利用控軋控冷技術開發熱軋不銹鋼復合板的實驗研究

李 龍，祝志超，張心金，劉會云

(中國第一重型機械股份公司 能源裝備材料科學研究所，天津 300457)

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利用控軋控冷技術開發熱軋不銹鋼復合板的實驗研究

李 龍，祝志超，張心金，劉會云

(中國第一重型機械股份公司 能源裝備材料科學研究所，天津 300457)

使用Gleeble-3500熱模擬試驗機研究了Q345R的奧氏體連續冷卻相變(CCT)行為，利用二輥可逆試驗軋機進行了系列控制軋制控制冷卻(TMCP)實驗，開發出了不銹鋼(316)/低碳鋼(Q345R)復合板。較合理的工藝為：在奧氏體再結晶區進行軋制，終軋溫度為1000～1050℃，總壓下量為75%，軋后以0.2～7℃/s的速率冷卻至450℃以下后空冷，隨冷卻速率的增加，Q345R鋼板的顯微組織從鐵素體(F)+珠光體(P)向鐵素體(F)+貝氏體(B)過渡，屈服強度范圍330～430MPa，抗拉強度范圍為535～595MPa，0℃的沖擊吸收功高于50J；復合板界面結合強度大于350MPa，抗彎性能合格。

控制軋制控制冷卻；連線轉變曲線；不銹鋼復合板；力學性能

不銹鋼/低碳鋼復合板既具有不銹鋼的耐腐蝕性，又具有低碳鋼良好的可焊性、成形性和導熱性，同時可節約大量Ni、Cr等貴重金屬，因而被廣泛用于石油、化工、海洋工程、運輸、電力等行業，用于取代全不銹鋼，具有巨大的社會經濟效益[1-4]。

隨著國民經濟的發展，石油化工、海洋工程及艦船等領域對高品質大規格金屬復合板的需求日益增加。日本JFE公司通過熱軋復合已經成功地生產了寬度超過5000mm的不銹鋼復合板，這種復合鋼板的厚度為84mm(基層板厚度為80mm，不銹鋼復層厚度為4mm)。在這種復合鋼板軋制過程中，為了達到均勻軋制并獲得良好的力學性能，應用了如自動厚度控制技術、高溫均勻加熱技術、控制軋制及控制冷卻(TMCP)等先進技術[2]。目前，日本、歐美等國家的金屬復合板(包括不銹鋼、銅合金、鎳基合金以及鈦合金復合板)生產技術已經定型為熱軋復合成形技術，產品也逐漸向大規格高品質方向發展；而我國通過熱軋技術只能生產小規格的不銹鋼復合板，厚度超過50mm，寬度超過3000mm的寬幅熱軋金屬復合厚板主要依賴進口。國內大多采用直接熱軋[5]或者軋后熱處理的工藝制度[6,7]，鋼材的性能潛力無法充分發揮，而采用TMCP技術不但可以減少合金元素含量，代替常規軋制的軋后熱處理，簡化生產工藝，提高生產效率和降低成本[3,4]，還可以提高不銹鋼復合板的綜合性能。目前，有關利用TMCP技術開發不銹鋼復合板的生產還鮮有報道，而TMCP技術的開發為提升我國特厚金屬復合板的應用及裝備制造水平具有重要意義。

本工作研究了低碳鋼Q345R的連續冷卻相變行為和組織變化規律，利用二輥可逆軋機進行了系列TMCP實驗，研究了冷卻工藝參數對不銹鋼復合板顯微組織和力學性能的影響，所得結果可為簡化復合板生產工藝、提高生產效率，開發國內尚屬空白的特厚不銹鋼復合板技術提供實驗數據和理論依據。

1 實驗材料與方法

實驗用316(0Cr17Ni12Mo2)不銹鋼(復材)的化學成分(質量分數/%，下同)為：C 0.05，Si 0.64，Mn 1.20，P 0.046，S 0.013，Cr 16.40，Ni 10.16，Mo 1.96，Fe余量；Q345R低碳鋼(基材)的化學成分為：C 0.16，Si 0.37，Mn 1.44，P 0.013，S 0.002，Fe余量。

使用Gleeble-3500模擬試驗機測試實驗鋼在不同冷卻速率下的連續冷卻轉變行為。熱模擬實驗尺寸為φ6mm×10mm。實驗在氦氣保護環境下進行，以5℃/s將試樣加熱到1200℃，保溫5min，之后以1℃/s冷卻到1100℃，在此溫度下進行單道次壓縮，應變速率為1s-1，應變量為0.4，然后以不用冷卻速率連續冷卻至室溫，通過膨脹法結合金相組織確定相變溫度，工藝示意圖見圖1(a)。

圖1 實驗用鋼的工藝制度 (a)Q345R的熱模擬工藝；(b)不銹鋼復合板的TMCP工藝Fig.1 Processing conditions of the tested stainless steel clad plate (a)hot simulation process for Q345R；(b)TMCP for stainless steel clad plate

TMCP實驗中的316不銹鋼的尺寸為300mm×300mm×10mm，Q345R低碳鋼的尺寸為300mm×300mm×90mm。將316和Q345R的待復合面機械加工至一定的粗糙度后，采用夾層方式進行組坯，原始厚度為200mm，四周焊接后進行抽真空處理[5]，真空度為0.1Pa。將密封后的復合板坯加熱至1200℃保持2h后在兩輥熱軋機上進行軋制，開軋溫度大于1150℃，終軋溫度控制在1000～1050℃之間。采用5道次軋制，軋制規程：200→165→125→95→70→50(mm)。終軋后，軋件立即進入控制冷卻裝置進行冷卻，冷卻速率選擇為0.2(空冷)，5，10，15℃/s，終冷溫度控制為500℃，工藝制度見示意圖1(b)。實驗過程中，采用手提紅外測溫儀測試軋件表面溫度，誤差為±15℃。

2 結果與分析

2.1 Q345R奧氏體連續冷卻轉變行為

圖2為Q345R奧氏體連續冷卻轉變曲線，不同冷卻速率下的顯微組織如圖3所示。當冷卻速率為0.2℃/s時，組織為鐵素體和珠光體，當冷卻增加到1℃/s時，組織中除了鐵素體和珠光體之外，出現了大量的貝氏體組織；當冷速繼續增大到5℃/s時，珠光體和鐵素體的含量很少，組織主要為貝氏體；當冷速進一步增加，試樣中除了貝氏體之外還出現了馬氏體組織。冷卻速率的增加使得硬度也逐漸增加，從圖2可以看出，鐵素體+珠光體硬度大約為181HV，而冷卻速率增加到10℃/s，形成的貝氏體硬度增加到了282HV。

圖2 實驗鋼Q345R在變形條件下的連續冷卻轉變曲線Fig.2 CCT diagram of the Q345R experimental steel under hot deformation

圖3 冷卻速率對Q345R鋼顯微組織的影響 (a)0.2℃/s；(b)1℃/s；(c)5℃/sFig.3 Effect of cooling rate on microstructures of the Q345R experimental steel (a)0.2℃/s；(b)1℃/s；(c)5℃/s

從圖2可以看出，Q345R鋼中貝氏體的工藝窗口較寬，有利于復合板獲得體積分數較多的貝氏體組織。貝氏體組織的存在不但可以提高材料的強度級別，還可以改善材料的成形性能[8,9]。另外，在生產厚度較厚的復合板時，可以通過加速冷卻在復合板的表層獲得一定厚度的貝氏體組織，而心部仍保持為韌性好的鐵素體，在提高復合板整體強度的同時，保證其優良的成形性。

2.2 TMCP工藝下復合板的組織

在TMCP工藝設計中，軋制都集中在易于變形的奧氏體再結晶區進行，通過再結晶及隨后的冷卻對晶粒尺寸及組織組成進行控制，以保證鋼板的力學性能。表1列出了TMCP實驗過程中的實測工藝參數，其中ST為開軋溫度，FT為終軋溫度，冷卻速率取平均值，FCT為加速冷卻的終冷溫度。

表1 不銹鋼復合板TMCP工藝實測參數

表2列出了不同冷速下不銹鋼復合板低碳鋼的心部及界面附近的顯微組織，從表中可以看出，復合板沿厚度方向存在組織梯度，低碳鋼表面及心部的組織與CCT獲得的組織基本一致，但由于靠近不銹鋼與低碳鋼界面處的冷速較低，組織為較慢冷速下轉變的組織，其中F為鐵素體，P為珠光體，B為貝氏體。

2.3 TMCP工藝下復合板的力學性能

圖4為不同制度下復合板的剪切曲線。從圖4可以看出，不同冷卻速率下的不銹鋼復合板的抗剪強度基本相同，但低碳鋼組織為鐵素體和珠光體的A試樣在剪切實驗中的塑性變形能力最強，壓頭位移最大，超過剪切強度(剪切曲線上最大值)時，材料還可以繼續進行塑性變形，而以B+M為主的D試樣的剪切塑性變形能力最差，當超過剪切強度時，應力迅速下降。從表2看出，復合板的宏觀界面并非一個平面(界面為曲線)，而剪切試樣加工時的受剪部位為一個平面，因此界面剪切強度應該是界面兩側組元材料綜合性能的體現。

對A，B，C，D號試樣進行了內彎和外彎實驗(d=3a)，在彎曲界面未發現分層現象，也沒有產生可見的裂紋。圖5為C號試樣的內彎和外彎后的實物照片，界面結合良好，這說明組織為貝氏體的不銹鋼復合板也具有優良的彎曲性能。

表3為熱軋復合板的性能結果，由表可見，冷卻速率最小時復合板的屈服強度最低，但伸長率最高。隨著冷卻速率增加，強度逐漸升高，但伸長率逐漸降低。當平均冷速從0.15℃/s增加到15.8℃/s時，屈服強度從330MPa增加到了669MPa，冷卻速率的增加使得鋼中的貝氏體及馬氏體含量增加，發生了相變強化。沖擊韌性在冷速為4.4℃/s最高且為123J(B試樣)，之后隨著冷速的增加，韌性逐漸降低。從表3也可看出，A試樣界面附近Cr和Ni元素的擴散距離較大，Cr的擴散距離可達35μm，但隨時冷卻速率的增加，元素擴散受到抑制，隨著冷速進一步增加Cr和Ni擴散距離變化不大。

從表3結果可以看出，復合板剪切強度遠遠超過了標準要求的210MPa。另外，從實驗結果來看剪切強度隨著冷卻速率的增加有降低的趨勢。這應與宏觀界面附近的組織特征[10,11]、元素擴散程度[12]以及界面處的殘余應力[13]等因素有關，深入的研究需結合彈塑性力學、金屬學等理論進行綜合分析。從上述實驗結果可以看出，當對不銹鋼復合板塑性要求較高時，可以采用空冷等較小的冷卻制度，當對強度要求較高的時候，冷卻速率可以適當增加，但冷速增加到超過7℃/s時，盡管剪切強度降低不很明顯，但塑性和韌性會低于標準要求。

圖4 不同冷卻制度下復合板界面剪切曲線Fig.4 Shearing curves of clad steel plate under various cooling rates

綜上所述，不銹鋼(316)/低碳鋼(Q345R)復合板合理的TMCP工藝為：在奧氏體再結晶區進行軋制，終軋溫度為1000～1050℃，總壓下量大約為75%，軋后以0.2～7℃/s的速率冷卻至450℃以下后空冷，在較快冷速下Q345R鋼板的顯微組織主要為鐵素體+貝氏體組織，屈服強度大于400MPa，抗拉強度大于590MPa，-20℃的沖擊吸收功高于50J；復合板界面結合強度大于400MPa，d=3a抗彎性能合格。

圖5 經內彎(a)和外彎(b)后的彎曲試樣(C號試樣)Fig.5 Bend test specimens of sample C (a)internal bend test；(b)external bend test

SampleTensilepropertyCVN/JRp0．2/MPaRm/MPaA/%0℃Shearstrength/MPaHV3Elementdiffusion/μmCenterCrNiA3305353753，58，44(52)43416235．017．0B4025832582，88，89(86)44019510．84．4C4305952468，78，74(73)41920310．56．0D5706801418，23，19(20)39823511．03．5Specification≥325500?630≥21≥34≥210---

3 結論

(1)隨著冷卻速率的增加Q345R鋼中貝氏體含量增加，Q345R鋼在1～20℃/s較寬的冷卻速率可獲得不同體積分數的貝氏體組織。

(2)不銹鋼復合板沿厚度方向存在組織梯度，當平均冷速從0.15℃/s增加到11.8℃/s時，復合板的組織基本以貝氏體為主，材料的屈服強度雖然從330MPa增加到了570MPa，但沖擊韌性會顯著降低。

(3)316/Q345R不銹鋼復合板在奧氏體再結晶區進行軋制，軋后以0.2～7℃/s的速度冷卻至450℃以下后空冷，組織主要為鐵素體+貝氏體，屈服強度范圍330～430MPa，抗拉強度范圍535～595MPa，-20℃的沖擊吸收功高于50J；復合板界面結合強度大于400MPa，復合板具有良好的綜合性能。

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Experimental Study on Hot Rolled Stainless Steel Clad Plate Produced by TMCP

LI Long，ZHU Zhi-chao，ZHANG Xin-jin，LIU Hui-yun

(Materials Research Institute for Energy Equipment， China First Heavy Industries，Tianjin 300457，China)

Continuous cooling transformation (CCT) behavior of low carbon steel Q345R was investigated using a Gleeble-3500 thermo-mechanical simulator. A series of thermo-mechanical control process (TMCP) experiments were carried out by a two-roll reversing rolling mill with accelerated cooling system. Stainless steel(316)/low carbon steel(Q345R) clad plate was developed. The reasonable process is: rolling at the austenite recrystallization zone, and finish rolling at 1000-1050℃ with total reduction rate 75% followed by accelerated cooling of 0.2-7℃/s to below 450℃ and then air cooling, as the increasing of cooling speed, the microstructure of Q345R steel transforms from ferrite(F) plus pearlite (P) to ferrite(F) plus bainite(B), yield strength is 330-430MPa, tensile strength is 535-595MPa, average Charpy V Notch (CVN) energy at 0℃ higher than 50J, the interface bonding strength of the composite plate is greater than 350MPa, and the bending performance is qualified.

TMCP；CCT curve；stainless steel clad plate；mechanical property

10.11868/j.issn.1001-4381.2015.07.011

TG142.1

A

1001-4381(2015)07-0062-06

國家863計劃項目(2013AA031302)

2014-02-27；

2015-03-23

李龍(1977—)，男，高級工程師，博士，研究方向為金屬層狀復合材料，聯系地址：江蘇省無錫市新區鴻山鎮(后宅)鴻山路99號(214145)，E-mail: lichen040928@163.com