热处理工艺对304L不锈钢/Gr70碳素钢爆炸复合板界面硬度的影响

李平仓，赵 惠，刘燕平

(1.西安天力金属复合材料有限公司，西安 710201； 2.陕西省层状金属复合材料工程研究中心，西安 710201； 3.国家-地方联合工程研究中心，西安 710201)

【机械制造与检测技术】

热处理工艺对304L不锈钢/Gr70碳素钢爆炸复合板界面硬度的影响

李平仓1，赵 惠2，刘燕平3

(1.西安天力金属复合材料有限公司，西安 710201； 2.陕西省层状金属复合材料工程研究中心，西安 710201； 3.国家-地方联合工程研究中心，西安 710201)

通过对比分析不同热处理工艺对304L不锈钢复合板界面硬度及结合强度影响规律，发现随着回火温度的提高，钢侧硬度逐渐降低，而304L侧的界面硬度，当保温温度在640℃以上时，才开始下降。经对试验结果对比分析后发现，当回火热处理工艺为：640℃保温4 h，炉冷，复合板界面硬度值降低至350HV且均匀，更便于后续加工使用。

热处理工艺；304L不锈钢复合板；界面硬度

爆炸焊接是一种以炸药作为能源的一门高新技术，在炸药的驱动下，不锈钢复层以高速撞击钢材基层，界面原子无限接近形成具备冶金结合特点的复合材料[1～2]。这种复合材料既有不锈钢特殊的理化性质，又有普通钢高强度和低成本的特点，是石油化工、冶金和能源设备的不可缺少的结构材料，如管板、筒体板和封头板等。但是不锈钢撞击基层时，界面区域产生的加工硬化使复合材料后续加工，如钻孔、卷筒等[3～5]困难。为改善这类问题，必须降低界面区域硬度[6～10]。本文详细研究了不同热处理状态下304L不锈钢复合材料界面硬度变化规律，通过对比分析找到最佳回火热处理工艺。将研究结果应用到批量化产品后，节约后续加工成本，得到用户好评。

1 试验与方法

1.1 试验材料

试验所用复层304L相当于中国标准GB1220的00Cr19N;10不锈钢化学成分如表1所示，钢基层为Gr70相当于中国标准GB713的22Mn碳素钢，化学成分如表2所示。

表1 304L不锈钢化学成分 %

表2 Gr70碳钢板化学成分

1.2 实验设备及方法

采用爆炸焊接法制备尺寸为5/35×500×1 400 mm试板。为使硬度试样具有对比性，按照爆炸焊接过程中冲击波传播机理切割试样条，共计4条。

按照表3对试样条进行热处理，考虑到如果超过相变温度，对碳素钢的力学性能影响大，因此设计4种热处理工艺，如表3所示。

热处理后在各个复合板结合样条上的距离雷管区800 mm(G点)和1 400 mm(Q点)处取样进行硬度检测，设备为HXD-1000TM型维氏硬度计。

采用MODEL55100型电子万能试验机进行晶间腐蚀试验、剪切试验和拉伸试验。

表3 不锈钢/钢试板热处理工艺制度

2 结果与分析

爆炸焊接后对复合板进行UT检测，每个区域的波形图均与图1相似，从图中可以看出，底波峰值高，看不到一次界面波，说明复合板结合良好，界面无分层等缺陷，达到ASME 264-2011中1级要求。

检测四种工艺下G点和Q点的硬度，结果如表4所示。从表中可以看出，钢基体的硬度约170HV，而304L约为220HV，而界面区域硬度随着保温温度的升高而呈现下降的趋势。图2和图3分别为G点和Q点的硬度曲线图，从图中可以看出，工艺一条件下，钢板界面硬度为316HV，比钢基体硬度提高了85.8%，随着远离界面的距离的增加，钢板硬度逐渐降低，但均高于钢基体硬度；此时304L界面为454HV，比304L高106.3%。在工艺二条件下，钢侧区域已降至母材硬度；304L界面硬度为389HV，比母材高76.8%，比爆炸态降低14.3%，远离界面区域有降低趋势，但仍远高于母材硬度。在工艺三条件下，304L界面硬度为205HV，与母材接近，与爆炸态相比降低54.8%。

图1 UT检测的波形

图2 13ZX-4G点不同热处理工艺条件下显微硬度曲线

图3 13ZX-4Q点不同热处理工艺条件下显微硬度曲线

而远离界面区域的硬度虽然高于界面，但是低于工艺二条件下相应位置的硬度。在工艺四条件下，304L界面硬度突然升高，接近于爆炸态，而远离界面后，区域硬度与640℃热处理后相似。图3显示Q点的硬度变化趋势与G点相同，工艺二条件下钢侧和304L侧界面硬度最高。工艺三条件下，钢侧区域硬度降至钢基体硬度，而304L侧硬度变化趋势与G点相似，硬度值均在350HV以内。工艺四条件下，304L侧界面硬度突然升高，与爆炸态接近。从上述实验结果可以看出，保温温度为640℃时，304L侧区域硬度已降至最低，均在350HV以内，而当温度升高到680℃时，304L侧界面硬度突然升高，这可能是由于高温条件下，碳元素向304L界面扩散，使304L界面产生碳化物，导致界面硬度升高。

表4 同工艺下显微硬度

保温温度不仅影响复合板界面硬度，还影响复合板的剪切强度，因此制定热处理工艺前，还应分析热处理工艺对复合板结合性能的影响。304L不锈钢复合板检验结果如表5和图4所示，从图4中可以看出，每种工艺条件下，304L不锈钢复合板的剪切强度波动不大，从表中可以看出随着热处理温度的提高，复合板剪切强度平均值有所下降，但是均高于标准要求(SA 264-2011，≥140 MPa)155%以上，满足使用要求。但是当保温温度超640℃时，复合板的304L界面硬度发生突变，接近于爆炸态304L侧界面硬度。而从复合板的结合强度来看，随着热处理温度的提高，复合板剪切强度平均值有所下降，但是均高于标准要求155%以上。

图4 13ZX-4Q点不同热处理工艺条件下剪切强度

试样号ABCDEFGHIJKL平均值13ZX-4-142043053545545544548045544544043543545313ZX-4-240039038540044040040540042539042543040813ZX-4-339037037039540539541043037040541538539513ZX-4-4365370360365335345355375380345350345358

304L的耐蚀性对热处理温度敏感，因此设计工艺时还应考虑温度对耐蚀性的影响。图6是四种工艺条件下，试样按照SA262E法的晶间腐蚀试验后的外观。从图中可以看出，工艺一、二、三条件下试样表面光滑，未产生缺陷，这说明三种温度均未影响304L的耐蚀性。工艺四条件下，试样弯曲面出现鱼鳞状形貌，这是典型的晶间腐蚀形貌，说明材料在此热处理温度下发生了晶间腐蚀。

图6 晶间腐蚀试验后的试样

图7 钻孔后的管板

将工艺三应用于批量化生产后，304L不锈钢复合材的加工性能提高。如304L不锈钢管板(图7)，采用该工艺热处理后，钻头使用寿命提高，钻孔成本降低20%，得到用户高度认可。

综上所述，304L不锈钢复合板的最佳热处理工艺是工艺三，即640±15℃/4小时，炉冷。

3 结论

热处理工艺影响复合材料界面硬度的大小：在600±15℃ 4小时回火和680±15℃ 4小时回火时，界面硬度改善效果不理想，只有工艺三可以将界面硬度最大程度降低，在350HV以内，且均匀。在此回火工艺下，304L不锈钢复合材的主要力学性能指标，剪切强度和腐蚀性能均能达到要求，因此，304L不锈钢复合材的最佳回火热处理工艺为：640±15℃/4小时，炉冷。

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(责任编辑 唐定国)

Analysis on Interface Hardness of the Clad Plate with Different Heat Treatment Process

LI Ping-cang1， ZHAO Hui2，LIU Yan-ping3

(1.Xi’an Tianli Clad Metal Materials Co., Ltd., Xi’an 710201, China;2.Shaanxi Engineering Research Center of Metal Clad Plate, Xi’an 710201, China; 3.National Joint Engineering Research Center, Xi’an 710201, China)

Through the comparative analysis of different heat treatment process on the combination of rule and impact strength of 304L stainless steel composite plate interface hardness, we found that with the increase of temperature, the hardness of steel decreased gradually, while when the heating temperature is over 640℃, the interface hardness of 304L side began to decline. By the comparative analysis of the test results, it showed that when the heat treatment craft: 640℃,1～4 h,and furnace cooling, the interface hardness decreased to 350HV and uniformity, and it is more convenient for subsequent processing.

heat treatment process; 304L clad plate; interface hardness

2016-10-15；

2016-11-25

国家高技术研究发展技术项目(863计划)(2015AA03A501)

李平仓(1968—)，男，教授，主要从事层状金属复合材料研究。

赵惠(1979—)，女，博士，教授，主要从事层状金属复合材料研究。

10.11809/scbgxb2017.02.027

李平仓,赵惠，刘燕平.热处理工艺对304L不锈钢/Gr70碳素钢爆炸复合板界面硬度的影响[J].兵器装备工程学报，2017(2):118-121.

format:LI Ping-cang，ZHAO Hui，LIU Yan-ping.Analysis on Interface Hardness of the Clad Plate with Different Heat Treatment Process[J].Journal of Ordnance Equipment Engineering,2017(2):118-121.

TG156

A

2096-2304(2017)02-0118-04