李 龍，張心金，祝志超，劉會(huì)云

(中國(guó)第一重型機(jī)械股份公司 能源裝備材料科學(xué)研究所，天津 300457)

真空熱軋不銹鋼復(fù)合板界面結(jié)合行為的研究

李 龍，張心金，祝志超，劉會(huì)云

(中國(guó)第一重型機(jī)械股份公司 能源裝備材料科學(xué)研究所，天津 300457)

為了研究真空熱軋不銹鋼復(fù)合板的結(jié)合行為，本文以熱軋304不銹鋼/Q345低碳鋼復(fù)合板為研究對(duì)象，通過剪切試驗(yàn)及組織分析等手段研究了變形量及真空度對(duì)不銹鋼復(fù)合板結(jié)合性能的影響規(guī)律.結(jié)果表明，軋制總變形量從35%增加到75%之后復(fù)合板的剪切強(qiáng)度大約可增加100 MPa.真空度降低會(huì)導(dǎo)致結(jié)合界面氧化程度增加，進(jìn)而降低復(fù)合板的結(jié)合性能，當(dāng)真空由0.1 Pa變?yōu)?0 Pa時(shí)，界面氧化物的比例由約10%提高到約50%，剪切強(qiáng)度由440 MPa降低到了350 MPa左右.最后根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果提出了熱軋不銹鋼復(fù)合板的結(jié)合行為.

熱軋不銹鋼復(fù)合板;變形量;真空度;剪切強(qiáng)度

熱軋不銹鋼復(fù)合低碳鋼板(簡(jiǎn)稱不銹鋼復(fù)合板)具有功能性和結(jié)構(gòu)性兼?zhèn)涞奶卣?，在石油、化工、造船、冶金、發(fā)電及日用品等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用［1，2］.國(guó)內(nèi)外許多學(xué)者對(duì)雙金屬的軋制復(fù)合開展了很多研究［2］，而界面結(jié)合質(zhì)量是評(píng)價(jià)復(fù)合板復(fù)合性能的主要指標(biāo)，因此在金屬?gòu)?fù)合板生產(chǎn)技術(shù)發(fā)展的同時(shí)，金屬?gòu)?fù)合機(jī)理的研究也在不斷深入.迄今為止，用于闡述復(fù)合機(jī)理的理論很多，其中主要包括再結(jié)晶理論［3］、金屬鍵理論［4］、能量理論［5］、擴(kuò)散理論［6］及N.Bay理論［5，7］等.但上述的各種復(fù)合機(jī)理基本都是在冷軋的基礎(chǔ)上提出來的，目前對(duì)熱軋復(fù)合機(jī)理開展相關(guān)研究較少.對(duì)熱軋復(fù)合板來說，除了元素?cái)U(kuò)散［8］、變形溫度［9］及界面殘余應(yīng)力［10］之外，變形量［11，12］及界面真空度［13，14］對(duì)結(jié)合行為及結(jié)合質(zhì)量都有較大的影響.

本文以熱軋不銹鋼復(fù)合板為研究對(duì)象，研究變形量及真空度對(duì)界面結(jié)合性能的影響規(guī)律，并提出了熱軋不銹鋼復(fù)合板的界面結(jié)合機(jī)理，為不銹鋼復(fù)合板的工藝制定及性能控制提供參考.

1 試驗(yàn)方法

本文所用的304不銹鋼(復(fù)材)和Q345低碳鋼(基材)的化學(xué)成分如表1所示.實(shí)驗(yàn)用不銹鋼材料的尺寸為300 mm×300 mm×10 mm(長(zhǎng)×寬×厚)，低碳鋼材料的尺寸為300 mm×300 mm× 90 mm(長(zhǎng)×寬×厚).將304不銹鋼和Q345低碳鋼的待復(fù)合面的氧化層去除，對(duì)稱組坯后，對(duì)四周密封后進(jìn)行抽真空處理［12］，真空度選擇為0.1、1、5和 20 Pa左右.將密封后的復(fù)合坯加熱至1 200℃保溫 2 h后進(jìn)行軋制，原始厚度為200 mm，單道次壓下量為20%左右，總壓下量分別為35%、50%、65%和75%，終軋厚度對(duì)應(yīng)為130、100、70和50 mm，軋后空冷到室溫.

表1 復(fù)合板復(fù)材和基材材料的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù))Table 1 Chemical composition of clad and base materials(mass fraction) %

用4%硝酸酒精溶液對(duì)復(fù)合板界面處進(jìn)行浸蝕，在德國(guó)ZEISS生產(chǎn)的200 MAT金相顯微鏡及美國(guó)FEI生產(chǎn)的Quanta400掃描電鏡(SEM)下觀察復(fù)合板界面的微觀組織，利用能譜儀(EDS)對(duì)復(fù)合界面兩側(cè)Cr、Ni等元素的分布進(jìn)行分析，在Shimadzu HMV－2型硬度計(jì)測(cè)量顯微硬度，載荷為10 g，時(shí)間為15 s.參照GB/T4334－2008金屬和合金的腐蝕中不銹鋼晶間腐蝕試驗(yàn)方法進(jìn)行，試驗(yàn)條件為:10%草酸溶液，電流密度1 A/cm2，溫度28～33℃，時(shí)間為90 s.在CSS－44300電子萬能試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行剪切變形實(shí)驗(yàn)，變形速度為1 mm/min.

2 結(jié)果與討論

2.1 變形量對(duì)復(fù)合界面剪切強(qiáng)度的影響

圖1為熱軋不銹鋼復(fù)合板總變形量與界面剪切強(qiáng)度之間的關(guān)系(界面真空度為0.1 Pa)，從圖中可以看出，隨著變形量的增加界面結(jié)合強(qiáng)度逐漸增加，當(dāng)總壓下量從35%增加到75%時(shí)，在較高的真空條件下(真空度為0.1 Pa左右)，界面剪切強(qiáng)度從360 MPa到440 MPa，在較低的真空條件下(真空度為20 Pa左右)，界面剪切強(qiáng)度從約250 MPa到約350 MPa.

軋制壓下量的增加有利于破碎金屬表面氧化膜，使內(nèi)部新鮮金屬在軋制過程中形成新生界面并在較大壓力下結(jié)合，從而提高結(jié)合強(qiáng)度［7］.對(duì)冷軋不銹鋼/碳鋼復(fù)合來說，首道次壓下量不能低于50%，否則新生界面無法形成，在后續(xù)軋制過程中氧化膜難以分割破碎，即使提高軋制總壓下量也無法獲得良好的結(jié)合界面［15，16］.對(duì)于熱軋不銹鋼復(fù)合板來說，在高溫?cái)U(kuò)散和力的雙重作用下，單道次壓下量大于5%就可以實(shí)現(xiàn)局部的結(jié)合，當(dāng)總壓下量大于20%可實(shí)現(xiàn)完全結(jié)合［9，10］.從圖1也可以看出，總變形量為35%時(shí)，界面剪切強(qiáng)度達(dá)到了350 MPa.不過在軋制變形過程中，復(fù)材與基材屈服強(qiáng)度上的差異會(huì)導(dǎo)致不均勻的塑性變形，這種不均勻的塑性變形在各層金屬間的結(jié)合界面上容易形成殘余應(yīng)力，而且殘余應(yīng)力會(huì)隨著復(fù)合軋制變形量的增加而增加，對(duì)界面結(jié)合強(qiáng)度造成不良影響［11］.從圖1看出，壓下量繼續(xù)增加時(shí)，結(jié)合強(qiáng)度的增加趨勢(shì)變緩，這種現(xiàn)象的產(chǎn)生應(yīng)該是變形量與殘余應(yīng)力綜合作用的結(jié)果.

圖1 總壓下量與界面剪切強(qiáng)度的關(guān)系Fig.1 Relationship between interface shear strength and total reduction during rolling

2.2 真空度對(duì)界面氧化物及結(jié)合強(qiáng)度的影響

圖2為在不同真空度下界面的氧化物面積比例及對(duì)應(yīng)的剪切強(qiáng)度.氧化物面積比例定義為氧化物的長(zhǎng)度占界面長(zhǎng)度的百分比，是對(duì)500倍的金相照片的多個(gè)視場(chǎng)進(jìn)行測(cè)量計(jì)算得到的.

假設(shè)復(fù)合板的夾層間隙為0.5 mm，面積為300 mm×300 mm，并假定表面全部的Fe原子發(fā)生氧化生成 Fe2O3，根據(jù)計(jì)算，當(dāng)真空度達(dá)到237 Pa時(shí)表面的Fe原子全部發(fā)生氧化，此時(shí)氧化物比例為100%，結(jié)合強(qiáng)度可認(rèn)為為0，因此定義237 Pa為氧化的臨界點(diǎn).對(duì)真空度和剪切強(qiáng)度的關(guān)系也利用Boltzmann方程進(jìn)行了擬合，具體如圖2所示.從圖2(a)也可以看出，當(dāng)真空度小于10 Pa時(shí)，氧化物的比例變化并不明顯，且剪切強(qiáng)度變化不大(圖2(b))，隨著真空度進(jìn)一步降低(意味著氧氣含量的增加)，氧化變得越來越明顯，當(dāng)真空度為接近20 Pa時(shí)，氧化物的比例接近50%，剪切強(qiáng)度也從440 MPa降低到350 MPa左右.從圖2(b)擬合的曲線可以預(yù)測(cè)，當(dāng)真空度值高于 25 Pa時(shí)，剪切強(qiáng)度低于國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)中(GBT8165－2008不銹鋼復(fù)合鋼板和鋼帶)對(duì)剪切強(qiáng)度的要求值210 MPa，因此，應(yīng)避免在真空度值高于25 Pa下進(jìn)行加熱軋制.綜合來看，為了減少界面的氧化并獲得較高的剪切強(qiáng)度，建議不銹鋼復(fù)合板真空熱軋時(shí)界面的真空度的值小于10 Pa甚至更低.

2.3 熱軋不銹鋼復(fù)合界面結(jié)合機(jī)理的探討

圖3為光學(xué)顯微鏡下不銹鋼復(fù)合界面的微觀特征.從圖3可以看出熱軋不銹鋼復(fù)合板可分為3個(gè)區(qū):不銹鋼I區(qū)、復(fù)合II區(qū)和Q345低碳鋼III區(qū).能譜分析結(jié)果表明，產(chǎn)生了不銹鋼中的Cr和Ni元素向Q345低碳鋼的擴(kuò)散，Cr擴(kuò)散的距離較遠(yuǎn)約為15 μm，Ni的擴(kuò)散范圍大約為4 μm.低碳鋼和不銹鋼之間的界面應(yīng)為一過渡復(fù)合區(qū)(II區(qū))，該復(fù)合區(qū)可定義為包括宏觀界面(圖3)在內(nèi)的Cr擴(kuò)散的區(qū)域，即大約為15 μm左右.由于界面在高溫下經(jīng)歷了很長(zhǎng)時(shí)間，因此II區(qū)形成應(yīng)與氧化物的破裂及元素?cái)U(kuò)散相關(guān).擴(kuò)散主要發(fā)生在高溫變形階段，隨著塑性變形的加大，界面處實(shí)現(xiàn)由最初的點(diǎn)接觸到面接觸，最后由于元素的擴(kuò)散實(shí)現(xiàn)了界面的緊密結(jié)合.

圖3 不銹鋼復(fù)合板的微觀組織形貌(a)及界面復(fù)合區(qū)示意圖(b)(真空度0.1Pa，總壓下量75%)Fig.3 Optical microstructure(a)and sketch diagram(b)of stainless steel clad plate (vacuum 0.1Pa，total reduction 75%)

從圖3(a)也可以看出遠(yuǎn)離界面的碳鋼為鐵素體+珠光體組織，接近界面50 μm區(qū)域內(nèi)幾乎沒有珠光體，說明該區(qū)存在一定程度的脫碳.脫碳是由C元素的遷移造成的，碳鋼側(cè)C的質(zhì)量分?jǐn)?shù)(0.13%)高于不銹鋼側(cè)(0.04%)(見表1)，二者之間的C存在較大的化學(xué)勢(shì)，在高溫下Q345低碳鋼中C向不銹鋼中擴(kuò)散，使靠近界面的低碳鋼側(cè)發(fā)生脫碳現(xiàn)象［8，16］.本文采用10%的草酸溶液對(duì)不銹鋼進(jìn)行電解腐蝕，通過觀察晶間腐蝕的寬度來間接的對(duì)不銹鋼側(cè)的滲碳深度進(jìn)行了評(píng)價(jià)，根據(jù)國(guó)標(biāo)GB/T4334－2008確定晶間腐蝕后的三類組織，其寬度大約為100 μm，可認(rèn)為是滲碳區(qū)的寬度.圖3(b)示意圖中C在不銹鋼中的擴(kuò)散界是根據(jù)草酸腐蝕后的三類組織寬度確定的，而低碳鋼中的脫碳寬度是通過金相組織確定的(圖3 (a)).

20世紀(jì)80年代，丹麥學(xué)者N.Bay運(yùn)用電鏡技術(shù)對(duì)固相結(jié)合表面進(jìn)行剝離觀察，發(fā)現(xiàn)在結(jié)合面上存在大量氧化膜碎片［7］，此后在眾多實(shí)驗(yàn)研究的基礎(chǔ)上，提出了N.Bay機(jī)理.1986年，N.Bay等［17］在該機(jī)理中又考慮表面污染層(油污、水汽層)的影響，很好地預(yù)測(cè)了Al－Al冷軋復(fù)合后的結(jié)合強(qiáng)度.從實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，熱軋不銹鋼復(fù)合板的界面存在有氧化物，并且呈斷續(xù)分布(圖3)，與N.Bay機(jī)理中的氧化層的分布非常一致，可以認(rèn)為氧化物所處的位置為復(fù)合前的原始界面.因此，本文在N.Bay冷軋復(fù)合機(jī)理的基礎(chǔ)上嘗試提出了熱軋不銹鋼復(fù)合板界面復(fù)合的結(jié)合行為.在高溫時(shí)硬度(強(qiáng)度)的高低順序?yàn)?Hv(氧化物)＞Hv(不銹鋼)＞Hv(低碳鋼)，并假設(shè)在加熱時(shí)金屬元素在接觸的不銹鋼和低碳鋼之間不產(chǎn)生擴(kuò)散，該結(jié)合行為涉及到的界面變化如圖4所示.

圖4 不銹鋼低碳鋼復(fù)合板界面結(jié)合機(jī)理Fig.4 Bonding mechanism between stainless steel and low alloy steel(a)—表面氧化層;(b)—氧化層破裂;(c)—氧化物擠入;(d)—界面反應(yīng);(e)—元素的擴(kuò)散

(1)復(fù)合金屬的表面在表面處理后或加熱過程中會(huì)形成一層氧化層，為了簡(jiǎn)化起見，氧化層示意為一層(圖4(a));

(2)軋制變形時(shí)在整個(gè)金屬截面內(nèi)產(chǎn)生塑性變形，在一定的變形程度下，塑性差的界面氧化層首先破裂(圖4(b));

(3)在軋制的壓力作用下，表面氧化層遭到破壞，內(nèi)部的新鮮金屬暴露出來，此時(shí)不銹鋼和低碳鋼在氧化物裂開處接觸并形成接觸界面(圖4 (c));

(4)隨著變形程度的逐漸增加，不銹鋼和低碳鋼開始發(fā)生反應(yīng)，使得在整個(gè)接觸面上相互接近到能夠引起物理作用的距離，這時(shí)，不銹鋼與低碳鋼表面之間產(chǎn)生物理和化學(xué)的相互作用.主要體現(xiàn)為兩種金屬在塑性變形和熱的作用下接觸面的原子的交互作用，元素開始相互擴(kuò)散，接觸界面逐漸消失(圖4(d));

(5)最后通過己經(jīng)結(jié)合的物理接觸面向周圍擴(kuò)散，在界面附近形成一個(gè)互擴(kuò)散區(qū)(圖4(e)虛線)，從而形成碳鋼和不銹鋼之間良好的復(fù)合.隨后在冷卻過程中低碳鋼發(fā)生鐵素體相變，而不銹鋼仍為奧氏體組織，腐蝕后會(huì)出現(xiàn)宏觀的界面(圖4(e)).

由于軋制變形的時(shí)間較短，可認(rèn)為擴(kuò)散主要發(fā)生在軋制變形結(jié)束后，并形成最終的擴(kuò)散界.按最高溫度1 200℃對(duì)Ni的擴(kuò)散進(jìn)行計(jì)算發(fā)現(xiàn)，在軋制期間(小于200 s)Ni擴(kuò)散的距離小于1μm，因此假設(shè)擴(kuò)散主要在軋制變形結(jié)束后進(jìn)行從理論上是合理的.從實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出，熱軋不銹鋼復(fù)合板的結(jié)合界面并不是一個(gè)幾何面，實(shí)際上是具有一定厚度、由不銹鋼和低碳鋼交互反應(yīng)產(chǎn)生冶金結(jié)合并伴有元素?cái)U(kuò)散的一個(gè)區(qū)域，即復(fù)合II區(qū)(見圖3).對(duì)于雙金屬固相復(fù)合機(jī)理的認(rèn)識(shí)目前仍在繼續(xù)，但是由于測(cè)試手段的局限性，同時(shí)由于實(shí)驗(yàn)研究難以排除各種因素的交互作用，規(guī)律性不強(qiáng)，因此有必要進(jìn)一步提高研究水平，完善實(shí)驗(yàn)手段.

3 結(jié)論

(1)隨著變形量的增加，熱軋304不銹鋼/ Q345復(fù)合板界面剪切強(qiáng)度增加，隨著總變形量從35%增加到75%，不銹鋼復(fù)合板的剪切強(qiáng)度增加大約100 MPa.

(2)真空度越低，表面氧化越明顯，真空度低于10 Pa時(shí)，界面氧化物的比例變化并不明顯，當(dāng)真空度接近20 Pa時(shí)，界面氧化物的比例接近50%.剪切強(qiáng)度降低到了350 MPa左右.

(3)不銹鋼復(fù)合板結(jié)合界面應(yīng)為兩種金屬在塑性變形和熱的雙重作用下形成的一個(gè)原子交互作用、元素相互擴(kuò)散的結(jié)合區(qū)域.剪切強(qiáng)度的大小實(shí)際上體現(xiàn)的是該結(jié)合區(qū)域的剪切強(qiáng)度.

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Investigation on bonding of stainless steel clad plate by vacuum hot rolling

Li Long，Zhang Xinjin，Zhu Zhichao，Liu Huiyun

(Materials Research Institute for Energy Equipment，China First Heavy Industries，No.21 B－9，Hongda Street，Economic－Technological Development Area，Tianjin 300457，China)

Effect of deformation and vacuum degree on the interface bonding of stainless steel clad low carbon steel plate was investigated by using optical microscopy，scanning electron microscopy(SEM)and Energy Disperse Spectrum(EDS)analysis，and the bonding strength and micro－h(huán)ardness was tested.It was shown that an increment of 100 MPa in bonding strength was found with the increment in deformation degree from 35%to 75%.While，decrement in vacuum degree from 0.1 Pa to 20 Pa would result in decrement in bonding strength from 440 MPa to 350 MPa caused increment in area ratio of oxides from 10%to 50%.Interface bonding mechanism between stainless steel and carbon steel was suggested based on element distribution and microstructure.

hot rolled stainless steel clad plate;deformation degree;vacuum degree;shear strength

TG 33

A

1671-6620(2014)01-0046-05

2013-06-21.

國(guó)家863計(jì)劃資助項(xiàng)目2013AA031302.

李龍 (1977—)，男，博士，工程師，E－mail:lichen040928@163.com.