塑性 变形的金属组织，即未受到机械加工影响的原始金属组织；2 区为含有氧化物的经过加 工的表面层，这是由于受到了机械加工影响，而产生了加工硬化使得晶粒细化的金属组 织，同时由于机械加工留下的切削作用，使得部分氧化物深入到了切削刀痕内；3 区为 具有极性界限的氧化层。直接与金属接触在一起的氧化层是一层疏松的包覆层，从结构 上来说，它刚好贴紧在金属的晶格上。随着氧化层的加厚，它的结晶构造也就变得更有 规律，并会减少它的生成速度，因为氧化层本身已成为金属阳离子和氧分子互相迁移的 阻力；4 区为氧离子和中性空气分子吸附层；5 区为水分子层；6 区为油分子层；7 区为 电离的尘埃。这几类覆盖物的厚度各不相同。例如，水分子层的厚度约为5 0 1 0 0 个分 子。油分子层的厚度就要大一些。只有用溶剂进行特别细致的处理后，油分子层的厚度 才会降低到1 0 - 一1 0 0 个分子。因为油分子与金属的吸附结合完全是纯电的结合，所以， 实际上不可能用任何的溶剂从金属表面上彻底清除油分子的覆盖层。极化后的油分子与 金属形成偶电层。这就使得金属与单分子厚度的薄膜具有牢固的结合。油分子还有另一 大连交通大学工学硕士学位论文 个最为重要的性质：能够深深地渗入到金属表面上所有的微裂纹中去。在这种情况下， 在单分子油脂层缝隙的内部，显得具有更为强烈的楔入压力。 图3 金属表面状态示意图 f i g3 s c h e m a t i cd i a g r a mo f m e t a ls u r f a c es t a t e s 经过各种加工之后，薄的表面层的物理状态起了本质上的变化。由于表面层的变形 程度的不同，这些表面层具有不同的性能。例如，经过磨削机械加工之后，在很大的程 度上，表面层上充满着结构缺陷( 位错、空穴以及其它) 。因此，这些表面层是处在特 殊的物理化学状态之中。这种表面状态就会对这一层的性能有所影响。而且还一定会对 以后加热时各种过程的动力学有所影响。 金属表面层的复杂结构，可以用不同的物理作用予以破坏。例如，用不太高的温度 加热，就可以从表面上清除掉水吸附层。对于压力焊接来说，重要的不仅是从表面上清 除掉玷污物，而且还要防止表面上再发生玷污。正因为如此，真空就具有很大的意义了。 被焊工件在真空中的加热，将会引起表面氧化物、氮化物和氢化物的分解和蒸发。 氢特别容易被除去。最为突出的特点是：不仅能从表面上除去气体及其化合物，而且在 给定的条件下，还能减少存在于金属内部的这些杂质。因此，能够使金属本身的物理机 械性能得到改善。从前人的试验中可知，把低合金钢或碳钢加热到超过7 0 0 - - 8 0 0 ， 真空度达到l 1 0 之p a 时，可见的氧化物就已经全部消失。与此同时，某些如含铬l 2 4 绪论 的低合金钢被焊零件表面，在这样的温度下，就有在显微镜下可以观察到的氧化膜出 现。为防止产生这种氧化膜，需要把真空度提高到1x1 0 3 p a 。在真空中加热，使薄膜 破坏和蒸发，同时，由于氧化物向材料内部的溶解，从而使部分薄膜得以除掉，或者变 为表面积最小的球状颗粒。 在各种具体的条件下，真空扩散焊接过程要复杂得多，因为固体的实际表面，无论 经过怎样的细致加工，它总还是具有微观的不平度和粗糙度。以最高的精度要求进行加 工以后，微观的粗糙度为( o 3 1 ) x1 0 一m 。两个金属接触面之间的距离要接近到( 1 5 ) x 1 0 u u m 时，原子间的引力才开始起作用。因此，在小压力作用下，不能产生足够的塑 性变形以增加接触面，只能使少数凸出点相互接触。而在微观凸出点之间的凹隙处，在 金属与它的表面吸附的气体或液体的分子之间只能产生附着力。 为了增加接触面积，就需要施加大的压力。通过加热提高温度，降低屈服强度，可 以降低所需的压力。 高温下的压力焊是在真空中完成的，真空不仅可以防止金属表面的氧化，而且由于 解吸、升华等还能使金属表面进一步净化。 二、冷作模具钢与合金结构钢焊接的现状 冷作模具钢如高速钢、c r l 2 型钢均为莱氏体钢，其含碳量一般高达0 7 0 - 1 6 5 ， 合金元素含量大于1 0 ，液一固相线间隔较大，凝固时易产生严重的成分偏析，故热裂 纹倾向较大；高合金钢淬透性好易得到马氏体，故冷裂倾向也大；另外，由于熔化焊的 熔合比不易控制，过渡层的形成以及由于线膨胀系数的差异而产生的应力，都使得冷作 模具钢与其它材料间的焊接更加困难【1 4 】。因此，有关冷作模具钢焊接的文献较少。但从 节约冷作模具钢并改善模具的综合性能的角度出发，某些工模具常采用低合金中碳钢 ( 4 0 c r 等) 或弹簧钢( 5 0 c r v a 等) 与冷作模具钢通过机械装配成为复合模具。 ( 一) 冷作模具钢与合金结构钢熔化焊 冷作模具钢与合金结构钢焊接采用常规熔化焊易产生裂纹，且变形大，因而熔化焊 主要采用电弧焊、埋弧焊、直流脉冲t i g 焊等，用于工模具的堆焊修复和工具的堆焊制 造。此外，还有一些采用高能密度焊的场合。 1 、堆焊我国在冷作模具钢堆焊专用材料研制方面取得了不少进展，文献l l 副报 道了c r l 2 型高碳高铬莱氏体钢模具的微区直流脉冲t i g h t 焊修复技术，整体工件在焊接 修复过程处于“冷态，热影响区很小，可避免工件变形。文献【l6 j 报道了含复合稀土锶 的高速钢堆焊焊条，其抗裂性能好，韧性和硬度高，采用此种高速钢焊条堆焊修复轧钢 大连交通大学工学硕士学位论文 机导板，可大幅度提高导板使用寿命；c r l 2 m o v 钢瓷砖模具改用4 5 钢，刃口用此种高速 钢焊条堆焊后，模具寿命是原模具的l 3 倍，成本是其1 2 左右，模具失效后还可现场进 行堆焊修复。 2 、高能密度焊高能密度焊是指功率密度大于1 0 3 w c i 一的电子束焊和激光焊， 它们具有加热集中、热输入低、效率高，焊接变形小，热影响区窄等特点。采用电子束 焊的w 1 8 c r 4 v ( 齿部) - - 5 0 c r v a ( 背部) 双金属锯条，比原整体高速钢锯条切割速度提高了 3 倍，使用寿命提高了2 0 倍1 7 1 。文献【1 8 】还报道了电子束焊的工艺参数：加速电压7 5 k v ， 束流2 5 m a ，焊接速度4 m m i n ，第一聚焦电流5 0 0 m a ，第二聚焦电流4 5 5 m a ，偏压焊接 室真空度6 6 7 p a ，电子枪真空度2 6 7 x 1 0 p a 。双金属锯条也可采用c 0 2 激光焊接，如在 激光器输出功率0 7 k w ，焊接速度2 m m i n t 艺条件下，焊后经高温回火，焊缝剪切强度 可达6 0 0 m p a ，达到电子束焊接的质量，而且还可克服电子束焊工艺复杂、能耗大、成 本高的缺点i l 圳。 3 、电弧焊及其它方法 文献【4 j 报道了采用焊前预热、焊后保温缓冷、快速短弧多 层焊工艺实现了w 1 8 c r 4 v 6 5 m n 钢的焊接，获得较好的接头质量；文献【2 0 】报道了采用 超音雾化沉积装置，高速钢在坩埚中经真空感应熔化后，直接注入雾化装置，熔融合金 浇入保温漏包并经漏嘴流出，在超音速惰性气体的作用下形成雾化锥，高速钢液滴经过一 定时间的飞行后直接沉积在不锈钢板基体上。基本工艺参数如下：气氛为氮气保护预真 空6 p a ，氮气充气压力0 0 4 5 m p a ，雾化压力0 8 m p a ，钢液过热度1 5 0 。c ，喷射焊接距离 1 9 0 - , 1 9 5 m m ，沉积层厚度5 - - - 6 m m 。采用此种喷射成形技术，在适当的喷射距离和焊接 温度下，成功实现了高速钢与不锈钢的大面积焊接，获得致密度达到9 9 9 6 的高密度 焊接界面。 ( - - ) 冷作模具钢与合金结构钢钎焊 为减小变形，使工件间精密连接，钎焊在冷作模具钢的焊接中应用也比较多。冷作 模具钢常用火焰、感应、炉中、电阻、浸沾、真空等方法钎焊【2 1 1 。火焰钎焊设备简单。 适用于小批量生产。文献1 2 2 j 报道了硼砂作钎剂，b c u 5 8 z n m n 作钎料，j 1 6 2 黄铜作焊 丝的高速钢与结构钢的气体火焰钎焊，焊后快冷淬火并回火，硬度可达h r c 6 0 - 6 8 。由 于焊接温度不易控制，故硬度波动大。感应加热钎焊、炉中加热钎焊及电阻加热钎焊生 产率高，质量稳定。采用真空或保护气氛钎焊，可避免钎焊时发生氧化。冷作模具钢的 钎焊通常采用铜基及银基钎料。铜基钎料中应用最多的是黄铜，为了提高强度及润湿性 常加入锰、镍、铁等元素，如b c u 5 8 z n m n 、c u m n z n s i 等钎料。银基钎料具有良好的强 6 绪论 度和塑性，熔点较低，钎焊接头产生的热应力较小，可配合q j l 0 2 钎剂使用。但是由于 高速钢的淬火温度高于一般铜基钎料的熔化温度，故钎焊高速钢时都采用专用的钎料。 ( 三) 高合金工具钢与合金结构钢固态焊 固态焊焊接区的微观组织变化小，材料的机械性能损失少，更适宜于对迥异材料间 进行高质量的连接，且无熔化焊的大热影响区，又能获得远高于钎焊的接头强度【2 3 】。 1 、摩擦焊、爆炸焊摩擦焊主要用于杆类高合金工具钢与结构钢复合刀具的制 造。王玉等对w 1 8 c r 4 v 、w 8 c 0 3 n 钢与4 5 钢摩擦焊接的工艺规范与接头组织、性能的关 系进行了试验研究，确定了实现1 0 0 焊合的优质接头的摩擦焊接工艺规范1 2 4 , 2 5 j 。哈尔 滨焊接研究所的试验表明，当w 6 m 0 5 c r 4 v 2 与4 5 钢摩擦界面温度设定为8 0 0 时，焊后 高速钢一侧组织梯度较小，接头性能达至1 j 4 5 钢母材水平，接头区硬度分布较均匀1 2 6 1 。 爆炸焊已在石油、化工等工程领域中得到了广泛应用，近年来，国内已开始把这一 技术应用于刀具材料的制造，研制出6 c r l 8 ，7 c r l 7 ，8 c r l 3 ，9 c r l 8 ，8 c r l 3 m o v 等为芯料与 1 c r l 3 或3 0 4 钢组成的不锈钢复合板。应用这些复合材料制造的刀具与全钢刀具相比，具有 锋利度好、淬火不易变形、易磨削、生产质量稳定、加工中不易碎裂等优点【2 刀。 2 、超塑性固态焊接超塑性焊接可以在低应力下获得大的塑性变形而使接合面 极易实现密合，其特殊的塑性变形机制可以在宏观变形量不大的情况下更有效地破坏氧 化膜，原子的扩散能力也大大加强，从而在较短时间内、较低温度下使接头区产生明显 的塑性变形与扩散以实现材料的固相焊接【2 6 1 。文献【2 8 】研究了c r l 2 m o v 与4 0 c r 的恒温超 塑性固态焊接，4 0 c r 经8 2 0 循环淬火2 次，c r l 2 m o v 钢11 0 0 固溶后9 5 0 c 循环淬火2 次，在预压应力5 0 - - 1 0 0 m p a 、变形温度7 5 0 - 8 0 0 c 、初始应变速率1 5 x 1 0 i n 的条件 下经3 - - 5 m i n 的压接获得了较好的接头质量。整体循环淬火超细化预处理的 w 6 m 0 5 c r 4 v 2 钢与4 5 钢，在非真空、无保护气氛和真空两种试验条件下经短时压接，均 可实现接头强度大于母材4 5 钢的超塑性固态连接，其中在非真空下预压应力为8 0 - - 1 0 0 m p a ，在真空下，由于连接界面不会氧化，故预压力为1 2 2 m p a 即可f 2 列。 3 、真空扩散焊接高合金工具钢与合金结构钢能够顺利进行真空扩散焊接，并可 避免熔焊时可能出现的裂纹、夹杂及摩擦焊、爆炸焊时的大变形等缺陷。如w 1 8 c r 4 v 与4 5 钢以n i 箔作中间夹层的真空扩散焊接可取得很好效果，其工艺参数为：焊接温度 8 0 0 ；焊接压力1 m p a ；保温时间2 0 m i n ；真空度6 6 5 x 1 0 p a t 3 0 1 。文献【3 l 】报道了d t 4 0 与c r l 2 m o v 的真空扩散焊，试验结果表明，不) j h n i 过渡层时，接头抗拉强度很低，断口 为脆性断裂。加n i 过渡层能显著提高接头抗拉强度，获得能满足使用要求的接头质量。 其工艺参数为：焊接温度1 0 5 0 ；焊接压力1 5 m p a ；焊接时间1 0 m i n ：真空度6 6 7 x 1 0 。p a ； 过渡层n i 的最佳厚度为0 1 5 r a m 。 7 大连交通大学工学硕士学位论文 冷作模具钢与结构钢的焊接方法有很多种，如电子束焊、激光焊、钎焊、摩擦焊、 爆炸焊、超塑性固态焊等。这些焊接方法都不同程度的存在着焊接工艺复杂、焊接接头 缺陷较多、焊接接头强度不高等缺点。因此，我们权衡了工艺性和经济性，采用真空扩 散焊的方法来实现冷作模具钢与合金结构钢的焊接。 三、真空扩散焊接的特点 真空扩散焊接是指将被焊工件叠压在一起，置于真空气氛中加热，加热温度低于被 焊材料的熔点，并施加一定的压力以使被焊接处产生必要的塑性变形，使被焊接处的两 表面接近到原子间结合力起作用的距离之内，从而使焊接面上的原子之间产生结合力， 再经保温而形成牢固的冶金连接的一种焊接方法 3 2 3 4 1 。 ( 一) 真空扩散焊接的优点 与其他焊接方法相比较，真空扩散焊接方法具有以下一些优点： ( 1 ) 真空扩散焊接头质量好。真空扩散焊接头的显微组织和性能与母材接近或相 同，在焊接的结合面不存在各种熔化焊缺陷，也不存在具有过热组织的热影响区，其主 要工艺参数：焊接温度、焊接压力、保温时间、被焊材料表面状态和真空气氛易于控制， 即使批量生产接头质量也是稳定的。 ( 2 ) 被焊工件变形小。真空扩散焊时所施加压力较低，工件多数是整体加热，随 炉冷却，故零部件整体塑性变形很小，焊后工件一般不进行机械加工。 ( 3 ) 真空扩散焊可以焊接大断面接头。由于真空扩散焊接压力较低，在大断面接 头焊接时所需设备的吨位不高，易于实现。采用液体加压时，很容易对两板材实施叠合 焊接。 ( 4 ) 可焊接其他焊接方法难以焊接的材料。对于塑性差或熔点高的同种材料，或 对于相互不熔解或在熔焊时产生脆性金属间化合物的那些异种材料，包括某些金属与陶 瓷，真空扩散焊是唯一可靠的连接方法。 ( 5 ) 真空扩散焊接与其他热加工和热处理工艺相结合可获得较大的经济效益。例 如，将钛合金的真空扩散焊与超塑成形技术结合，可以在一个工序中制造出刚度大、质 量轻的整体钛结构件。 ( 二) 真空扩散焊接的缺点 ( 1 ) 对零件待焊表面的处理和装配的要求较高。 8 绪论 ( 2 ) 焊接热循环时间长，生产率低。在某些情况下会产生一些副作用，如母体晶 粒可能过度长大。 ( 3 ) 设备一次性投资较大，而且焊接工作的尺寸受到设备的限制3 5 1 。 真空扩散焊接与熔化焊、钎焊相比，在工艺和性能等方面的比较见表l 。 表l 不同焊接工艺方法的比较 t a b l e lt h ec o m p a r i s o no f d i f f e r e n tw e l d i n gp r o c e s s 熔化焊 钎焊 真空扩散焊 加热局部局部、整体局部、整体 温度母材熔点高于钎料的熔点母材熔点的0 5 一o 8 倍 表面准备不严格注意注意 装配不严格不严格精确 焊接材料金属合金金属、非金属金属、非金属 异种材料连接受限制无限制无限制 裂纹倾向 强弱无 气孔有有无 变形 强轻无 接头施工可行性 有限制 有限制无限制 接头强度接近母材决定于钎料强度接近母材 接头抗腐蚀性敏感 差 好 四、真空扩散焊接规范参数的选择 焊接温度、焊接压力、保温时间、焊件表面状态、保护方法、母材及中间扩散夹层 的冶金物理性能等，是影响真空扩散焊接过程及接头质量的一些主要因素，如何选择焊 接规范参数及其对焊接过程与接头质量的影响叙述如下。 ( 一) 焊接温度的选择 材料在焊接加热过程中伴随着一系列物理的、化学的、力学的和冶金方面的变化， 而这些变化都要直接或间接地影响到真空扩散焊接过程及接头质量。温度越高，金属的 塑性变形能力越好，焊接表面达到紧密接触所需的压力越小。从这方面考虑，似乎焊接 温度越高越好。但是，加热温度受到被焊材料的冶金物理特性方面的严格限制，如再结 9 大连交通大学t 学硕士学位论文 晶、低熔共晶和中间金属化合物的生成等。因此，不同材料组合的焊接温度，应根据具 体情况通过试验来选定。 从大量研究试验结果看，焊接温度大都在0 4 0 8 t m ( 母材熔化温度) 范围内，最 合适的温度一般为t = 0 7 t m 。焊接温度只能在一定的范围内提高接头的质量，过高反 而使接头强度下降，这是由于随着焊接温度的增高，母材晶粒迅速长大及其他变化的结 果。真空扩散焊接的焊接温度是一个十分关键的工艺参数。选择时可参照已有的研究试 验结果，在尽可能短的时间内，尽可能小的压力下达到完全的冶金连接，获得最好的焊 接质量，而又不损害母材的性能。 ( 二) 焊接压力的选择 焊接压力的作用是：促使焊接表面微观凸起部分产生塑性变形后达到紧密接触状态 并使界面区原子激活，界面孔洞的弥合及消除；使被焊接处的两表面接近到原子间结合 力起作用的距离之内，从而使焊接面上的原子之间产生结合力。 宏观上看起来已经十分光洁与平滑的焊接表面，微观上却是非常不平的，不平程度 决定于表面粗糙度。压力越大、温度越高，紧密接触的面积也越多。但不管压力多大， 在真空扩散焊接的第一阶段不可能使焊接表面1 0 0 的达到紧密接触的状态，总有- d , 部分演变为界面孔洞。所谓界面孔洞就是由未能达到紧密接触的凹凸不平部分交错而构 成的空洞。这些孔洞不但损害接头性能，而且还像销钉一样，阻碍着晶粒的生长和晶界 穿过界面的推移运动。在第一阶段形成的孔洞如果在第二阶段仍未能通过蠕变而弥合， 则只能依靠原子扩散来消除，这样就需要很长的时间，特别是消除那些包围在晶粒内部 的大孔洞更是十分困难。因此，在加压阶段，一定要设法使绝大部分表面达到紧密接触。 焊接压力的另一个重要作用是在焊接异种金属材料时，防止扩散孔洞的产生。异种 材料组成真空扩散焊接接头时，由于化学成分的不同，不同元素的原子具有不同的扩散 速度，扩散速度大的原子大量越过界面向另一侧金属内扩散，而反方向扩散过来的原子 数量较少，这样就造成了通过界面向其两边扩散迁移的原子数量不等，移出多于移入的 那边就出现了大量的空穴，集聚起来达到一定密度后即凝聚为孔洞，这种孔洞就是扩散 孔洞。扩散孔洞可在焊接过程中产生，也可在焊接后长期在高温下工作的过程中产生。 随着压力的增大，扩散孔洞减小。对已形成扩散孔洞的焊接接头，加压退火可有效地减 少孔洞。扩散孔洞的存在影响焊接接头的质量，特别是使焊接接头强度降低。增加压力 可减少孔洞，提高接头的强度。 1 0 绪论 ( 三) 保温时间的选择 真空扩散焊接所需要的保温时间与焊接温度、焊接压力和对接接头成分及组织均匀 化的要求密切相关。原子扩散走过的平均距离与扩散时间的平方根成正比，即抛物线定 律。因此，要求接头成分均匀化的程度越高，保温时间就将以平方的速度增长。真空扩 散焊接接头的强度与保温时间的关系是：开始焊接的最初几分钟内，接头强度随时间的 增长而增大，待6 7 分钟后，接头强度即趋于稳定，不再明显增长。接头的塑性、延 伸率和冲击韧性与保温时间的关系与此相似。实际真空扩散焊接工艺中保温时间可从几 分钟到几小时，甚至几十小时。但从提高生产率的角度考虑，保温时间越短越好。缩短 保温时间，必须相应提高温度与压力。对那些不要求成分与组织均匀化的接头，保温时 间一般只需要十几分钟到半小时。 ( 四) 焊接表面状态的加工 焊接表面状态对焊接过程及接头质量有很大的影响。焊接前必须进行精加工、磨平， 甚至抛光，还要清洗去油、去除氧化膜等。经过抛光的表面微观凹凸不平，最大可达5 0 纳米。表面质量越低，凹凸不平越严重，界面孔洞就会越多越大。因此，焊接面的加工 是一个十分重要的问题，一定要特别注意。常用的方法有： ( 1 ) 机械加工机械加工方法包括车、铣、刨、磨、抛光和钢丝刷刷等。用这些 方法加工的表面常残留有加工硬化层，硬化层内晶格畸变，晶体缺陷密度很高，使再结 晶温度和原子扩散激活能下降，可加速真空扩散焊接过程。但对某些不希望有硬化层的 情况就要避免用机械加工的办法来制备表面，或者在加工后，再经化学侵蚀与剥离，将 加工硬化层去掉。精车与磨光的表面完全可以满足真空扩散焊的要求。 ( 2 ) 化学侵蚀与剥离这种方法可有效清除氧化膜和加工硬化层，因此，常用来 做焊前的清洗手段。侵蚀与剥离的化学溶液大多用各种酸、碱来配制。要防止出现局部 侵蚀等缺陷，化学侵蚀后要反复用酒精和水清洗。 ( 3 ) 超声波清洗利用超声波振动来清洗工件已经在许多部门中应用。有试验表 明：粗车的表面经超声波清洗可使接头强度从6 0 0 - - 8 0 0 m p a 提高到8 0 0 1 0 0 0 m p a 。超 声波清洗的效果与超声波的功率及清洗的时间有关，功率越大，时间越长，清洗效果也 就越好。 ( 4 ) 去油清洗焊接面焊前都要用酒精、丙酮等化学溶剂进行去油。重要的或者 形状复杂的工件需要先用化学溶液浸渍，再用酒精和清水反复冲洗多次，以保证清洁无 油。总之，表面的制备与清洗方法很多，尽量选用无毒、效果好、成本低的方法来准备 焊接面。表面越平整、清洁，越容易进行真空扩散焊，接头强度也越高。 大连交通大学工学硕士学位论文 ( 五) 母材的物理特性的影响 焊接同种材料时，应考虑其相转变和晶体结构方面的特性。许多合金与钢一样具有 相转变。当发生相转变时，许多材料的塑性都特别好，这与再结晶时情况相似。因此， 在相变温度附近进行焊接，使焊接表面凸起处产生塑性变形所需要的压力下降很多，显 然是十分有利的。 金属原子不管是自扩散还是异扩散，在不同的晶体结构中扩散速度相差很大。例如， 铁的自扩散在体心立方晶体a f e 中比在同一温度下的面心立方晶体1 ，f e 中的扩散速度 约大1 0 0 0 倍。显然，选择在a f e 状态下进行焊接将大大缩短扩散时间。但是，除了扩 散速度外，还必须注意扩散元素在熔剂中的溶解度问题。如渗碳，碳原子在c 【f e 中的 扩散速度远大于在y f e 中的速度，而溶解度却相反。因此，渗碳只能在1 , - f e 中进行， 否则，不管碳原子在a f e 中扩散多快和扩散多长时间，碳原子在a f e 中的浓度永远不 可能提高到要求的高度1 3 6 1 。 五、本课题的立题依据与研究内容 硬度与韧性历来是冷作模具钢的一对主要矛盾，我们试图将高硬度的冷作模具钢与 高韧性的合金弹簧钢或合金结构钢制成复合冷作模具钢来解决这一矛盾。冷作模具钢种 类繁多，其中以高合金冷作模具钢及高速钢的硬度与韧性的矛盾最为突出【3 7 , - 4 0 。 高合金冷作模具钢c r l 2 m o v 及高速钢m 2 具有高的硬度和耐磨性，热处理后变形 小，承载能力高，在大中型冷作模具中得到广泛应用。这两种钢均为莱氏体钢，用于制 作大尺寸模块时，碳化物偏析十分严重，不仅会导致方向性变形还将使强韧性显著降低， 极易在热处理时发生开裂甚至断裂 4 1 - , , 4 5 】。将高合金冷作模具钢及高速钢轧成薄板可以消 除碳化物偏析，使碳化物不均匀度降至2 级以下。用此钢板与合金弹簧钢或合金结构钢 制成双金属复合模具钢可以克服上述缺点，不仅可以提高模具刃口的硬度与耐磨性以及 模具的强韧性，而且还可降低模具钢材成本。 制造双金属复合模具钢可以采用热锻轧焊、爆炸焊和真空扩散焊等固固复合方法 及离心铸造、铸轧等液固复合方法【4 6 j ，固固复合方法的性能优于液固复合方法。在固 固复合方法中又以真空扩散焊为最佳。目前，真空扩散焊的应用十分广泛，特别是在 异种材料或难焊接材料的连接上应用更加普遍。作者对不加中间层的高合金冷作模具钢 及高速钢与合金弹簧钢及合金结构钢的真空扩散焊进行了研究。 1 2 第一章试验材料与方法 第一章试验材料与方法 1 1 试验材料 试验所用材料为热轧退火状态的6 m m 厚的c r l 2 m