熱處理工藝對304L不銹鋼/Gr70碳素鋼爆炸復合板界面硬度的影響

李平倉，趙 惠，劉燕平

(1.西安天力金屬復合材料有限公司，西安 710201； 2.陜西省層狀金屬復合材料工程研究中心，西安 710201； 3.國家-地方聯合工程研究中心，西安 710201)

【機械制造與檢測技術】

熱處理工藝對304L不銹鋼/Gr70碳素鋼爆炸復合板界面硬度的影響

李平倉1，趙 惠2，劉燕平3

(1.西安天力金屬復合材料有限公司，西安 710201； 2.陜西省層狀金屬復合材料工程研究中心，西安 710201； 3.國家-地方聯合工程研究中心，西安 710201)

通過對比分析不同熱處理工藝對304L不銹鋼復合板界面硬度及結合強度影響規律，發現隨著回火溫度的提高，鋼側硬度逐漸降低，而304L側的界面硬度，當保溫溫度在640℃以上時，才開始下降。經對試驗結果對比分析后發現，當回火熱處理工藝為：640℃保溫4 h，爐冷，復合板界面硬度值降低至350HV且均勻，更便于后續加工使用。

熱處理工藝；304L不銹鋼復合板；界面硬度

爆炸焊接是一種以炸藥作為能源的一門高新技術，在炸藥的驅動下，不銹鋼復層以高速撞擊鋼材基層，界面原子無限接近形成具備冶金結合特點的復合材料[1～2]。這種復合材料既有不銹鋼特殊的理化性質，又有普通鋼高強度和低成本的特點，是石油化工、冶金和能源設備的不可缺少的結構材料，如管板、筒體板和封頭板等。但是不銹鋼撞擊基層時，界面區域產生的加工硬化使復合材料后續加工，如鉆孔、卷筒等[3～5]困難。為改善這類問題，必須降低界面區域硬度[6～10]。本文詳細研究了不同熱處理狀態下304L不銹鋼復合材料界面硬度變化規律，通過對比分析找到最佳回火熱處理工藝。將研究結果應用到批量化產品后，節約后續加工成本，得到用戶好評。

1 試驗與方法

1.1 試驗材料

試驗所用復層304L相當于中國標準GB1220的00Cr19N;10不銹鋼化學成分如表1所示，鋼基層為Gr70相當于中國標準GB713的22Mn碳素鋼，化學成分如表2所示。

表1 304L不銹鋼化學成分 %

表2 Gr70碳鋼板化學成分

1.2 實驗設備及方法

采用爆炸焊接法制備尺寸為5/35×500×1 400 mm試板。為使硬度試樣具有對比性，按照爆炸焊接過程中沖擊波傳播機理切割試樣條，共計4條。

按照表3對試樣條進行熱處理，考慮到如果超過相變溫度，對碳素鋼的力學性能影響大，因此設計4種熱處理工藝，如表3所示。

熱處理后在各個復合板結合樣條上的距離雷管區800 mm(G點)和1 400 mm(Q點)處取樣進行硬度檢測，設備為HXD-1000TM型維氏硬度計。

采用MODEL55100型電子萬能試驗機進行晶間腐蝕試驗、剪切試驗和拉伸試驗。

表3 不銹鋼/鋼試板熱處理工藝制度

2 結果與分析

爆炸焊接后對復合板進行UT檢測，每個區域的波形圖均與圖1相似，從圖中可以看出，底波峰值高，看不到一次界面波，說明復合板結合良好，界面無分層等缺陷，達到ASME 264-2011中1級要求。

檢測四種工藝下G點和Q點的硬度，結果如表4所示。從表中可以看出，鋼基體的硬度約170HV，而304L約為220HV，而界面區域硬度隨著保溫溫度的升高而呈現下降的趨勢。圖2和圖3分別為G點和Q點的硬度曲線圖，從圖中可以看出，工藝一條件下，鋼板界面硬度為316HV，比鋼基體硬度提高了85.8%，隨著遠離界面的距離的增加，鋼板硬度逐漸降低，但均高于鋼基體硬度；此時304L界面為454HV，比304L高106.3%。在工藝二條件下，鋼側區域已降至母材硬度；304L界面硬度為389HV，比母材高76.8%，比爆炸態降低14.3%，遠離界面區域有降低趨勢，但仍遠高于母材硬度。在工藝三條件下，304L界面硬度為205HV，與母材接近，與爆炸態相比降低54.8%。

圖1 UT檢測的波形

圖2 13ZX-4G點不同熱處理工藝條件下顯微硬度曲線

圖3 13ZX-4Q點不同熱處理工藝條件下顯微硬度曲線

而遠離界面區域的硬度雖然高于界面，但是低于工藝二條件下相應位置的硬度。在工藝四條件下，304L界面硬度突然升高，接近于爆炸態，而遠離界面后，區域硬度與640℃熱處理后相似。圖3顯示Q點的硬度變化趨勢與G點相同，工藝二條件下鋼側和304L側界面硬度最高。工藝三條件下，鋼側區域硬度降至鋼基體硬度，而304L側硬度變化趨勢與G點相似，硬度值均在350HV以內。工藝四條件下，304L側界面硬度突然升高，與爆炸態接近。從上述實驗結果可以看出，保溫溫度為640℃時，304L側區域硬度已降至最低，均在350HV以內，而當溫度升高到680℃時，304L側界面硬度突然升高，這可能是由于高溫條件下，碳元素向304L界面擴散，使304L界面產生碳化物，導致界面硬度升高。

表4 同工藝下顯微硬度

保溫溫度不僅影響復合板界面硬度，還影響復合板的剪切強度，因此制定熱處理工藝前，還應分析熱處理工藝對復合板結合性能的影響。304L不銹鋼復合板檢驗結果如表5和圖4所示，從圖4中可以看出，每種工藝條件下，304L不銹鋼復合板的剪切強度波動不大，從表中可以看出隨著熱處理溫度的提高，復合板剪切強度平均值有所下降，但是均高于標準要求(SA 264-2011，≥140 MPa)155%以上，滿足使用要求。但是當保溫溫度超640℃時，復合板的304L界面硬度發生突變，接近于爆炸態304L側界面硬度。而從復合板的結合強度來看，隨著熱處理溫度的提高，復合板剪切強度平均值有所下降，但是均高于標準要求155%以上。

圖4 13ZX-4Q點不同熱處理工藝條件下剪切強度

試樣號ABCDEFGHIJKL平均值13ZX-4-142043053545545544548045544544043543545313ZX-4-240039038540044040040540042539042543040813ZX-4-339037037039540539541043037040541538539513ZX-4-4365370360365335345355375380345350345358

304L的耐蝕性對熱處理溫度敏感，因此設計工藝時還應考慮溫度對耐蝕性的影響。圖6是四種工藝條件下，試樣按照SA262E法的晶間腐蝕試驗后的外觀。從圖中可以看出，工藝一、二、三條件下試樣表面光滑，未產生缺陷，這說明三種溫度均未影響304L的耐蝕性。工藝四條件下，試樣彎曲面出現魚鱗狀形貌，這是典型的晶間腐蝕形貌，說明材料在此熱處理溫度下發生了晶間腐蝕。

圖6 晶間腐蝕試驗后的試樣

圖7 鉆孔后的管板

將工藝三應用于批量化生產后，304L不銹鋼復合材的加工性能提高。如304L不銹鋼管板(圖7)，采用該工藝熱處理后，鉆頭使用壽命提高，鉆孔成本降低20%，得到用戶高度認可。

綜上所述，304L不銹鋼復合板的最佳熱處理工藝是工藝三，即640±15℃/4小時，爐冷。

3 結論

熱處理工藝影響復合材料界面硬度的大小：在600±15℃ 4小時回火和680±15℃ 4小時回火時，界面硬度改善效果不理想，只有工藝三可以將界面硬度最大程度降低，在350HV以內，且均勻。在此回火工藝下，304L不銹鋼復合材的主要力學性能指標，剪切強度和腐蝕性能均能達到要求，因此，304L不銹鋼復合材的最佳回火熱處理工藝為：640±15℃/4小時，爐冷。

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(責任編輯 唐定國)

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

國家高技術研究發展技術項目(863計劃)(2015AA03A501)

李平倉(1968—)，男，教授，主要從事層狀金屬復合材料研究。

趙惠(1979—)，女，博士，教授，主要從事層狀金屬復合材料研究。

10.11809/scbgxb2017.02.027

李平倉,趙惠，劉燕平.熱處理工藝對304L不銹鋼/Gr70碳素鋼爆炸復合板界面硬度的影響[J].兵器裝備工程學報，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