45钢/25Cr5MoA/Q235钢固-固复合轴界面特性

采用热挤压方法制成45钢/25Cr5 MoA/Q235钢三层结构的复合轴,研究了结合界面的组织、Cr元素扩散和结合性能.结果表明:采用热装方式制成的25Cr5 MoA/Q235钢固-固复合坯料,在界面形成一定厚度的氧化皮,即使经过挤压和热处理后,也无法彻底消除结合界面氧化皮对结合性能的影响;采用间隙配合的25Cr5 MoA/45钢固-固复合界面,由于在挤压前经过良好的表面处理,挤压后的界面几乎没有氧化物存在,形成了较为完整的过渡区,经过高温保温过程,在结合界面会形成Cr的碳化物,对Cr和C的扩散起到阻碍作用;经过挤压后,25Cr5 MoA/Q235钢、25Cr5 MoA/45钢结合界面的结合强度均比较低.与复合板相比,复合轴结构上所具有的特点,使其即使初期结合强度较低,也不易产生剥离;经过后续热处理,通过元素的扩散过程,可以提高复合轴的结合强度.

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D0I:10.13374/1.issnl00103.2009.05.015 第31卷第5期北京科技大学学报 Vol.31 No.5 2009年5月 Journal of University of Science and Technology Beijing May 2009 45钢/25Cr5MoA/Q235钢固固复合轴界面特性佟建国2)高晓丹)曲海涛)邹士文) 李殊霞)任学平) 1)北京科技大学材料科学与工程学院，北京1000832)北京科技大学期刊中心，北京100083 摘要采用热挤压方法制成45钢/25C5MoA/Q235钢三层结构的复合轴，研究了结合界面的组织，Cr元素扩散和结合性能.结果表明：采用热装方式制成的25C5MoA/Q235钢固固复合坯料，在界面形成一定厚度的氧化皮，即使经过挤压和热处理后，也无法彻底消除结合界面氧化皮对结合性能的影响：采用间隙配合的25C5MoA/45钢固固复合界面，由于在挤压前经过良好的表面处理，挤压后的界面几乎没有氧化物存在，形成了较为完整的过渡区，经过高温保温过程，在结合界面会形成C 的碳化物，对Cr和C的扩散起到阻碍作用：经过挤压后，25Cr5MoA/Q235钢、25Cr5MoA/45钢结合界面的结合强度均比较低·与复合板相比，复合轴结构上所具有的特点，使其即使初期结合强度较低，也不易产生剥离：经过后续热处理，通过元素的扩散过程，可以提高复合轴的结合强度· 关键词轴类件：金属复合：梯度结构：界面组织；元素扩散：结合机理分类号TG335.6+2 Interface characteristics of 45 steel/25Cr5MoA/Q235 steel solid-solid cladding shafts TONG Jian-guo).GAO Xioo-dan),QU Hai-too).ZOU Shi-wen),LI Shu-xia),REN Xue ping) 1)School of Materials Science and Engineering.University of Science and Technology Beijing Beijing 100083.China 2)Journal Publishing Center,University of Science and Technology Beijing:Beijing 100083.China ABSTRACT A 45 steel/25Cr5MoA/Q235 steel clad shaft was made by hot extrusion.Its interface microstructure,chromium distri- bution and interfacial bonding properties were investigated by scanning electron microscope and microhardness tester.The results showed that an oxide layer with certain thickness was formed in the 25Cr5MoA/Q235 steel interface produced by thermal assembling' which would influence its interfacial bonding properties.even after extrusion and hot treatment.For the 25Cr5MoA/45 steel interface produced by clearance fitting.a transition region was formed,where almost no oxide layer was found after extrusion,due to fine sur- face treatment before extrusion.Chromium carbide was formed in the bonding interfaces after the process of high-temperature hold- ing.which would prevent the diffusion of carbon and chromium.The bonding strengths at the interfaces of 25Cr5MoA/Q235 steel and 25Cr5MoA/45 steel decreased after extrusion.However.compared with a clad plate,the cad layer could still not be peeled from the clad shaft easily even with low bonding strength due to the structural characteristic of the shaft.The bonding strength of the clad shaft could be enhanced after hot treatment and alloying element diffusion. KEY WORDS shaft;metal cladding:gradient structure:interface structure:element diffusion:bonding mechanism 轴在各类机械结构中的应用是非常广泛的·随以减轻重量的目的[可.金属结构轴的制作通常采着科学技术的进步，为了保证先进机械装备的可靠用锻造、楔横轧制坯，并经过适当的热处理，制成表性和安全性，避免灾难性后果的发生，对轴材料应用面耐磨性好，心部韧性好的轴零件，以及制造提出了更高的要求).传统机械装置采合金钢轴对应力集中比较敏感，在较为恶劣的用的传动轴、连接轴和扭力轴等通常采用高强度和环境条件中，轴在弯曲、扭转等交变载荷作用下，很高耐磨性的合金钢轴，以达到高速传递大功率并可容易发生表面磨损、疲劳断裂现象[]，由于目前使收稿日期：2009-02-09 基金项目：国家自然科学基金资助项目(N。·50675020) 作者简介：终建国(1969一)，男，编审，博士研究生：任学平(1957一)），男，教授，博士生导师，E-mail:xp33@mater~.ustb-edu-en

45钢／25Cr5MoA／Q235钢固－固复合轴界面特性佟建国12）高晓丹1）曲海涛1）邹士文1）李殊霞1）任学平1） 1）北京科技大学材料科学与工程学院北京100083 2）北京科技大学期刊中心北京100083 摘要采用热挤压方法制成45钢／25Cr5MoA／Q235钢三层结构的复合轴研究了结合界面的组织、Cr 元素扩散和结合性能．结果表明：采用热装方式制成的25Cr5MoA／Q235钢固－固复合坯料在界面形成一定厚度的氧化皮即使经过挤压和热处理后也无法彻底消除结合界面氧化皮对结合性能的影响；采用间隙配合的25Cr5MoA／45钢固－固复合界面由于在挤压前经过良好的表面处理挤压后的界面几乎没有氧化物存在形成了较为完整的过渡区经过高温保温过程在结合界面会形成 Cr 的碳化物对 Cr 和 C 的扩散起到阻碍作用；经过挤压后25Cr5MoA／Q235钢、25Cr5MoA／45钢结合界面的结合强度均比较低．与复合板相比复合轴结构上所具有的特点使其即使初期结合强度较低也不易产生剥离；经过后续热处理通过元素的扩散过程可以提高复合轴的结合强度．关键词轴类件；金属复合；梯度结构；界面组织；元素扩散；结合机理分类号 TG335∙6＋2 Interface characteristics of 45 steel／25Cr5MoA／Q235 steel solid-solid cladding shafts T ONG Jian-guo 12）GA O Xiao-dan 1）QU Ha-i tao 1）ZOU Sh-i wen 1）LI Shu-xia 1）REN Xue-ping 1） 1） School of Materials Science and EngineeringUniversity of Science and Technology BeijingBeijing100083China 2） Journal Publishing CenterUniversity of Science and Technology BeijingBeijing100083China ABSTRACT A45steel／25Cr5MoA／Q235steel clad shaft was made by hot extrusion．Its interface microstructurechromium distribution and interfacial bonding properties were investigated by scanning electron microscope and microhardness tester．T he results showed that an oxide layer with certain thickness was formed in the25Cr5MoA／Q235steel interface produced by thermal assembling which would influence its interfacial bonding propertieseven after extrusion and hot treatment．For the25Cr5MoA／45steel interface produced by clearance fittinga transition region was formedwhere almost no oxide layer was found after extrusiondue to fine surface treatment before extrusion．Chromium carbide was formed in the bonding interfaces after the process of high-temperature holdingwhich would prevent the diffusion of carbon and chromium．T he bonding strengths at the interfaces of 25Cr5MoA／Q235steel and25Cr5MoA／45steel decreased after extrusion．Howevercompared with a clad platethe clad layer could still not be peeled from the clad shaft easily even with low bonding strength due to the structural characteristic of the shaft．T he bonding strength of the clad shaft could be enhanced after hot treatment and alloying element diffusion． KEY WORDS shaft；metal cladding；gradient structure；interface structure；element diffusion；bonding mechanism 收稿日期：2009-02-09 基金项目：国家自然科学基金资助项目（No．50675020）作者简介：佟建国（1969－）男编审博士研究生；任学平（1957－）男教授博士生导师E-mail：rxp33＠mater．ustb．edu．cn 轴在各类机械结构中的应用是非常广泛的．随着科学技术的进步为了保证先进机械装备的可靠性和安全性避免灾难性后果的发生对轴材料应用以及制造提出了更高的要求［1－2］．传统机械装置采用的传动轴、连接轴和扭力轴等通常采用高强度和高耐磨性的合金钢轴以达到高速传递大功率并可以减轻重量的目的［3－5］．金属结构轴的制作通常采用锻造、楔横轧制坯并经过适当的热处理制成表面耐磨性好心部韧性好的轴零件．合金钢轴对应力集中比较敏感在较为恶劣的环境条件中轴在弯曲、扭转等交变载荷作用下很容易发生表面磨损、疲劳断裂现象［6］．由于目前使第31卷第5期 2009年 5月北京科技大学学报 Journal of University of Science and Technology Beijing Vol．31No．5 May2009 DOI:10．13374／j．issn1001－053x．2009．05．015

.574 北京科技大学学报第31卷用的金属结构轴是由单一材料构成，因此一旦表面度和结合强度变化的影响，为金属梯度结构轴研制出现微裂纹，就可以直接扩展到心部，造成灾难性的提供依据后果， 1实验方法本文的基本思路是：用可以有效传递扭矩、柔韧性好的金属作为芯材，用高强度、高耐磨性的金属作实验材料为25C5MoA和工业Q235钢、45钢为表面材料，通过固固复合加工技术，进行有效地表1为25Cr5MoA的主要化学成分.采用挤压成形复合，由此形成化学成分、强度、韧性等性能沿轴表制备45钢/25Cr5MoA/Q235钢复合轴.表层材料面到心部按一定梯度分布的结构形式，制成强度、韧为45钢，外径90mm,内径60mm;芯材为Q235钢，性和耐磨性优良的金属梯度结构轴，在此基础上，直径为30mm;中间材料为25Cr5MoA,外径60mm, 重点研究了25Cr5MoA与Q235钢、45钢挤压复合内径30mm 以及热处理工艺对界面组织、元素扩散、界面显微硬 25Cr5MoA/Q235钢复合坯采用热装法制备. 表125Cr5MoA的主要化学成分（质量分数） Table 1 Main chemical composition of 25Cr5 MoA steel 号 C Si Cr Mo Ni Cu B Ti 0.24 0.330.0104.63 0.39 0.04 0.055 0.0530.042 0.00130.00150.049 复合坯料的最大过盈量为0.05mm,热装法制备在挤压后的45钢/25Cr5MoA/Q235钢复合轴固固复合坯料的工艺是将外层25Cr5MoA钢加热上取样，进行组织分析和性能检测，采用CMT4305 使其膨胀，此时把作为芯材的Q235钢插入其中，待微电子万能试验机测试材料的界面结合强度；采用外层25Cr5MoA冷却收缩后，形成25Cr5MoA/Q235 HVS一1000数显显微硬度仪测试界面附近显微硬钢复合坯度；采用LE01450电镜观察组织，并分析界面附近 25Cr5MoA/Q235钢复合坯与45钢之间采用间 Cr元素的分布隙配合方法制成，45钢与25C5MoA的双边间隙约 2实验结果及分析为0.1mm,因此，固一固结合的复合轴可以看成是 45钢/25Cr5MoA/0235钢三层结构的复合轴. 挤压变形可使组织缺陷得到明显的改善，如气 45钢/25Cr5MoA/Q235钢三层结构的复合轴孔和疏松被焊合，使金属材料的致密度增加，铸态组采用TXJ650多功能挤压机制成.挤压筒直径为织中粗大的柱状晶和树枝晶被破碎，使晶粒细化 95mm,挤压比λ=5.6；坯料加热温度1100℃，保温挤压变形还可使大块初晶、共晶碳化物和粗大的夹 4h:模具保温温度为450℃，保温1h;挤压机温度为杂物被打碎，并均匀分布·同时，在高温和挤压压力 430℃.采用热挤压成形制成的45钢/25Cr5MoA/ 的共同作用下，原子扩散速度加快，有利于形成界面 Q235钢三层结构的复合轴如图1所示元素、组织以及性能的梯度变化， 2.1界面组织图2给出了25Cr5MoA与Q235钢、45钢固固结合界面组织扫描照片，其中界面右侧为 25Cr5MoA钢.从图2中可以看出，25Cr5MoA与 Q235钢、45钢固固结合界面组织略有不同，由高倍界面组织的扫描照片图2(b)和()可以看出：金属界面的状态对界面结合特性有很大的影响， 25Cr5MoA/Q235钢固-固复合坯料由于采用热装方式，因此在界面形成一定厚度的氧化皮，即使经过 89 10 挤压后，在结合界面也无法彻底消除氧化皮的影响，经过电解侵蚀之后，在结合界面上出现断续分布的图1固一固结合45钢/25Cr5MoA/Q235钢三层结构复合轴断面氧化物层，采用间隙配合的25Cr5MoA/45钢固固照片复合界面，由于在挤压前经过良好的表面处理，挤压 Fig-1 45 steel/25Cr5MoA/Q235 steel trilayer clad shaft prepared 后的界面几乎没有氧化物存在，形成了较为完整的 by solid-liquid bonding 过渡区，经过电解侵蚀之后过渡层比较明显

用的金属结构轴是由单一材料构成因此一旦表面出现微裂纹就可以直接扩展到心部造成灾难性的后果．本文的基本思路是：用可以有效传递扭矩、柔韧性好的金属作为芯材用高强度、高耐磨性的金属作为表面材料通过固－固复合加工技术进行有效地复合由此形成化学成分、强度、韧性等性能沿轴表面到心部按一定梯度分布的结构形式制成强度、韧性和耐磨性优良的金属梯度结构轴．在此基础上重点研究了25Cr5MoA 与 Q235钢、45钢挤压复合以及热处理工艺对界面组织、元素扩散、界面显微硬度和结合强度变化的影响为金属梯度结构轴研制提供依据． 1 实验方法实验材料为25Cr5MoA 和工业 Q235钢、45钢．表1为25Cr5MoA 的主要化学成分．采用挤压成形制备45钢／25Cr5MoA／Q235钢复合轴．表层材料为45钢外径90mm内径60mm；芯材为 Q235钢直径为30mm；中间材料为25Cr5MoA外径60mm 内径30mm． 25Cr5MoA／Q235钢复合坯采用热装法制备．表1 25Cr5MoA 的主要化学成分（质量分数） Table1 Main chemical composition of 25Cr5MoA steel ％ C Si P Cr Mo V Ni Cu Al B S Ti 0∙24 0∙33 0∙010 4∙63 0∙39 0∙04 0∙055 0∙053 0∙042 0∙0013 0∙0015 0∙049 复合坯料的最大过盈量为0∙05mm．热装法制备固－固复合坯料的工艺是将外层25Cr5MoA 钢加热使其膨胀此时把作为芯材的 Q235钢插入其中待外层25Cr5MoA 冷却收缩后形成25Cr5MoA／Q235 钢复合坯． 25Cr5MoA／Q235钢复合坯与45钢之间采用间隙配合方法制成45钢与25Cr5MoA 的双边间隙约为0∙1mm．因此固－固结合的复合轴可以看成是 45钢／25Cr5MoA／Q235钢三层结构的复合轴．图1 固－固结合45钢／25Cr5MoA／Q235钢三层结构复合轴断面照片 Fig．1 45steel／25Cr5MoA／Q235steel trilayer clad shaft prepared by solid-liquid bonding 45钢／25Cr5MoA／Q235钢三层结构的复合轴采用 TXJ－650多功能挤压机制成．挤压筒直径为 95mm挤压比λ＝5∙6；坯料加热温度1100℃保温 4h；模具保温温度为450℃保温1h；挤压机温度为 430℃．采用热挤压成形制成的45钢／25Cr5MoA／ Q235钢三层结构的复合轴如图1所示．在挤压后的45钢／25Cr5MoA／Q235钢复合轴上取样进行组织分析和性能检测．采用 CMT4305 微电子万能试验机测试材料的界面结合强度；采用 HVS－1000数显显微硬度仪测试界面附近显微硬度；采用 LE01450电镜观察组织并分析界面附近 Cr 元素的分布． 2 实验结果及分析挤压变形可使组织缺陷得到明显的改善如气孔和疏松被焊合使金属材料的致密度增加铸态组织中粗大的柱状晶和树枝晶被破碎使晶粒细化．挤压变形还可使大块初晶、共晶碳化物和粗大的夹杂物被打碎并均匀分布．同时在高温和挤压压力的共同作用下原子扩散速度加快有利于形成界面元素、组织以及性能的梯度变化． 2∙1 界面组织图2给出了25Cr5MoA 与 Q235钢、45钢固－固结合界面组织扫描照片其中界面右侧为 25Cr5MoA 钢．从图2中可以看出25Cr5MoA 与 Q235钢、45钢固－固结合界面组织略有不同．由高倍界面组织的扫描照片图2（b）和（d）可以看出：金属界面的状态对界面结合特性有很大的影响． 25Cr5MoA／Q235钢固－固复合坯料由于采用热装方式因此在界面形成一定厚度的氧化皮即使经过挤压后在结合界面也无法彻底消除氧化皮的影响经过电解侵蚀之后在结合界面上出现断续分布的氧化物层．采用间隙配合的25Cr5MoA／45钢固－固复合界面由于在挤压前经过良好的表面处理挤压后的界面几乎没有氧化物存在形成了较为完整的过渡区经过电解侵蚀之后过渡层比较明显． ·574· 北京科技大学学报第31卷

第5期佟建国等：45钢/25Cr5MoA/Q235钢固固复合轴界面特性 .575. 200um 40 um 200m 40m 图2固固结合25Cr5MoA钢/碳钢界面组织（界面右侧为25Cr5MoA).(a)25Cr5MoA/Q235钢界面低倍组织；(b)25Cr5MoA/Q235钢界面高倍组织：(c)25Cr5MoA/45钢界面低倍组织：(d)25Cr5MoA/45钢界面高倍组织 Fig.2 Interfacial microstructures of a 45 steel/25Cr5MoA/Q235 steel solid-solid cladding shaft(25Cr5MoA at the right side of the interface):(a) optical microstructure at the 25Cr5MoA/Q235 steel interface:(b)SEM microstructure at the 25Cr5MoA/Q235 steel interface:(c)optical mi- crostructure at the 25Cr5MoA/45 steel interface:(d)SEM microstructure at the 25Cr5MoA/45 steel interface 界面氧化物的存在，影响两种金属的界面结合散过程，从而实现铁基金属间的焊接结合8].变形特性叮.因此，只要能够有效地去除双金属表面的后的余热将使两种铁基金属间的原子扩散更加充油膜及氧化膜，在协调一致的塑性变形中，就能形成分，从而形成良好的复合，两种铁基金属的良好结合，但是，在本实验条件下，由于25Cr5MoA和图3为加热温度1000℃，保温时间60min后的 Q235钢在热装条件下，结合界面存在氧化皮，对元固固结合25Cr5MoA/碳钢界面组织.从图3中可素扩散起到阻碍作用，因此C元素的扩散并不明以看出，与挤压态相比，25Cr5MoA与Q235钢结合显，表现在界面附近Cr元素分布出现跳跃（如图4 界面的氧化物层得到一定程度的改善，这与高温条所示) 件下元素的加速扩散有关系；同样，25Cr5MoA与45 相对于25Cr5MoA和Q235钢界面元素的扩散钢结合界面的氧化物层得到一定程度的改善，对于行为，25Cr5MoA和45钢在复合时，由于两金属表 45钢，当热处理温度较低，如小于900℃时，显微组面经过良好清理，因此经过挤压成形后，Cr元素在织主要以铁素体和珠光体为主；当热处理温度大于 25Cr5MoA和45钢界面附近的分布虽然也是出现 1000℃时，经空冷后，由于在界面附近，45钢中的碳跳跃，但比25Cr5MoA和Q235钢结合界面Cr元素元素向25Cr5MoA扩散，使得界面附近45钢侧碳原的跳跃程度略为轻些（如图4(b)所示），由于45钢子减少，因此在界面附近形成铁素体，且随着加热温与25C5MoA为间隙配合，在加热过程中，不易发生度的升高，界面附近铁素体含量增多元素的扩散，在挤压时，挤压机最大工作速度为 2.2元素扩散分布 40mms1,成形速度快，变形时间短，变形过程中两种铁基金属经过高温复合变形时，一旦新生的Cr元素几乎不发生扩散，并且相对于25Cr5MoA 金属表面出现，便会产生黏着摩擦行为，有利于接触和Q235钢界面，25Cr5MoA和45钢界面处于外侧，表面间异种铁基金属的固着，以固着点为基础（或核因此变形后的冷却速度比25Cr5MoA和Q235钢界心)，在高温激活条件下，可以形成较为稳定的热扩面快，使得45钢与25Cr5MoA钢界面附近Cr元素

图2 固－固结合25Cr5MoA 钢／碳钢界面组织（界面右侧为25Cr5MoA）．（a）25Cr5MoA／Q235钢界面低倍组织；（b）25Cr5MoA／Q235钢界面高倍组织；（c）25Cr5MoA／45钢界面低倍组织；（d）25Cr5MoA／45钢界面高倍组织 Fig．2 Interfacial microstructures of a45steel／25Cr5MoA／Q235steel solid-solid cladding shaft （25Cr5MoA at the right side of the interface）：（a） optical microstructure at the25Cr5MoA／Q235steel interface；（b） SEM microstructure at the25Cr5MoA／Q235steel interface；（c） optical microstructure at the25Cr5MoA／45steel interface；（d） SEM microstructure at the25Cr5MoA／45steel interface 界面氧化物的存在影响两种金属的界面结合特性［7］．因此只要能够有效地去除双金属表面的油膜及氧化膜在协调一致的塑性变形中就能形成两种铁基金属的良好结合．图3为加热温度1000℃保温时间60min 后的固－固结合25Cr5MoA／碳钢界面组织．从图3中可以看出与挤压态相比25Cr5MoA 与 Q235钢结合界面的氧化物层得到一定程度的改善这与高温条件下元素的加速扩散有关系；同样25Cr5MoA 与45 钢结合界面的氧化物层得到一定程度的改善．对于 45钢当热处理温度较低如小于900℃时显微组织主要以铁素体和珠光体为主；当热处理温度大于 1000℃时经空冷后由于在界面附近45钢中的碳元素向25Cr5MoA 扩散使得界面附近45钢侧碳原子减少因此在界面附近形成铁素体且随着加热温度的升高界面附近铁素体含量增多． 2∙2 元素扩散分布两种铁基金属经过高温复合变形时一旦新生金属表面出现便会产生黏着摩擦行为有利于接触表面间异种铁基金属的固着以固着点为基础（或核心）在高温激活条件下可以形成较为稳定的热扩散过程从而实现铁基金属间的焊接结合［8］．变形后的余热将使两种铁基金属间的原子扩散更加充分从而形成良好的复合．但是在本实验条件下由于 25Cr5MoA 和 Q235钢在热装条件下结合界面存在氧化皮对元素扩散起到阻碍作用因此 Cr 元素的扩散并不明显表现在界面附近 Cr 元素分布出现跳跃（如图4 所示）．相对于25Cr5MoA 和 Q235钢界面元素的扩散行为25Cr5MoA 和45钢在复合时由于两金属表面经过良好清理因此经过挤压成形后Cr 元素在 25Cr5MoA 和45钢界面附近的分布虽然也是出现跳跃但比25Cr5MoA 和 Q235钢结合界面 Cr 元素的跳跃程度略为轻些（如图4（b）所示）．由于45钢与25Cr5MoA 为间隙配合在加热过程中不易发生元素的扩散．在挤压时挤压机最大工作速度为 40mm·s －1成形速度快变形时间短变形过程中的 Cr 元素几乎不发生扩散．并且相对于25Cr5MoA 和 Q235钢界面25Cr5MoA 和45钢界面处于外侧因此变形后的冷却速度比25Cr5MoA 和 Q235钢界面快使得45钢与25Cr5MoA 钢界面附近 Cr 元素第5期佟建国等：45钢／25Cr5MoA／Q235钢固－固复合轴界面特性 ·575·

第5期佟建国等：45钢/25Cr5M0A/Q235钢固一固复合轴界面特性 .577. 图5为加热温度1000℃、保温时间60min后的大的挤压比进行挤压，则可以使氧化物破碎、分散，固固结合25Cr5MoA钢/碳钢界面Cr元素的扩散便于Cr元素的扩散. 分布情况.从图5(a)中可以看出，与挤压态相比，从图5(b)中可以看出，与挤压态相比， 25Cr5MoA和Q235钢界面Cr元素分布曲线的斜率 25Cr5MoA和45钢界面处，Cr元素的分布曲线斜率略有减小，表明为了促进Cr元素的扩散，需要较高减小.由于在较高的温度条件下，25C5MoA钢中的加热温度和较长的保温时间.此外，25C5MoA的Cr元素向45钢中扩散，同时45钢的C元素向和Q235钢结合界面氧化物层较厚，通过挤压比为 25Cr5MoA钢中扩散，在结合界面会形成Cr的碳化 5.6的挤压成形，氧化物难以得到有效分散，经过热物，对Cr和C的扩散起到阻碍作用，因此Cr元素的处理后，Cr元素的扩散效果仍然有限.如果采用更扩散曲线在结合界面处的变化幅度仍然非常大， 090 200um 200um 图5固固结合25Cr5MoA钢/碳钢界面热处理后Cr元素的扩散（界面右侧为25Cr5MoA,加热温度1000℃，保温时间60min):(a) 25Cr5MoA/Q235钢界面：(b)固一固结合25Cr5MoA/45钢界面 Fig.5 Distribution of Cr clement at the bonding interfaces of a 45 steel/25Cr5MoA/Q235 steel solid-solid cladding shaft after heat treatment (25Cr5MoA at the right side of the interface.heating temperature 1000C.holding time 60 min):(a)25Cr5MoA/Q235 steel interface:(b) 25Cr5MoA/45 steel interface 2.3结合区显微硬度变化硬度在一定程度上反映材料的抗磨能力、屈服强度和加工硬化性质等，通过分析界面附近硬度的 550 500 -■-25Cr5MoA/ 变化，可以揭示复合层结合界面因元素的扩散而产 450 Q235 -.-25Cr5MoA/ 生的过渡区的性能.采用HVS一1O00数显显微硬度 400 45钢仪，测定复合界面附近的显微硬度变化，载荷 350 器 0.98N,加载时间15s,测试结果如图6所示 300 25Cr5MoA 从图6中可以看出，经过挤压变形后， 25Cr5MoA侧的显微硬度大于HV400,Q235钢侧 200 显微硬度在小于HV150,45钢侧显微硬度在小于 100 HV200,25Cr5MoA/Q235钢、25Cr5MoA/45钢结 -150-100-50050100150200 界面距离μm 合界面中心附近的显微硬度在HV250左右，在界面附近，两种复合材料的显微硬度变化梯度比较大，图6固固结合25Cr5MoA钢/碳钢界面显微硬度变化（界面右说明在加热期间，元素扩散不明显，而挤压时间由于侧为25Cr5MoA) 比较短，因此元素的扩散主要是在挤压后空冷过程 Fig6 Change in microhardness at the interfaces of a 45 steel/ 25Cr5MoA/Q235 steel solid-solid cladding shaft (25Cr5 MoA at the 中发生的，随着试样的冷却，元素扩散速度减慢，造 right side of the interface) 成两种复合材料结合界面附近显微硬度变化突变，从图中可以看出，与25Cr5MoA/Q235钢相比，度降低幅度大，表明25Cr5MoA/45钢界面C和Cr 25Cr5MoA/45钢结合界面附近，25Cr5MoA侧的硬元素扩散相对好些

图5为加热温度1000℃、保温时间60min 后的固－固结合25Cr5MoA 钢／碳钢界面 Cr 元素的扩散分布情况．从图5（a）中可以看出与挤压态相比 25Cr5MoA 和 Q235钢界面 Cr 元素分布曲线的斜率略有减小表明为了促进 Cr 元素的扩散需要较高的加热温度和较长的保温时间．此外25Cr5MoA 和 Q235钢结合界面氧化物层较厚通过挤压比为 5∙6的挤压成形氧化物难以得到有效分散经过热处理后Cr 元素的扩散效果仍然有限．如果采用更大的挤压比进行挤压则可以使氧化物破碎、分散便于 Cr 元素的扩散．从图 5（b ）中可以看出与挤压态相比 25Cr5MoA 和45钢界面处Cr 元素的分布曲线斜率减小．由于在较高的温度条件下25Cr5MoA 钢中的 Cr 元素向45钢中扩散同时45钢的 C 元素向 25Cr5MoA 钢中扩散在结合界面会形成 Cr 的碳化物对 Cr 和 C 的扩散起到阻碍作用因此 Cr 元素的扩散曲线在结合界面处的变化幅度仍然非常大．图5 固－固结合25Cr5MoA 钢／碳钢界面热处理后 Cr 元素的扩散（界面右侧为25Cr5MoA加热温度1000℃保温时间60min）．（a） 25Cr5MoA／Q235钢界面；（b）固－固结合25Cr5MoA／45钢界面 Fig．5 Distribution of Cr element at the bonding interfaces of a 45 steel／25Cr5MoA／Q235 steel solid-solid cladding shaft after heat treatment （25Cr5MoA at the right side of the interfaceheating temperature 1000℃holding time 60min）：（a） 25Cr5MoA／Q235steel interface；（b） 25Cr5MoA／45steel interface 2∙3 结合区显微硬度变化硬度在一定程度上反映材料的抗磨能力、屈服强度和加工硬化性质等通过分析界面附近硬度的变化可以揭示复合层结合界面因元素的扩散而产生的过渡区的性能．采用 HVS－1000数显显微硬度仪测定复合界面附近的显微硬度变化载荷 0∙98N加载时间15s测试结果如图6所示．从图 6 中可以看出经过挤压变形后 25Cr5MoA 侧的显微硬度大于 HV 400Q235钢侧显微硬度在小于 HV 15045钢侧显微硬度在小于 HV 20025Cr5MoA／Q235钢、25Cr5MoA／45钢结合界面中心附近的显微硬度在 HV 250左右．在界面附近两种复合材料的显微硬度变化梯度比较大说明在加热期间元素扩散不明显而挤压时间由于比较短因此元素的扩散主要是在挤压后空冷过程中发生的．随着试样的冷却元素扩散速度减慢造成两种复合材料结合界面附近显微硬度变化突变．从图中可以看出与 25Cr5MoA／Q235 钢相比 25Cr5MoA／45钢结合界面附近25Cr5MoA侧的硬图6 固－固结合25Cr5MoA 钢／碳钢界面显微硬度变化（界面右侧为25Cr5MoA） Fig．6 Change in microhardness at the interfaces of a 45 steel／ 25Cr5MoA／Q235steel solid-solid cladding shaft （25Cr5MoA at the right side of the interface）度降低幅度大表明25Cr5MoA／45钢界面 C 和 Cr 元素扩散相对好些．第5期佟建国等：45钢／25Cr5MoA／Q235钢固－固复合轴界面特性 ·577·

.578 北京科技大学学报第31卷 2.4界面结合性能处理，挤压后的界面几乎没有氧化物存在，形成了较表2为采用剪切实验方法测定的25Cr5MoA与为完整的过渡区，经过高温保温过程，在界面附近， Q235钢、45钢固固结合界面的剪切结合强度.从 45钢中的碳元素向25Cr5MoA钢扩散，使得界面附表2中可以看出，经过挤压后，25Cr5MoA/Q235钢近45钢侧碳原子减少，因此在界面附近形成铁素的结合强度为83.7MPa,25Cr5MoA/45钢的结合体强度为109.2MPa,可见，当挤压比为5.6时， (2)相对于25Cr5MoA和Q235钢界面元素的 25Cr5MoA/Q235钢以及25Cr5MoA/45钢的结合扩散行为，25Cr5MoA和45钢在复合时，由于两金强度均比较低，与复合板相比，复合轴结构上所具属表面经过良好清理，因此，经过挤压成形后，Cr元有的特点，使其即使结合强度较低，也不易产生剥素的跳跃程度略为轻些，经过高温保温过程，离，经过后续热处理，通过元素的扩散过程，可以提 25Cr5MoA和45钢界面处，Cr元素的分布曲线斜率高复合轴的结合强度；而对于复合板，当界面结合强减小.由于在较高的温度条件下，25Cr5MoA中Cr 度较小时，复合板内的残余应力也可能使其产生剥元素向45钢中扩散，同时45钢的C元素向离现象 25Cr5MoA中扩散，在结合界面会形成Cr的碳化表225C5MoA与碳钢固固结合界面剪切结合强度（挤压态）物，对Cr和C的扩散起到阻碍作用 Table 2 Bonding strength at the interfaces of a 45 steel/25Cr5MoA/ (3)经过挤压后，25Cr5MoA/Q235钢、 (235 steel solid-solid cladding shaft as extruded 25Cr5MoA/45钢结合界面的结合强度均比较低结合界面剪切面积/mm2剪切力/kN剪切强度/MPa 但是，与复合板相比，复合轴结构上所具有的特点 25Cr5MoA/Q235钢9.86×4.063.352 83.7 使其即使初期结合强度较低，也不易产生剥离，经过 25Cr5MoA/45钢10.82×3.96 4.677 109.2 后续热处理，通过元素的扩散过程，可以提高复合轴的结合强度，表3为调质处理后，25Cr5MoA与碳钢固固结参考文献合界面剪切结合强度.淬火温度为930℃，淬火保 [1]Cassada W,Liu J.Staley J.Aluminum alloys for aircraft struc 温时间为30min,回火温度为580℃，回火保温时间 tures.Adv Mater Processes.2002.160(12):27 为60min,从表3中可以看出，经过调质处理后，界 [2]Imamura T.Current status and trend of applicable material technology 面剪切结合强度得到大幅度提高，固一固结合的 for aerospace structure.J Jpn Light Met:1999,49(7):303 25Cr5MoA/Q235钢复合轴的剪切结合强度由 [3]Pu L G.Ji M G.Mechanical Design.Beijing:Higher Education Press,2001 83.7MPa提高到214.82MPa,提高了156.7%；固- (濮良贵，纪名刚.机械设计.北京：高等教育出版社，2001) 固结合的25C5MoA/45钢复合轴的剪切结合强度 [4]Erdogan F.Fracture mechanics of functionally graded materials 由109.2MPa提高到337.35MPa,提高了208.9%. Compos Eng,1995,5(7):753 表325C5MoA与碳钢固一固结合界面剪切结合强度（淬火温度为 [5]Dou M F.Wang BS.Rotor shaft mechanical design of big length 930℃，保温时间为30min:回火温度为580℃，保温时间为60mim) to diameter ratio high power density asynchronous motor.Micro- Table 3 Bonding strength at the interfaces of a 45 steel/25Cr5MoA/ motors,2006,39(9):19 Q235 steel solid-solid cladding shaft after heat treatment (quenching (窦满锋，王北社·大长径比高功率密度异步电机转轴机械设计.微电机，2006,39(9)：19) temperature 930 C,holding time 30 min:tempering temperature 580 ℃，holding time60min) [6]Dai J,Xia Z F,Wang D P.Analysis on the abatement of axis parts.Dev Innou Mach Electr Prod.2004.17(3):85 结合界面剪切面积/mm2剪切力/kN剪切强度/MPa (戴娟，夏尊风，汪大鹏.轴类零件的失效分析.机电产品开发 25Cr5MoA/Q235钢9.46×4.07 8.271 214.82 与创新，2004,17(3)：85) 25Cr5MoA/45钢4.92×4.45 7.836 337.35 [7]Chen J.Tong J G.Ren X P.Bonding behavior of 25Cr5MoA/ Q235 hot rolled clad plates.J Univ Sci Technol Beijing.2007. 结论 29(10):985 (陈靖，佟建国，任学平，25C5MoA/Q235钢复合板的结合性 (1)采用热装方式制成的25Cr5MoA/Q235钢能.北京科技大学学报，2007,29(10)：985) 固固复合坯料，在界面形成一定厚度的氧化皮，即 [8]Dong C W,Li Y F.Ren X P.Joint interface characteristics of 使经过挤压后和热处理后，也无法彻底消除结合界 TAl/Q235 clad plates manufactured by accumulative roll-bond- ing.JUnio Sci Technol Beijing.2008.30(3):249 面氧化皮的影响，采用间隙配合的25Cr5MoA/45 (董成文，李艳芳，任学平.TA1/Q235钢复合板累积叠轧焊界钢固一固复合界面，由于在挤压前经过良好的表面面特性.北京科技大学学报，2008,30(3)：249)

2∙4 界面结合性能表2为采用剪切实验方法测定的25Cr5MoA 与 Q235钢、45钢固－固结合界面的剪切结合强度．从表2中可以看出经过挤压后25Cr5MoA／Q235钢的结合强度为83∙7MPa25Cr5MoA／45钢的结合强度为 109∙2 MPa．可见当挤压比为 5∙6 时 25Cr5MoA／Q235钢以及25Cr5MoA／45钢的结合强度均比较低．与复合板相比复合轴结构上所具有的特点使其即使结合强度较低也不易产生剥离经过后续热处理通过元素的扩散过程可以提高复合轴的结合强度；而对于复合板当界面结合强度较小时复合板内的残余应力也可能使其产生剥离现象．表2 25Cr5MoA 与碳钢固－固结合界面剪切结合强度（挤压态） Table2 Bonding strength at the interfaces of a 45steel／25Cr5MoA／ Q235steel solid-solid cladding shaft as-extruded 结合界面剪切面积／mm 2 剪切力／kN 剪切强度／MPa 25Cr5MoA／Q235钢 9∙86×4∙06 3∙352 83∙7 25Cr5MoA／45钢 10∙82×3∙96 4∙677 109∙2 表3为调质处理后25Cr5MoA 与碳钢固－固结合界面剪切结合强度．淬火温度为930℃淬火保温时间为30min回火温度为580℃回火保温时间为60min．从表3中可以看出经过调质处理后界面剪切结合强度得到大幅度提高．固－固结合的 25Cr5MoA／Q235 钢复合轴的剪切结合强度由 83∙7MPa提高到214∙82MPa提高了156∙7％；固－固结合的25Cr5MoA／45钢复合轴的剪切结合强度由109∙2MPa 提高到337∙35MPa提高了208∙9％．表3 25Cr5MoA 与碳钢固－固结合界面剪切结合强度（淬火温度为 930℃保温时间为30min；回火温度为580℃保温时间为60min） Table3 Bonding strength at the interfaces of a 45steel／25Cr5MoA／ Q235steel solid-solid cladding shaft after heat treatment （quenching temperature930℃holding time 30min；tempering temperature 580 ℃holding time60min）结合界面剪切面积／mm 2 剪切力／kN 剪切强度／MPa 25Cr5MoA／Q235钢 9∙46×4∙07 8∙271 214∙82 25Cr5MoA／45钢 4∙92×4∙45 7∙836 337∙35 3 结论（1）采用热装方式制成的25Cr5MoA／Q235钢固－固复合坯料在界面形成一定厚度的氧化皮即使经过挤压后和热处理后也无法彻底消除结合界面氧化皮的影响．采用间隙配合的25Cr5MoA／45 钢固－固复合界面由于在挤压前经过良好的表面处理挤压后的界面几乎没有氧化物存在形成了较为完整的过渡区经过高温保温过程在界面附近 45钢中的碳元素向25Cr5MoA 钢扩散使得界面附近45钢侧碳原子减少因此在界面附近形成铁素体．（2）相对于25Cr5MoA 和 Q235钢界面元素的扩散行为25Cr5MoA 和45钢在复合时由于两金属表面经过良好清理因此经过挤压成形后Cr 元素的跳跃程度略为轻些．经过高温保温过程 25Cr5MoA 和45钢界面处Cr 元素的分布曲线斜率减小．由于在较高的温度条件下25Cr5MoA 中 Cr 元素向 45 钢中扩散同时 45 钢的 C 元素向 25Cr5MoA 中扩散在结合界面会形成 Cr 的碳化物对 Cr 和 C 的扩散起到阻碍作用．（3）经过挤压后25Cr5MoA／Q235 钢、 25Cr5MoA／45钢结合界面的结合强度均比较低．但是与复合板相比复合轴结构上所具有的特点使其即使初期结合强度较低也不易产生剥离经过后续热处理通过元素的扩散过程可以提高复合轴的结合强度．参考文献［1］ Cassada WLiu JStaley J．Aluminum alloys for aircraft structures．A dv Mater Processes2002160（12）：27 ［2］ Imamura T．Current status and trend of applicable material technology for aerospace structure．J Jpn Light Met199949（7）：303 ［3］ Pu L GJi M G．Mechanical Design．Beijing：Higher Education Press2001 （濮良贵纪名刚．机械设计．北京：高等教育出版社2001）［4］ Erdogan F．Fracture mechanics of functionally graded materials． Compos Eng19955（7）：753 ［5］ Dou M FWang B S．Rotor shaft mechanical design of big length to diameter ratio high power density asynchronous motor．Micromotors200639（9）：19 （窦满锋王北社．大长径比高功率密度异步电机转轴机械设计．微电机200639（9）：19）［6］ Dai JXia Z FWang D P．Analysis on the abatement of axis parts．Dev Innov Mach Electr Prod200417（3）：85 （戴娟夏尊凤汪大鹏．轴类零件的失效分析．机电产品开发与创新200417（3）：85）［7］ Chen JTong J GRen X P．Bonding behavior of 25Cr5MoA／ Q235hot rolled clad plates．J Univ Sci Technol Beijing2007 29（10）：985 （陈靖佟建国任学平．25Cr5MoA／Q235钢复合板的结合性能．北京科技大学学报200729（10）：985）［8］ Dong C WLi Y FRen X P．Joint interface characteristics of TA1／Q235 clad plates manufactured by accumulative rol-l bonding．J Univ Sci Technol Beijing200830（3）：249 （董成文李艳芳任学平．TA1／Q235钢复合板累积叠轧焊界面特性．北京科技大学学报200830（3）：249） ·578· 北京科技大学学报第31卷

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