ASP60粉末高速鋼與W18Cr4V熱壓擴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 機械工程學院，湖南 湘潭 411105；2. 中南大學 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，提高生產效益，同時摸索出具有優異接口組織和界面結合力的焊接工藝。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，同時根據各組參數下接口處的宏觀形貌、力學性能及微觀組織（SEM），分析確定出最佳的焊接工藝。當焊接溫度為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，此時材料拉伸強度為1157 MPa，且斷口沿W18Cr4V一側斷裂。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重要的作用。

熱壓擴散焊；焊接參數；組織；拉伸強度

粉末高速鋼以其優異的力學性能、組織各向同性及良好的加工性能成為當今機械加工行業的主要用材[1—2]，據2018年中國機床工具工業協會工具分會統計，高速鋼刀具雖以54.40億元產值（占比達46.5%）成為刀具行業的中流砥柱，但其中高性能粉末高速鋼的消費占比卻不足12%，遠低于美國高達50%的消費占比。一方面國外對設備、工藝、技術的重重封鎖，制約了國內高性能和粉末高速鋼的發展與突破，另一方面市面上高性能粉末高速鋼大多來自進口，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、齒輪等產品[3—5]。

為降低材料成本，擴大高性能粉末高速鋼的應用，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]、工藝參數優化以及接頭性能的表征等成為一個潛力與挑戰并存的課題。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，并指出材料焊合區組織為鍛造組織，經過充分的塑性變形后，其微觀組織晶粒經動態再結晶和相變重結晶獲得細晶粒組織，反而獲得了優于母材的力學性能。朱海等[10]研究了高速鋼相變溫度下摩擦焊的可行性，結果表明，在800 ℃下接頭性能便達到了母材水平，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。

為保證對焊區的組織均勻性，避免熔焊過程中由于大量液相導致萊氏體組織的出現，而引起接頭處性能的降低[14]，文中嘗試采用熱壓擴散焊以實現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#砂紙進行打磨，并采用酒精進行超聲波清洗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中（如圖1所示）。焊接時，先將設備抽至低真空10 Pa，并通入氬氣，如此反復3次洗爐后全程采用氬氣保護；隨后，分別在既定的焊接工藝下進行焊接實驗；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）進行成分分析（成分分析結果為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），樣品測試前經過1000#砂紙拋磨處理，采用電子萬能力學實驗機（美國Instron 3369）進行拉伸強度測試，并以4個測試值的平均值作為材料的拉伸強度。

圖1 ASP60粉末高速鋼與W18Cr4V的焊接示意

表1 W18Cr4V高速鋼成分（質量分數）

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

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?？梢钥闯?，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Arrhenius公式：=0exp (?/)，其中為擴散系數，0為頻率因子，為擴散激活能，為氣體常數，進行對數變化后可得：ln與1/成正比，即溫度越高，材料中原子擴散系數越高，越有利于形成充分的冶金結合[17]。當焊接溫度較低時（950 ℃），界面處原子擴散系數低，材料塑性變形能力差，接頭處由磨樣產生的凹凸不平的孔隙無法完全消除，因此出現較大的孔洞；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時間的蠕變，接頭處由最初的點接觸轉變為面接觸[18]，孔隙在晶界擴散及體擴散過程中逐漸消失，當對接溫度達到1050 ℃時，材料的界面處組織中反而出現較多黑色點狀物。經EDS測試發現，黑色點狀物主要以閉合孔洞為主，同時對比950 ℃時的孔洞成分發現，1050 ℃下出現氧含量明顯偏高的現象（原子數分數達到1.50%）。分析認為在焊接過程中，由于設備的真空度有限，存在焊接界面高溫下出現氧化的風險，溫度越高，界面處氧化現象加劇，形成氧化物夾雜，同時界面處氧化物的出現，降低了其晶界擴散及體積擴散能力，進而表現為結合界面處出現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度實驗對接口處的焊接性能進行表征，圖4為3種焊接溫度下的拉伸性能?？梢园l現，隨著焊接溫度的提高，材料拉伸強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一側斷裂（其他兩組為焊接界面處斷裂），因此可認為焊接接口的強度已經超過母材的強度；同時，對相同尺寸W18Cr4V進行拉伸強度測試對比發現，W18Cr4V的拉伸強度約為（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度曲線可以得出：隨著焊接溫度的提高，材料焊接接口處強度提高，但當焊接溫度超過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散能力，但同樣增加了母材的氧化風險，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，適當的壓力配合可促進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?？梢钥闯?，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時即呈現出良好的冶金結合界面。另外注意到，當焊接壓力達到30 MPa時，材料焊接界面出現嚴重扭曲變形；同樣，對焊母材的宏觀形貌也出現了嚴重的腰鼓狀變形。

圖5 不同焊接壓力下（1000 ℃，40 min）接頭SEM

采用接口處的拉伸強度對不同焊接壓力下的焊接性能進行進一步表征，圖6為3種焊接壓力下的拉伸強度曲線?？梢园l現，在1000 ℃、保溫40 min的工藝參數下，隨著焊接壓力的增大，材料拉伸強度呈線性增加，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，認為當焊接壓力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散系數恒定，而保溫時間則是決定其界面處擴散均勻化、提高材料蠕變效果的關鍵。保溫時間過長，則易導致材料熱影響區過大、設備能損大，甚至出現對接材料變形的現象；保溫時間過短，則易出現對接界面處孔洞多、難以形成充分的冶金結合，因此，恰當的焊接保溫時間對于提高產品的對接質量、生產效率以及降低生產成本起著至關重要的作用。研究通過兩種母材的焊接預實驗以及生產效益出發，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，而當保溫溫度達到40 min以上時，界面處均呈現出極少的孔洞，且此時隨著溫度繼續增加，界面處孔洞量僅在極小范圍內波動，因此認為，隨著保溫時間的延長，接口處的焊接質量具有迅速提升而后趨于平緩的現象

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

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 結論

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

[1] FOLZER A, TORNBERG C. Advances in Processing Technology for Powder-Metallurgical Tool Steels and High Speed Steels Giving Excellent Cleanliness and Homogeneity[J]. Materials science forum, 2003, 426/432: 4167—4172.

[2] DING P, ZHOU S, PAN F, et al. Ecotechnology for High-Speed Tool Steels[J]. Materials and Design, 2001, 22(2): 137—142.

[3] 王麗仙, 葛昌純, 郭雙全, 等. 粉末冶金高速鋼的發展[J]. 材料導報, 2010, 24(S1): 459—462. WANG Li-xian, GE Chang-chun, GUO Shuang-quan, et al. Development of Powder Metallurgy High Speed Steel[J]. Materials Review, 2010, 24(S1): 459—462.

[4] 吳元昌. 近年國外粉末冶金工具鋼的進展[J]. 粉末冶金工業, 2004, 14(4): 24—28. WU Yuan-chang. Recent Progress of Foreign Powder Metallurgical Tool Steel[J]. Powder Metallurgy Industry, 2004, 14(4): 24—28.

[5] 張惠斌, 沈瑋俊, 莊啟明, 等. 新型高性能粉末冶金高速鋼及其近凈成形制備技術[J]. 精密成形工程, 2017, 9(2): 14—19. ZHANG Hui-bin, SHEN Wei-jun, ZHUANG Qi-ming, et al. Novel Powder Metallurgy High Speed Steel with High-Performance and Its Near-net Shaping Technology[J]. Journal of Netshape Forming Engineering, 2017, 9(2): 14—19.

[6] 張九海, 何鵬. 擴散連接接頭行為數值模擬的發展現狀[J]. 焊接學報, 2000, 21(4): 84—91. ZHANG Jiu-hai, HE Peng. Numeric Simulation for Diffusion Bonding[J]. Transactions of the China Welding Institution, 2000, 21(4): 84—91.

[7] 董志波, 郭軍禮, 楊來山, 等. 焊接過程宏微觀數值模擬與仿真的研究現狀[J]. 精密成形工程, 2018, 10(1): 40—51. DONG Zhi-bo, GUO Jun-li, YANG Lai-shan, et al. Research Status of Macro-micro Simulation and Modelling of Welding Process[J]. Journal of Netshape Forming Engineering, 2018, 10(1): 40—51.

[8] 柳萌. 幾種擴散焊用材料擴散動力學的實驗研究與計算機模擬[D]. 長沙: 中南大學, 2014: 1—8. LIU Meng. Experimental Investigation and Computer Simulation of Diffusion Kinetic in Several Diffusion Welding Materials[D]. Changsha: Central South University, 2014: 1—8.

[9] 顧錫峰, 莫勝功. 45鋼/W6Mo5Cr4V2高速鋼刀具的摩擦焊接研究[J]. 青海大學學報(自然科學版), 2009, 27(1): 32—34. GU Xi-Feng, MO Sheng-gong. Study on Friction Welding of 45 Steel/W6Mo5Cr4V2 HSS Cutter[J]. Journal of Qinghai University (Nature Ence), 2009, 27(1): 32—34.

[10] 朱海, 任希凡. 高速鋼相變溫度以下的摩擦焊[J]. 焊接學報, 1996, 17(1): 13—18. ZHU Hai, REN Xi-fan. Friction Welding Below Phase Transformation Temperature of High-speed Steel[J]. Transactions of the China Welding Institution, 1996, 17(1): 13—18.

[11] 喻紅梅. 高速鋼與碳鋼異種鋼焊接工藝研究[J]. 中國機械, 2014, 23: 177—178. YU Hong-mei. Research on Applications of Remanufactory Technology for Die Steel Repair[J]. Machine China, 2014, 23: 177—178.

[12] 高杰, 王娟, 李亞江. 異種鋼的焊接研究現狀[J]. 精密成形工程, 2017, 9(5): 83—89. GAO Jie, WANG Juan, LI Ya-Jiang. Study on the Welding of Dissimilar Steel[J]. Journal of Netshape Forming Engineering, 2017, 9(5): 83—89.

[13] 陳丹, 李京龍, 熊江濤, 等. 工藝參數對AA2524回填式攪拌摩擦點焊接頭成形及力學性能的影響[J]. 精密成形工程, 2019, 11(6): 29—34. CHEN Dan, LI Jing-long, XIONG Jiang-tao, et al. Effect of Process Parameters on Formation and Mechanical Properties of AA2524 Refill Friction Stir Spot Welding Joints[J]. Journal of Netshape Forming Engineering, 2019, 11(6): 29—34.

[14] 李亞江. 焊接冶金學—材料焊接性[M]. 北京: 機械工業出版社, 2006. LI Ya-jiang. Welding Metallurgy—Weldability of Materials[M]. Beijing: China Machine Press, 2006.

[15] SHEN W, YU L, LIU H, et al. Diffusion Welding of Powder Metallurgy High Speed Steel by Spark Plasma Sintering[J]. Journal of Materials Processing Technology, 2020, 275: 116383.

[16] 潘金芝, 任瑞銘, 戚正風. 復合工模具材料的研究現狀[J]. 金屬熱處理, 2008 (11): 11—17. PAN Jin-zhi, REN Rui-ming, QI Zheng-feng. Research Status of Composite Tool and Mould Materials[J]. Heat Treatment of Metals, 2008 (11): 11—17.

[17] BERTOLINO N, GARAY J E, ANSELMI-TAMBURINI U, et al. Electromigration Effects in Al-Au Multilayers[J]. Scripta Materialia, 2001, 44(5): 737—742.

[18] DONG P, WANG Z, WANG W, et al. Understanding the Spark Plasma Sintering from the View of Materials Joining[J]. Scripta Materialia, 2016, 123: 118—121.

[19] PAN Jin-zhi, REN Rui-ming, QI Zheng-feng. The Preparation of Cr12MoV/40Cr Dual-metal Composite Die Steel by Vacuum Diffusion Welding[J]. Materials Science Forum, 2011, 675/676/677(2): 755—758.

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

國家自然科學基金（51704257）；湖南省長沙市聯合基金（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與超硬材料制備及加工。