硬质合金与钢连接工艺及机理研究

论文摘要

本文针对轧钢工业中对于硬质合金/钢复合轧辊的迫切需求,采用直接钎焊工艺和复合Cu中间层的钎焊工艺对硬质合金/钢进行了真空钎焊连接,分析了钎焊温度对接头界面和性能的影响,对接头界面形成机理进行了研究,并利用MARC有限元分析软件对两种钎焊工艺下复合轧辊焊后残余应力场进行了数值模拟。通过对硬质合金/钢钎焊接头界面反应的试验和分析,确定当钎焊温度为1040℃时采用镍基钎料钎焊硬质合金/钢,接头界面结构为Steel/Fe-Ni（s.s）/γ-Ni（s.s）/W-Co-Ni rich/WC-Co。随钎焊温度的变化,界面反应层厚度发生了明显的变化,尤其是硬质合金侧界面W-Co-Ni rich反应层,其对接头性能存在一定影响,试验发现当钎焊温度为1040℃时,接头抗剪强度为340MPa,此时接头断裂发生在硬质合金母材上。为降低接头焊后残余应力,提出复合Cu中间层的钎焊工艺。试验发现复合250umCu中间层时随钎焊温度升高接头强度增加,当钎焊温度为1070℃时界面结构为Steel/Fe-Ni（s.s）/Cu/Ni-Co（s.s）/WC-Co。此时接头抗剪强度达到272MPa,接头具有良好的塑性,断裂发生在Cu/WC-Co界面上。而采用100umCu中间层时接头抗剪强度为211MPa。采用MARC分析软件对两种钎焊工艺下硬质合金/钢复合轧辊进行了残余应力的数值模拟,结合数值模拟结果发现,较佳的焊后冷却速度为30℃/min,在此冷却速度下,采用镍基钎料直接钎焊连接接头残余应力峰值达434MPa;同时确定了Cu中间层厚度较佳值为250um,此时接头的残余应力峰值大幅降为69MPa。MARC有限元模拟结果有力的证明了复合Cu中间层的钎焊工艺可以有效的缓解接头焊后残余应力。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题背景
• 1.2 硬质合金/钢焊接性分析
• 1.3 硬质合金/钢连接工艺及复合轧辊研究现状
• 1.3.1 热装法
• 1.3.2 胶结法
• 1.3.3 铸造法
• 1.3.4 热等静压法
• 1.3.5 钎焊连接法
• 1.4 课题主要研究内容
• 第2章 试验材料与方法
• 2.1 试验材料
• 2.2 试验设备
• 2.3 试验过程
• 2.4 焊接接头性能测试
• 2.5 接头处显微组织的观察
• 2.5.1 界面组织分析
• 2.5.2 断口组织观察
• 2.5.3 显微硬度分析
• 第3章 硬质合金/钢钎焊连接界面结构及断裂形式
• 3.1 引言
• 3.2 润湿试验结果及分析
• 3.3 钎焊接头力学性能
• 3.4 Steel/Ni-Cr-Si-B/WC-Co钎焊接头界面结构分析
• 3.5 工艺参数对Steel/Ni-Cr-Si-B/WC-Co接头界面的影响
• 3.6 钎焊接头断裂形式分析
• 3.7 钎焊裂纹的产生及其对接头工艺性能的影响
• 3.8 本章小结
• 第4章 复合Cu中间层的钎焊界面结构及断裂形式
• 4.1 引言
• 4.2 复合Cu中间层后钎料润湿铺展情况
• 4.3 复合Cu中间层钎焊接头力学性能，界面结构和断口分析
• 4.3.1 复合250umCu中间层钎焊接头力学性能
• 4.3.2 复合250umCu中间层钎焊接头界面结构分析
• 4.3.3 复合250umCu中间层钎焊接头断裂形式分析
• 4.3.4 复合100umCu中间层钎焊接头界面结构分析
• 4.3.5 复合100umCu中间层钎焊接头断裂形式分析
• 4.4 本章小结
• 第5章 复合轧辊钎焊残余应力的数值模拟
• 5.1 引言
• 5.2 硬质合金/钢钎焊复合轧辊物理模型的建立
• 5.2.1 问题描述
• 5.2.2 基本假设
• 5.2.3 模型的网格划分及性能参数
• 5.2.4 模型建立的边界条件
• 5.3 钎焊复合轧辊残余应力模拟结果
• 5.3.1 冷却速度对接头残余应力的影响
• 5.3.2 复合Cu中间层钎焊复合轧辊残余应力的数值模拟
• 5.4 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读学位期间发表的学术论文
• 致谢