不銹鋼復合板的生產研發

韓 鵬 宋廣龍 李文斌 陳 華 隋松巖 黃 松 王明林

近年來，伴隨著國家鐵路高鐵戰略實施，特大型鋼結構橋梁建設項目逐年增多。為了保證鋼結構橋梁的使用壽命達到100年的設計目標，須提高鋼材耐腐蝕能力。目前，業界普遍采取定期涂漆的方式解決材料的腐蝕問題。由于橋梁橋面系結構的特殊性，橋面板與瀝青、混凝土等接觸的部分無法實現定期涂漆養護，易發生酸性介質造成的橋面板表面腐蝕、氧化鐵皮剝落現象，直接影響了整體橋梁結構安全。開發Q370qE+S31603不銹鋼復合橋面板可有效解決此問題。該材料既具有不銹鋼的耐腐蝕能力，又有橋梁鋼的強度，可全生命周期保證結構安全。

金屬復合材料是利用復合技術使同種或者不同種類的金屬，在界面上實現牢固結合而制成的一種新型復合材料。金屬復合材料在保持母材金屬特性的同時與復層材料形成“相補效應”，而彌補各自的不足，經過恰當的組合獲得優異的綜合性能，被廣泛地應用于汽車、橋梁、飛機、環保設備和化工設備、制造等方面。盡管組元金屬仍保持各自原有的特性，但復合金屬材料的物理、化學、力學性能比單一金屬優越得多。制備金屬復合材料的主要方法有：鑄造復合法、爆炸復合法、軋制復合法、擠壓復合法和擴散焊接法等。本文主要研究采用軋制法生產Q370qE+S31603不銹鋼復合板，并對相關性能和組織展開綜合研究、評價。

1.實驗材料與方法

1.1 實驗材料

實驗材料為橋梁用鋼Q370qE和奧氏體不銹鋼S31603，其化學成分見表1。

表1 Q370qE和S31603的化學成分 wt，%

1.2 復合組坯方案

軋制法不銹鋼復合板的生產流程主要包含以下步驟：表面處理、組坯、焊接、真空處理、軋制復合、機械性能檢驗。在組坯時首先要對加工后的坯料進行表面處理以去除表面氧化層，在此基礎上采取橋梁鋼-不銹鋼-隔離劑-不銹鋼-橋梁鋼的順序將坯料待復合面重疊組合，然后進行埋弧焊接，焊接后對腔體內側抽真空處理。需要注意的是，采用埋弧焊焊接封邊的技術制備不銹鋼復合板，需在埋弧焊焊接前用邊條將中間不銹鋼圍起來，一是可防止復合坯料在吊裝時中間不銹鋼錯位，影響后續的埋弧焊接；二是可防止埋弧焊時焊劑進入復合界面，影響復合效果。

1.3 復合坯軋制

將Q370qE+S31603不銹鋼復合坯在連續式加熱爐內加熱，加熱段控制在 1200℃±15℃，均熱段控制在1150℃±15℃，在爐時間3～5小時，出爐溫度在1135℃以上。在軋制之前用高壓水充分除鱗，除鱗水壓力≥18MPa，板坯開軋溫度控制在1100℃±15℃，粗軋階段軋輥采用低轉速，各道次壓下率控制在20%以上，精軋階段累計壓下率不小于75%；二階段開軋溫度880℃±20℃，終軋溫度820℃±20℃，入水溫度720℃±20℃，返紅溫度≤300℃。軋制后進行回火處理，回火溫度550℃±10℃，回火速度為2.5min/mm。

2.實驗結果與討論

采用上述橋梁用鋼Q370qE和奧氏體不銹鋼S31603做不銹鋼復合板的基材和覆材，利用上述復合坯組坯工藝和不銹鋼復合板軋制工藝，成功制備了厚度規格為16+3mm的Q370qE+S31603不銹鋼復合板。產品板形平直，按照GB/T 2970進行超聲波探傷，判定結果顯示I級合格；按照GB/T 8165的規定進行超聲波探傷及判定，結果顯示界面結合率達到100%。

2.1 復合板力學性能

為驗證軋制后的不銹鋼復合板力學性能，按照復合鋼板力學及工藝性能試驗方法（GB/T 6396）進行取樣，并檢驗拉伸、冷彎和沖擊性能，典型規格性能見表2?？梢钥闯?，復合板的常規拉伸檢驗結果為屈服強度494MPa，抗拉強度600MPa，延伸率27%，完全滿足基材Q370qE的標準指標要求，符合GB/T 8165-2008《不銹鋼復合鋼板和鋼帶》標準中復合板強度不小于基層對應厚度鋼板標準值的規定，并由于屈強比為0.82，小于0.85的標準值要求，保證了橋梁結構的服役安全性。冷彎性能檢驗進行180度內彎和外彎檢驗，從彎后試樣上看，基材和覆材的界面結合良好，未見肉眼可見明顯裂紋及分層，冷彎結果合格，同時按照10×10×55mm的試樣尺寸取樣進行-40℃夏比沖擊性能檢驗，沖擊值分別為208J、222J和219J，完全滿足鐵路橋梁項目要求的沖擊功大于等于120J的規定，表明復合板具有良好的低溫韌性。

表2 Q370qE+S31603的機械性能

2.2 晶間腐蝕性能檢驗分析

根據不銹鋼S31603通常使用環境，本試驗采用硫酸-硫酸銅試驗方法進行Q370qE+S31603不銹鋼復合板的晶間腐蝕性能評價。按照標準GB/T 4334-2008《金屬和合金的腐蝕-不銹鋼晶間腐蝕試驗方法》中，方法E-不銹鋼硫酸-硫酸銅腐蝕試驗方法的規定：取不銹鋼復合板試樣400×400mm，并加工成h×20×100mm的腐蝕片，對比試樣方案見表3。

表3 晶間腐蝕試驗方案

GB/T 4334標準規定加工后的試樣表面粗糙度Ra值不大于0.8um，本試驗的晶間腐蝕試樣經檢測，粗糙度Ra均在0.60um以下。

將100g復合標準要求的分析純硫酸銅溶于700mL去離子水，再加入100mL純硫酸，用去離子水稀釋至1000mL，最終配置成硫酸-硫酸銅溶液；在燒瓶底部鋪上一層純銅粒，將加工好的晶間腐蝕試樣放置在銅粒上，并保證每個試樣與銅粒接觸但每個試樣之間不相互接觸，然后在試樣裝置上加熱并保持16小時微沸。試驗完成后將試樣洗凈、擦干，在WB-1000彎曲試驗機上進行彎曲。

晶間腐蝕試樣在10X放大鏡下進行觀察，結果發現1#、2#試樣沒有任何裂紋，將試樣旋轉180度后觀察1#、2#試樣也沒有任何裂紋，晶間腐蝕結果合格。

2.3 316L/Q370qE 不銹鋼復合板的剪切性能

界面結合質量是評價不銹鋼復合板綜合性能的核心指標。評價界面結合質量的力學測試方法主要有彎曲試驗、剪切試驗等，其中彎曲試驗無法定量評價性能結果，而剪切試驗因試樣加工簡單，測試便捷，已經成為常用的可定量測量不銹鋼復合板界面結合強度的試驗方法。

按GB/T 6396-2008《復合鋼板力學及工藝性能試驗方法》取兩個剪切試樣，剪切面寬度為1.5mm。在剪切試樣加工制備過程中，需將復合界面與加工平臺一齊或低于加工平臺的方法加工剪切試樣，便于得到穩定并趨于真實的剪切強度。在油壓壓下設備上檢測剪切強度分別為336MPa和350MPa，完全滿足橋梁用不銹鋼復合板剪切強度大于等于300MPa的規定，也遠高于國家標準規定的大于等于210MPa的標準規定，說明復合界面結合良好，已實現完全冶金結合。

2.4 組坯過程控制不當對不銹鋼復合板界面性能的影響

2.4.1表面處理不當對復合板界面組織性能的影響

不銹鋼復合板的碳鋼基材需先經表面銑削，去除表面較厚的氧化鐵皮，不銹鋼復板則使用手推式砂帶機將表面清理干凈，同時使用丙酮或酒精將表面殘留的油跡去除干凈。但是，基材的表面在銑削處理后的儲存過程中會產生較薄的氧化膜，局部位置會產生較為嚴重的銹層。

通過對界面含有顆粒狀夾雜物的不銹鋼復合板剪切性能分析，平均剪切強度大于300MPa，且不同測試位置存在較大的波動，這是由于界面夾雜物分布不均勻引起的剪切性能差異。當復合坯料的表面殘留部分氧化薄膜時，復合板的性能可以達到項目指標要求，但是當界面聚集較多的夾雜物時會嚴重惡化界面結合強度，導致復合板界面探傷不合格。

2.4.2涂覆不當對復合板界面組織性能的影響

本方案采用對稱組坯的方式可保證不銹鋼與碳鋼基材在軋制過程協調變形。為使不銹鋼之間只能在熱軋后順利分離，且不影響不銹鋼的表面質量，不銹鋼之間要涂覆合適的隔離劑。涂覆隔離劑時需添加一定量的水，使其均勻噴涂在不銹鋼表面，之后要充分烘干。由于復合板坯料較大，若烘干時間不足會導致隔離劑中含有水分，在后續的加熱過程，水蒸氣會進入待復合界面，導致界面氧化，產生明顯的界面夾雜物，降低了結合強度；由于本方案所采用的特殊組坯方式，內部不銹鋼并未進行封焊，在吊裝翻轉過程隔離劑會發生相對運動，易導致脫落，細小的隔離劑會沿邊部縫隙進入到待復合界面，導致邊部復合界面嚴重分離，降低復合板成材率，嚴重時將導致整個復合板報廢。

3.結論

(1)采用真空焊接組坯-控軋控冷+回火工藝路線可生產橋梁用不銹鋼復合板Q370qE+S31603，復合板的結合界面未發現孔洞、裂紋等未結合區域，同時也沒有發現大顆粒的析出物及氧化物夾雜等，復合板界面實現了良好的冶金結合。

(2)橋梁用不銹鋼復合板Q370qE+S31603的屈服強度為494MPa，抗拉強度為600MPa，伸長率為27.0%，-40℃縱向沖擊吸收能量平均值為216J，剪切強度平均值為343MPa，180度內彎曲和外彎曲合格，復材S31603的晶間腐蝕合格，復合板各項力學性能均滿足GB/T 8165標準要求。

(3)嚴格組坯過程質量管理，做好界面處理、隔離劑涂覆工作，可以有效減少氧化物、夾雜物等對復合界面的污染，提高界面結合力。

參考文獻略