金属粉末作中间材热轧制备不锈钢复合板

2020-04-14廖相巍尚德礼贾吉祥李广帮

鞍钢技术 2020年2期

康磊，廖相巍，尚德礼，贾吉祥，李广帮，康伟

（鞍钢集团钢铁研究院海洋装备用金属材料及其应用国家重点实验室，辽宁鞍山114009）

不锈钢复合板是采用轧制或爆炸等工艺使不锈钢与碳钢或低合金钢复合的新材料，它不仅具有不锈钢的耐腐蚀性能，还具有碳钢或低合金钢的力学性能，达到了既节约贵金属又增强材料性能的目的［1-5］，因而被广泛应用于化工、石油、海水淡化、造船工业等领域。不锈钢复合板有多种生产方法［6-7］，其中热轧复合技术是国际上生产大规格不锈钢复合板的主流方法［1］，低成本、连续化制造高品质大规格不锈钢复合板的热轧工艺一直是主要研究方向［6］。近年来，真空热轧法制备不锈钢复合板是国内外学者的研究热点，但采用该技术制备复合坯相对复杂、成本高、周期长，不适合小批量生产小规格的不锈钢复合板［8］。已有文献［9］提到，制坯过程中的真空度是影响不锈钢/碳钢复合效果的最重要因素。热轧复合过程中易产生金属间化合物以及碳化物，而这些物质是脆性相，会消弱复合板的复合界面强度，针对这个问题，有学者研究在不锈钢和碳钢（低合金钢）间加铜、镍、纯铁等中间材［10-12］，以阻止金属间化合物和碳化物的生成，但由于提高了生产成本和影响复合强度，因此，在工业上都没有应用。本文针对真空热轧法存在的上述技术问题，研究金属粉末作为中间材在非真空条件下制备不锈钢复合板的方法，重点分析不锈钢复合板复合界面的微观组织和复合性能。

1 试验材料及方法

1.1 试验材料

试验采用304奥氏体不锈钢作覆层材料、工业纯铁为基层材料、304不锈钢粉作为中间材。三种原材料的化学成分见表1。

表1 原材料的化学成分（质量分数）Table 1 Chemical Compositions（Mass Fraction） of Raw Materials %

为了防止复合板热轧后弯曲变形，采用对称组坯方式，坯料组合示意图见图1。由图1所示，从上至下依次是工业纯铁、304不锈钢粉末、304不锈钢、隔离剂、304不锈钢、304不锈钢粉末和工业纯铁。304不锈钢尺寸为200 mm×215 mm×20 mm，工业纯铁尺寸为 200 mm×205 mm×24 mm，304不锈钢粉末厚度为3 mm，要求不锈钢粉末的粒度小于280 μm。

图1 坯料组合示意图Fig.1 Schematic Diagram for Combination of Billets

1.2 试验方法

覆材和基材的待复合面进行喷丸处理后，将不锈钢粉末填充到覆材和基材间并震实，采用氩弧焊沿四周密封焊接制备成复合坯，焊接要求无漏粉点。采用550 mm两辊轧机进行轧制试验，复合坯加热温度1 200℃，保温2 h。开轧温度为1 150℃，终轧温度为950℃。复合板坯的原始厚度为94 mm，共轧制六道次，终轧厚度为10 mm，轧后空冷至室温。

在复合板中切取金相试样，镶嵌并水磨抛光，用4%硝酸酒精溶液对基层金属腐蚀，用200MAT光学显微镜（OB）对微观组织进行观察和分析，用QUANT400扫描电镜（SEM）分析界面形貌和元素分布。

为了分析金属粉末中间层对复合性能的影响，在上表面切割试样进行剪切强度的测试。采用Inspekt100-table万能材料试验机进行剪切变形试验，变形速度为1 mm/min。图2为拉伸剪切试件示意图。另外，本次试验检测了复合板的弯曲性能，冷弯试验的取样位置分别是板宽的1/4和1/2处，试验尺寸为国家标准GB/T6396-2008要求的10 mm×30 mm×400 mm。弯曲试验在Carvar压力试验机上进行，弯心直径为10 mm，弯曲角度为180°。

图2 拉伸剪切试件示意图Fig.2 Schematic Diagram for Specimens for Tensile Shearing Test

2 结果与讨论

试验制备的不锈钢热轧复合板实物见图3。由图3（a）可以看出，从宏观上看，覆板和基板间结合良好，无明显分层，而且整体复合板板形非常平整，无弯曲变形。由图3（b）可以看出，复合板一侧板边存在轧制裂纹，其余板面均无宏观裂纹。由图3（c）可以看出，覆板和基板在轧制过程中变形基本一致。在实际生产中，通过剪板机切除头、尾和边部轧制缺陷，即可获得质量完好的不锈钢复合板。

图3 不锈钢热轧复合板实物Fig.3 Real Products of Hot Rolled Stainless Steel Clad Plates

2.1 界面组织分析

图4为不锈钢复合板金相照片。金相显微镜观察复合板的整个横断面后发现，基材、中间层和覆材间结合良好，不同材质间无未结合区域。

图4 不锈钢复合板金相照片Fig.4 Metallograph of Stainless Steel Clad Plates

图4（a）中可以看出，腐蚀后的复合板由基材、中间层和覆材三个区域组成，由不锈钢粉轧成的中间层沿轧制方向厚度分布均匀（约300 μm）且致密性高。由图4（b）可知，中间层与基材和覆材结合分别形成复合界面Ⅰ和复合界面Ⅱ，复合界面Ⅰ呈近似直线形貌且界线清晰，而复合界面Ⅱ无清晰的分界线，仅仅是中间层内存在灰色相，说明两层间在加热和轧制过程中熔合的较好。复合界面Ⅰ和复合界面Ⅱ附近均无氧化物存在，但在中间层内部有少量的长度为20～40 μm条状气孔。这是由金属粉末间存在气体造成的，还需对中间层进行抽空处理，以消除中间层内的气孔。复合界面Ⅰ附近基材组织为块状铁素体，和远离界面Ⅰ基材的组织一致，说明使用不锈钢粉作中间层不会形成增碳区。其原因可能是处于松散状态下的不锈钢粉末颗粒与基材间为点接触，在加热过程中金属粉末向基材中的碳元素扩散非常微小（可以忽略不计），虽然在钢板轧制时增大了金属粉末与基板间的接触面积，但是金属粉末温度的降低限制了碳元素向基材上扩散，因此，复合板坯在加热和轧制过程中不会发生碳的扩散行为。

2.2 复合界面合金成分分析

对腐蚀后的复合界面进行微区成分分析，采用线扫描分析复合界面处的 Si、Mn、Cr、Ni等元素。图5为复合界面处的SEM组织。

图5 复合界面处的SEM组织Fig.5 SEM Microstructure at Composite Interface

图6为复合界面处的线扫描结果。从图5、6中看出，这几种元素都发生了扩散现象，其中Cr、Ni的扩散最明显。这主要是中间层和纯铁侧Cr、Ni元素存在浓度梯度，在热轧过程中发生了元素的扩散，其中 Cr扩散了约 20 μm，Ni扩散了 10 μm，Cr、Ni扩散后在纯铁侧形成一条宽约20 μm的富Cr、Ni层。

图6 复合界面处的线扫描结果Fig.6 Linear Scanning Results at Composite Interface

图7为复合界面处C元素的电子探针扫描结果，由图7看出，复合界面处C元素几乎没有变化，未出现文献［13］提到的复合板界面处C元素扩散迁移现象。

中间层灰色相EDS面扫描结果见图8。由图 8 可知，灰色相中存在 Cr、Ti、Nb、C 这 4 种元素富集。根据富集区域形状可知，Cr、Ti、Nb、C 的富集形状相同。因此，不锈钢粉末在热轧成型过程中析出了富Cr、Ti、Nb的碳化物。碳化物的偏析是中间层的薄弱区域，严重破坏中间层的组织，危害其拉伸、冲击性能等各项性能［14-15］。还需进一步研究热处理工艺来解决此类碳化物的偏析缺陷。

图7 复合界面处C元素的电子探针扫描结果Fig.7 Scanning Results by Electron Probe for Carbon Element at Composite Interface

图8 中间层灰色相EDS面扫描结果Fig.8 Scanning Results for EDS Plane in Gray Phase of Interface Layer

2.3 剪切性能

拉剪试样取样位置为复合板长度方向的头部、中部和尾部，表2为不锈钢复合板各部位剪切强度。由表2可知，三个位置的剪切强度值比较接近，均大于400 MPa，计算均值为412 MPa，远高于国标GB/T8165-2008要求的剪切强度值。

表2 不锈钢复合板各部位剪切强度Table 2 Shearing Strengths of Different Positions at Stainless Steel Clad Plate MPa

2.4 冷弯试验

图 9 为弯曲试样实物图。由图 9（a）、（b）可以看出，复合板分别经180°内弯曲和外弯曲后，其复合界面结合紧密，不存在开裂或分层缺陷，说明复合板的界面保持完好的冶金结合。从图9（c）、（d）可以看出，经内弯曲和外弯曲试验后,试样的弯曲外表面也未出现由弯曲产生的微细裂纹。不锈钢复合板符合GB/T 8165-2008标准规定，具有良好的弯曲性能。