CN105209214A - 通过扩散焊接接合两种材料的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种通过扩散焊接接合第一(1)和第二(2)材料的方法，其中，在接合过程中，将第三材料(3)放置在第一(1)与第二(2)材料之间。

Description

通过扩散焊接接合两种材料的方法
技术领域
本发明提出了一种通过扩散焊接或热等静压接合两种材料的方法。
背景技术
通过扩散焊接和热等静压接合两种材料的方法是已知的。
发明内容
本发明的一个目的是提供一种通过扩散焊接或热等静压接合两种材料的经过改进的方法。当形成需要在很长一段时间承受高负荷的高质量部件时，诸如形成轴承或压制工具等时，通过扩散焊接或热等静压接合两种材料的已知方法在材料彼此接合的过渡区域中对产生薄弱区域敏感。在材料之间可能有碳势，即，两种接合材料中的一种材料在接合过程中可能获得碳，而另一种材料可能失去碳。在规定的条件下，碳势由含有活性炭以改变或保持钢的碳水平的环境的能力来说明。在任何特定的环境中，所达到的碳水平将取决于这些因素，如温度、时间以及钢的成分。因此，碳势在例如两材料之间的碳活性是不同的。因此，如果碳活性不同，即，当碳势不为零时，碳将从一种材料扩散到另一种材料。在随后的热处理过程中，两种材料中的碳梯度可能导致弱脆相。具有诸如渗碳体网状物或复合金属碳化物的较大碎片的弱脆微观结构的过渡区域可以显著降低两种接合材料中的任一种或两种的强度。通过选择两接合材料的合金含量和/或采用工艺温度，材料之间的碳的扩散率可以降低。因此，两种合金的硬化性质在很大程度上被保存，并且围绕过渡区域的体积不会有大量的弱脆相。对于过渡区域，两种材料一直保持其能力和微观结构。过渡区域的尺寸减小，并且材料的脆性等的潜在问题减少。发明人已经认识到，可能有利于彼此接合的某些材料仍具有较高的碳势，即使合金含量和温度适于减少这种差异。例如在接合不同质量的材料，诸如在将廉价的铸铁或具有高的含碳量的铸钢与具有较低的碳含量的高清洁度钢接合的情况下。
本发明的目的通过提供一种通过扩散焊接接合第一材料和第二材料的方法来实现，其中，在接合过程中，第三材料放置在第一材料与第二材料之间。通过提供中间材料可以防止的是，具有高碳势的第一材料和第二材料彼此反应并在基本上高于或低于第一和第二材料的含量的过渡区域中创建碳含量。碳含量是指在该材料中的平均值。碳含量可以自然发生变化，并且有局部变化，但含义是指该材料的整体平均值。碳含量将沿接合材料的横截面来测量，该横截面垂直于材料接合的表面来截取。照此说，要接合的表面不必是平的，因为圆形的表面也有垂直的方向。由于接合过程可以在材料中观察，所以过渡区域是碳含量变化的区域。如果碳含量不高于第一和第二材料中的碳含量，这表明碳没有反应以形成硬且脆的渗碳体或者复合金属或铁碳化物。代替地，碳以受控的方式扩散到第三材料中。因此，过渡区域的强度得到保证。
现在将介绍根据本发明的轴承接合方法的示例性和优选的实施例。
在该方法的一实施例中，第三材料是低碳钢。在另一实施例中，低碳钢具有按重量小于0.3％(wt％)的碳含量，但其很容易低至0.05wt％和高达0.6wt％。在另一实施例中，低碳钢是铁素体钢。通过具有非常低的碳含量的材料，该材料将吸引来自第一和第二材料中的碳，慢慢地使第一与第二材料之间的碳含量的差值趋于平衡，这是因为第一和第二材料中的碳含量高于低铁素体钢。以这种方式进行工艺控制，使得不会产生弱脆渗碳体或其它有害的复合碳化物，并且过渡区域的强度进一步得到保证。在该方法的另一实施例中，第三材料是金属片。这种方式其可以很容易地形成以封装和邻接第一和第二材料。在该方法的另一实施例中，第三材料的厚度为0.5-10mm。该厚度相对于工艺的温度和时间来选择，以这样的方式，使得受到最高应力的材料既不会富含碳也不会显著地损耗碳。圈芯材料允许稍微地损耗碳，而过渡材料富含碳，允许其在以下的硬化操作中至少部分地具有马氏体结构。在另一实施例中，第三材料还包含氮。这是为了防止氮从第一材料扩散，从而影响其的材料特性。在另一实施例中，若干中间材料放置在第一和第二材料之间，以允许碳以受控和最佳的方式扩散。
在该方法的一实施例中，第一和第二材料在接合温度呈现碳势。当通过扩散焊接接合两种材料时，如果这两种材料没有碳势，即，材料具有大致相同的碳活性，则有利于防止碳从一种材料扩散到另一种材料。在某些情况下，有可能通过改变相对于彼此的碳含量和/或改变接合温度来寻找材料之间的共同的碳活性。在某些情况下，不可能找到共同的碳活性，这可能是因为由于生产经济的原因不可能改变温度，接合的材料的质量是特定的，从而不能修改它们的碳含量。还可能是因为其根本不可能找到一个共同的碳活性，即使尝试了上面的方法，例如，某些铸铁和高清洁度轴承钢。特别地，在这种情况下，包括第三材料的该创造性的方法适用性良好。
在该方法的一实施例中，第一材料是高清洁度钢，诸如轴承或工具钢。特别感兴趣的是耐腐蚀和/或耐磨钢。在一实施例中，其是M50钢。在另一实施例中是M50NIL钢。在另一实施例中，其是ISO683-17：1999(E)的第9-10页所示的传统的轴承钢中的任一个。满足轴承部件的钢清洁度和硬度要求的任何其它钢均可以使用，例如不锈工具钢。在另一实施例中，所使用的材料是马氏体系可硬化不锈N合金钢，诸如XD15NW或由良好的钢洁净度制成的其他不锈马氏体可硬化钢。然而，本发明不限于这些钢。例如，使用这些类型的钢的好处在于，包括该材料的部分将非常耐磨损和耐腐蚀。因此，有利地，高清洁度钢位于部件的高应力区域周围，例如围绕轴承圈的滚道或轴承滚子的滚动表面。例如，还可以位于轴承部件的任何其它部分或区域或凸缘，或者凸缘、滚道以及滚动表面的组合。
在该方法的一实施例中，第二种材料(2)是铸铁。在另一实施例中，第二材料是具有碳含量至少2％的铸铁。铸铁通常包括2.1-4％之间的碳。在该方法的另一实施例中，第二材料(2)是铸钢。在另一实施例中，第二材料是碳含量为0.5wt％或碳含量为更少的铸钢，但其可能是高达2wt％。这些材料通常比高清洁度钢更便宜，因此优选的是，组件的主要部分可以由铸铁或铸钢制成，之后，更昂贵的高清洁度钢可以应用在需要它的最关键区域。在另一实施例中，要接合的材料的铸铁/钢的部分由铸造形成。这比传统的其它成型方法更便宜，但是当然也可通过滚压或锻造或任何其它热或冷加工方法来制造。这部分可以是部件的主要部分，例如在轴承的例子中，其可以是滚子的中心部分，或者圈部分，其不构成承受重负载的部分，如滚道或凸缘。
在该方法的一实施例中，该方法是通过热等静压来完成的。这包括以下步骤：在特定的压力、时间和温度的情况下，加热抵靠彼此挤压的材料，从而使材料扩散到彼此。在该方法的一实施例中，接合的温度是1000至1300摄氏度(℃)。在该方法的另一实施例中，接合的温度是1100至1200℃。在该方法的另一实施例中，接合温度是1140至1160℃，优选的是1150℃。但例如也可能是1145至1155℃。在该方法的一实施例中，压力是80-310MPa。在该方法的一实施例中，接合时间在2至4小时之间。这是通常的时间。根据部件的厚度，可以需要更短或更长的时间，诸如1-6小时。
在该方法的一实施例中，在加热之前，第一和第二材料中的至少一个是粉末形式。在另一实施例中，其在加热之前是粉末形式的高清洁度钢。在该方法的另一实施例中，在接合过程中，金属片用于封装粉末。随后，移除金属片。用作该实施例中的一示例的金属片可以替换成本领域技术人员公知的任何其它合适的材料。
在该方法的一实施例中，该方法用于形成机械部件。在另一实施例中，该方法用于形成工具，诸如，压制工具。在另一实施例中，该方法用于形成轴承部件，其中该轴承部件是内圈、外圈，或轴承滚子中的任一个。
在该方法的一实施例中，在接合温度，材料(1，2，3)呈现朝向彼此的碳势。这就是需要第三材料的原因，并且这是第一和第二材料以受控的方式将碳扩散到第三材料中的原因。
附图说明
现在，参照所附附图，将更加详细地描述示例性实施例，以及本发明有助于防止的不希望的特征的示例，其中
图1a示出了通过根据本发明的方法制成的轴承圈的横截面。
图1b示出了通过根据本发明的方法制成的轴承的滚子的横截面图。
图2是示出根据本发明的扩散到第三种材料中的两种材料的碳含量的曲线图。
图3是示出不希望的碳含量变化的曲线图。
图4是示出在图3中的不希望的碳含量变化期间相碎片的曲线图。
在图形和曲线图中，附图呈现了本发明的示例，以及本发明有助于防止的不希望的特征。这些均是示例性实施例，因此均未按比例绘制。甚至某些细节和特征可以放大以便更好地解释本发明。本发明并不限于本文所描述的实施例和附图。
具体实施方式
图1a示出了通过根据本发明的方法接合的轴承部件6的横截面，轴承部件6是圈。该轴承圈包括第一材料1和第二材料2，其中扩散焊接工艺发生在第一材料1与第二材料2材料之间，第三材料3位于此处。该图示出了轴承圈，其中材料沿部件的整个宽度对齐，但其也可以是仅施加在部件的选定部分上的一种材料，例如轨道或凸缘(在图中未示出)。
图1b示出了通过根据本发明的方法接合的轴承部件6的横截面，该轴承部件6是滚子。该滚子包括第一材料1和第二材料2，其中扩散焊接工艺发生在第一材料1与第二材料2材料之间，第三材料3位于此处。该图示出了滚子，其中材料沿部件的整个宽度对齐，但其也可以是仅施加在部件的选定部分上的一种材料，例如主要的滚动表面或滚子的边缘处等。
图2示出了根据本发明的希望的碳含量变化的曲线图。随着接合过程进行1t，2t和3t，当从第一材料1和第二材料2扩散到第三材料3中的碳越来越多时，由于接合过程的碳含量变化可以在曲线图中观察，最多的扩散从富含碳的第二材料2中发生。在该示例中，第一材料1和第二材料2的碳含量几乎分别是1wt％和3wt％。此处可以清楚地看到，碳含量在任何点不会急剧地增加，这表明碳没有形成渗碳体也没有形成更复杂的碳化物，其与周围的结构相比可能是更大的，例如马氏体结构，因此通常比周围的材料更弱。这在诸如高质量轴承部件的高性能机械部件中是不能接受的。在该图中仅示出了在要接合的材料1与2之间的一种材料3。也可以有本领域普通技术人员公知的若干层合适的材料，以根据本文所述的本发明方法的原理来实现的结果。在该曲线图中没有指定x轴的距离单元，因为其功能更像用放大的比例来描述原理的示例，但在此处其会发生的典型距离距要接合的部件表面，例如距轴承座圈是5-20mm，并且第三材料的典型厚度通常是毫米量级的0.5至5毫米。也可以使用其它厚度。
图3是示出碳含量中不希望的峰值5的曲线图。碳已经明显地从一种材料移动到另一种材料中。在是轴承座圈的情况下，在距要接合的材料的表面20mm的深度碳几乎达到5wt％的位置，其碳含量明显超过碳含量为3.5wt％的其中一种材料。该曲线是非线性的。碳含量将沿接合材料的横截面来测量，该横截面垂直于两种材料接合的表面来截取。照此说，要接合的表面不必是平的，因为圆形的表面也有垂直方向。由于扩散焊接工艺，该图中还示出了过渡区域4，在该区域中可以测量碳含量的变化。
图4是曲线图，其示出在来自于图3的碳含量中的不希望的峰值(图3中的5)变化期间的相碎片。从以工艺温度的模拟中可以清楚地看出，以非线性方式超出其中一种材料的碳含量的碳含量增加已经导致这样一个区域，其中同时随着较大碎片的弱脆微观结构相，诸如渗碳体(cem)网状物或者其它复合金属碳化物已经形成，奥氏体(fcc)微观结构急剧增加。在距轴承部件的表面20mm深度处，两微观结构占总体微观结构的大约10％至大约90％。这可以显著降低两种接合材料中的任一种或两种的强度。这样在接合期间，渗碳体结构不一定必须发生，但在随后的热处理过程中，较高水平的碳含量可反应并形成一种弱脆渗碳相。在距轴承部件的表面21mm的深度处，可以看到的是处于工艺温度的材料的正常面碎片在很大程度上再次包括渗碳体和奥氏体铸铁。

Claims (17)

1.一种通过扩散焊接接合第一材料(1)和第二材料(2)的方法，
其中，在所述接合过程中，第三材料(3)放置在所述第一材料(1)与所述第二材料(2)之间。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述第三材料(3)是低碳钢。
3.根据权利要求2所述的方法，其中，所述第三材料(3)是具有碳含量低于0.3％的低碳钢。
4.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，所述第三材料(3)是铁素体钢。
5.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，所述第三材料(3)是金属片。
6.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，所述第三材料(3)的厚度是0.5-10mm。
7.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，所述第一材料(1)和所述第二材料(2)在接合温度呈现碳势。
8.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，所述第一材料(1)是高清洁度钢。
9.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，所述第一材料(1)是下述中的任一个：
M50,
M50NIL，
XD15NW，
在ISO683-17:1999(E)第9-10页所示的轴承钢，
不锈工具钢，
适于马氏体硬化的不锈钢，
适于马氏体硬化的N合金不锈钢，
适于表面富集和马氏体硬化的不锈钢。
10.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，所述第二材料(2)是铸铁。
11.根据权利要求10所述的方法，其中，所述第二材料(2)是碳含量至少为2wt％的铸铁。
12.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，所述第二材料(2)是铸钢。
13.根据权利要求12所述的方法，其中，所述第二材料(2)是碳含量为0.5wt％或更少的铸钢。
14.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，所述方法通过热等静压来实现。
15.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，在加热之前，所述第一材料(1)和所述第二材料(2)中的至少一个是粉末形式。
16.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，所述方法用于形成机械部件。
17.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，所述方法用于形成轴承部件(6)，其中所述轴承部件(6)是以下任何一个：
轴承内圈，或者
轴承外圈，或者
滚子轴承的滚子。
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