摘 要

本文旨在针对刀剪行业常用5Cr15MoV（1.4116）马氏体不锈钢，德国牌号，用感应钎焊的方法进行焊接实验，希望获得好的焊接接头，探索焊接工艺参数和接头性能之间的关系，用于指导我国刀剪的生产。以焊接区附近的表面光洁程度作为首要指标，探究由于加热电流、加热时间、保温电流、保温时间等实验参数的不同而导致的最终样品的焊接接头处极限抗张强度、焊接区附近的硬度以及焊接区的耐腐蚀性这三个性能的不同，寻找出最适合本次实验的最佳实验数据，获得最适合母材的焊接工艺，得到本次实验最终所需要得到的工件。

关键词：感应钎焊；不锈钢；厨房用钢

Abstract

This paper aims at the welding test of 5Cr15MoV (1.4116) martensitic stainless steel, German grade, and induction brazing. It is hoped to obtain a good welded joint and explore the relationship between welding process parameters and joint performance. To guide the production of knife and scissors in China. Taking the surface smoothness near the weld zone as the primary index, the ultimate tensile strength at the welded joint of the final sample and the hardness near the weld zone were investigated due to the different experimental parameters such as heating current, heating time, holding current and holding time. The three properties of the corrosion resistance of the weld zone are different. Find the best experimental data that is most suitable for this experiment, obtain the welding process that is most suitable for the base metal, and obtain the workpiece that is finally needed in this experiment.

Key Words：Induction brazing；Stainless steel；Kitchen steel

目 录

摘 要 Ⅰ

Abstract Ⅱ

第1章 绪论 1

1.1 研究背景及现状 1

1.2 厨房用钢的用材选择 2

1.3 国内刀剪的发展 3

1.3.1 中国国际五金刀剪博览会 3

1.3.2 国内外刀剪行业差距 4

第2章 实验原理及设备操作 5

2.1高频感应焊接原理 5

2.1.1高频感应焊接原理 5

2.1.2 集肤效应 5

2.1.3 临近效应 5

2.1.4 高频感应焊接优势 6

2.2 实验设备及操作 6

2.3 焊接存在的问题 7

2.4 实验材料及方法 8

2.4.1 实验材料 8

2.4.2 实验方法 9

第3章 实验结果与讨论 10

3.1 5Cr15MoV（1.4116）马氏体不锈钢母材分析 10

3.2 焊接接头宏观形貌 10

3.3 实验结果分析 11

3.3.1 抗张强度分析 11

3.3.2 耐腐蚀性分析 13

3.3.3显微组织及硬度分析 15

第4章 结论 19

参考文献 20

致 谢 21

附录A 22

附录B 23

第一章　绪论

　　直到当前来看，我国刀剪产业在炊具的使用方面呈现增加的趋势，但是产业的整体相似度极高。总体来看，市场还处于发展成长阶段，在平常普通家庭的使用情况来看，刀剪的用材、加工工艺都差别不大，技术含量较低，仅能满足日常生活的需求，但是对于刀剪行业的企业及生产厂家，同行业的竞争者过多且自身没有优势；在高端家庭的使用情况来看，优质的刀剪企业拥有自己的创新成果和竞争优势并一直在不断创新，暂时波动较小。总体来看，中国刀具行业在技术含量低的领域产品种类集中，在技术含量高的领域企业数量少且单一。

1.1 研究背景及现状

　　厨房刀具行业自古以来便是十分受人关注的行业，直到目前，生产刀具的企业也是千姿百态并且数量极多，但是从整体方面来看，分为以下几种：第一是外资企业，从国外起家并且经过十几年甚至几十年的创新发展，成功的在世界上打下了自己的品牌价值和品牌理念，因此这些企业在国际上就有十分广阔的销售渠道，同时也能从全世界各地收获更多的资金，就例如双立人就是一个十分典型的例子，它在国内如今已经有着一部分的受众群体，还有庄山郎也是一家在国内十分知名的外资企业；第二类是我国的一些本土知名企业，这些公司通过学习外资企业的销售模式和生产工艺，也逐渐发展出一套适合自己的生产销售模式，王麻子剪刀几乎家家户户都听过，还有苏泊尔、巧媳妇等企业，都是通过自己的不断创新，通过一代又一代的产品的更新逐渐提升自己的品牌影响力；第三类是从一开始便存在的手工小作坊或者小规模的刀具生产企业，由于生产技术整体水平不高，因此数量众多，但是缺乏创新精神，总是追求低成本低利润的销售方式，没有办法发展自己的品牌，也不会在生产领域打下基础，产品相似度极高。

　　厨房刀具行业由于存在壁垒，新入行业的从业者并不是那么容易对老牌企业在短时间内造成严重威胁。从整体来看，以普通家庭使用为主打产品的厨房刀具行业，新入行业的从业者较为容易，并且很快就和其他企业的生产者齐名；以高端家庭使用为主打的行业，新入行的从业者想要在短时间内融入是十分困难的，因此对已经处于该领域的从业者威胁较小。同时，厨房刀具无法利用其他工具来替代，不同刀具在厨房里的使用是分工明确的，一般情况下不存在被替代的情况，因此其他产品对刀具的威胁性要小。

德国双立人企业生产的刀具是很多国内高端家庭的首选，首先最重要的一点肯定是因为双立人生产的刀具所使用的材质优异，生产的工艺流程好，但是，这不是唯一的因素。双立人在平时的生产和创新的过程中，学会将厨房场景的设计引入到厨房刀具也就是自己的产品的设计过程中，并且以用户为中心，分析使用者所处当时场景的使用角色和使用情景。产品创新者和生产者在充分了解不同层次消费者的特征行为的基础上，并且站在消费者的角度，才会开始深入探讨和思考厨房刀具设计的关键性因素。使用基于角色的场景来提取使用者在使用菜刀套装过程中的具体要求。通过设定问题情景，结束关键问题和在概念情景中实现评估，确定设计调整的方向。最后，通过设计实践提出了实施研究理论的初步方案^[12]。

目前，国外研究机构已经将刀剪行业的目光放到了更长远的搞技术水平含量的创新型刀具。已经有专家开发出一种用于产生减少出血的手术切口的超声波振动刀，在临床上利用组织病理学和拉伸强度的差异，比较了超声波振动刀与常规手术刀的不同之处，此外还对猪皮肤进行实验，对比使用电外科和二氧化碳激光，对猪皮肤造出切口，观察切口处组织的损伤情况已经恢复情况，发现二者有明显的不同，超声波振动手术刀明显优于其他任何方式。利用常规的手术刀，医生们可以使皮肤组织达到很小的损伤状态，而且伤口愈合也很快，但是利用了超声波振动手术刀，损伤状态更小甚至微乎其微，愈合速度更加迅速。内窥镜粘膜切除术（EMR）对于胃肿瘤是最佳治愈方式，国外研究机构发明了一种绝缘尖端电外科刀，为这项手术提供了一种创新的便利的技术。他们做过一项实验，在超过100名患者中进行胃肿瘤的切除术，通过评估整块肿瘤的切除率、切除的完整性以及相关的并发症，对部分患者的复发率进行调查，然后停止进行治疗。整体的切除率在六成左右，并且病灶由小至大整块的切除率会逐渐下降，完全切除率也下降，他们也与使用普通手术刀的手术进行了比对，发现采用新型刀具可以大大改善手术的质量以及疾病的治愈率^[1]。

1.2 厨房用钢的用材选择

　　厨房里使用的所有工具，都是与人们的食物直接接触，因此健康是绝大多数消费者关注的问题，因此选择一个适合保存、无毒无害、对人健康有利的材料制作厨房刀具，是一个至关重要的问题，摆在每一个企业面前，因此，不锈钢是一个非常好的选择。而在家庭使用刀具方面，不锈钢有三个系列，或者说是选择，分别为200系列、300系列和400系列。

　　（1）200系列不锈钢无磁性，而且利用率很高，大部分产品都使用该系列，因为这一个系列，不锈钢价格比较便宜，因此制作成本较低。但是有一个关键的问题就是该系列不锈钢的耐腐蚀性能较差，无法适应极端环境以及比较恶劣的使用环境，主要在家用电器方面使用较为广泛，还有许多厂家在生产建筑用材或者装修所用材料都喜欢使用这个系列的不锈钢。

　　（2）300系列中304型号的不锈钢用途最广泛，同样也不具有磁性，它的耐腐蚀性能优异，还有许多优良的力学性能，价格相对高一点，很多医疗设备，例如镊子、手术刀等直接与人体接触的刀具，都会首要选择该型号的不锈钢，同时，在家庭使用的时候，不锈钢碗、不锈钢盆、不锈钢的勺子等等餐具也大都使用该型号的不锈钢。在300系列中，316的耐腐蚀性能更强，利用它的这种优秀的耐腐蚀性，在海水产业中可以发挥更大的作用，可以用来制作用于海水淡化的操作工具和器具，并且使用寿命极长，是其他材料制作的工具的好几倍甚至几十倍。但是当前从市场角度来看，市面上的商品大多还是使用304作为家庭使用的厨具的材质。

（3）400系列中的430，在整体行业的使用量较少，因为430的耐腐蚀性能很差，而厨房中的很多食材、用水等均可以对430产生或多或小的影响，同时430 难以承受稍微大一点的压力和冲击，因此使用面比较窄，大多是用来制造锅、碗、盆等用具的盖子。^[6]

1.3 国内刀剪的发展

1.3.1 中国国际五金刀剪博览会

　　2018年10月19日至22日，以“构建五金刀剪展示交易平台”为主题的第17届中国国际五金刀剪博览会在阳江国际会展中心进行，这一届博览会关注度非常之高，被称为“中国剪刀第一展”，将通过举办一系列全球采购对接及名刀展、刀剪文化交流等活动，致力于促进阳江五金刀剪产业与全国、全球同行交流合作，扩大内销和出口，推动行业转型升级、高质量发展。

　　刀博会吸引了行业最优秀的企业。参展企业有267家，其中刀剪类、餐厨类、生活用品类参展企业132家，机械类和原辅材料参展企业135家，参展的五金刀剪企业大都是刀剪行业的领军者，品牌知名度极高，在平时的生产工艺中注重创新，努力打造自己的品牌优势，同时大规模生产工作量达到高水平。此外，刀博会还发动和组织阳江参加广交会的进出口企业101家参展，认购展位达196个，占刀剪产品展位总数的52%，较往届增加3倍多，刀博会作为行业发展风向标的作用进一步凸显。

　　本次刀博会的采购商来自世界各地，阵容强大。主办方在大力组织邀请国内刀剪经销商、广交会客商以及港澳台等专业买家的同时，委托中介机构组织开展全球采购商采购对接活动。邀请了俄罗斯、德国、日本、瑞典和香港澳门地区采购团队，通过全市进出口企业邀请国外客商，通过义乌阳江商会、郑州阳江商会组织国内著名专业市场采购商，通过中国酒店用品协会、全国百货联盟等国内大型采购知名企业组织采购团。

　　阳江是国家餐厨用品外贸转型升级示范基地，为促进阳江餐厨用品行业做大做强和转型升级，中国轻工艺进出口商会、世供网10月20—21日联合举办首届“餐厨用具跨境电商买卖家对接会”，邀请来自广州、杭州、深圳、港澳、台湾的买家卖家以及本地餐厨用具生产厂家和工贸企业500家参加，推进阳江餐厨用具企业与电商平台对接，举办贸易签约活动，促进贸易和进一步宣传推广阳江餐厨用具行业，提升在阳江刀具全国乃至全球的影响力^[10]。

1.3.2 国内外刀剪行业差距

　　国内外刀剪行业产生差距并不是一瞬间发生的，而是有一个漫长的过程。第一点是由于从一开始国内刀剪行业起家时，生产者们都没有长远的打算，只是希望一时的利益，只是通过简单的工艺和低成本的材料，薄利多销，靠自己较低的价格获得市场的认可，产品定位较低，生产技术落后并且固步自封，缺乏创新，不利于整个刀剪产业的整体性进步；第二点是国内厂商生产刀剪所使用的原材料和加工技术，刀剪生产过程中需要严格的工艺设计和加工设计，尤其是在热处理工艺和焊接工艺方面，国内的水平达不到发达国家的水平，存在很大的差距，从而导致尽管使用了相同的母材，但是最终得到的产品在力学性能、耐腐蚀性能等诸多方面存在很大的缺陷，影响人们平时的使用；最后一点，综合考虑。由于刀剪等用具大多跟人们的日常生活有直接的关系，因此在社会、健康、安全、环境等方面受到公众的关注，越来越多的消费者不仅仅只关注价格，而是要享受高质量的用品，因此，在实验过程中还要对这些综合方面进行考虑。

　　在日常生活中，铜、不锈钢等金属材料在成本方面比较适合用作刀剪等工具，同时，铜是人体需要的微量元素，可以起到平衡电解质的作用，需求同时也比较少，不锈钢则分为很多种，许多都含有铬、镍、锰等微量元素，对人体健康有很大的影响，但是性质比较稳定，不易分解，同时国标也强调食品级存放容器选择指定的不锈钢如奥氏体和铁素体型。

第二章　实验原理及设备操作

2.1 高频感应焊接原理

2.1.1 高频感应焊接原理

　　高频感应焊接前景很广阔，要求进行焊接的试样一般具有规则的形状，T型、L型、直线型等对称零件中广泛使用这项技术。高频感应钎焊属于一种非线性的焊接方式，这种工艺没有固定的过程、参数和结论，因为这项工艺过程中，实验设备可以直接通过改变输出功率来改变输出电流；同时，利用感应线圈进行加热，会在感应线圈内部利用右手螺旋定则，会产生一个磁场，产生场力；最后，实验的最终目的是对试样进行加热，也有热的作用。因此这一项工艺是前面多个参数相互影响共同作用而产生的结果，甚至还会有其他多种不确定因素的影响。焊接工艺可以存在很多种不同的情况，参数也会存在不同，同时，焊接过程中采用不同的母材，具有不同的性质等等，这些不同的参数，会产生不同的焊接结果，焊接得到的样品也会在质量上产生不同的影响。

高频感应焊接一般使用的设备频率大多位于50~400kHz、功率多位于10~100KW，利用高频感应加热电源产生电流，这种电流的频率很高，会产生两种效应，其中一种就是集肤效应，这种效应是流过这个金属的电流，会产生磁场，但是在这个场中会存在一个涡流，这个涡流会抵消电流的作用，这样的结果就是电流大量存在与金属的表面，而金属的内部通过的电流就非常小；第二种效应就是临近效应，这种效应可以影响高频电流，通过这种效应可以改变达到控制电流流动的整体范围，使其专一地存在于实验想要的某个范围，控制流动位置可以使电流集中在所需的位置^[9]。

2.1.2 集肤效应

集肤效应是指当导体流过电流时，导线内部的实际电流非常小，电流主要集中在临近导线的表面的一个薄层，使导体的电阻增加，从而损耗功率也增大，交变磁场会在导体内部引起涡流，电流在导体横截面上的分布不是均匀的^[8]。

2.1.3 临近效应

临近效应是当A、B两导体流过相同方向的电流IA和IB，当电流按某个方向突增时，导体A产生的突变磁通在导体B中产生涡流，使其下表面的电流增大，上表面的电流减小。同样导体B产生的突变磁通在导体A中产生涡流，使其上表面的电流增大，下表面的电流减少。当流过导体的电流相同，导体之间存在一点距离时，如果导体之间的相对面积不同，临近效应使得导体的有效截面积不同，研究表明导体的相对面积越大则导体的有效截面积越大，损耗相对较小^[7]。

2.1.4 高频感应焊接优势

　　高频焊接可以在多种条件下适用，应用广泛，可以在各种气氛（真空、惰性气体甚至是普通空气）下钎焊；高频感应加热设备可以仅仅消耗很少的电能就可以达到焊接所需的要求，因为设备可以针对试样某一个部位或者某个接口进行加热，这样工件的形变量就会较小，保证试样的基本参数变化不大；加热速度极快，可以在很短的时间内便使工件加热到所需要的温度，甚至不到一秒的时间内，从而使工件表面的氧化和脱碳程度较轻；可以自行改变所需的频率，针对不同的母材，例如低碳钢、中碳钢、高碳钢等，选择合适的加热频率，保证最终得到的样品的各项性能达到最佳程度；操作简单易懂，无需专业人事也可进行操作^[11]。

2.2 实验设备及操作

　　本实验中的实验设备采用东莞市赫达机电设备有限公司生产的高频感应加热机，该设备是五金小工件加热、焊接、热锻、淬火、熔炼等的理想设备，具有体积小、重量轻、极其省电等优点，同样的加热速度用电仅为电子管高频机的四分之一，使用安全，输出端无高压从而免除高压触电危险。

　　实验过程中，首先确保各需安装工作已经完成，然后打开冷却水。首先选择一个适合使用的感应线圈形状和放置方向，拧紧螺丝，将感应钎焊设备背后的空气开关打开，然后设备开始进入换水状态，打开前方的开关。本仪器有两种操作模式，一种是自动，另一种为手动。由于需要在一开始对实验条件进行大体摸索，首先使用手动状态，观察样品变化时间，从而决定一个适合的自动状态的时间，而后采用自动状态。在“手动”状态下，置“手动|自动”选择开关为“手动”位置，调节机器前面的两个旋钮左边的加热旋钮，调节实验过程中的加热电流，可以直接改变对工件的加热温度。按下开始开关，开始加热；此时“工作”指示灯闪烁，机器“滴···滴···”响，上部的显示面板显示的是此时设备加热状态下所保持的加热电流，随着电流的增大，加热所需要的时间会减小，加热的速度会越快，“时间显示”显示加热的时间。再按一下开始开关，加热停止。当处于“自动”状态下，置“手动|自动”选择开关为“自动”位置，调节加热功率旋钮和保温功率旋钮至合适位置，调节“加热”“保温”“冷却”时间。按一下操作面板的启动按钮，开始加热，上部的显示面板显示的是此时设备加热状态下所保持的加热电流，随着电流的增大，加热所需要的时间会减小，加热的速度会越快，“时间显示”显示加热的时间。加热时间结束时，开始保温过程，此时“保温”指示灯闪烁，机器“滴···滴···”响，保温灯亮，上部的显示面板显示的是此时设备加热状态下所保持的加热电流，随着电流的增大，加热所需要的时间会减小，加热的速度会越快，“时间显示”显示保温的时间，保温时间结束时，开始冷却过程，此时设备停止工作，机器停止“滴···滴···”响，冷却指示灯亮，“数显表”显示“000”，“时间显示”显示冷却的时间。冷却时间结束时，冷却灯灭，至此完成一个加热过程。自动过程进行中，按停止按钮，可以在加热过程中停止设备的运行，可以进行其他的相关操作。最后完成加热之后，关闭电源，首先关闭设备前部的电源开关，然后关掉设备连接的冷却水，最后再将电源总开关关闭，以保护设备。

2.3 焊接存在的问题

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