316L-Q345R不锈钢复合板性能评价

金贺荣,杨旭坤,宜亚丽

(1 燕山大学 先进锻压成型技术与科学教育部重点实验室，河北秦皇岛 066004；2 燕山大学 河北省并联机器人与机电系统实验室，河北 秦皇岛 066004；3 燕山大学 机械工程学院，河北 秦皇岛 066004)



316L-Q345R不锈钢复合板性能评价

金贺荣1,2,杨旭坤3,宜亚丽3

(1 燕山大学 先进锻压成型技术与科学教育部重点实验室，河北秦皇岛 066004；2 燕山大学 河北省并联机器人与机电系统实验室，河北 秦皇岛 066004；3 燕山大学 机械工程学院，河北 秦皇岛 066004)

从微观组织和显微硬度两方面对真空热轧316L-Q345R不锈钢复合板试样性能进行评价。采用电子显微和能谱分析技术，对试样进行微观组织特征观察和成分含量测定，研究相结构及成分变化规律。通过硬度测试仪对复合板界面附近硬度进行测量，研究微观组织与硬度关系。结果表明：热轧后复合板Q345R侧显微组织以铁素体和珠光体为主，316L侧显微组织为单一奥氏体，一部分晶粒呈孪晶状态，Q345R低合金钢和316L不锈钢经过热轧可良好复合，复合界面平直；界面两侧元素存在扩散现象，不锈钢中Cr，Ni元素向低合金钢侧扩散，在界面形成富Cr，Ni薄层，低合金钢中C向不锈钢侧产生少量迁移；在复合界面处的硬度值较大，低合金钢侧远离界面位置复合板硬度与Q345R本身硬度值接近，而从界面到不锈钢侧硬度呈现先下降后上升至稳定的趋势。

不锈钢复合板；金相组织；元素扩散；硬度

双金属复合材料在设计上综合了两组元的优点，具有单一金属或合金无法比拟的综合性能，成为当今材料科学的研究热点[1]。不锈钢复合板由基层(碳钢或低合金钢)和复层(不锈钢)通过冶金复合而成，在减少不锈钢用量前提下，既能保证材料耐腐蚀性又充分利用基层提高力学性能[2]，降低了设备制造成本，在化工、石油、海水淡化、造船工业等领域具有广泛的应用前景[3]。

随着大功率轧机的出现和轧制技术的不断成熟，真空热轧不锈钢复合板已实现连续化规模化生产[4,5]。轧制成形的复合材料性能主要取决于复合界面各组成元素间的相互作用，界面组织的结构及其演化对复合材料的后续加工性能有着至关重要的影响，通过组织控制研究可以提高复合材料的综合性能[6-9]。文献[10]采用累积复合轧制技术完成TZM板4次轧制复合，并对不同道次TZM复合板进行性能测试和组织分析；文献[11]对比了国产和进口两类铁素体不锈钢复合板界面的组织和合金元素分布，并对硬度和侧弯性能进行了分析；文献[12]中发现了热轧304不锈钢复合板中Ni，Cr的扩散和复合界面硬度高于基层的现象；文献[13-16]分别研究了热处理工艺对双相不锈钢复合板，退火工艺对STS430复合板和铝复合板，中间夹层对304不锈钢复合板界面组织演化和力学性能的影响；文献[17]通过对316L/16MnR热轧复合板复合界面进行扫描电镜观察和能谱分析，得到界面组织的组成和Fe，Ni，Cr等元素的扩散规律。上述文献主要研究了一些层状复合板的组织性能变化规律以及不同热处理工艺对组织和性能的影响，现阶段对热轧316L-Q345R不锈钢复合板组织性能的研究相对较少，对其变化规律的研究还有待深入。

本工作以真空热轧316L-Q345R不锈钢复合板为研究对象，在实验研究基础上，分析复合板微观组织、相结构及成分变化规律，明晰微观组织与硬度关系，以实现不锈钢复合板性能优化，以期为工业化生产不锈钢复合板提供参考。

1　实验材料与方法

基层材料为低合金钢Q345R，复层材料为不锈钢316L。采用真空热轧成形，具体工艺为：先对基层和复层材料的表面进行处理，及时封装组坯避免处理完成后的表面氧化，焊接密封后抽真空，将坯料加热到1100～1200℃，保温一段时间后进行四层对称轧制，坯料总厚度为402mm，各道次压下量为：42，40，38，36，34，32，30，26，24mm，热轧后其复合比为1∶9(316L∶Q345R)，尺寸为450mm×320mm×100mm，化学成分如表1所示。

表1　不锈钢复合板的化学成分(质量分数/%)Table 1　Chemical composition of stainless steel clad plate (mass fraction/%)

试样热轧后空冷至室温，经磨床表面处理后，用体积分数为4%硝酸酒精溶液对基层进行腐蚀，用氯化铁/盐酸(体积比20∶1)水溶液对复层进行腐蚀，用草酸对复合面进行腐蚀。对试样横截面进行腐蚀后，用光学显微镜、扫描电镜以及能谱仪器在试样不同位置处(如图1所示)进行组织形貌观察和化学成分分析，同时分析复合面附近夹杂物的化合物成分，并利用显微硬度测试仪对试样复合面附近进行硬度测量。

图1　组织分析取样点位置(a)不锈钢复合板俯视图；(b)不锈钢复合板主视图Fig.1　Microstructure analysis points of the samples(a)top view of stainless steel clad plate；(b)front view of stainless steel clad plate

图2　基层Q345R微观组织(a)1E表层；(b)1E心部；(c)1C表层；(d)1C心部；(e)2E表层；(f)2E心部；(g)2C表层；(h)2C心部Fig.2　Microstructure of Q345R steel(a)1E surface；(b)1E centre；(c)1C surface；(d)1C centre；(e)2E surface；(f)2E centre；(g)2C surface；(h)2C centre

2　实验结果分析

2.1基层Q345R侧微观组织

低合金钢基层不同部位微观组织如图2所示，其热轧后组织在宽度和厚度方向呈现一定的组织梯度。如图2(a)，(b)所示，在轧件端部1E处，由于外表面冷却速率比心部快，接近表面组织主要为马氏体和贝氏体组织，晶粒较为细小均匀，在心部处为近魏氏组织的铁素体和珠光体的混合组织，晶粒较为粗大。图2(c)，(d)所示为轧件端部1C处组织形貌，在1C处冷却速率较1E处均匀，所以近表面为细小均匀的马氏体和贝氏体组织，而在心部1C处冷却速率较1E处慢，显微组织形貌表现为片状铁素体和块状珠光体。由图2(e)，(f)可看出，与1E相比轧件中部2E处的组织由于冷却速率下降且不均匀，近表面出现了铁素体和珠光体组织，在心部出现了铁素体和珠光体的带状组织，带状组织的出现易引起层状撕裂，板厚方向上的力学性能降低。图2(g)，(h)所示为轧件中部2C处组织，显微组织趋于细化、均匀化，近表面为铁素体、马氏体和珠光体组织，心部为铁素体和珠光体组织。

2.2复层316L侧微观组织

不锈钢复层不同部位的微观组织如图3所示，其微观组织为单一奥氏体组织，部分晶粒呈孪晶分布，而且晶界清晰干净。采用真空热轧法轧制不锈钢复合板时，由于不锈钢处于真空环境下，轧后空冷至室温时，中部位置冷却速率缓慢，一些孪晶奥氏体晶界上析出碳化物，形成网状结构，产生了晶界缺陷，易引起晶间腐蚀。

图3　复层316L微观组织　(a)1E；(b)1C；(c)2E；(d)2CFig.3　Microstructure of 316L steel　(a)1E；(b)1C；(c)2E；(d)2C

2.3复合界面微观组织

复合界面不同部位的微观组织如图4所示，复合界面清晰可见，宽约5μm，呈近似直线形貌。复合界面右侧为Q345R低合金钢，其组织为铁素体和珠光体，而在界面附近其组织为铁素体，即出现了脱碳现象；这是由于不锈钢的含碳量比低合金钢的含碳量要低，奥氏体比珠光体更易溶解碳，不锈钢中含铬较高，而铬对碳具有较强的吸附力，加之碳原子尺寸小，在高温及塑性变形条件下，低合金钢中的碳不可避免地向不锈钢扩散迁移，且扩散速率较快，结果在界面附近基层低合金钢一侧形成脱碳层，而在复层不锈钢一侧形成增碳层。界面左侧为复层不锈钢，其组织为单一奥氏体，一部分晶粒呈孪晶状态，晶粒晶界清晰。从图4(a)可看出在界面的附近弥散分布着一些细小颗粒状夹杂物。碳元素的扩散会在界面处形成金属间化合物，导致结合强度的降低；碳扩散到不锈钢中会形成铬系碳化物，降低了不锈钢中固溶铬含量，影响不锈钢的耐腐蚀性。

图4　复合界面微观组织　(a)1E；(b)1C；(c)2E；(d)2CFig.4　Microstructure of interface between 316L and Q345R　(a)1E；(b)1C；(c)2E；(d)2C

2.4复合界面合金成分及夹杂物分析

真空热轧不锈钢复合板时，合金元素在复合界面两侧存在浓度梯度，会引发元素的扩散。如图5所示，在复合区内低合金钢和不锈钢中的合金元素发生了连续的互扩散，其中Fe，Cr，Ni元素的扩散较为明显。在复合界面附近的不锈钢侧Cr和Ni具有较高的浓度，Cr和Ni会越过界面向低合金钢侧扩散，导致在低合金钢侧复合面的附近形成了一层Cr，Ni富集层，对不锈钢侧的耐腐蚀性有不良影响。Fe，Cr，Ni的原子半径相近，在复合界面处均发生置换扩散，其扩散范围应相近，但在界面两侧Cr比Ni存在更高的浓度梯度，导致Cr的扩散距离比Ni大。

图5　界面附近组织形貌及元素分布(a)SEM组织形貌；(b)元素分布Fig.5　Microstructure and elements distribution of interface between 316L and Q345R(a)SEM image；(b)elements distribution

图6为通过点能谱分析得到的试样界面附近Q345R侧的明显缺陷处夹杂物中一点的成分含量。点能谱分析结果发现夹杂物中主要含有C，O，Fe，Si，Cr，Mn，Al，Mg，Ti，Ca等元素。在轧件复合界面1E，1C和2E处，夹杂物中除Fe，C，Cr，元素外，O，Al，Mg的质量分数较高，还有部分Ti，Si，Mn，Ca元素。Fe，C是钢中固有元素，Cr是由不锈钢层扩散产生，Si，Mn为Q345R内部析出，高比率的O，Al，Mg易形成Mg，Al氧化物[18]，这可能是组坯时从外界引入的，此外高温真空环境下，Mn，Si元素易形成少量Si-Mn氧化物，C，Cr元素易形成少量碳化物，并在复合界面处呈弥散不连续分布。在轧件中部的复合界面2C处，Al，Mg，Ca，Ti含量很少，这是由于2C远离焊缝位置，不易因为焊接密封时焊渣进入界面或者焊缝开裂而引入其他粉尘杂质。

2.5界面硬度分布

在不同位置处分别对界面附近的组织进行硬度测量，其分布规律如图7所示。根据显微硬度分析结果可知，在1E，1C，2E和2C处复合板硬度变化范围与其渗碳层和脱碳层宽度基本一致。在复合界面处的硬度值较大，是由于靠近界面的剧烈形变产生了大量位错，造成形变硬化，并且合金元素和碳元素的扩散出现交叉，该处各元素含量配比更易生成碳化物。在低合金钢一侧，硬度值随着离界面距离的减小，均呈现先下降后上升的趋势，大约在-10μm处达到最小值，远离界面位置硬度与Q345R本身硬度值接近；这一现象是由于低合金钢中的C扩散迁移后，而由不锈钢扩散的Ni，Cr未迁移到这一区域所致。而从界面到不锈钢侧复合板硬度值随距离增大先下降后上升最终趋于稳定。

图6　界面附近Q345R侧点能谱分析结果(a)1E；(b)1C；(c)2E；(d)2CFig.6　EDS analysis of points near the interface of Q345R(a)1E；(b)1C；(c)2E；(d)2C

图7　界面附近硬度分布Fig.7　Distribution of hardness near interface

3　结论

(1)通过真空热轧获得了316L-Q345R复合比为1∶9的不锈钢复合板试样，复合界面较为平直，Q345R侧组织以铁素体和珠光体为主，为典型的热轧组织，由于冷却速率不同，组织存在一定的梯度，316L侧为奥氏体组织，有孪晶分布。

(2)由于元素在界面两侧存在浓度梯度，导致扩散迁移现象发生，Q345R界面附近碳元素向316L迁移，出现一定宽度的脱碳层，316L中Ni，Cr等元素向界面和低合金钢侧扩散，致使不锈钢侧的耐腐蚀性下降。复合板在复合界面处硬度值较大；在Q345R侧，由于近界面处脱碳导致其硬度值下降，远离界面位置硬度与Q345R本身硬度值接近；从界面到316L侧的硬度变化趋势为先下降后上升最终趋于稳定。

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Performance Evaluation of 316L-Q345R Stainless Steel Clad Plate

JIN He-rong1,2,YANG Xu-kun3,YI Ya-li3

(1 Key Laboratory of Advanced Forging & Stamping Technology and Science of Ministry of National Education,Yanshan University, Qinhuangdao 066004,Hebei,China；2 Parallel Robot and Mechatronic System Laboratory of Hebei Province,Yanshan University,Qinhuangdao 066004,Hebei,China；3 School of Mechanical Engineering,Yanshan University,Qinhuangdao 066004,Hebei,China)

Performance of 316L-Q345R stainless steel clad plate prepared by vacuum hot-rolling was evaluated from two aspects of the microstructure and micro-hardness. Microstructure topography and constituent of clad plate were investigated by scanning electron microscope and energy spectrum analysis, and changing rules of phase structure and constituent were also studied. Relationship between microstructure and hardness was studied by testing the hardness of interface between stainless steel and carbon steel through hardness tester. The results indicate that, after vacuum hot-rolling, the microstructure of Q345R is mainly composed of ferrite and pearlite. The microstructure of 316L is single austenite, and part of grain is twin state. The clad plate compounds well after vacuum hot rolling, and the interface between stainless steel and carbon steel is straight. Elements diffuse into both sides of the interface. Cr and Ni diffuse from stainless steel into the low alloy steel and form a rich Cr/Ni layer in the interface, and C migrates from the low alloy steel into stainless steel. The hardness of clad plate is larger at the composite interface. The hardness away from the interface is closed to that of Q345R steel in Q345R steel side, while from the interface to stainless steel, the hardness reduces and then increases until it reaches a stable value.

stainless steel clad plate;microstructure;elements diffusion;hardness

10.11868/j.issn.1001-4381.2016.08.017

TB331;TG335.8

A

1001-4381(2016)08-0104-07

河北省自然科学基金-钢铁联合研究基金资助项目(E2014203118)

2014-09-11;

2015-10-24

金贺荣(1975-)，男，副教授，博士，从事复合型材成形理论与工艺技术研究，联系地址：河北省秦皇岛市燕山大学机械工程学院(066004)，E-mail：ysujhr@ysu.edu.cn