專利名稱：相變電阻擴散焊制造無碳化物偏析高合金萊氏體鋼的方法
技術領域：
本發明涉及一種制造高合金萊氏體鋼的方法，尤其是一種相變電阻擴散焊制造無碳化物偏析高合金萊氏體鋼的方法。
背景技術：
在工模具鋼領域中廣泛應用的高速鋼及高合金冷作模具鋼均為高合金萊氏體鋼。萊氏體鋼的特點是鋼錠在凝固的最后階段將形成集中有大量碳化物的萊氏共晶。鋼的合金含量及碳含量愈高，萊氏共晶量愈多，萊氏共晶中的碳化物也愈粗大。對凝固后的鋼錠進行熱鍛，可以打碎萊氏共晶，但不能使碳化物分布完全均勻化，也不能使碳化物細化。鍛造比越大，萊氏共晶被粉碎程度越高，碳化物分布越均勻。人們用碳化物不均勻度來表示碳化物分布的不均勻程度(即碳化物偏析程度)。在生產上按碳化物分布的不均勻程度將碳化物不均勻度劃分為八級，級別愈高，碳化物分布俞不均勻。碳化物分布的不均勻以及粗大碳化物的存在均將使鋼的性能變壞。因此在萊氏體鋼的生產過程中人們想方設法使碳化物分布均勻，使碳化物細化。
對于用鑄鍛工藝(即將熔煉好的高合金萊氏體鋼鑄成鋼錠，然后鍛、軋成材)生產的高合金萊氏體鋼一般采用以下二種方法來減少碳化物分布的不均勻性1.限制合金元素與碳的含量(通常以能反映合金元素與碳含量的碳飽和度A來表示)。
如通用高速鋼的碳飽和度A一般均限制在0.8左右。由于限制了合金元素與碳的含量，減少了萊氏共晶的量，這就使得碳化物不均勻度有所下降，但與此同時鋼的使用性能(硬度與耐磨性等)也受到了限制，如通用高速鋼淬回火后的硬度僅64±1HRC，已經不能滿足當前生產的需要。
2.提高鍛造比。
提高鍛造比確是一種降低小規格鋼材碳化物不均勻度的有效辦法，但對于大規格鋼材仍無能為力。因為當鋼錠尺寸一定時，鍛后成材尺寸越小，鍛造比就越大，碳化物不均勻度也就越低；故對小規格鋼材而言，碳化物不均勻度不存在問題；但是鍛后成材尺寸越大，則鍛造比就越小，碳化物不均勻度也就越高，不能滿足性能要求。為提高大規格鋼材的鍛造比以降低碳化物不均勻度，就必須加大鋼錠尺寸。但是，隨著鋼錠尺寸的加大，鋼錠凝固時的冷卻速度下降，使鋼錠的組織變得粗大，反而加重了碳化物的偏析，故不能通過無限加大鋼錠尺寸來提高鍛造比以降低大規格鋼材的碳化物不均勻度。因此在生產上不得不允許大規格鋼材有較高的碳化物不均勻度及粗大的碳化物的存在。國家標準規定，不同規格的高速鋼允許的碳化物不均勻度如下
直徑(mm) ＜88～40 40～60 60～80 80～100 100～120不均勻度(級) 2 3 45 67當碳化物不均勻度小于2級時不僅對性能沒有不良影響，還能提高鋼的耐磨性，故將碳化物不均勻度小于2級時視為無碳化物偏析。
允許存在的最大的碳化物尺寸視鋼種而定。如W18中允許存在的最大碳化物尺寸為20微米。
為了降低鑄鍛工藝生產的大規格萊氏體鋼鋼材的碳化物不均勻度及消除粗大碳化物，只能采取復雜的反復鐓拔工藝，但效果有限，廢品率高。
幾十年來，人們為了解決這個問題，進行了大量工作。唯一取得生產上廣泛應用的是用粉末冶金方法生產萊氏體鋼，即將熔煉好的鋼噴成粉末，然后通過冷等靜壓、熱等靜壓、燒結、鍛造等復雜工藝加工成粉末高合金鋼。這類鋼的特點是不存在碳化物偏析及粗大碳化物，因此可以制成大規格鋼材且在成分上可以不受狀態圖的限制，提高合金元素及碳的含量。粉末鋼的缺點是價格十分昂貴，與硬質合金相同，是通用高速鋼價格的十五倍。且我國到目前為止還不能生產，全部依賴進口。故大規格無碳化物偏析高合金萊氏體鋼的生產在我國還是空白，降低大規格無碳化物偏析高合金萊氏體鋼的價格是全世界未解決的一個難題。
電阻焊與相變擴散焊均為成熟的焊接工藝。
通用的電阻焊在大氣中進行，在未全部焊接在一起時尚未焊接的部分由于溫度升高，將發生氧化，氧化形成的氧化物最終將留在焊縫中，故電阻焊焊縫的性能很差，低于與電阻焊相近的閃光焊，因此在生產上應用較少。電阻焊是利用電流通過工件時發出的焦耳熱來加熱工件(即所謂內熱法)，由于二個焊接面之間的接觸電阻大，且焊接面之間不是面接觸而是點接觸，故焦耳熱將集中在焊接面的接觸點上，接觸點的溫度迅速升高，發生熔化，破壞表面鈍化膜，從而使焊接得以順利進行。若電流較低，熔化區域很小，不會形成熱影響區，影響焊縫組織。
擴散焊是在真空中在一定壓力的作用下進行的一種焊接方法。擴散焊用的是外熱源加熱，擴散焊的溫度遠低于被焊材料的熔點，是依靠二塊被焊材料的表面在壓力的作用下接近到原子間距時通過原子的相互擴散而將二塊金屬焊接在一起。擴散焊最大的優點是焊接時不發生熔化，也不存在使焊縫性能下降的熱影響區。
固態金屬在發生相變時臨界切應力將顯著下降，非常有利于擴散焊的進行。在發生相變的溫度范圍內進行的擴散焊被稱為相變擴散焊。金屬表面必然存在的鈍化膜將阻止擴散焊的進行。因此消除鈍化膜是提高擴散焊效率的關鍵。目前擴散焊時主要通過以下二個途徑來消除鈍化膜一是通過焊接面接觸點在壓力作用下發生的塑性變形使鈍化膜破裂；二是通過鈍化膜在高溫真空條件下的揮發。這二個途徑效率均不高，影響相變擴散焊的質量和效率。
以上所述電阻焊與相變擴散焊，均不宜單獨用于制造無碳化物偏析高合金萊氏體鋼，將兩者結合在一起成為相變電阻擴散焊是一種新的焊接工藝，用這種新的工藝將無碳化物偏析，即碳化物不均勻度小于2級的萊氏體鋼薄鋼板焊接在一起制成無碳化物偏析高合金萊氏體鋼，目前還沒有這種生產無碳化物偏析高合金萊氏體鋼的工藝。

發明內容
本發明的目的是提供一種用相變電阻擴散焊制造無碳化物偏析高合金萊氏體鋼的方法，使該高合金萊氏體鋼的性能與粉末高合金鋼相當而價格遠低于粉末高合金鋼。
為實現上述目的，本發明采用的技術方案是一種相變電阻擴散焊制造無碳化物偏析高合金萊氏體鋼的方法，其特征在于所述相變電阻擴散焊制造無碳化物偏析高合金萊氏體鋼的方法是，首先將熔煉好的高合金萊氏體鋼鑄成寬高比大于6的扁錠，然后將扁錠鍛、軋成厚度小于6毫米、碳化物不均勻度低于2級、最大碳化物顆粒不大于8微米的薄鋼板，再根據需要，將薄鋼板裁成相同尺寸的方形或圓形小塊工件，清洗干凈表面后，疊至所需高度，放在真空電阻擴散焊接爐中，實施相變電阻擴散焊工藝，將薄鋼板工件焊接成任意規格的無碳化物偏析及粗大碳化物的高合金萊氏體鋼鋼棒或鋼塊，該高合金萊氏體鋼鋼棒或鋼塊的碳化物不均勻度低于2級，最大碳化物顆粒尺寸不大于8微米。
所述相變電阻擴散焊工藝是將電阻焊和相變擴散焊結合在一起的焊接方法，所述在真空電阻擴散焊接爐中實施相變電阻擴散焊工藝的具體過程是在裝料、抽真空、用外熱電源加熱、升溫、脫氣后對薄鋼板工件加壓，并給以較低的內熱電流(即通過工件的電流)進行電阻焊，破壞薄鋼板工件表面的鈍化膜，然后切斷內熱電源，在被焊薄鋼板工件相變溫度范圍內，用外熱電源進行相變擴散焊，將薄鋼板工件焊接成鋼棒或鋼塊。
所述電阻焊，其焊接階段通過被焊薄鋼板工件的內熱電流為8-15安培/毫米2，所述電阻焊與相變擴散焊的階段中加于薄鋼板工件的壓力均為20-40MPa，相變擴散焊階段的溫度區間為薄鋼板工件的相變臨界區，焊接成鋼棒或鋼塊的時間為2-4小時，真空電阻擴散焊接爐中的真空度為10-4托。
采用上述技術方案后，本發明與現有技術相比具有以下有益效果本發明相變電阻擴散焊制造無碳化物偏析高合金萊氏體鋼，由于采用了成熟的電阻焊與相變電阻焊結合在一起而形成的相變電阻擴散焊接方法及廉價的鑄、鍛工藝制造出無碳化物偏析高合金萊氏體鋼，其價格顯然遠低于復雜工藝加工成的粉末高合金鋼。同時，目前生產上采用的生產高速鋼扁錠的寬高比均小于3，本發明用相變電阻擴散焊接方法制造的無碳化物偏析高合金萊氏體鋼，是采用寬高比大于6的冷卻速度快的扁錠，可以細化鑄態組織，保證用鍛軋工藝生產的厚度在6毫米以下的高合金萊氏體鋼薄鋼板的碳化物不均勻度小于2級，最大碳化物顆粒不大于8微米，因此其性能與粉末高合金鋼相當。本發明用相變電阻擴散焊接方法制造的無碳化物偏析高合金萊氏體鋼的氧含量低于粉末高合金鋼，這是因為粉末冶金工藝決定了粉末高合金鋼的氧含量遠高于鑄鍛鋼，并且這種無碳化物偏析高合金萊氏體鋼的碳化物的大小尺寸分配也較粉末高合金鋼更為合理，故該類高合金萊氏體鋼的性能在某些方面(如耐磨性)還優于粉末高合金鋼，用其取代粉末鋼經濟效益十分巨大。
具體實施例方式
本發明相變電阻擴散焊制造無碳化物偏析高合金萊氏體鋼的方法是，首先將熔煉好的高合金萊氏體鋼鑄成寬高比大于6的扁錠，然后將扁錠鍛、軋成厚度小于6毫米、碳化物不均勻度低于2級、最大碳化物顆粒不大于8微米的薄鋼板，再根據需要，將薄鋼板裁成相同尺寸的方形或圓形小塊工件，清洗干凈表面后，疊至所需高度，放在真空電阻擴散焊接爐中，實施相變電阻擴散工藝，將薄鋼板工件焊接成任意規格的無碳化物偏析及粗大碳化物的高合金萊氏體鋼鋼棒或鋼塊，該高合金萊氏體鋼鋼棒或鋼塊的碳化物不均勻度低于2級，最大碳化物顆粒不大于8微米。
上述相變電阻擴散焊工藝是將電阻焊和相變擴散焊結合在一起的焊接方法，并構成一種與該方法相適應的真空電阻擴散焊接爐。所述在真空電阻擴散焊接爐中實施相變電阻擴散焊工藝的具體過程是在裝料、抽真空、用外熱電源加熱、升溫、脫氣后對薄鋼板工件加壓，并給以較低的內熱電流進行電阻焊，破壞薄鋼板工件表面的鈍化膜，也可以在加壓前在低真空條件下通入電流，在二接觸面的間隙中產生電火花將鈍化膜燒掉。鈍化膜被破壞后切斷內熱電源，在被焊薄鋼板工件相變溫度范圍內，用外熱電源進行相變擴散焊，將薄鋼板工件焊接成鋼棒或鋼塊。
對于各種不同高合金萊氏體鋼的具體焊接工藝參數視鋼種而定。本發明用改進的鑄鍛工藝生產合金與碳含量均高于通用高合金萊氏體鋼的碳化物不均勻度低于2級、最大碳化物顆粒不大于8微米、厚度小于6毫米的薄鋼板工件，在實施相變電阻擴散焊工藝中，所述電阻焊，其焊接階段通過被焊薄鋼板工件的內熱電流為8-15安培/毫米2，所述電阻焊與相變擴散焊的階段中加于薄鋼板工件的壓力均為20-40MPa，相變擴散焊的溫度區間為相變臨界區，焊接成鋼棒或鋼塊的時間為2-4小時，真空電阻擴散焊接爐中的真空度為10-4托。
本發明用相變電阻擴散焊方法制造的無碳化物偏析高合金萊氏體鋼，其用作工模具鋼的性能與粉末高合金鋼相當，但價格低廉，遠低于粉末高合金鋼的價格。
權利要求
1.一種相變電阻擴散焊制造無碳化物偏析高合金萊氏體鋼的方法，其特征在于所述相變電阻擴散焊制造無碳化物偏析高合金萊氏體鋼的方法是，首先將熔煉好的高合金萊氏體鋼鑄成寬高比大于6的扁錠，然后將扁錠鍛、軋成厚度小于6毫米、碳化物不均勻度低于2級、最大碳化物顆粒不大于8微米的薄鋼板，再根據需要，將薄鋼板裁成相同尺寸的方形或圓形小塊工件，清洗干凈表面后，疊至所需高度，放在真空電阻擴散焊接爐中，實施相變電阻擴散焊工藝，將薄鋼板工件焊接成任意規格的無碳化物偏析及粗大碳化物的高合金萊氏體鋼鋼棒或鋼塊，該高合金萊氏體鋼鋼棒或鋼塊的碳化物不均勻度低于2級，最大碳化物顆粒不大于8微米。
2.根據權利要求1所述的一種相變電阻擴散焊制造無碳化物偏析高合金萊氏體鋼的方法，其特征在于所述相變電阻擴散焊工藝是將電阻焊和相變擴散焊結合在一起的焊接方法，所述在真空電阻擴散焊接爐中實施相變電阻擴散焊工藝的具體過程是在裝料、抽真空、用外熱電源加熱、升溫、脫氣后對薄鋼板工件加壓，并給以較低的內熱電流進行電阻焊，破壞薄鋼板工件表面的鈍化膜，然后切斷內熱電源，在被焊薄鋼板工件相變溫度范圍內，用外熱電源進行相變擴散焊，將薄鋼板工件焊接成鋼棒或鋼塊。
3.根據權利要求1或2所述的一種相變電阻擴散焊制造無碳化物偏析高合金萊氏體鋼的方法，其特征在于所述電阻焊，其焊接階段通過被焊薄鋼板工件的內熱電流為8-15安培/毫米2，所述電阻焊與相變擴散焊的階段中加于薄鋼板工件的壓力均為20-40Mpa，相變擴散焊階段的溫度區間為被焊材料的相變臨界區，焊接成鋼棒或鋼塊的時間為2-4小時，真空電阻擴散焊接爐中的真空度為10-4托。
全文摘要
本發明公開了一種相變電阻擴散焊制造無碳化物偏析高合金萊氏體鋼的方法，該方法是先將熔煉好的高合金萊氏體鋼鑄成寬高比大于6的扁錠。然后將扁錠鍛、軋成厚度小于6毫米、碳化物不均勻度低于2級、最大碳化物顆粒不大于8微米的薄鋼板。再根據需要，將薄鋼板裁成相同尺寸的方形或圓形小塊工件，清洗干凈表面后，疊至所需高度，放在真空電阻擴散焊接爐中，實施相變電阻擴散焊接工藝將薄鋼板工件焊接成任意規格的無碳化物偏析及粗大碳化物的高合金萊氏體鋼鋼棒或鋼塊，該高合金萊氏體鋼鋼棒或鋼塊的碳化物不均勻度低于2級，最大碳化物顆粒不大于8微米。其用作工模具鋼的性能與粉末高合金鋼相當，但價格低廉。
文檔編號C22C33/00GK1667150SQ20041000654
公開日2005年9月14日 申請日期2004年3月8日 優先權日2004年3月8日
發明者戚正風 申請人:大連榮創科技發展有限公司