【摘 要】
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硬质合金辊环具有高强度、高耐热疲性和高红热性等性能,用其作为轧制钢材轧辊的工作面,能极大地提高轧制高线和棒材的工作效率。若使用钢替代部分硬质合金作为辊环的内衬,则可有效降低成本。硬质合金与钢的热膨胀系数不匹配,如果对硬质合金/钢直接扩散焊接,焊缝处极易产生热裂纹,导致脱焊。因此,需引入一种中间层,以减少残余应力和有害脆性相的形成。本文基于元素扩散和物相形成的热、动力学分析以及材料体系的热膨胀系数,
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硬质合金辊环具有高强度、高耐热疲性和高红热性等性能,用其作为轧制钢材轧辊的工作面,能极大地提高轧制高线和棒材的工作效率。若使用钢替代部分硬质合金作为辊环的内衬,则可有效降低成本。硬质合金与钢的热膨胀系数不匹配,如果对硬质合金/钢直接扩散焊接,焊缝处极易产生热裂纹,导致脱焊。因此,需引入一种中间层,以减少残余应力和有害脆性相的形成。本文基于元素扩散和物相形成的热、动力学分析以及材料体系的热膨胀系数,科学设计了Ni/Nb/Ni、Ni/V/Ni箔片复合中间层以及Ni-Cr合金中间层,采用固相扩散方法来焊接YG20与42CrMo钢,并对其接头形貌、扩散层元素分布和物相形成机理以及抗拉性能进行了系统的研究。本文主要的研究内容如下:（1）采用Ni/Nb/Ni复合中间层扩散连接YG20和42CrMo钢。结合热力学计算和扩散层微观组织结构分析,研究表明:在YG20/Ni与Ni/42CrMo界面形成（Ni,Co）固溶体和（γFe,Ni）固溶体,在Ni/Nb界面依次生成了Nb Ni3+Nb C、Nb2C和Nb7Ni6物相。Nb Ni3与Nb C热膨胀系数存在的较大差异导致Nb C易从Nb Ni3基体中剥离,并且随着连接温度由1150℃升高至1200℃,更多的Nb C析出导致孔洞增加,接头抗拉强度从40 MPa降低至24 MPa,且均以脆性模式在Nb Ni3+Nb C层失效。（2）采用Ni/V/Ni复合中间层在扩散连接YG20与42CrMo钢,微观组织分析表明在YG20/Ni和Ni/42CrMo界面形成了（Ni,Co）和（γFe,Ni）固溶体,在Ni/V界面依次生成了Ni2V、Ni2V3、V2C和V3C2物相。在1000～1150℃连接温度范围内,接头强度随温度的升高,呈先上升后下降的趋势,在1050℃获得最大抗拉强度240 MPa,并且以混合断裂模式在接头失效。随着温度继续升高,Ni/V/Ni界面生成的Ni2V、Ni2V3、V2C和V3C2物相厚度逐渐增大。特别是V2C和Ni2V3热膨胀系数差异较大,冷却阶段在V2C和Ni2V3层易生成裂纹,导致接头强度降低,接头以脆性模式在Ni/V/Ni界面失效。（3）采用制备的Ni-Cr合金中间层连接YG20与42CrMo钢,结合热力学计算和扩散层微观组织分析表明:在YG20/Ni和Ni/42CrMo界面形成了（Ni,Co）和（γFe,Ni）固溶体;中间层生成了少量Cr23C6物相。在连接温度1000℃～1100℃区间,接头抗拉强度随温度呈逐渐增大的趋势,接头抗拉强度从156 MPa增大至297 MPa,C、Ni、Cr和Fe扩散系数不同造成的柯肯达尔效应,导致接头均在Ni-Cr/42CrMo钢界面以韧性模式失效。
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