成慕華, 黃慶學(xué), 趙廣輝, 馬立峰

(山西省冶金設(shè)備設(shè)計(jì)理論與技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 太原重型機(jī)械裝備協(xié)同創(chuàng)新中心 太原科技大學(xué)，太原 030024)

壓下率對(duì)真空熱軋NM360/Q345R復(fù)合板微觀組織和拉伸斷口的影響

成慕華, 黃慶學(xué), 趙廣輝, 馬立峰

(山西省冶金設(shè)備設(shè)計(jì)理論與技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 太原重型機(jī)械裝備協(xié)同創(chuàng)新中心 太原科技大學(xué)，太原 030024)

采用真空熱軋法軋制NM360/Q345R復(fù)合板，借助光學(xué)顯微鏡、掃描電鏡和元素能譜分析等手段，對(duì)壓下率分別為30%、50%、70%和80%時(shí)的復(fù)合板進(jìn)行了界面微觀組織和拉伸斷口分析.結(jié)果發(fā)現(xiàn)：復(fù)合界面平直，耐磨鋼側(cè)發(fā)生明顯的脫碳現(xiàn)象，隨著壓下率增加，脫碳層厚度減??；當(dāng)壓下率為30%和50%時(shí)，界面附近有長(zhǎng)條狀或黑色點(diǎn)狀?yuàn)A雜物，經(jīng)EDS分析為Mn和Si的氧化物，這些夾雜物的存在對(duì)界面結(jié)合質(zhì)量有嚴(yán)重影響，拉伸斷裂后復(fù)合界面出現(xiàn)明顯的分層開裂；當(dāng)壓下率達(dá)到70%時(shí)，界面結(jié)合緊密，未發(fā)現(xiàn)孔洞和裂紋，斷裂面上有大量明顯韌窩，拉伸斷口為典型韌性斷裂方式.

NM360/Q345R；壓下率；微觀組織；拉伸斷口

磨損、腐蝕和斷裂并列為金屬機(jī)械零件失效的三大方式，我國(guó)每年因磨損消耗的金屬材料已達(dá)300萬(wàn)t以上[1].現(xiàn)代工業(yè)迫切需要能在惡劣磨損工況下有效工作的工件.在保證機(jī)械部件強(qiáng)度、剛度和抗疲勞等性能的前提下，如何提高材料表面的耐磨性，成為研究開發(fā)的熱點(diǎn)[2].耐磨復(fù)合鋼板的出現(xiàn)極大地滿足了人們對(duì)材料耐磨性能的要求，它是一種采用復(fù)合技術(shù)生產(chǎn)的耐磨復(fù)合材料，在設(shè)計(jì)上綜合了耐磨合金和基體材料的優(yōu)點(diǎn)，并彌補(bǔ)了各自的不足，具有單一金屬或合金無(wú)法比擬的優(yōu)異綜合性能，因此被廣泛應(yīng)用于各個(gè)工業(yè)領(lǐng)域[3-11].

耐磨復(fù)合板大都采用堆焊工藝，由于堆焊過(guò)程中基體受熱不均勻，溫度場(chǎng)梯度大，容易引起較大的焊接殘余應(yīng)力及變形；而且堆焊層表面粗糙，加工困難[12].

本實(shí)驗(yàn)采用真空熱軋法軋制復(fù)合板，使待結(jié)合界面處于高真空狀態(tài)，然后在高溫下加熱并保溫一段時(shí)間，最后在軋機(jī)強(qiáng)大的軋制力和高溫?zé)岬碾p重作用下，使基層和復(fù)層金屬實(shí)現(xiàn)牢固的冶金結(jié)合.該方法具有較高的生產(chǎn)效率，低污染，低能耗[13]，且復(fù)合率高.迄今為止，對(duì)耐磨鋼-碳鋼的復(fù)合鋼板研究較少.邱俊等[14]研究了NM450D耐磨鋼-Q235B碳鋼復(fù)合板的軋制和熱處理工藝對(duì)組織和性能的影響；龔闖偉[15]對(duì)耐磨鋼-碳鋼復(fù)合軋制工藝進(jìn)行了研究.

眾所周知，軋制壓下率對(duì)材料組織和力學(xué)性能有重要的影響.對(duì)于軋制層狀復(fù)合材料，軋制壓下率對(duì)界面的復(fù)合情況、材料界面組織和力學(xué)性能的改變，更是至關(guān)重要.本文將對(duì)真空制坯，不同壓下率熱軋后的NM360/Q345R復(fù)合板界面金相組織和拉伸斷口形貌進(jìn)行分析，借助超景深和掃描電鏡研究壓下率對(duì)微觀組織的影響；采用掃描電鏡，觀察確定了拉伸斷口的形貌，分析了壓下率對(duì)斷口形貌的影響.

1 實(shí)驗(yàn)材料及方法

本實(shí)驗(yàn)軋制雙層NM360/Q345R復(fù)合板，以NM360作為復(fù)層，以Q345R作為基層.NM360鋼和Q345R化學(xué)成分見表1.

表1 Q345R和NM360化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù))

首先，將實(shí)驗(yàn)所用NM360和Q345R板坯進(jìn)行表面處理，除去附著在待結(jié)合表面的氧化鐵皮等雜質(zhì)，直至表面露出光亮新鮮的金屬.本實(shí)驗(yàn)采用鋼絲刷角磨機(jī)打磨待結(jié)合表面，直至待結(jié)合面表面光亮，用這種機(jī)械方式清理表面氧化膜，能使待結(jié)合表面產(chǎn)生一定的粗糙度，有利于金屬純表面接觸和能量的集中，從而建立較多的初結(jié)合點(diǎn)[16].接著，用無(wú)水乙醇清洗已打磨的待結(jié)合面，除去表面的附著物和油污，再用吹風(fēng)機(jī)吹干.然后，迅速進(jìn)行組坯，組坯方式為將處理過(guò)的NM360和Q345R兩塊板相對(duì)疊放在一起，用氬弧焊將四周焊合，同時(shí)將抽真空管焊接在結(jié)合面處.最后，用真空擴(kuò)散泵對(duì)實(shí)驗(yàn)板坯抽真空，當(dāng)真空度達(dá)到1.0×10-3Pa時(shí)，在高溫下將抽真空管熱壓封口.

本實(shí)驗(yàn)所用NM360厚3 mm，Q345R厚10 mm.將NM360/Q345R復(fù)合板坯預(yù)先加熱到1 200 ℃，保溫10 min，取出板坯進(jìn)行軋制實(shí)驗(yàn)，軋制速度為0.2 m/s，壓下率分別為30%、50%、70%和80%，軋后空冷至室溫.具體的板坯尺寸和軋制工藝參數(shù)如表2所示.

表2 軋制復(fù)合工藝參數(shù)

為研究微觀組織，借助電火花快速線切割機(jī)床，將不同壓下率軋制后的NM360/Q345R復(fù)合板，沿軋制方向切取10 mm×8 mm規(guī)格試樣，試樣經(jīng)粗磨、細(xì)磨和拋光處理，為便于觀察結(jié)合界面，用4%的硝酸酒精溶液腐蝕結(jié)合界面.最后用超景深、掃描電鏡(ZIESS SIGMA FE-SEM)觀察分析復(fù)合板結(jié)合界面的微觀組織形態(tài).

為研究拉伸斷口形貌，根據(jù)國(guó)標(biāo)GB/T 6396-2008《復(fù)合鋼板力學(xué)及工藝性能實(shí)驗(yàn)方法》，沿平行于軋制方向取拉伸試樣，在拉伸實(shí)驗(yàn)機(jī)上以1 mm/min的速度做拉伸實(shí)驗(yàn)，試樣斷裂后，用掃描電鏡觀察拉伸斷口形貌，分析斷裂行為，并確定拉伸斷裂類型.

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 界面微觀組織觀察

圖1為不同壓下率的復(fù)合板復(fù)合界面超景深觀察結(jié)果，界面上面為Q345R，下面為NM360.如圖1所示，復(fù)合板結(jié)合界面平直，耐磨鋼側(cè)的晶粒尺寸明顯大于碳鋼側(cè)晶粒尺寸，在復(fù)合界面處未出現(xiàn)孔洞等缺陷，晶粒分布均勻，說(shuō)明該實(shí)驗(yàn)條件下復(fù)合板坯均能通過(guò)軋制實(shí)現(xiàn)界面的復(fù)合.Q345R鋼側(cè)主要由鐵素體+珠光體組成，圖1可見靠近界面處Q345R鋼側(cè)存在大量黑色連續(xù)的帶狀物質(zhì)，經(jīng)分析這些物質(zhì)為珠光體組織，隨著軋制壓下率的增加，珠光體組織從粗大向細(xì)小轉(zhuǎn)變.在耐磨鋼側(cè)有一定程度的脫碳現(xiàn)象，這是由于耐磨鋼的碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)大于碳鋼側(cè)碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，所以耐磨鋼側(cè)的碳原子向碳鋼側(cè)擴(kuò)散.進(jìn)一步分析觀察可知，隨著壓下率的增加，耐磨鋼側(cè)脫碳層的寬度在減小.盡管高溫有助于碳原子的擴(kuò)散，由于熱軋過(guò)程時(shí)間短，熱軋過(guò)程中，擴(kuò)散層的厚度的變化主要與高溫塑性變形有關(guān)，從而使得擴(kuò)散層沿軋制方向延伸，因此擴(kuò)散層減薄[17].同時(shí)，隨著變形程度的增加，復(fù)合界面附近的晶粒沿軋制方向被拉長(zhǎng)，基層和復(fù)層的晶粒尺寸在不斷較小，這是在因?yàn)榇蟮乃苄宰冃魏蜔岬墓餐饔孟?，晶粒發(fā)生了再結(jié)晶現(xiàn)象，細(xì)化了晶粒，有助于復(fù)合板力學(xué)性能的提高.當(dāng)壓下率達(dá)到70%時(shí)，由于擴(kuò)散作用和再結(jié)晶作用雙重影響，復(fù)合界面兩側(cè)組織接近相同，復(fù)合界面的結(jié)合效果最優(yōu)，此時(shí)的復(fù)合板結(jié)合強(qiáng)度較高.

圖1 光學(xué)顯微鏡下NM360/Q345R復(fù)合板界面組織Fig.1 The OM of microstructure oninterface of NM360/Q345R composite(a)—30%壓下率； (b)—50%壓下率； (c)—70%壓下率； (d)—80%壓下率

圖2 NM360/Q345R復(fù)合板界面SEM觀察結(jié)果Fig.2 SEM of microstructure on interface of NM360/Q345R composite(a)—30%壓下率； (b)—50%壓下率； (c)—70%壓下率； (d)—80%壓下率

圖3 NM360/Q345R復(fù)合板EDS掃描結(jié)果Fig.3 EDS of particles on interface of NM360/Q345R composite(a)—30%壓下率； (b)—50%壓下率； (c)—70%壓下率； (d)—80%壓下率

圖4 壓下率為30%和50%復(fù)合板界面及斷口形貌對(duì)比Fig.4 The interface and fracture morphology of NM360/Q345R composite(a)—30%壓下率； (b)—50%壓下率

圖5 壓下率為70%和80%復(fù)合板界面及斷口形貌對(duì)比Fig.5 Interface and fracture morphology for NM360/Q345R composite(a)、 (b)—70%壓下率； (c)、 (d)—80%壓下率

圖2所示為NM360/Q345R復(fù)合板界面在4000倍掃描電鏡下的觀察結(jié)果，可見界面處未出現(xiàn)大的孔洞和裂紋等缺陷，這說(shuō)明該熱軋復(fù)合條件下復(fù)合板已成功實(shí)現(xiàn)復(fù)合.靠近Q345R側(cè)界面均可觀察到明顯細(xì)長(zhǎng)的珠光體組織，這與前面OM觀察結(jié)果一致.

通過(guò)進(jìn)一步的觀察對(duì)比發(fā)現(xiàn)，當(dāng)壓下率較低時(shí)(50%以下)，靠近界面的耐磨鋼側(cè)有連續(xù)密集分布的點(diǎn)狀黑色顆?；蛘唛L(zhǎng)條狀的黑色帶(圖1(a)和(c))，圖3為界面部分點(diǎn)掃面結(jié)果，發(fā)現(xiàn)界面存在大量的氧元素，原因在于即使進(jìn)行了抽真空處理，待結(jié)合表面由于粗糙度的存在，還是會(huì)存在部分氧等氣體分子吸附于待結(jié)合表面；點(diǎn)掃面表明除氧元素外界面還大量存在Fe、Mn、Si元素，F(xiàn)e為基復(fù)層金屬中固有的元素，Mn、Si為NM360和Q345R的元素?cái)U(kuò)散至界面周圍.分析可知，界面處的黑色物為Mn和Si的氧化物，Si、Mn在高溫時(shí)易與復(fù)合界面殘留的O結(jié)合生成氧化物[18]，這些氧化物的存在影響界面的結(jié)合強(qiáng)度.從圖3可知，隨著壓下率的增大，當(dāng)壓下率達(dá)到70%時(shí)，復(fù)合界面氧含量在減少，減少了金屬間化合物的形成，有利于界面實(shí)現(xiàn)冶金復(fù)合，因此復(fù)合板結(jié)合質(zhì)量較好，這與前面組織分析結(jié)果相一致.已有相同的研究證明黑色的雜質(zhì)和氧化物形成于結(jié)合面.Nomura M[19]研究發(fā)現(xiàn)，含有Mn、Si的鋼表面極易生成Si-Mn氧化物，Nomura認(rèn)為這與Si和Mn對(duì)氧的敏感性有關(guān).Peng[20]研究發(fā)現(xiàn)，在軋制過(guò)程中，結(jié)合面氧化物的碾碎能夠促進(jìn)兩結(jié)合表面實(shí)現(xiàn)牢固的冶金結(jié)合.氧化物越細(xì)小，越有利于界面的結(jié)合.陳靖[21]研究發(fā)現(xiàn)，在25Cr5MoA/Q235鋼復(fù)合板界面處存在約為5 μm的黑色條狀?yuàn)A雜物，該夾雜物的形成與氧化和元素的擴(kuò)散有關(guān).

當(dāng)NM360/Q345R復(fù)合板壓下率為30%和50%時(shí)，界面附近黑色顆粒較多，影響復(fù)合強(qiáng)度.隨著壓下率從30%增大到50%，長(zhǎng)條狀的顆粒逐漸變小，以更細(xì)小的顆粒分布于界面，這是由于氧化物在大的正壓力作用下被壓碎，新鮮的金屬暴露出來(lái)，使基復(fù)層金屬接觸面積增大，在軋制力和熱的作用下，界面易于實(shí)現(xiàn)冶金結(jié)合.當(dāng)壓下率達(dá)到70%時(shí)(圖1(c))，大的軋制力使這種黑色顆粒少量零星分布于界面，被壓碎的氧化物固溶于復(fù)合界面的組織中，大的軋制壓下率可增大雙金屬的復(fù)合物理接觸面積，增多有效的機(jī)械結(jié)合點(diǎn)，從而提高雙金屬?gòu)?fù)合鋼板的機(jī)械結(jié)合強(qiáng)度，并且提供了更多的機(jī)會(huì)使新鮮金屬相互接觸并發(fā)生作用，這樣對(duì)結(jié)合界面的負(fù)面影響就會(huì)降低，因此，隨著壓下率越大，界面結(jié)合質(zhì)量越高.

2.2 拉伸斷口形貌

圖4是壓下率為30%和50%的斷口形貌.在低倍SEM(100×)中可以觀察到30%和50%壓下率的復(fù)合板在拉伸斷裂后，結(jié)合層出現(xiàn)明顯的分層現(xiàn)象(圖4(a)和(b))，這是因?yàn)槟湍ヤ摵偷吞间摱叩能堉茝?fù)合強(qiáng)度較低，拉伸變形協(xié)調(diào)性差，所以造成復(fù)合界面在拉斷后出現(xiàn)分層.靠近界面處的NM360鋼和靠近界面處的Q345R鋼側(cè)，發(fā)現(xiàn)斷口處均存在大量的韌窩形貌，說(shuō)明基板斷裂屬于典型的韌性斷裂，且隨著壓下率的增加，韌窩越來(lái)越多、越來(lái)越細(xì)小，說(shuō)明各層的韌性在隨著壓下率的增加而提高.

圖5是壓下率為70%和80%的復(fù)合板拉伸斷口微觀形貌，從圖5(a)和(c)可知，整個(gè)復(fù)合界面平直，結(jié)合緊密，拉伸斷裂處界面干凈整潔，未出現(xiàn)任何明顯的裂紋和大的孔洞，說(shuō)明復(fù)合情況良好.結(jié)合前面所述，隨著壓下率的增大，即當(dāng)壓下率達(dá)到70%時(shí)，原始結(jié)合界面已幾乎不能被識(shí)別，界面結(jié)合較好，拉伸斷裂后無(wú)分層撕裂現(xiàn)象發(fā)生，界面結(jié)合強(qiáng)度較高.進(jìn)一步觀察復(fù)合界面的斷口形貌(圖5(b)和(d))，發(fā)現(xiàn)在靠近界面處的基層和復(fù)層處均存在著較小的韌窩，這是典型的韌性斷口特征.圖5(b)是壓下率為70%的復(fù)合板界面放大至 4 000 倍，圈出部分呈現(xiàn)典型的細(xì)密韌窩形貌，該部分可能是形成的細(xì)小再結(jié)晶組織，這些韌窩組織相較于單一的Q345R或NM360鋼側(cè)的韌窩更加細(xì)密，這進(jìn)一步說(shuō)明當(dāng)壓下率達(dá)到70%時(shí)，界面已實(shí)現(xiàn)牢固的冶金結(jié)合.當(dāng)壓下率為80%時(shí)(圖5(d)))，原始界面已消失.綜上所述，在此實(shí)驗(yàn)條件下，當(dāng)軋制復(fù)合壓下率大于等于70%時(shí)，NM360/Q345R復(fù)合板才能實(shí)現(xiàn)很好的冶金結(jié)合，界面結(jié)合性能優(yōu)良.

3 結(jié) 論

(1) 借助超景深觀察到復(fù)合板結(jié)合界面平直，耐磨鋼側(cè)發(fā)生了明顯的脫碳現(xiàn)象，脫碳層隨壓下率的增大而減小.

(2) 在30%和50%壓下率的復(fù)合界面附近出現(xiàn)大量長(zhǎng)條狀或點(diǎn)狀黑色顆粒，分析可知此黑色物質(zhì)為Mn和Si的氧化物.

(3) 當(dāng)壓下率為30%和50%時(shí)，復(fù)合板界面結(jié)合較差，拉伸斷裂后結(jié)合層有明顯的分層；當(dāng)壓下率達(dá)到70%時(shí)，拉伸斷口界面未出現(xiàn)大的孔洞或裂紋，斷裂為典型的韌性斷裂.

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Effectofreductionratesonmicrostructureandtensilefractureforvaccumhot-rolledNM360/Q345Rcladplate

Cheng Muhua,Huang Qingxue,Zhao Guanghui,Ma Lifeng

(Shanxi Provincial Key Laboratory of Metallurgical Device Design Theory and Technology, The Coordinative Innovation Center of Taiyuan Heavy Machinery Equipment,Taiyuan University of Science and Technology, Taiyuan 030024, China)

NM360/Q345R clad plates were in a vacuum hot-rolled.The interficial microstructure and the tensile fracture of NM360/Q345R at 30%,50%,70%and 80% reduction ratios were studied by OM,SEM and EDS. It was found that the interface was flat. A significant decarbonization of the NM360 occurred at the bonding interface. As reduction ratio increases, the width of the decarbonization becomes thin.When the reduction ratios are 30% and 50%, there are long strips or black dots of particles appearing near the interface.The black particles are Mn and Si oxides from the EDS,which have a negative effect on the bonding interface.Some obvious cracks were observed after the tensile tests.When the reduction ratio reached up to 70%, the interface combined tightly and no voids or cracks existed, a large amounts of dimples appeared on the interface, indicating that the fracture type was ductile fracture.

NM360/Q345R; reduction ratio; microstructure; tensile fracture

10.14186/j.cnki.1671-6620.2017.04.008

TG 33

A

1671-6620(2017)04-0286-07