CN100348763C - 相变电阻扩散焊制造无碳化物偏析高合金莱氏体钢的方法 - Google Patents

相变电阻扩散焊制造无碳化物偏析高合金莱氏体钢的方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种相变电阻扩散焊制造无碳化物偏析高合金莱氏体钢的方法，该方法是先将熔炼好的高合金莱氏体钢铸成宽高比大于6的扁锭。然后将扁锭锻、轧成厚度小于6毫米、碳化物不均匀度低于2级、最大碳化物颗粒不大于8微米的薄钢板。再根据需要，将薄钢板裁成相同尺寸的方形或圆形小块工件，清洗干净表面后，叠至所需高度，放在真空电阻扩散焊接炉中，实施相变电阻扩散焊接工艺将薄钢板工件焊接成任意规格的无碳化物偏析及粗大碳化物的高合金莱氏体钢钢棒或钢块，该高合金莱氏体钢钢棒或钢块的碳化物不均匀度低于2级，最大碳化物颗粒不大于8微米。其用作工模具钢的性能与粉末高合金钢相当，但价格低廉。

Description

相变电阻扩散焊制造无碳化物偏析高合金莱氏体钢的方法
技术领域
本发明涉及一种制造高合金莱氏体钢的方法，尤其是一种相变电阻扩散焊制造无碳化物偏析高合金莱氏体钢的方法。
背景技术
在工模具钢领域中广泛应用的高速钢及高合金冷作模具钢均为高合金莱氏体钢。莱氏体钢的特点是钢锭在凝固的最后阶段将形成集中有大量碳化物的莱氏共晶。钢的合金含量及碳含量愈高，莱氏共晶量愈多，莱氏共晶中的碳化物也愈粗大。对凝固后的钢锭进行热锻，可以打碎莱氏共晶，但不能使碳化物分布完全均匀化，也不能使碳化物细化。锻造比越大，莱氏共晶被粉碎程度越高，碳化物分布越均匀。人们用碳化物不均匀度来表示碳化物分布的不均匀程度(即碳化物偏析程度)。在生产上按碳化物分布的不均匀程度将碳化物不均匀度划分为八级，级别愈高，碳化物分布俞不均匀。碳化物分布的不均匀以及粗大碳化物的存在均将使钢的性能变坏。因此在莱氏体钢的生产过程中人们想方设法使碳化物分布均匀，使碳化物细化。
对于用铸锻工艺(即将熔炼好的高合金莱氏体钢铸成钢锭，然后锻、轧成材)生产的高合金莱氏体钢一般采用以下二种方法来减少碳化物分布的不均匀性：
1.限制合金元素与碳的含量(通常以能反映合金元素与碳含量的碳饱和度A来表示)。
如通用高速钢的碳饱和度A一般均限制在0.8左右。由于限制了合金元素与碳的含量，减少了莱氏共晶的量，这就使得碳化物不均匀度有所下降，但与此同时钢的使用性能(硬度与耐磨性等)也受到了限制，如通用高速钢淬回火后的硬度仅64±1HRC，已经不能满足当前生产的需要。
2.提高锻造比。
提高锻造比确是一种降低小规格钢材碳化物不均匀度的有效办法，但对于大规格钢材仍无能为力。因为当钢锭尺寸一定时，锻后成材尺寸越小，锻造比就越大，碳化物不均匀度也就越低；故对小规格钢材而言，碳化物不均匀度不存在问题；但是锻后成材尺寸越大，则锻造比就越小，碳化物不均匀度也就越高，不能满足性能要求。为提高大规格钢材的锻造比以降低碳化物不均匀度，就必须加大钢锭尺寸。但是，随着钢锭尺寸的加大，钢锭凝固时的冷却速度下降，使钢锭的组织变得粗大，反而加重了碳化物的偏析，故不能通过无限加大钢锭尺寸来提高锻造比以降低大规格钢材的碳化物不均匀度。因此在生产上不得不允许大规格钢材有较高的碳化物不均匀度及粗大的碳化物的存在。国家标准规定，不同规格的高速钢允许的碳化物不均匀度如下：
直径(mm)       ＜8    8～40  40～60  60～80  80～100  100～120
不均匀度(级)   2      3       4      5       6        7
当碳化物不均匀度小于2级时不仅对性能没有不良影响，还能提高钢的耐磨性，故将碳化物不均匀度小于2级时视为无碳化物偏析。
允许存在的最大的碳化物尺寸视钢种而定。如W18中允许存在的最大碳化物尺寸为20微米。
为了降低铸锻工艺生产的大规格莱氏体钢钢材的碳化物不均匀度及消除粗大碳化物，只能采取复杂的反复镦拔工艺，但效果有限，废品率高。
几十年来，人们为了解决这个问题，进行了大量工作。唯一取得生产上广泛应用的是用粉末冶金方法生产莱氏体钢，即将熔炼好的钢喷成粉末，然后通过冷等静压、热等静压、烧结、锻造等复杂工艺加工成粉末高合金钢。这类钢的特点是不存在碳化物偏析及粗大碳化物，因此可以制成大规格钢材且在成分上可以不受状态图的限制，提高合金元素及碳的含量。粉末钢的缺点是价格十分昂贵，与硬质合金相同，是通用高速钢价格的十五倍。且我国到目前为止还不能生产，全部依赖进口。故大规格无碳化物偏析高合金莱氏体钢的生产在我国还是空白，降低大规格无碳化物偏析高合金莱氏体钢的价格是全世界未解决的一个难题。
电阻焊与相变扩散焊均为成熟的焊接工艺。
通用的电阻焊在大气中进行，在未全部焊接在一起时尚未焊接的部分由于温度升高，将发生氧化，氧化形成的氧化物最终将留在焊缝中，故电阻焊焊缝的性能很差，低于与电阻焊相近的闪光焊，因此在生产上应用较少。电阻焊是利用电流通过工件时发出的焦耳热来加热工件(即所谓内热法)，由于二个焊接面之间的接触电阻大，且焊接面之间不是面接触而是点接触，故焦耳热将集中在焊接面的接触点上，接触点的温度迅速升高，发生熔化，破坏表面钝化膜，从而使焊接得以顺利进行。若电流较低，熔化区域很小，不会形成热影响区，影响焊缝组织。
扩散焊是在真空中在一定压力的作用下进行的一种焊接方法。扩散焊用的是外热源加热，扩散焊的温度远低于被焊材料的熔点，是依靠二块被焊材料的表面在压力的作用下接近到原子间距时通过原子的相互扩散而将二块金属焊接在一起。扩散焊最大的优点是焊接时不发生熔化，也不存在使焊缝性能下降的热影响区。
固态金属在发生相变时临界切应力将显著下降，非常有利于扩散焊的进行。在发生相变的温度范围内进行的扩散焊被称为相变扩散焊。金属表面必然存在的钝化膜将阻止扩散焊的进行。因此消除钝化膜是提高扩散焊效率的关键。目前扩散焊时主要通过以下二个途径来消除钝化膜：一是通过焊接面接触点在压力作用下发生的塑性变形使钝化膜破裂；二是通过钝化膜在高温真空条件下的挥发。这二个途径效率均不高，影响相变扩散焊的质量和效率。
以上所述电阻焊与相变扩散焊，均不宜单独用于制造无碳化物偏析高合金莱氏体钢，将两者结合在一起成为相变电阻扩散焊是一种新的焊接工艺，用这种新的工艺将无碳化物偏析，即碳化物不均匀度小于2级的莱氏体钢薄钢板焊接在一起制成无碳化物偏析高合金莱氏体钢，目前还没有这种生产无碳化物偏析高合金莱氏体钢的工艺。
发明内容
本发明的目的是提供一种用相变电阻扩散焊制造无碳化物偏析高合金莱氏体钢的方法，使该高合金莱氏体钢的性能与粉末高合金钢相当而价格远低于粉末高合金钢。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种相变电阻扩散焊制造无碳化物偏析高合金莱氏体钢的方法，其特征在于所述相变电阻扩散焊制造无碳化物偏析高合金莱氏体钢的方法是，首先将熔炼好的高合金莱氏体钢铸成宽高比大于6的扁锭，然后将扁锭锻、轧成厚度小于6毫米、碳化物不均匀度低于2级、最大碳化物颗粒不大于8微米的薄钢板，再根据需要，将薄钢板裁成相同尺寸的方形或圆形小块工件，清洗干净表面后，叠至所需高度，放在真空电阻扩散焊接炉中，实施相变电阻扩散焊工艺，将薄钢板工件焊接成任意规格的无碳化物偏析及粗大碳化物的高合金莱氏体钢钢棒或钢块，该高合金莱氏体钢钢棒或钢块的碳化物不均匀度低于2级，最大碳化物颗粒尺寸不大于8微米。
所述相变电阻扩散焊工艺是将电阻焊和相变扩散焊结合在一起的焊接方法，所述在真空电阻扩散焊接炉中实施相变电阻扩散焊工艺的具体过程是在装料、抽真空、用外热电源加热、升温、脱气后对薄钢板工件加压，并给以较低的内热电流(即通过工件的电流)进行电阻焊，破坏薄钢板工件表面的钝化膜，然后切断内热电源，在被焊薄钢板工件相变温度范围内，用外热电源进行相变扩散焊，将薄钢板工件焊接成钢棒或钢块。
所述电阻焊，其焊接阶段通过被焊薄钢板工件的内热电流为8-15安培/毫米2，所述电阻焊与相变扩散焊的阶段中加于薄钢板工件的压力均为20-40MPa，相变扩散焊阶段的温度区间为薄钢板工件的相变临界区，焊接成钢棒或钢块的时间为2-4小时，真空电阻扩散焊接炉中的真空度为1.33×10-2Pa(10-4托)。
采用上述技术方案后，本发明与现有技术相比具有以下有益效果：本发明相变电阻扩散焊制造无碳化物偏析高合金莱氏体钢，由于采用了成熟的电阻焊与相变电阻焊结合在一起而形成的相变电阻扩散焊接方法及廉价的铸、锻工艺制造出无碳化物偏析高合金莱氏体钢，其价格显然远低于复杂工艺加工成的粉末高合金钢。同时，目前生产上采用的生产高速钢扁锭的宽高比均小于3，本发明用相变电阻扩散焊接方法制造的无碳化物偏析高合金莱氏体钢，是采用宽高比大于6的冷却速度快的扁锭，可以细化铸态组织，保证用锻轧工艺生产的厚度在6毫米以下的高合金莱氏体钢薄钢板的碳化物不均匀度小于2级，最大碳化物颗粒不大于8微米，因此其性能与粉末高合金钢相当。本发明用相变电阻扩散焊接方法制造的无碳化物偏析高合金莱氏体钢的氧含量低于粉末高合金钢，这是因为粉末冶金工艺决定了粉末高合金钢的氧含量远高于铸锻钢，并且这种无碳化物偏析高合金莱氏体钢的碳化物的大小尺寸分配也较粉末高合金钢更为合理，故该类高合金莱氏体钢的性能在某些方面(如耐磨性)还优于粉末高合金钢，用其取代粉末钢经济效益十分巨大。
具体实施方式
本发明相变电阻扩散焊制造无碳化物偏析高合金莱氏体钢的方法是，首先将熔炼好的高合金莱氏体钢铸成宽高比大于6的扁锭，然后将扁锭锻、轧成厚度小于6毫米、碳化物不均匀度低于2级、最大碳化物颗粒不大于8微米的薄钢板，再根据需要，将薄钢板裁成相同尺寸的方形或圆形小块工件，清洗干净表面后，叠至所需高度，放在真空电阻扩散焊接炉中，实施相变电阻扩散工艺，将薄钢板工件焊接成任意规格的无碳化物偏析及粗大碳化物的高合金莱氏体钢钢棒或钢块，该高合金莱氏体钢钢棒或钢块的碳化物不均匀度低于2级，最大碳化物颗粒不大于8微米。
上述相变电阻扩散焊工艺是将电阻焊和相变扩散焊结合在一起的焊接方法，并构成一种与该方法相适应的真空电阻扩散焊接炉。所述在真空电阻扩散焊接炉中实施相变电阻扩散焊工艺的具体过程是在装料、抽真空、用外热电源加热、升温、脱气后对薄钢板工件加压，并给以较低的内热电流进行电阻焊，破坏薄钢板工件表面的钝化膜，也可以在加压前在低真空条件下通入电流，在二接触面的间隙中产生电火花将钝化膜烧掉。钝化膜被破坏后切断内热电源，在被焊薄钢板工件相变温度范围内，用外热电源进行相变扩散焊，将薄钢板工件焊接成钢棒或钢块。
对于各种不同高合金莱氏体钢的具体焊接工艺参数视钢种而定。本发明用改进的铸锻工艺生产合金与碳含量均高于通用高合金莱氏体钢的碳化物不均匀度低于2级、最大碳化物颗粒不大于8微米、厚度小于6毫米的薄钢板工件，在实施相变电阻扩散焊工艺中，所述电阻焊，其焊接阶段通过被焊薄钢板工件的内热电流为8-15安培/毫米2，所述电阻焊与相变扩散焊的阶段中加于薄钢板工件的压力均为20-40MPa，相变扩散焊的温度区间为相变临界区，焊接成钢棒或钢块的时间为2-4小时，真空电阻扩散焊接炉中的真空度为1.33×10-2Pa(10-4托)。
本发明用相变电阻扩散焊方法制造的无碳化物偏析高合金莱氏体钢，其用作工模具钢的性能与粉末高合金钢相当，但价格低廉，远低于粉末高合金钢的价格。

Claims (1)

1.一种相变电阻扩散焊制造无碳化物偏析高合金莱氏体钢的方法，其特征在于：所述相变电阻扩散焊制造无碳化物偏析高合金莱氏体钢的方法是，首先将熔炼好的高合金莱氏体钢铸成宽高比大于6的扁锭，然后将扁锭锻、轧成厚度小于6毫米、碳化物不均匀度低于2级、最大碳化物颗粒不大于8微米的薄钢板，再根据需要，将薄钢板裁成相同尺寸的方形或圆形小块工件，清洗干净表面后，叠至所需高度，放在真空电阻扩散焊接炉中，实施相变电阻扩散焊工艺，相变电阻扩散焊工艺是将电阻焊和相变扩散焊结合在一起的焊接方法，具体过程为：在装料、抽真空、用外热电源加热、升温、脱气后对薄钢板工件加压，并给以较低的内热电流进行电阻焊，破坏薄钢板工件表面的钝化膜，然后切断内热电源，在被焊薄钢板工件相变温度范围内，用外热电源进行相变扩散焊，将薄钢板工件焊接成任意规格的无碳化物偏析及粗大碳化物的高合金莱氏体钢钢棒或钢块，该高合金莱氏体钢钢棒或钢块的碳化物不均匀度低于2级，最大碳化物颗粒不大于8微米；所述电阻焊，其焊接阶段通过被焊薄钢板工件的内热电流为8-15安培/毫米2，所述电阻焊与相变扩散焊的阶段中加于薄钢板工件的压力均为20-40Mpa，相变扩散焊阶段的温度区间为被焊材料的相变临界区，焊接成钢棒或钢块的时间为2-4小时，真空电阻扩散焊接炉中的真空度为1.33×10-2Pa。
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Open date: 20050914

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