壓下率對軋制X65MS/鎳基耐蝕合金復合板性能的影響

諶鐵強， 宋 欣， 白學軍， 劉海龍，周德光，李家鼎，黃少帥

（1.秦皇島首秦金屬材料有限公司，河北 秦皇島066326；2.首鋼技術研究院，北京100043）

壓下率對軋制X65MS/鎳基耐蝕合金復合板性能的影響

諶鐵強1， 宋 欣1， 白學軍1， 劉海龍1，周德光1，李家鼎2，黃少帥1

（1.秦皇島首秦金屬材料有限公司，河北 秦皇島066326；2.首鋼技術研究院，北京100043）

將X65MS/鎳基耐蝕825合金組坯抽真空后，對稱軋制成復合板。分析了不同壓下率對復合板強度、沖擊值、落錘試驗、硬度、耐腐蝕性和晶間腐蝕的影響。結果表明，采用大壓下量工藝生產的復合板能明顯細化鋼板組織，增加基層碳鋼低溫韌性，使界面析出物細小彌散，具有高的界面剪切強度。大壓下量工藝生產的復合板復層抗晶間腐蝕能力優于小壓下量工藝生產的鋼板。雖然大壓下量工藝生產的復合板由于晶粒更細化，硬度有所上升，但上升幅度小，仍能滿足標準要求。

復合板；壓下率；鎳基合金；組織性能

復合板是在碳鋼或低合金鋼板的單面或雙面復合不銹鋼或鎳基合金等其他金屬復層的鋼材，作為結構材料，其既具有必要的強度，還具有良好的耐蝕性，同時由于母材不需要采用與復層相同的材質，因此價格相對低廉。復合板產品廣泛應用于石油、化工、造船、壓力容器和能源等產業中。

目前，復合板生產方法主要有鑄造復合、爆炸復合、軋制復合等[1-4]。鑄造復合是將一種基體（固相）和另一種基體（液相）在鑄模內進行組合，凝固后形成復合材料。在適當溫度及壓力下可獲得高的復合強度，適于生產某些金屬復合材料的坯料，但生產效率低，可操作性差，過程穩定性及連續性較差。爆炸法是利用炸藥爆炸時產生的瞬間沖擊波實現焊接，界面呈鋸齒狀的鑲嵌式結合，但在制備過程中存在安全隱患。熱軋復合的機理是原子擴散焊，是一種完全的冶金結合。采用熱軋法生產復合板，具有廣泛的適應性，可使強度相差懸殊、膨脹系數不同、性能互不相容的兩種金屬復合成一體，使金屬在固態下形成原子間的冶金結合，而在本質上卻不改變原組份材料的化學成分。軋制復合產品具有結合率強、復合率高、板幅大等特點[5]，是目前較好的生產方法。

近年來，油氣開發向縱深化方向發展，油氣開發以及輸送條件更為復雜，因此，對輸送含腐蝕介質的管道性能要求越來越高，高耐蝕性復合管線鋼的需求量呈現不斷增長的趨勢，具有廣闊的市場前景[6-7]。本研究開發的軋制鎳基耐蝕合金復合板是以N08825合金為復層，X65MS抗酸管線鋼為基層的一種復合管材。該復合管線鋼既具有基層優良的強韌性，又具有復層N08825合金較強的抗腐蝕性。

1 軋制工藝

軋制復合板基層X65MS抗酸鋼材料規格為83mm×2 000mm×2 100mm， 復層 N08825鎳基耐蝕合金材料規格為17mm×2000mm×2100mm，復合板規格為 （14.5+3）mm× 2 000mm×12 500mm。軋制時將兩塊抽真空坯對稱疊放在一起，上下兩層為基板，中間兩層為鎳基合金，在兩真空坯間涂上一層防粘劑，在首秦4 300mm軋機上軋制。原材料化學成分見表1。

表1 原材料化學成分 %

X65MS/鎳基N08825耐蝕合金復合板軋制工藝參數見表2。軋制復合鋼板一般采用低速大壓下量軋制來提高復合鋼板中央部位實際壓應力與材料變形抗力的比值，促進復合部位粘結，從而提高復合鋼板的粘結強度和剪切強度，低速大壓下量軋制可以有效壓合材料內部的空隙缺陷，最終實現界面的良好結合。為了對比軋制工藝對復合板界面結合及性能的影響，采用A，B兩種道次壓下工藝，見表3和表4。工藝A、工藝B兩種軋制參數主要區別是軋制道次數，分別為10道次和8道次，由于道次數不一樣，單道次壓下量和壓下率也不同。工藝A前4道為粗軋道次，5～10道次為精軋道次；工藝B前3道次為粗軋道次，4～8道次為精軋道次，兩種方案道次壓下率如圖1所示。

表2 試驗復合板軋制工藝參數

表3 工藝A軋制參數

表4 工藝B軋制參數

圖1 軋制道次和壓下率關系曲線

2 結果分析

2.1 組織與界面形貌

軋制復合完成后，沿復合板軋制方向截取金相試樣，磨制、拋光后，用4%的硝酸酒精對金相試樣碳鋼側腐蝕，分別用光學顯微鏡和掃描電鏡對復合板組織及界面進行觀察，復層鎳基合金側用王水溶液進行浸蝕，顯微組織如圖2所示。

圖2 工藝A軋制的復合板顯微組織

從圖2、圖3照片可以看出，復合板的基層碳鋼組織為典型鐵素體、貝氏體，少量退化珠光體組織，滿足抗酸鋼的組織形態要求。復層是奧氏體組織，含有碳化物和氮化鈦。在復層和基層之間，形成了冶金結合的過渡層，界面基本平直。界面上白色和黑色帶狀物為脫碳區和鎳鉻擴散區。工藝A與工藝B組織對比可見，由于工藝B單道次壓下量大，晶粒更加均勻細小，復層鎳基耐蝕合金中奧氏體沿軋向明顯纖維化，無論基體還是過渡層中的析出物均比工藝A細小彌散。通過掃描電鏡觀察，發現在過渡層靠近鋼側分布著一些薄膜狀物質，該物質厚度為5～10μm。

文獻[8]指出軋制復合是被復合軋件在強大軋制壓力作用下，使組元表面氧化層破碎，并在整個金屬截面內產生塑性變形，在破碎后露出的新鮮金屬表面處形成組元層間的原子鍵合和榫扣嵌合。由于大壓下量作用下，這種破碎連同界面處的析出相和金屬間化合物也會被分散細化[9-10]。從圖可見，兩種壓下率中積累壓下率均為84%，但單道次壓下量越大，界面擴散層厚度變薄。在累積壓下量相同的情況下，大的單道次壓下量會增加新生表面，使界面產生更多的新結合點，促進元素擴散，從而有利于兩金屬板的冶金結合，提高抗剪切強度。

圖3 工藝B軋制的復合板顯微組織

2.2 力學性能

在復合板寬度1/2處取橫向試樣進行拉伸試驗，在寬度1/4處對基層分別進行夏比沖擊試驗和DWTT試驗，試驗結果見表5。

表5 復合板的力學性能

從拉伸性能來看，工藝B中的基層X65MS強度要比工藝A高20～30 MPa，而復層強度基本一致。這是由于碳鋼部分大壓下使晶粒組織更細化，而鎳基合金變形抗力大，與碳鋼相比，晶粒細化程度要弱化一些。從基層沖擊和落錘結果也看出，大壓下量能明顯改善韌性。

在復合板寬度1/4處取橫向試樣，按ASTM E92要求進行維氏硬度試驗（試驗載荷10 kg），硬度試驗的打點位置和數量見圖4。鋼板橫向截面上，基層（X65MS）最大允許硬度值為230 HV10，復層（N08825）為270 HV10。測量的硬度分布如圖5所示。

從硬度分布來看，基層X65MS硬度從表面至界面處由高變低，這是因為軋制過程中，表面金屬變形程度最大，相應的形變硬化也越強，硬度也高。界面附近碳鋼側的硬度值是最低，這是因為碳、鐵原子等發生遷移，而鎳基合金中的鎳、鉻等的擴散未到達這一區域所致。從復合界面到復層N08825合金硬度達到最高值。兩種工藝制度下，工藝B的硬度值略高于工藝A，這是由于工藝B中大壓下量導致晶粒更細化所致。

圖4 鎳基合金N08825復合鋼板硬度測量位置

圖5 復合板硬度分布

2.3 剪切強度

剪切強度指標最能說明復合板的界面結合強度，對復合板取縱向試樣，按照ASTM A264—2003所述方法進行剪切強度試驗，試驗結果見表6。

表6 剪切強度試驗結果

兩種工藝方案下，工藝B的剪切強度要優于工藝A，說明采用較大的軋制壓下量能使復合板界面結合更緊密。

2.4 抗酸性能

2.4.1 基層HIC和SSC試驗

對復合板基層進行了抗HIC和SSC腐蝕試驗，將試樣鎳基合金部分打磨掉，僅保留碳鋼部分，試驗按照NACE TM0284和NACE TM0177進行，試驗溶液為A溶液。HIC和SSC試驗結果見表7。

兩種工藝下基層HIC和SSC試驗均合格，說明壓下率對復合板的抗酸腐蝕性能影響不大。

表7 基層HIC和SSC試驗結果

2.4.2 復層晶間腐蝕試驗

在復合板寬度1/4處取樣，去除基層，按照ASTM A262方法C進行晶間腐蝕試驗。試驗前，將試樣加熱至650℃，并保溫1 h進行敏化處理。試驗測試5個周期腐蝕率平均值如圖6所示。

圖6 各周期平均腐蝕率

從圖6可見，各周期內腐蝕率平均值均低于標準要求的0.72 mm/y，說明軋制復合板復層具有良好的抗晶間腐蝕，但工藝B由于晶粒更細化，腐蝕率平均值要低于工藝A。

3 結 論

（1）軋制X65MS/鎳基耐蝕合金復合板在溫度制度相同的條件下，采用低速大壓下量能明顯細化鋼板組織，增加基層碳鋼低溫韌性，使界面析出物細小彌散，提高界面結合強度。

（2）軋制復合板硬度從基層表面至界面處由高變低，復層硬度值最高。大壓下量工藝生產的復合板由于晶粒更細化，硬度有所上升，但均符合標準要求。

（3）大、小兩種壓下量工藝下生產的復合板基層均具有較好的抗HIC和SSC，但對于復層抗晶間腐蝕能力，大壓下量工藝生產的鋼板優于小壓下量工藝生產的鋼板。

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Effect of Reduction Rate on Property of X65MS and Nickel-based Corrosion Resistant Alloy Rolling Clad Plate

CHEN Tieqiang1,SONG Xin1,BAIXuejun1,LIU Hailong1,ZHOU Deguang1,LIJiading2,HUANG Shaoshuai1
（1.Qinhuangdao Shouqin MetalMaterials Co.,Ltd.,Qinhuangdao 066326,Hebei,China;2.Shougang Research Institute of Technology,Beijing 100043,China)

X65MS/nickel-based 825 corrosion resistant alloy steel billet were symmetrically rolled into cladding plate after vacuum,the effect of different reduction on the tensile strength,impact energy,DWTT,hardness,corrosion resistant and intergranular corrosion performance were analyzed.The results showed that the large reduction process can significantly refine steel plate microstructure,increase low temperature toughness of basic material,make the interface precipitates tiny and dispersed,and it iswith high interfacial shear strength.Intergranular corrosion resistant of cladding plateswith large reduction is better than that of the lower reduction plate.Although themore refined gain size under the process of large reduction,the hardness increases slightly,but still canmeet standard requirements.

clad plate;reduction rate;nickel-based alloy;microstructureand property

TG335

A

1001－3938（2015）09-0009-06

諶鐵強(1983—)，男，工程師，碩士，從事鋼鐵材料新產品研發工作。

2015-03-16

李 超