金屬粉末作中間材熱軋制備不銹鋼復(fù)合板

康 磊，廖相巍，尚德禮，賈吉祥，李廣幫，康 偉

（鞍鋼集團(tuán)鋼鐵研究院海洋裝備用金屬材料及其應(yīng)用國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，遼寧 鞍山114009）

不銹鋼復(fù)合板是采用軋制或爆炸等工藝使不銹鋼與碳鋼或低合金鋼復(fù)合的新材料，它不僅具有不銹鋼的耐腐蝕性能，還具有碳鋼或低合金鋼的力學(xué)性能，達(dá)到了既節(jié)約貴金屬又增強(qiáng)材料性能的目的［1-5］，因而被廣泛應(yīng)用于化工、石油、海水淡化、造船工業(yè)等領(lǐng)域。不銹鋼復(fù)合板有多種生產(chǎn)方法［6-7］，其中熱軋復(fù)合技術(shù)是國(guó)際上生產(chǎn)大規(guī)格不銹鋼復(fù)合板的主流方法［1］，低成本、連續(xù)化制造高品質(zhì)大規(guī)格不銹鋼復(fù)合板的熱軋工藝一直是主要研究方向［6］。近年來(lái)，真空熱軋法制備不銹鋼復(fù)合板是國(guó)內(nèi)外學(xué)者的研究熱點(diǎn)，但采用該技術(shù)制備復(fù)合坯相對(duì)復(fù)雜、成本高、周期長(zhǎng)，不適合小批量生產(chǎn)小規(guī)格的不銹鋼復(fù)合板［8］。 已有文獻(xiàn)［9］提到，制坯過(guò)程中的真空度是影響不銹鋼/碳鋼復(fù)合效果的最重要因素。熱軋復(fù)合過(guò)程中易產(chǎn)生金屬間化合物以及碳化物，而這些物質(zhì)是脆性相，會(huì)消弱復(fù)合板的復(fù)合界面強(qiáng)度，針對(duì)這個(gè)問(wèn)題，有學(xué)者研究在不銹鋼和碳鋼（低合金鋼）間加銅、鎳、純鐵等中間材［10-12］，以阻止金屬間化合物和碳化物的生成，但由于提高了生產(chǎn)成本和影響復(fù)合強(qiáng)度，因此，在工業(yè)上都沒(méi)有應(yīng)用。本文針對(duì)真空熱軋法存在的上述技術(shù)問(wèn)題，研究金屬粉末作為中間材在非真空條件下制備不銹鋼復(fù)合板的方法，重點(diǎn)分析不銹鋼復(fù)合板復(fù)合界面的微觀組織和復(fù)合性能。

1 試驗(yàn)材料及方法

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)采用304奧氏體不銹鋼作覆層材料、工業(yè)純鐵為基層材料、304不銹鋼粉作為中間材。三種原材料的化學(xué)成分見(jiàn)表1。

表1 原材料的化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）Table 1 Chemical Compositions（Mass Fraction） of Raw Materials %

為了防止復(fù)合板熱軋后彎曲變形，采用對(duì)稱組坯方式，坯料組合示意圖見(jiàn)圖1。由圖1所示，從上至下依次是工業(yè)純鐵、304不銹鋼粉末、304不銹鋼、隔離劑、304不銹鋼、304不銹鋼粉末和工業(yè)純鐵。304不銹鋼尺寸為200 mm×215 mm×20 mm，工業(yè)純鐵尺寸為 200 mm×205 mm×24 mm，304不銹鋼粉末厚度為3 mm，要求不銹鋼粉末的粒度小于280 μm。

圖1 坯料組合示意圖Fig.1 Schematic Diagram for Combination of Billets

1.2 試驗(yàn)方法

覆材和基材的待復(fù)合面進(jìn)行噴丸處理后，將不銹鋼粉末填充到覆材和基材間并震實(shí)，采用氬弧焊沿四周密封焊接制備成復(fù)合坯，焊接要求無(wú)漏粉點(diǎn)。采用550 mm兩輥軋機(jī)進(jìn)行軋制試驗(yàn)，復(fù)合坯加熱溫度1 200℃，保溫2 h。開(kāi)軋溫度為1 150℃，終軋溫度為950℃。復(fù)合板坯的原始厚度為94 mm，共軋制六道次，終軋厚度為10 mm，軋后空冷至室溫。

在復(fù)合板中切取金相試樣，鑲嵌并水磨拋光，用4%硝酸酒精溶液對(duì)基層金屬腐蝕，用200MAT光學(xué)顯微鏡（OB）對(duì)微觀組織進(jìn)行觀察和分析，用QUANT400掃描電鏡（SEM）分析界面形貌和元素分布。

為了分析金屬粉末中間層對(duì)復(fù)合性能的影響，在上表面切割試樣進(jìn)行剪切強(qiáng)度的測(cè)試。采用Inspekt100-table萬(wàn)能材料試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行剪切變形試驗(yàn)，變形速度為1 mm/min。圖2為拉伸剪切試件示意圖。另外，本次試驗(yàn)檢測(cè)了復(fù)合板的彎曲性能，冷彎試驗(yàn)的取樣位置分別是板寬的1/4和1/2處，試驗(yàn)尺寸為國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T6396-2008要求的10 mm×30 mm×400 mm。彎曲試驗(yàn)在Carvar壓力試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行，彎心直徑為10 mm，彎曲角度為180°。

圖2 拉伸剪切試件示意圖Fig.2 Schematic Diagram for Specimens for Tensile Shearing Test

2 結(jié)果與討論

試驗(yàn)制備的不銹鋼熱軋復(fù)合板實(shí)物見(jiàn)圖3。由圖3（a）可以看出，從宏觀上看，覆板和基板間結(jié)合良好，無(wú)明顯分層，而且整體復(fù)合板板形非常平整，無(wú)彎曲變形。由圖3（b）可以看出，復(fù)合板一側(cè)板邊存在軋制裂紋，其余板面均無(wú)宏觀裂紋。由圖3（c）可以看出，覆板和基板在軋制過(guò)程中變形基本一致。在實(shí)際生產(chǎn)中，通過(guò)剪板機(jī)切除頭、尾和邊部軋制缺陷，即可獲得質(zhì)量完好的不銹鋼復(fù)合板。

圖3 不銹鋼熱軋復(fù)合板實(shí)物Fig.3 Real Products of Hot Rolled Stainless Steel Clad Plates

2.1 界面組織分析

圖4為不銹鋼復(fù)合板金相照片。金相顯微鏡觀察復(fù)合板的整個(gè)橫斷面后發(fā)現(xiàn)，基材、中間層和覆材間結(jié)合良好，不同材質(zhì)間無(wú)未結(jié)合區(qū)域。

圖4 不銹鋼復(fù)合板金相照片F(xiàn)ig.4 Metallograph of Stainless Steel Clad Plates

圖4（a）中可以看出，腐蝕后的復(fù)合板由基材、中間層和覆材三個(gè)區(qū)域組成，由不銹鋼粉軋成的中間層沿軋制方向厚度分布均勻 （約300 μm）且致密性高。由圖4（b）可知，中間層與基材和覆材結(jié)合分別形成復(fù)合界面Ⅰ和復(fù)合界面Ⅱ，復(fù)合界面Ⅰ呈近似直線形貌且界線清晰，而復(fù)合界面Ⅱ無(wú)清晰的分界線，僅僅是中間層內(nèi)存在灰色相，說(shuō)明兩層間在加熱和軋制過(guò)程中熔合的較好。復(fù)合界面Ⅰ和復(fù)合界面Ⅱ附近均無(wú)氧化物存在，但在中間層內(nèi)部有少量的長(zhǎng)度為20～40 μm條狀氣孔。這是由金屬粉末間存在氣體造成的，還需對(duì)中間層進(jìn)行抽空處理，以消除中間層內(nèi)的氣孔。復(fù)合界面Ⅰ附近基材組織為塊狀鐵素體，和遠(yuǎn)離界面Ⅰ基材的組織一致，說(shuō)明使用不銹鋼粉作中間層不會(huì)形成增碳區(qū)。其原因可能是處于松散狀態(tài)下的不銹鋼粉末顆粒與基材間為點(diǎn)接觸，在加熱過(guò)程中金屬粉末向基材中的碳元素?cái)U(kuò)散非常微小 （可以忽略不計(jì)），雖然在鋼板軋制時(shí)增大了金屬粉末與基板間的接觸面積，但是金屬粉末溫度的降低限制了碳元素向基材上擴(kuò)散，因此，復(fù)合板坯在加熱和軋制過(guò)程中不會(huì)發(fā)生碳的擴(kuò)散行為。

2.2 復(fù)合界面合金成分分析

對(duì)腐蝕后的復(fù)合界面進(jìn)行微區(qū)成分分析，采用線掃描分析復(fù)合界面處的 Si、Mn、Cr、Ni等元素。圖5為復(fù)合界面處的SEM組織。

圖5 復(fù)合界面處的SEM組織Fig.5 SEM Microstructure at Composite Interface

圖6為復(fù)合界面處的線掃描結(jié)果。從圖5、6中看出，這幾種元素都發(fā)生了擴(kuò)散現(xiàn)象，其中Cr、Ni的擴(kuò)散最明顯。這主要是中間層和純鐵側(cè)Cr、Ni元素存在濃度梯度，在熱軋過(guò)程中發(fā)生了元素的擴(kuò)散，其中 Cr擴(kuò)散了約 20 μm，Ni擴(kuò)散了 10 μm，Cr、Ni擴(kuò)散后在純鐵側(cè)形成一條寬約20 μm的富Cr、Ni層。

圖6 復(fù)合界面處的線掃描結(jié)果Fig.6 Linear Scanning Results at Composite Interface

圖7為復(fù)合界面處C元素的電子探針掃描結(jié)果，由圖7看出，復(fù)合界面處C元素幾乎沒(méi)有變化，未出現(xiàn)文獻(xiàn)［13］提到的復(fù)合板界面處C元素?cái)U(kuò)散遷移現(xiàn)象。

中間層灰色相EDS面掃描結(jié)果見(jiàn)圖8。由圖 8 可知，灰色相中存在 Cr、Ti、Nb、C 這 4 種元素富集。 根據(jù)富集區(qū)域形狀可知，Cr、Ti、Nb、C 的富集形狀相同。因此，不銹鋼粉末在熱軋成型過(guò)程中析出了富Cr、Ti、Nb的碳化物。碳化物的偏析是中間層的薄弱區(qū)域，嚴(yán)重破壞中間層的組織，危害其拉伸、沖擊性能等各項(xiàng)性能［14-15］。還需進(jìn)一步研究熱處理工藝來(lái)解決此類碳化物的偏析缺陷。

圖7 復(fù)合界面處C元素的電子探針掃描結(jié)果Fig.7 Scanning Results by Electron Probe for Carbon Element at Composite Interface

圖8 中間層灰色相EDS面掃描結(jié)果Fig.8 Scanning Results for EDS Plane in Gray Phase of Interface Layer

2.3 剪切性能

拉剪試樣取樣位置為復(fù)合板長(zhǎng)度方向的頭部、中部和尾部，表2為不銹鋼復(fù)合板各部位剪切強(qiáng)度。由表2可知，三個(gè)位置的剪切強(qiáng)度值比較接近，均大于400 MPa，計(jì)算均值為412 MPa，遠(yuǎn)高于國(guó)標(biāo)GB/T8165-2008要求的剪切強(qiáng)度值。

表2 不銹鋼復(fù)合板各部位剪切強(qiáng)度Table 2 Shearing Strengths of Different Positions at Stainless Steel Clad Plate MPa

2.4 冷彎試驗(yàn)

圖 9 為彎曲試樣實(shí)物圖。由圖 9（a）、（b）可以看出，復(fù)合板分別經(jīng)180°內(nèi)彎曲和外彎曲后，其復(fù)合界面結(jié)合緊密，不存在開(kāi)裂或分層缺陷，說(shuō)明復(fù)合板的界面保持完好的冶金結(jié)合。從圖9（c）、（d）可以看出，經(jīng)內(nèi)彎曲和外彎曲試驗(yàn)后,試樣的彎曲外表面也未出現(xiàn)由彎曲產(chǎn)生的微細(xì)裂紋。不銹鋼復(fù)合板符合GB/T 8165-2008標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，具有良好的彎曲性能。

圖9 彎曲試樣實(shí)物圖Fig.9 Samples after Bending Test

3 結(jié)論

（1）利用不銹鋼粉末作為中間夾層材料成功制備了不銹鋼/低碳鋼復(fù)合板，復(fù)合板的剪切強(qiáng)度和彎曲性能均達(dá)到了國(guó)標(biāo)GB/T 8165-2008的要求，不銹鋼和低碳鋼間實(shí)現(xiàn)了緊密的冶金結(jié)合。

（2）在不銹鋼和低碳鋼中加入不銹鋼粉末能有效阻礙碳等元素的擴(kuò)散，而且復(fù)合界面附近無(wú)氧化物雜質(zhì)，有效地提高了復(fù)合界面的剪切強(qiáng)度，剪切強(qiáng)度平均值達(dá)到412 MPa。

（3）還需進(jìn)一步研究金屬粉末夾層的抽空處理和復(fù)合板的后續(xù)熱處理，以解決復(fù)合板中粉末夾層中的氣孔和元素偏析問(wèn)題。