镍基合金粉末复合板轧制工艺技术研究

李 红，刘益民，高 楠，田玉婷，李晋宇，纪 红

（1.鞍钢重型机械设计研究院有限公司，辽宁 鞍山 114031；2.鞍钢重型机械有限责任公司，辽宁 鞍山 114031；3.鞍钢集团钢铁研究院，辽宁 鞍山 114009；4.哈尔滨工业大学 材料科学与工程学院，黑龙江 哈尔滨 150001）

镍基耐蚀合金是一类重要的耐蚀材料，与一般耐蚀金属及非金属材料相比，具有耐多种形式腐蚀的能力，包括全面腐蚀、局部腐蚀以及应力腐蚀等，在航空航天、船舶制造、海洋防腐等领域得到广泛应用［1］。与铁、低合金钢等金属材料不同，镍60合金铁含量高（≤15%），硬度在HRc60左右，与渗碳、渗氮、渗硼、镀铬或其他合金表面硬化处理后硬度相当，具备优良的耐磨性、耐蚀性和抗高温氧化的综合性能，广泛应用于各种易损部件，提高其使用寿命，取得了显著经济效益和社会效益。镍60钢板在市场上的价格约为15万元/吨，是Q235B价格的50倍，若以复合板替代纯镍60钢板，可大幅度降低成本。

粉末轧制有冷轧和热轧两种复合工艺。相对于热轧复合，冷轧工艺通过加大轧制压下量，让金属原子之间紧密结合，经过加热退火，使原子层扩散过渡。可根据不同的性能需要进行多种材料组合，成品一致性较好。与冷轧相比，热轧工艺产量高，适于厚板复合轧制生产，轧机无需很高精度。冷轧和热轧工艺在各自复合轧制领域优势明显，只能互相融合取长补短，无法彼此取代。

随着国内不断引进大型轧制生产设备，复合轧制法生产复合板越来越受到关注。很多学者对复合板轧制进行了深入研究，也取得了一些成果。孟亮等［2］对Ag/Cu复合层状材料轧制进行了分析，研究了反复弯曲载荷条件下材料接合性能与复层基体硬度及界面区域微观组织的关系。本文提出镍基合金粉末与Q235B复合板轧制，采用冷轧+烧结+热轧工艺技术，开展高品质粉末复合板轧制及烧结致密化探索。

1 粉末轧制装备

粉末轧制工艺是一种在不封闭条件下，将粉末连续压制成型的过程［3］，原料通常为金属或合金粉末。将原料粉末喂入轧机直接轧制出很薄的生带材后，进行烧结、轧制和退火等一系列工序处理，最终制备出的金属带材具有一定的密度和良好的性能。

本文自主研发制造出一套高刚度二辊可逆冶金粉末实验轧机（以下简称粉末轧机）机列。轧机本体由高刚度闭口轧机机架、压下装置、轧辊辊系、上辊平衡装置、布料装置等部分组成。粉末轧机结构如图1所示。传动装置为变频减速电机驱动齿轮机座经万向接轴带动轧辊。换辊装置用于更换工作辊系，电机经蜗轮-蜗杆减速机驱动丝杠前后移动，丝杠头部与钩头相连，带动换辊车实现换辊。

实验用粉末轧机实物如图2所示，相关技术参数详见表1。

轧机控制系统由一台控制柜和一台操作台组成。主轧机变频器采用ABB ACS 800-01系列。PLC选用西门子S7-300系列。装机容量120 kVA。

箱式气氛炉用于冷轧制成的复合板坯加热烧结。主要性能见表2。

表1 轧机技术参数Tab.1 Technical parameters of mill

表2 箱式气氛炉主要性能Tab.2 Specifications of box-type atmosphere furnace

2 镍-钢板粉末轧制工艺技术

镍基粉末复合板轧制尚处于起步状态，可借鉴资料很少。经过数十次实验，提出复合板轧制工艺流程：钢板表面处理→布料→粉板复合冷轧制→烧结热处理→热轧制。

2.1 钢板表面处理

在复合轧制实验前需要对板表面进行处理。钢板表面粗糙度与清洁度是影响复合轧制的两个重要因素，合适的粗糙度能够限制粉末在钢板表面上流动，有利于两者机械结合。良好的清洁度能够使粉末与钢板更好地结合，不产生分层。

2.2 布 料

在处理过的钢板上铺设一定厚度的镍基粉末，要求厚度均匀，防止轧制出现裂纹或过于松散。冷轧时布料均匀性及每次布料厚度一致性是采集实验数据的关键。随着压下量的不同，在反复实验过程中，研制出一种可调整布料厚度的高精度布料装置，确保布料精度在0.05 mm范围内。

2.3 镍基粉末-钢板复合冷轧制

冷轧中，镍基粉末轧制压下率在约50%时结合效果最佳。当钢板厚度、轧制速度及粉末粒度相同时，压下量越大，复合板硬度越大。压下率过小，粉末结合不上或生坯强度过低；压下率过大，生坯内部应力过大产生裂纹，这两种状况均无法继续实验。

2.4 烧 结

冷轧时，金属粉末与钢板表面不足以形成有效的冶金结合。由于镍基粉末与钢板的延伸性不同，在复合轧制时，不均匀变形产生残余应力及加工硬化影响复合界面结合性能。因此，需要对冷轧后的生坯进行烧结，烧结温度高于两者的再结晶温度。高温下，金属原子通过结合界面相互扩散进入相邻金属基体，诱导晶界发生迁移，延伸结合面，在界面两侧形成了具有一定深度的扩散层，实现了界面间的冶金结合。通过逐步提升烧结温度，摸索出最佳烧结温度及时间［3］。同时，烧结需在一定还原保护气氛下进行，防止复合板表面在高温下氧化。

2.5 热轧制

复合板在烧结后进行一定道次的热轧制以增加粉末层致密性及与钢板之间的结合强度。

3 镍60粉末-钢板轧制实验

3.1 实验过程

以镍60粉末-钢板复合轧制实验为例。基板规格为4.5 mm×140 mm×160 mm，材质Q235B，其化学成分为：w（C）≤0.2%，w（Si）＜0.35%，w（Mn）＜1.4%，w（S）≤0.045%，w（P）≤0.045%，w（Cr）＜0.3%，w（Ni）＜0.3%，w（Cu）＜0.3%。Ni60粉末颗粒直径为55～155 μm球形，通过气雾化制得。Ni60粉末的化学组成：w（C）=1.0%～0.6%，w（Si）=4.5%～3%，w（Cr）=17%～14%，w（B）=4.5%～2.5%，w（Fe）≤15%，w（Ni）=其余；物理性质：熔点1 027℃ ，硬度55～65 HRc［4］。

将Ni60粉末铺在Q235B钢板上，厚1.0 mm。轧机开口度的调整可通过粉末轧机的压下装置进行操作，使其与复合板坯的厚度相同。复合板坯的轧制过程为冷轧，往复4道次。板坯四周边缘由于缺少阻挡，粉末流动性强，出现复合层强度较小，甚至剥落的情况，但不影响板坯整体质量。

开启箱式气氛炉，将复合板坯装入炉膛，首先进行抽真空处理，再将氩气通入并形成正压保护气氛。烧结温度与时间关系如图3所示。复合板随炉冷却到950℃时开炉夹取，随即送入粉末轧机进行热轧，成品复合板厚度为4.6 mm。热轧后的复合板随空气冷却至室温。复合板坯及复合板照片如图4所示，复合层与钢板之间紧密结合，复合板表面质量良好。

3.2 金相检验

镍60复合板成品通过Zeiss supra55场发射扫描电镜和牛津Max20能谱仪做显微形态观察和能谱分析。

采用激光切割在复合板上提取金相试样，规格为10 mm×10 mm。金相检验横切面分析结果如图5所示。镍60粉层烧结情况较好，结合处存在明显过度区域，粉-板结合致密性好，合金化高，颗粒之间形成烧结颈。

3.3 微观成分分析

对试样切片的过渡层进行EDX面扫描分析，结果如图6所示。复合层和钢板的主要成分分别为Ni和Fe，复合层与钢板之间并未剥离，结合区比较明显。由此认为在结合区域粉板之间成分已经互相浸入。另外，结合面处轧制留下的空隙中存在一部分O，同样扩散到过渡层中，印证了上述判断。

扫描电镜SEM和EDX能谱分析结果见图7和图8。位置13为镍60粉末复合层，位置16为Q235B钢板。过渡层在复合板的位置14处，镍60所含有的Ni、Cr等元素通过烧结轧制后渗入其中，实现冶金结合。

4 结 论

采用自主研发的高刚度二辊冶金粉末实验轧机，摸索镍基合金粉末复合板轧制的工艺路线。采用“冷轧+烧结+热轧”相结合的工艺方法，实现镍60粉末与Q235B钢板复合轧制，经过充分烧结，过渡层有明显的元素扩散现象，证明结合面由物理结合向冶金结合转化，过渡层无明显界面。