ASP60粉末高速鋼與W18Cr4V熱壓擴(kuò)散焊工藝與焊接性能研究

李蘇望，張乾坤，肖逸鋒，賀躍輝，陳澤民，唐俊

ASP60粉末高速鋼與W18Cr4V熱壓擴(kuò)散焊工藝與焊接性能研究

李蘇望1，張乾坤1，肖逸鋒1，賀躍輝2，陳澤民1，唐俊1

（1. 湘潭大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，湖南 湘潭 411105；2. 中南大學(xué) 粉末冶金研究院，長沙 410083）

研究采用ASP60粉末高速鋼與W18Cr4V高速鋼異種材料焊接的方式，以降低高性能粉末高速鋼材料的損耗率，提高生產(chǎn)效益，同時摸索出具有優(yōu)異接口組織和界面結(jié)合力的焊接工藝。通過單一變量的原則研究焊接溫度、壓力以及保溫時間對焊接性能的影響，同時根據(jù)各組參數(shù)下接口處的宏觀形貌、力學(xué)性能及微觀組織（SEM），分析確定出最佳的焊接工藝。當(dāng)焊接溫度為1000 ℃，焊接壓力為25 MPa，焊接保溫時間為30 min時，材料獲得最佳的焊接性能，此時材料拉伸強(qiáng)度為1157 MPa，且斷口沿W18Cr4V一側(cè)斷裂。焊接溫度、壓力以及保溫時間均對材料的焊接性能起著至關(guān)重要的作用。

熱壓擴(kuò)散焊；焊接參數(shù)；組織；拉伸強(qiáng)度

粉末高速鋼以其優(yōu)異的力學(xué)性能、組織各向同性及良好的加工性能成為當(dāng)今機(jī)械加工行業(yè)的主要用材[1—2]，據(jù)2018年中國機(jī)床工具工業(yè)協(xié)會工具分會統(tǒng)計，高速鋼刀具雖以54.40億元產(chǎn)值（占比達(dá)46.5%）成為刀具行業(yè)的中流砥柱，但其中高性能粉末高速鋼的消費占比卻不足12%，遠(yuǎn)低于美國高達(dá)50%的消費占比。一方面國外對設(shè)備、工藝、技術(shù)的重重封鎖，制約了國內(nèi)高性能和粉末高速鋼的發(fā)展與突破，另一方面市面上高性能粉末高速鋼大多來自進(jìn)口，牌號少、價格極高，動輒50~80萬/t，限制了材料的大量使用，尤其是大型粉末高速鋼拉刀、滾刀、齒輪等產(chǎn)品[3—5]。

為降低材料成本，擴(kuò)大高性能粉末高速鋼的應(yīng)用，高速鋼與低成本鋼材焊接方式的選擇、焊接過程的模擬[6—8]、工藝參數(shù)優(yōu)化以及接頭性能的表征等成為一個潛力與挑戰(zhàn)并存的課題。顧錫峰、莫勝功[9]研究了W6Mo5Cr4V2與45#鋼摩擦焊的焊接工藝及焊接效果，并指出材料焊合區(qū)組織為鍛造組織，經(jīng)過充分的塑性變形后，其微觀組織晶粒經(jīng)動態(tài)再結(jié)晶和相變重結(jié)晶獲得細(xì)晶粒組織，反而獲得了優(yōu)于母材的力學(xué)性能。朱海等[10]研究了高速鋼相變溫度下摩擦焊的可行性，結(jié)果表明，在800 ℃下接頭性能便達(dá)到了母材水平，且硬度分布較為均勻。喻紅梅等[11—13]在異種鋼材焊接工藝的研究中提出了多種異種鋼的焊接工藝，包括焊條電弧焊、閃光對焊、摩擦焊、超塑性焊接等。

為保證對焊區(qū)的組織均勻性，避免熔焊過程中由于大量液相導(dǎo)致萊氏體組織的出現(xiàn)，而引起接頭處性能的降低[14]，文中嘗試采用熱壓擴(kuò)散焊以實現(xiàn)ASP60粉末冶金高速鋼和W18Cr4V高速鋼的固相焊接，并探索其焊接工藝（溫度、壓力、時間）對材料接頭組織及性能的影響。

1 實驗

1.1 樣品處理

將ASP60粉末冶金高速鋼與商用W18Cr4V（成分見表1）采用線切割切成直徑為30 mm、厚度為20 mm的圓柱，焊接面采用400#，600#，1000#砂紙進(jìn)行打磨，并采用酒精進(jìn)行超聲波清洗5 min后烘干待用，接著將待焊接的ASP60粉末冶金高速鋼和W18Cr4V的對焊面堆疊起來放入石墨熱壓機(jī)中（如圖1所示）。焊接時，先將設(shè)備抽至低真空10 Pa，并通入氬氣，如此反復(fù)3次洗爐后全程采用氬氣保護(hù)；隨后，分別在既定的焊接工藝下進(jìn)行焊接實驗；焊接完成后，待試樣冷卻至100 ℃以下即可出爐，隨后將對焊后試樣進(jìn)行退火處理，退火工藝為：880 ℃保溫2 h，隨爐冷卻到750 ℃保溫4 h，爐冷至室溫。

1.2 測試方法

實驗采用掃描電鏡（美國FEI公司、Quanta FEG250）觀察焊縫組織，并用配套的能譜儀（美國EDAX公司）進(jìn)行成分分析（成分分析結(jié)果為3個成分測試點的平均值）。采用線切割加工切出如圖2所示的拉伸實驗條[15]（要求線切割時必須保證焊接位置處于拉伸試樣的中間位置），樣品測試前經(jīng)過1000#砂紙拋磨處理，采用電子萬能力學(xué)實驗機(jī)（美國Instron 3369）進(jìn)行拉伸強(qiáng)度測試，并以4個測試值的平均值作為材料的拉伸強(qiáng)度。

圖1 ASP60粉末高速鋼與W18Cr4V的焊接示意

表1 W18Cr4V高速鋼成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）

Tab.1 Composition of W18Cr4V Steel (mass fraction) %

圖2 拉伸實驗條示意

2 分析與討論

2.1 焊接溫度對接頭組織和性能的影響

溫度作為提高材料焊接性能的關(guān)鍵性參數(shù)，它不僅影響對焊界面處的塑性變形、擴(kuò)散系數(shù)、表面氧化物向母材內(nèi)的溶解及界面孔隙的消失過程，還影響著母材的相變[16]、析出以及再結(jié)晶過程，從而直接或間接影響到擴(kuò)散連接過程及接頭質(zhì)量。為了研究參考兩種母材的相變溫度、軟化溫度以及前期預(yù)實驗，分別在950，1000，1050 ℃這3組焊接溫度下，采用相同焊接壓強(qiáng)（25 MPa）以及相同保溫時間（40 min）進(jìn)行實驗。

相同焊接壓力（25 MPa）及保溫時間（40 min）下不同焊接溫度的接頭處SEM見圖3。可以看出，隨著焊接溫度的提高，接頭處孔洞具有先減少再增加的趨勢。根據(jù)Arrhenius公式：=0exp (?/)，其中為擴(kuò)散系數(shù)，0為頻率因子，為擴(kuò)散激活能，為氣體常數(shù)，進(jìn)行對數(shù)變化后可得：ln與1/成正比，即溫度越高，材料中原子擴(kuò)散系數(shù)越高，越有利于形成充分的冶金結(jié)合[17]。當(dāng)焊接溫度較低時（950 ℃），界面處原子擴(kuò)散系數(shù)低，材料塑性變形能力差，接頭處由磨樣產(chǎn)生的凹凸不平的孔隙無法完全消除，因此出現(xiàn)較大的孔洞；隨著焊接溫度的增加，對接材料塑性變形能力提高，配合一定壓力和適當(dāng)時間的蠕變，接頭處由最初的點接觸轉(zhuǎn)變?yōu)槊娼佑|[18]，孔隙在晶界擴(kuò)散及體擴(kuò)散過程中逐漸消失，當(dāng)對接溫度達(dá)到1050 ℃時，材料的界面處組織中反而出現(xiàn)較多黑色點狀物。經(jīng)EDS測試發(fā)現(xiàn)，黑色點狀物主要以閉合孔洞為主，同時對比950 ℃時的孔洞成分發(fā)現(xiàn)，1050 ℃下出現(xiàn)氧含量明顯偏高的現(xiàn)象（原子數(shù)分?jǐn)?shù)達(dá)到1.50%）。分析認(rèn)為在焊接過程中，由于設(shè)備的真空度有限，存在焊接界面高溫下出現(xiàn)氧化的風(fēng)險，溫度越高，界面處氧化現(xiàn)象加劇，形成氧化物夾雜，同時界面處氧化物的出現(xiàn)，降低了其晶界擴(kuò)散及體積擴(kuò)散能力，進(jìn)而表現(xiàn)為結(jié)合界面處出現(xiàn)孔隙先減少后增加的趨勢。

圖3 不同焊接溫度下（25 MPa，40 min）接頭SEM

通過焊接接口處的拉伸強(qiáng)度實驗對接口處的焊接性能進(jìn)行表征，圖4為3種焊接溫度下的拉伸性能?？梢园l(fā)現(xiàn)，隨著焊接溫度的提高，材料拉伸強(qiáng)度具有先增大后減小的趨勢，在1000 ℃時取得最大值（1127 MPa），且其拉伸斷口沿W18Cr4V一側(cè)斷裂（其他兩組為焊接界面處斷裂），因此可認(rèn)為焊接接口的強(qiáng)度已經(jīng)超過母材的強(qiáng)度；同時，對相同尺寸W18Cr4V進(jìn)行拉伸強(qiáng)度測試對比發(fā)現(xiàn)，W18Cr4V的拉伸強(qiáng)度約為（1113.2±33.4）MPa，也證實了這一推測。通過不同焊接溫度下界面處的掃描圖及拉伸強(qiáng)度曲線可以得出：隨著焊接溫度的提高，材料焊接接口處強(qiáng)度提高，但當(dāng)焊接溫度超過1000 ℃時，隨著焊接溫度的提高，雖提高了材料的塑性變形及原子的自擴(kuò)散能力，但同樣增加了母材的氧化風(fēng)險，在界面處形成難以排出的氧化物夾雜，反而降低了接口處的焊接性能。

圖4 不同焊接溫度下的拉伸性能

2.2 焊接壓力對接頭組織和性能的影響

對接壓力的大小將改變材料在高溫下的塑性變形能力，適當(dāng)?shù)膲毫ε浜峡纱龠M(jìn)對接面的貼合及蠕化過程[19]。為了研究參考兩種母材的軟化溫度、前期預(yù)實驗，以及避免焊接接口變形，分別采用20，25，30 MPa這3組焊接壓力在相同焊接溫度（1000 ℃）以及相同保溫時間（40 min）下進(jìn)行實驗。

相同焊接溫度（1000 ℃）及保溫時間（40 min）下不同焊接壓力的焊接接頭處SEM見圖5。可以看出，相同溫度及保溫時間下，材料界面處的孔隙隨焊接壓力的提升而逐漸消失，在25 MPa時即呈現(xiàn)出良好的冶金結(jié)合界面。另外注意到，當(dāng)焊接壓力達(dá)到30 MPa時，材料焊接界面出現(xiàn)嚴(yán)重扭曲變形；同樣，對焊母材的宏觀形貌也出現(xiàn)了嚴(yán)重的腰鼓狀變形。

圖5 不同焊接壓力下（1000 ℃，40 min）接頭SEM

采用接口處的拉伸強(qiáng)度對不同焊接壓力下的焊接性能進(jìn)行進(jìn)一步表征，圖6為3種焊接壓力下的拉伸強(qiáng)度曲線?？梢园l(fā)現(xiàn)，在1000 ℃、保溫40 min的工藝參數(shù)下，隨著焊接壓力的增大，材料拉伸強(qiáng)度呈線性增加，在焊接壓力為30 MPa時取得最大值，但由于較大壓力下材料宏觀及微觀形貌均出現(xiàn)較大的變形，勢必會造成對焊材料的損耗及加工成本的提高，因此，認(rèn)為當(dāng)焊接壓力25 MPa時，材料取得較好的工藝性能，且此時對接材料保形性好。

圖6 不同焊接壓力下的拉伸性能

2.3 保溫時間對接頭組織和性能的影響

在相同溫度和壓力下，對接材料中元素的自擴(kuò)散系數(shù)恒定，而保溫時間則是決定其界面處擴(kuò)散均勻化、提高材料蠕變效果的關(guān)鍵。保溫時間過長，則易導(dǎo)致材料熱影響區(qū)過大、設(shè)備能損大，甚至出現(xiàn)對接材料變形的現(xiàn)象；保溫時間過短，則易出現(xiàn)對接界面處孔洞多、難以形成充分的冶金結(jié)合，因此，恰當(dāng)?shù)暮附颖貢r間對于提高產(chǎn)品的對接質(zhì)量、生產(chǎn)效率以及降低生產(chǎn)成本起著至關(guān)重要的作用。研究通過兩種母材的焊接預(yù)實驗以及生產(chǎn)效益出發(fā)，分別采用20，40，60 min這3組焊接保溫時間，在相同焊接溫度（1000 ℃）以及相同焊接壓力（25 MPa）下進(jìn)行實驗。

相同焊接溫度（1000 ℃）及焊接壓力（25 MPa）下，不同焊接保溫時間的焊接接頭處SEM見圖7，可以看出，在相同焊接溫度及焊接壓力下，隨著保溫時間的延長，界面處孔洞逐步降低，而當(dāng)保溫溫度達(dá)到40 min以上時，界面處均呈現(xiàn)出極少的孔洞，且此時隨著溫度繼續(xù)增加，界面處孔洞量僅在極小范圍內(nèi)波動，因此認(rèn)為，隨著保溫時間的延長，接口處的焊接質(zhì)量具有迅速提升而后趨于平緩的現(xiàn)象

利用接口處的拉伸強(qiáng)度對不同保溫時間下的焊接性能進(jìn)行表征，保溫20，40，60 min下的拉伸強(qiáng)度曲線如圖8所示，可以看出隨著保溫時間的增加，試樣的最大拉伸強(qiáng)度先增加后略微降低。結(jié)合圖7可知，當(dāng)焊接保溫時間為20 min時，焊接過程中擴(kuò)散不充分（包括原子擴(kuò)散、晶界擴(kuò)散、體積擴(kuò)散等[15]），仍有大量孔洞未完全蠕化閉合，界面處冶金結(jié)合強(qiáng)度差，表現(xiàn)為在此保溫時間下出現(xiàn)拉伸強(qiáng)度明顯偏低的現(xiàn)象。

圖7 不同焊接保溫時間下（1000 ℃，25 MPa）接頭SEM

圖8 不同焊接時間下的拉伸性能

3 結(jié)論

研究采用熱壓擴(kuò)散焊對ASP60粉末冶金高速鋼和商用W18Cr4V高速鋼進(jìn)行異質(zhì)擴(kuò)散焊接實驗，分析研究了焊接溫度、焊接壓力、保溫時間對接口處焊接質(zhì)量的影響，并擇優(yōu)確定了焊接工藝：焊接溫度為1000 ℃、焊接壓力為25 MPa，焊接保溫時間為40 min。

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Welding Process and Welding Performance of ASP60 Powder Metallurgy High-Speed Steel and W18Cr4V by Hot Press Diffusion Welding

LI Su-wang1, ZHANG Qian-kun1, XIAO Yi-feng1, HE Yue-hui2, CHEN Ze-min1, TANG Jun1

(1. School of Mechanical Engineering, Xiangtan University, Xiangtan 411105, China; 2. Powder Metallurgy Research Institute, Central South University, Changsha 410083, China)

The work aims to study dissimilar material welding of ASP60 powder high-speed steel and W18Cr4V high-speed steel to reduce the loss rate of high-performance powder high-speed steel, improve production efficiency and explore welding process with excellent interface microstructure and interface bonding force at the same time. The influence of welding temperature, pressure and holding time on the welding properties were studied by the principle of single variable, and the optimal welding process was determined according to the macro morphology, mechanical properties and microstructure (SEM) of the interface under each parameters. The results showed that when the welding temperature was 1000 ℃, the welding pressure was 25 MPa and the welding holding time was 30 min, the best welding performance was obtained. At this time, the tensile strength of the material was 1157 MPa, and the fracture was broken along the W18Cr4V side. It is found that welding temperature, pressure and holding time play an important role in the welding performance of the material.

hot-pressing diffusion welding; welding parameter; microstructure; tensile strength

10.3969/j.issn.1674-6457.2021.02.004

TG457.11

A

1674-6457(2021)02-0021-06

2020-10-27

國家自然科學(xué)基金（51704257）；湖南省長沙市聯(lián)合基金（2019JJ60019）

李蘇望（1995—），男，碩士生，主要研究方向為高性能金屬材料的制備與加工。

張乾坤（1987—），男，博士，講師，主要研究方向為粉末冶金技術(shù)與超硬材料制備及加工。