蒙乃爾金屬粉末與鋼板復合軋制技術(shù)研究

田玉婷 ，高楠 ，白云波 ，李紅 ，張寧

（1.鞍鋼集團鋼鐵研究院，遼寧 鞍山 114009；2.鞍鋼重型機械設(shè)計研究院有限公司，遼寧 鞍山114031）

粉末軋制工藝是一種在不封閉條件下的粉末連續(xù)壓制過程，其原料通常為金屬或合金粉末。將原料粉末喂入軋機直接軋制出很薄的生帶材后，對生帶材進行燒結(jié)、軋制和退火等一系列工序處理，最終制備出具有一定密度和良好性能的金屬帶材。與鐵、低合金鋼等金屬材料不同，蒙乃爾合金屬于鎳基耐蝕合金中的Ni-Cu系合金，最早由美國國際鎳公司開發(fā)［1］。蒙乃爾合金同時具備了Ni和Cu的諸多優(yōu)點，在還原性介質(zhì)中比Ni耐蝕，在氧化性介質(zhì)中比Cu耐蝕，不但強度高、韌性好，抗還原酸與強堿介質(zhì)及海水等腐蝕的性能也極其優(yōu)異［2］，是除 Pt、Ag 以外最好的耐氧氟酸金屬材料。目前，有關(guān)蒙乃爾粉末溫壓成型及粉末軋制成生坯帶材的研究較多，但對蒙乃爾粉末與鋼板復合軋制工藝的研究較少。迄今為止，鞍鋼還沒有此技術(shù)的生產(chǎn)與應用。本文對采用自主研發(fā)的高剛度二輥冶金粉末試驗軋機，將蒙乃爾400金屬粉末與Q235B鋼板進行復合軋制的情況作了介紹。

1 復合軋制設(shè)備及工藝

1.1 粉末軋制設(shè)備

自主研發(fā)設(shè)計并制造了高剛度二輥冶金粉末試驗軋機（以下簡稱粉末軋機）。粉末軋機裝配示意圖和相關(guān)技術(shù)參數(shù)分別見圖1、表1。其特點如下：

（1）粉末軋機為高剛度二輥可逆式軋機。

（2）減速電機驅(qū)動一入雙出式齒輪機座，通過萬向接軸器控制軋輥。

（3）軋機具有上輥平衡裝置、壓下裝置及換輥裝置。

（4）軋機入口處配有可拆卸料斗，料斗在牌坊上的豎直方向位置可調(diào)。軋制粉末時裝上料斗，軋制板材時將料斗拆下，軋制復合坯料時可更換料斗，料斗下方安裝送料平臺。

（5）軋機底座有0°和30°兩種安裝方式。0°安裝方式可使軋機實現(xiàn)水平軋制，一般用于軋制板材或復合板材；30°安裝方式可使軋機與地面呈30°傾角，一般用于純粉末軋制。通過拆卸底座與軋機機架和底架的把合螺栓更換軋機底座傾角。

圖1 粉末軋機裝配示意圖

表1 軋機技術(shù)參數(shù)

1.2 粉板軋制工藝

由于國內(nèi)有關(guān)粉末軋制工藝的介紹主要是以金屬粉末軋制成板帶坯料為主，關(guān)于粉末與鋼板軋制成復合板的研究和資料并不多，因此，只能通過試驗摸索其軋制工藝。試驗之初,以純鐵粉為軋制對象，經(jīng)過幾十次的試驗，摸索出一定的規(guī)律后，嘗試對不同成分的金屬粉末進行軋制，并對其方案進行優(yōu)化，最終找到最佳的復合板軋制工藝方案，其工藝流程見圖2。

圖2 復合板軋制工藝流程圖

（1）基板表面處理。基板的粗糙度與表面清潔度是影響復合軋制的兩個重要因素，一定的粗糙度能夠限制粉末與基板表面間的流動，有利于接觸面形成機械結(jié)合；良好的的清潔度能夠使粉末與基板更好地結(jié)合在一起，不發(fā)生分層。

（2）布粉?；迳喜挤酆穸纫鶆?，否則，厚處軋制易出裂紋，薄處則過于松散沒有強度。冷軋時壓下量不同，復合板坯的狀況也不同，壓下量過小，粉末過于松散會沒有強度；壓下量過大會產(chǎn)生裂紋。因此，布粉均勻且多次布粉厚度保持一致是采集試驗數(shù)據(jù)的關(guān)鍵。

（3）粉板復合軋制（冷軋）。在冷軋中，純鐵粉末的軋制壓下率在約為50%時，粉末與基板的結(jié)合效果最佳。應用洛氏硬度計測量復合板，當基板厚度、軋制速度及粉末粒度相同時，壓下量越大，復合板硬度越大。壓下率過小，則粉末結(jié)合不上或生坯強度過低；壓下率過大，則生坯內(nèi)部應力過大產(chǎn)生裂紋，這兩種情況均無法繼續(xù)試驗。

（4）燒結(jié)。冷軋時，金屬粉末與鋼板表面不足以形成有效的冶金結(jié)合。此外，復合軋制不均勻變形產(chǎn)生的殘余應力及加工硬化會影響復合界面的結(jié)合性能。因此，需要對冷軋后的生坯進行燒結(jié)，且燒結(jié)溫度要高于兩者的再結(jié)晶溫度。通過逐步提升燒結(jié)溫度的方式［3］，摸索出最佳的燒結(jié)溫度和時間。同時，為防止復合板表面在高溫下氧化，燒結(jié)需在一定還原保護氣氛下進行。

（5）熱軋。復合板在燒結(jié)后進行一定道次的熱軋以增加粉層致密性及與基板的結(jié)合強度。針對不同成分的金屬粉末，需經(jīng)過多次試驗摸索，以得出既能增加復合板強度又不會產(chǎn)生裂紋的軋制壓下量。

2 蒙乃爾400粉末復合軋制試驗

2.1 試驗材料

試驗以Q235B為基板，基板規(guī)格為4.3 mm×120 mm×150 mm；復材選用通過氣霧化方法制得的蒙乃爾400粉末，粉末顆粒呈球形，粉末粒徑D為 50～150 μm，它們的化學成分見表2。

表2 蒙乃爾400粉末和Q235B鋼板化學成分（質(zhì)量分數(shù)） %

2.2 試驗方法

根據(jù)成品復合層厚度規(guī)格調(diào)整布料器，在噴砂處理后的基材上均勻鋪上蒙乃爾粉末，布粉厚度為0.9 mm。根據(jù)預先設(shè)計的軋制表，調(diào)整粉末軋機的壓下量，使軋機開口度與基材和粉末厚度相對應。將鋪有粉末的基板送入軋機，經(jīng)4道次軋制軋成復合板坯。將冷軋后的復合板坯送入箱式氣氛爐中，抽真空后按照一定的溫度制度進行燒結(jié)，并通入氬氣保護，燒結(jié)溫度與時間關(guān)系見圖3。燒結(jié)后隨爐冷卻至900℃取出，以與冷軋相同的方式送入粉末軋機熱軋成厚度為4.4 mm的復合板。軋制后用夾鉗將復合板取出并空冷至室溫。

圖3 燒結(jié)溫度與燒結(jié)時間關(guān)系曲線

3 結(jié)果與分析

冷軋后的復合板坯和熱軋后的復合板宏觀形貌如圖4所示。由圖4可以看出，復合板坯和復合板表面質(zhì)量良好，均未產(chǎn)生裂紋。利用Zeiss supra55場發(fā)射掃描電鏡和牛津Max20能譜儀對蒙乃爾400復合板試樣進行顯微形態(tài)觀察、表面形貌及能譜分析。

圖4 復合板坯與復合板宏觀形貌

3.1 金相檢驗

在復合板上切割制取金相試樣，試樣規(guī)格為10 mm×10 mm，復合板橫斷面金相檢驗結(jié)果如圖5所示。從圖5中可以看出，蒙乃爾400粉層燒結(jié)情況較好，粉板結(jié)合處存在明顯過渡結(jié)合區(qū)，結(jié)合區(qū)合金化程度很高、致密化程度較好。在粉板結(jié)合面還可以觀察到有大量的孔洞，此孔洞是由于蒙乃爾400粉末經(jīng)軋制后留存的孔洞。通過圖5（b）可以發(fā)現(xiàn)，經(jīng)燒結(jié)處理后粉末顆粒完成了合金化，顆粒和顆粒間出現(xiàn)燒結(jié)頸，將孔洞封閉。

圖5 復合板橫斷面金相檢驗結(jié)果

3.2 微觀成分分析

利用EDX對過渡層進行面掃描分析，結(jié)果見圖6。由圖6可以看出，粉層主要成分為Ni，基板主要成分為Fe，在Ni與Fe之間的結(jié)合面上有一層薄薄的Al，但未見明顯分層現(xiàn)象，即粉末與基板之間有明顯過渡的結(jié)合區(qū)，判斷該區(qū)域兩種組織材料已互相滲透擴散，形成合金組織。此外，結(jié)合區(qū)域上下存在一定的O，其位置與圖5中密密麻麻黑點的位置相同，確定了上述推斷的正確性。

圖6 過渡層EDX電子圖像

利用掃描電鏡SEM和EDX進行各區(qū)域微觀化學成分分析。過渡層SEM電子圖像見圖7，選取6個位置進行EDX能譜分析，其中3個典型EDX能譜分析結(jié)果如圖8所示。由EDX能譜分析可知，譜圖13為蒙乃爾400粉末燒結(jié)層，譜圖16為Q235B基材。經(jīng)過冷軋、燒結(jié)再熱軋后的復合板在譜圖14處形成粉/板擴散過渡層，蒙乃爾400粉末中的Ni、Cu等元素不同程度的滲透入過渡層中，使粉板實現(xiàn)冶金結(jié)合。

圖7 過渡層SEM電子圖像

圖8 EDX能譜分析

蒙乃爾400鋼板在市場上的價格約為15萬 元/t，大致為Q235B鋼板價格的30倍，若以二者復合軋制鋼板替代純蒙乃爾400鋼板，可以大幅度降低成本。

4 結(jié)語

采用自制高剛度二輥冶金粉末軋機，以 “冷軋+燒結(jié)+熱軋”相結(jié)合的工藝方法，實現(xiàn)了蒙乃爾400金屬粉末與Q235B鋼板的復合軋制。冷軋后，經(jīng)過充分燒結(jié)，過渡層有明顯的元素擴散現(xiàn)象，通過檢測分析，能夠說明結(jié)合面由物理結(jié)合向冶金結(jié)合轉(zhuǎn)化，且過渡層無明顯界面。使用該復合板代替純金屬鋼板，將大幅降低材料成本。