CN108067847B - 一种机械刀片的超塑性无氧化加热半钎焊镶钢方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种机械刀片的超塑性无氧化加热半钎焊镶钢方法，属于机械刀片加工领域。本发明的一种机械刀片的超塑性无氧化加热半钎焊镶钢方法，其主要改进在于在高合金钢刃钢与刀体之间填充混合粉料，然后采用氩弧焊方式把包括Cu、Ni、Cr、Fe的混合粉料封闭在高合金钢刃钢与刀体之间，然后加热，混合粉料形成液固并存Cu‑Ni合金后进行热轧焊接。由于焊接时固溶合金介质既是焊料，又对结合面原子具有激活作用；焊接后焊缝固溶合金无化合物脆性相，具有高强度和高蠕变抗力，避免了焊接过程中存在的各种缺陷，提高了焊接成品率。

Description

一种机械刀片的超塑性无氧化加热半钎焊镶钢方法

技术领域

本发明涉及机械刀片制备技术领域，更具体地说，涉及一种机械刀片的超塑性无氧化加热半钎焊镶钢方法。

背景技术

目前，国内外高合金刃钢镶钢机械刀片的焊接镶钢工艺有两种，其一是热轧镶钢工艺，其二是Cu钎焊镶钢工艺。两种方法利弊分析如下：

热轧镶钢焊接强度高，但是，由于加热始轧温度过高，往往高于刃钢热加工规定温度约100℃或更高，高温热轧方法对于高合金钢镶钢，是在不安全温度区进行，不仅烧伤刃钢比例大，加热过程含Cr量高的刃钢还容易产生内氧化，而且，过大的压轧比也易从碳化物偏析处形成内裂纹，所以，氧化、烧伤、过烧、轧裂等问题不断，废品很大，已成为技术难题和生产瓶颈。更重要的问题是现在的普遍采用的无氧化焊接镶钢方法必须采用大功率轧机，电力、加热炉、技术人员都是问题。

Cu钎焊镶钢虽然有利于提高刃钢热处理质量，但是焊接强度低，蠕变抗力也小，不适应用于复杂受力的机械刀片。很多情况下，即使达到使用的强度，用户在与热轧镶钢产品进行比较时，也会选择热轧镶钢产品。

关于超塑性无氧化焊接镶钢的方法，现有技术中已有相关方案公开，如中国专利申请号：201110322277.2，申请日：2013年7月31日，发明创造名称为：机械刀片的超塑性无氧化焊接镶钢的方法，该申请案公开了一种机械刀片的超塑性无氧化焊接镶钢的方法。它包括如下步骤：首先，用氩弧焊沿着高合金钢刃钢与低碳钢刀体的结合面边界焊接封闭使之无继续氧化；其次，在高合金钢刃钢的相变温度附近循环加热使刃钢和刀体达到超细等轴晶组织；然后，用非真空保温辊压力机设备，以波动应变方式及微小应变速率实现超塑性无氧化固相焊接；最后，刀坯进入高温炉加热后，进行高温成型压轧及焊接扩散，轧后堆冷。该方案利用循环加热使刃钢和刀体达到超细等轴晶组织，最后实现超塑性无氧化固相焊接，虽然能够避免产生内氧化，但在压轧过程中易从碳化物偏析处形成内裂纹，废品率偏高的问题难以解决。

发明内容

1.发明要解决的技术问题

本发明的目的在于克服现有技术中由于轧裂、氧化等原因导致废品率高的不足，提供了一种机械刀片的超塑性无氧化加热半钎焊镶钢方法，本发明把热轧镶钢与钎焊工艺结合，焊接时固溶合金介质既是焊料，又对结合面原子具有激活作用；焊接后焊缝固溶合金无化合物脆性相，具有高强度和高蠕变抗力，避免了焊接过程中存在的各种缺陷，提高了焊接成品率。2.技术方案

为达到上述目的，本发明提供的技术方案为：

本发明的一种机械刀片的超塑性无氧化加热半钎焊镶钢方法，首先，在刀体与高合金刃钢之间填充混合粉料，然后采用氩弧焊方式把包括Cu、Ni、Cr、Fe的混合粉料封闭在刀体与高合金刃钢之间，然后加热，混合粉料形成液固并存Cu-Ni合金后进行热轧焊接。

作为本发明更进一步的改进，填充混合粉料的工艺过程为：

1)、在刀体上开槽，该槽体能够与高合金刃钢配合；

2)、在槽体内刷涂铜钎混合粉料，使混合粉料均匀分布；

3)把高合金刃钢放入所开设槽体内，并把刀体与高合金刃钢绑缚固定；

作为本发明更进一步的改进，所述的混合粉料中各组分的摩尔量占比为：Cu：2～4份；Ni：1.6～2.4份；Cr：0.8～1.4份；Fe：3～5份。并且Cu与Ni占混合粉料摩尔总量的0.46～0.54。

作为本发明更进一步的改进，所述混合粉料中物料的粒度不小于200目，纯度不小于99.5％。纯度的提高，粉末更细，减少粉料堆积时存在的间隙，降低气体对焊接的影响。

作为本发明更进一步的改进，加热时，在加热炉中把升温至1190-1250℃，保温透烧20-30分钟，然后降温至1150-1180℃，使固相占比70％-80％开始热轧，压力机施压温度至900-880℃。

本发明以Cu、Ni、Cr、Fe混合粉焊料氩弧焊封闭与刃钢与高合金刃钢之间，在普通加热炉中无氧化加热；混合粉配比决定液固相比例，保证在1200℃左右加热时，Cu-Ni互相完全互溶，1150-1180℃开始热轧时液相为10％-20％，固相70％-80％；随着热轧温度下降，1050℃以下，全部焊料固体化；那么，低合金钢在其后的退火、淬火、回火温度下焊缝不熔化，不开裂。其焊接过程是半钎焊，焊料也是超塑性的，所以，压力和形变比可以小，小功率轧机可行，采用摩擦压力机或滚道校直机也可能实现。

本发明把混合粉料均匀敷设于槽体底部，扣上刃钢，用氩弧焊封闭与刃钢与高合金刃钢之间；进入高温炉加热，加热到1220℃左右后保温透烧20-30分钟，焊接后焊缝厚度0.1-0.15mm。压力机施压温度至900℃-880℃。焊缝组织为白铜，与钢的铁素体一样，强度基本与不锈钢相当。

3.有益效果

采用本发明提供的技术方案，与现有技术相比，具有如下有益效果：

本发明的焊接加热过程于1080℃始Cu熔化Ni进入形成液固相并存Cu-Ni合金，并溶解少量Fe和Cr,随加热温度升高，合金熔点自动升高，固相合金颗粒数量自动增多。热轧焊接时含有少量液相的固溶体合金，具有超塑性形变能力，可以降低加热和始轧温度100℃以上，并减小压轧变形比，保证了焊接强度和刃钢质量。该方法可调节液固相并存温度，以适应不同刃钢机械刀片的高温淬火工艺。焊接时固溶合金介质既是焊料，又对结合面原子具有激活作用；焊接后焊缝固溶合金无化合物脆性相，具有高强度和高蠕变抗力，其剪切强度大于300MPa。

附图说明

图1为刀体与高合金刃钢的焊接结构示意图。

示意图中的标号说明：1、刀体；2、高合金刃钢；3、焊缝。

具体实施方式

为进一步了解本发明的内容，结合附图和实施例对本发明作详细描述。

结合图1，本实施例的一种机械刀片的超塑性无氧化加热半钎焊镶钢方法，在具体操作时，首先，在刀体1与高合金刃钢2之间填充混合粉料，然后采用氩弧焊方式把包括Cu、Ni、Cr、Fe的混合粉料封闭在刀体与高合金刃钢之间，然后加热，混合粉料形成液固并存Cu-Ni合金后进行热轧焊接，形成焊缝3，经过加工处理后形成刀具。

其中，填充混合粉料的工艺过程为：

1)、在刀体1上开槽，该槽体能够与高合金刃钢2配合；所谓的配合是指高合金刃钢能够放置在槽体内，槽体可以是半开口结构，或者是矩形槽体。槽体与高合金刃钢配合时，槽体侧壁与高合金刃钢之间缝隙内填充混合粉料，粉料能够与其两侧壁接触，对高合金刃钢的焊接固定强度更好。

但如果只是为了超塑性无氧化焊接，则考虑尽可能裸露高合金刃钢的侧壁，即不存在形成间隙，避免增加无氧化焊接的难度。而由于填充有混合粉料，在无氧化焊接时降低了焊料也是超塑性的，所采用的槽体能够增加焊接强度，而且便于粉料的填充，缺之不可。

2)、在槽体内刷涂铜钎焊料，使焊料均匀分布；该铜钎混合粉料作为焊料使用，在槽体底面涂刷混合粉料，并在缝隙内填充混合粉料，以便混合粉料在焊接时能够充分返回其作用。

混合粉料中物料的粒度不小于200目，纯度不小于99.5％。

3)、把高合金刃钢放入所开设槽体内，并把刀体与高合金刃钢绑缚固定；如果不绑缚，在运输过程中，高合金刃钢容易相对刀体滑动，导致定位不准，无法完成焊接。此外，由于多个刀体同时焊接，还可在刀体未开槽的一侧图上石灰粉，防止相互之间黏连。

对于具体的刀具加工，由于其刀体上开设有安装槽，在进行淬火处理时，需要用盖板将安装槽密封。因为在使用时，刃钢需要较高的强度，而到底的安装部分对强度要求并不高，如果一起进行淬火，使用时由于刀具受力过大，安装槽体部分容易开裂。而采用密封保护后，则能够防止安装槽被淬火，保持其韧性，降低了开裂现象的发生。

具体地，所采用高合金刃钢中各组分重量百分含量的化学元素组成：C：0.62～0.70％，Si：0.48～0.60％，Mn：0.28～0.36％，Cr：6.0～6.8％，W：1.6～2.5％，Mo：4.2～5.2％，V：0.78～0.95％，Nb：0.1～0.2％，Co：0.6～0.8％，S≤0.03％，P≤0.003％，其余为Fe。其中Cr、Mo的含量之和为总重量的10.8％～11.4％。在回火处理时，需要多次回火，第一次回火时温度为545℃，保温3小时后空冷，检测HRC硬度达70～72；第二次回火时温度为545℃，保温3h后空冷，检测HRC硬度达67～68；第三次回火时温度为545℃，保温3h后空冷，检测HRC硬度达64～66。对热处理后的工件进行精加工和磨削处理，然后进行第四次回火，回火时温度为540℃，回火后HRC硬度64～66。

钼(Mo)能够提高钢的抗回火性和回火稳定性，使零件可以在较高温度下回火，并能够增加对开裂、磨损的抗力。铬(Gr)能增加钢的淬透性并有二次硬化作用，可提高钢的硬度和耐磨性而不使钢变脆；在多次回火过程中，Cr与Mo的含量之和为6.2～6.5％，铬与钼的共同作用使模具钢的淬火硬度以较小的值变化。该变化与回火的次数与回火温度相关，如果只是在该温度范围内，次数不足或者是时间太短，都容易导致回火不充分，一方面是应力没有充分消除，另一方面导致硬度不合格。

实施例1

在刀体上开槽，在槽体内刷涂铜钎混合粉料，使混合粉料均匀分布，按照摩尔量，混合粉料包括3份Cu、2份Ni、1份Cr和4份Fe，然后采用氩弧焊方式把包括Cu、Ni、Cr、Fe的混合粉料封闭在刀体与高合金刃钢之间，然后加热。加热时，在加热炉中把温度升至1195℃左右，保温透烧28分钟，然后降温至1160℃左右，混合粉料形成液固并存Cu-Ni合金，使固相占比70％-80％开始热轧，燃后进行热轧焊接，热轧时压力机施压温度至880-900℃。焊接后进行退火、淬火、回火处理。

实施例2

在刀体上开槽，在槽体内刷涂铜钎混合粉料，使混合粉料均匀分布，按照摩尔量，混合粉料包括3.2份Cu、2.1份Ni、1.1份Cr和4.3份Fe，然后采用氩弧焊方式把包括Cu、Ni、Cr、Fe的混合粉料封闭在刀体与高合金刃钢之间，然后加热。加热时，在加热炉中把温度升至1200℃左右，保温透烧25分钟，然后降温至1150℃左右，混合粉料形成液固并存Cu-Ni合金，使固相占比74％-76％开始热轧，燃后进行热轧焊接，热轧时压力机施压温度至880-900℃。焊接后进行退火、淬火、回火处理。

实施例3

在刀体上开槽，在槽体内刷涂铜钎混合粉料，使混合粉料均匀分布，按照摩尔量，混合粉料包括3.8份Cu、2.5份Ni、1.4份Cr和5份Fe，然后采用氩弧焊方式把包括Cu、Ni、Cr、Fe的混合粉料封闭在刀体与高合金刃钢之间，然后加热。加热时，在加热炉中把温度升至1240℃左右，保温透烧20分钟，然后降温至1160℃左右，混合粉料形成液固并存Cu-Ni合金，使固相占比74％-76％开始热轧，燃后进行热轧焊接，热轧时压力机施压温度至880-900℃。焊接后进行退火、淬火、回火处理。

对比例1

先用氩弧焊沿着高合金钢刃钢与Q235低碳钢刀体的结合面边界焊接封闭使之无继续氧化，其次，在高合金钢刃钢的α→γ相变温度附近循环加热使刃钢和刀体达到超细等轴晶组织，其工艺技术条件为：(1)在箱式空气介质炉升温至840℃保温后再降温至700℃保温20分钟，循环2～4次；(2)高合金刃钢晶粒度1μm～5μm，Q235钢刀体晶粒度＜10μm，达到超塑性变形的显微组织条件；然后，用非真空保温辊压力机设备，以波动应变方式及微小应变速率实现超塑性无氧化固相焊接，其工艺条件为：(1)往返进给通过压力辊施压1min～5min；(2)应变速率＜10-3/sec，压下量以仪表控制；(3)保温滑道温度450℃～550℃，刀片坯料温度780℃～840℃，实现超塑性无氧化焊接。最后，刀坯进入高温炉加热后，进行高温成型压轧及焊接扩散，其工艺条件为：

(1)加热温度＜1150℃，始轧温度1050℃～1080℃；

(2)三道次压轧，单道次压下量＜0.08，总压下量＜0.20；

(3)终轧温度＞880℃，轧后喷水冷却，刀坯表面冷至750℃后堆冷。

对比例2

采用对比例1的方案，并在高合金钢刃钢上开设实施例1～3中的槽体，并在槽体中按照实施例1中的方案填充混合粉末，安装固定刀体后，按照对比例1中的工艺进行焊接。

将实施例1-3与对比例1-2中的刀坯进行机加工处理，然后开刃，对比例2中所生产刀具存在明显开裂现象，主要是因为其温度条件不适于混合粉料的加工条件。然后对实施例1-3中的刀具与对比例1中的刀具进行大量对比，发现实施例1-3中虽然也有废品产生，但是其废品率相对于对比例1可降低近40％，相对于普通的热轧镶钢焊接废品率下降近70％，效果有明显改善。

以上示意性的对本发明及其实施方式进行了描述，该描述没有限制性，附图中所示的也只是本发明的实施方式之一，实际的结构并不局限于此。所以，如果本领域的普通技术人员受其启示，在不脱离本发明创造宗旨的情况下，不经创造性的设计出与该技术方案相似的结构方式及实施例，均应属于本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种机械刀片的超塑性无氧化加热半钎焊镶钢方法，其特征在于：首先，在刀体与高合金刃钢之间填充混合粉料，然后采用氩弧焊方式把包括Cu、Ni、Cr、Fe的混合粉料封闭在刀体与高合金刃钢之间，所述的混合粉料中各组分的摩尔量占比为：Cu：2～4份；Ni：1.6～2.4份；Cr：0.8～1.4份；Fe：3～5份；然后加热，混合粉料形成液固并存Cu-Ni合金后进行热轧焊接，加热时，在加热炉中升温至1190-1250℃，保温透烧20-30分钟，然后降温至1150-1180℃，使固相占比70％-80％开始热轧，压力机施压温度至880-900℃。

2.根据权利要求1所述的一种机械刀片的超塑性无氧化加热半钎焊镶钢方法，其特征在于：填充混合粉料的工艺过程为：

1)、在刀体上开槽，该槽体能够与高合金刃钢配合；

2)、在槽体内刷涂铜钎混合粉料，使混合粉料均匀分布；

3)、把高合金刃钢放入所开设槽体内，并把刀体与高合金刃钢绑缚固定。

3.根据权利要求2所述的一种机械刀片的超塑性无氧化加热半钎焊镶钢方法，其特征在于：Cu与Ni占混合粉料摩尔总量的0.46～0.54。

4.根据权利要求2所述的一种机械刀片的超塑性无氧化加热半钎焊镶钢方法，其特征在于：所述混合粉料中物料的粒度不小于200目，纯度不小于99.5％。

5.根据权利要求1至4任一项所述的一种机械刀片的超塑性无氧化加热半钎焊镶钢方法，其特征在于：焊接后进行退火、淬火、回火处理。