真空熱軋不銹鋼復合板界面結合行為的研究

李 龍，張心金，祝志超，劉會云

(中國第一重型機械股份公司 能源裝備材料科學研究所，天津 300457)

真空熱軋不銹鋼復合板界面結合行為的研究

李 龍，張心金，祝志超，劉會云

(中國第一重型機械股份公司 能源裝備材料科學研究所，天津 300457)

為了研究真空熱軋不銹鋼復合板的結合行為，本文以熱軋304不銹鋼/Q345低碳鋼復合板為研究對象，通過剪切試驗及組織分析等手段研究了變形量及真空度對不銹鋼復合板結合性能的影響規律.結果表明，軋制總變形量從35%增加到75%之后復合板的剪切強度大約可增加100 MPa.真空度降低會導致結合界面氧化程度增加，進而降低復合板的結合性能，當真空由0.1 Pa變為20 Pa時，界面氧化物的比例由約10%提高到約50%，剪切強度由440 MPa降低到了350 MPa左右.最后根據試驗結果提出了熱軋不銹鋼復合板的結合行為.

熱軋不銹鋼復合板;變形量;真空度;剪切強度

熱軋不銹鋼復合低碳鋼板(簡稱不銹鋼復合板)具有功能性和結構性兼備的特征，在石油、化工、造船、冶金、發電及日用品等領域有著廣泛的應用［1，2］.國內外許多學者對雙金屬的軋制復合開展了很多研究［2］，而界面結合質量是評價復合板復合性能的主要指標，因此在金屬復合板生產技術發展的同時，金屬復合機理的研究也在不斷深入.迄今為止，用于闡述復合機理的理論很多，其中主要包括再結晶理論［3］、金屬鍵理論［4］、能量理論［5］、擴散理論［6］及N.Bay理論［5，7］等.但上述的各種復合機理基本都是在冷軋的基礎上提出來的，目前對熱軋復合機理開展相關研究較少.對熱軋復合板來說，除了元素擴散［8］、變形溫度［9］及界面殘余應力［10］之外，變形量［11，12］及界面真空度［13，14］對結合行為及結合質量都有較大的影響.

本文以熱軋不銹鋼復合板為研究對象，研究變形量及真空度對界面結合性能的影響規律，并提出了熱軋不銹鋼復合板的界面結合機理，為不銹鋼復合板的工藝制定及性能控制提供參考.

1 試驗方法

本文所用的304不銹鋼(復材)和Q345低碳鋼(基材)的化學成分如表1所示.實驗用不銹鋼材料的尺寸為300 mm×300 mm×10 mm(長×寬×厚)，低碳鋼材料的尺寸為300 mm×300 mm× 90 mm(長×寬×厚).將304不銹鋼和Q345低碳鋼的待復合面的氧化層去除，對稱組坯后，對四周密封后進行抽真空處理［12］，真空度選擇為0.1、1、5和 20 Pa左右.將密封后的復合坯加熱至1 200℃保溫 2 h后進行軋制，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%，終軋厚度對應為130、100、70和50 mm，軋后空冷到室溫.

表1 復合板復材和基材材料的化學成分(質量分數)Table 1 Chemical composition of clad and base materials(mass fraction) %

用4%硝酸酒精溶液對復合板界面處進行浸蝕，在德國ZEISS生產的200 MAT金相顯微鏡及美國FEI生產的Quanta400掃描電鏡(SEM)下觀察復合板界面的微觀組織，利用能譜儀(EDS)對復合界面兩側Cr、Ni等元素的分布進行分析，在Shimadzu HMV－2型硬度計測量顯微硬度，載荷為10 g，時間為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方法進行，試驗條件為:10%草酸溶液，電流密度1 A/cm2，溫度28～33℃，時間為90 s.在CSS－44300電子萬能試驗機上進行剪切變形實驗，變形速度為1 mm/min.

2 結果與討論

2.1 變形量對復合界面剪切強度的影響

圖1為熱軋不銹鋼復合板總變形量與界面剪切強度之間的關系(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合強度逐漸增加，當總壓下量從35%增加到75%時，在較高的真空條件下(真空度為0.1 Pa左右)，界面剪切強度從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合，從而提高結合強度［7］.對冷軋不銹鋼/碳鋼復合來說，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合界面［15，16］.對于熱軋不銹鋼復合板來說，在高溫擴散和力的雙重作用下，單道次壓下量大于5%就可以實現局部的結合，當總壓下量大于20%可實現完全結合［9，10］.從圖1也可以看出，總變形量為35%時，界面剪切強度達到了350 MPa.不過在軋制變形過程中，復材與基材屈服強度上的差異會導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合界面上容易形成殘余應力，而且殘余應力會隨著復合軋制變形量的增加而增加，對界面結合強度造成不良影響［11］.從圖1看出，壓下量繼續增加時，結合強度的增加趨勢變緩，這種現象的產生應該是變形量與殘余應力綜合作用的結果.

圖1 總壓下量與界面剪切強度的關系Fig.1 Relationship between interface shear strength and total reduction during rolling

2.2 真空度對界面氧化物及結合強度的影響

圖2為在不同真空度下界面的氧化物面積比例及對應的剪切強度.氧化物面積比例定義為氧化物的長度占界面長度的百分比，是對500倍的金相照片的多個視場進行測量計算得到的.

假設復合板的夾層間隙為0.5 mm，面積為300 mm×300 mm，并假定表面全部的Fe原子發生氧化生成 Fe2O3，根據計算，當真空度達到237 Pa時表面的Fe原子全部發生氧化，此時氧化物比例為100%，結合強度可認為為0，因此定義237 Pa為氧化的臨界點.對真空度和剪切強度的關系也利用Boltzmann方程進行了擬合，具體如圖2所示.從圖2(a)也可以看出，當真空度小于10 Pa時，氧化物的比例變化并不明顯，且剪切強度變化不大(圖2(b))，隨著真空度進一步降低(意味著氧氣含量的增加)，氧化變得越來越明顯，當真空度為接近20 Pa時，氧化物的比例接近50%，剪切強度也從440 MPa降低到350 MPa左右.從圖2(b)擬合的曲線可以預測，當真空度值高于 25 Pa時，剪切強度低于國家標準中(GBT8165－2008不銹鋼復合鋼板和鋼帶)對剪切強度的要求值210 MPa，因此，應避免在真空度值高于25 Pa下進行加熱軋制.綜合來看，為了減少界面的氧化并獲得較高的剪切強度，建議不銹鋼復合板真空熱軋時界面的真空度的值小于10 Pa甚至更低.

2.3 熱軋不銹鋼復合界面結合機理的探討

圖3為光學顯微鏡下不銹鋼復合界面的微觀特征.從圖3可以看出熱軋不銹鋼復合板可分為3個區:不銹鋼I區、復合II區和Q345低碳鋼III區.能譜分析結果表明，產生了不銹鋼中的Cr和Ni元素向Q345低碳鋼的擴散，Cr擴散的距離較遠約為15 μm，Ni的擴散范圍大約為4 μm.低碳鋼和不銹鋼之間的界面應為一過渡復合區(II區)，該復合區可定義為包括宏觀界面(圖3)在內的Cr擴散的區域，即大約為15 μm左右.由于界面在高溫下經歷了很長時間，因此II區形成應與氧化物的破裂及元素擴散相關.擴散主要發生在高溫變形階段，隨著塑性變形的加大，界面處實現由最初的點接觸到面接觸，最后由于元素的擴散實現了界面的緊密結合.

圖3 不銹鋼復合板的微觀組織形貌(a)及界面復合區示意圖(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)也可以看出遠離界面的碳鋼為鐵素體+珠光體組織，接近界面50 μm區域內幾乎沒有珠光體，說明該區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C的質量分數(0.13%)高于不銹鋼側(0.04%)(見表1)，二者之間的C存在較大的化學勢，在高溫下Q345低碳鋼中C向不銹鋼中擴散，使靠近界面的低碳鋼側發生脫碳現象［8，16］.本文采用10%的草酸溶液對不銹鋼進行電解腐蝕，通過觀察晶間腐蝕的寬度來間接的對不銹鋼側的滲碳深度進行了評價，根據國標GB/T4334－2008確定晶間腐蝕后的三類組織，其寬度大約為100 μm，可認為是滲碳區的寬度.圖3(b)示意圖中C在不銹鋼中的擴散界是根據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80年代，丹麥學者N.Bay運用電鏡技術對固相結合表面進行剝離觀察，發現在結合面上存在大量氧化膜碎片［7］，此后在眾多實驗研究的基礎上，提出了N.Bay機理.1986年，N.Bay等［17］在該機理中又考慮表面污染層(油污、水汽層)的影響，很好地預測了Al－Al冷軋復合后的結合強度.從實驗結果可知，熱軋不銹鋼復合板的界面存在有氧化物，并且呈斷續分布(圖3)，與N.Bay機理中的氧化層的分布非常一致，可以認為氧化物所處的位置為復合前的原始界面.因此，本文在N.Bay冷軋復合機理的基礎上嘗試提出了熱軋不銹鋼復合板界面復合的結合行為.在高溫時硬度(強度)的高低順序為:Hv(氧化物)＞Hv(不銹鋼)＞Hv(低碳鋼)，并假設在加熱時金屬元素在接觸的不銹鋼和低碳鋼之間不產生擴散，該結合行為涉及到的界面變化如圖4所示.

圖4 不銹鋼低碳鋼復合板界面結合機理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;(e)—元素的擴散

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

(2)軋制變形時在整個金屬截面內產生塑性變形，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，內部的新鮮金屬暴露出來，此時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生反應，使得在整個接觸面上相互接近到能夠引起物理作用的距離，這時，不銹鋼與低碳鋼表面之間產生物理和化學的相互作用.主要體現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，元素開始相互擴散，接觸界面逐漸消失(圖4(d));

(5)最后通過己經結合的物理接觸面向周圍擴散，在界面附近形成一個互擴散區(圖4(e)虛線)，從而形成碳鋼和不銹鋼之間良好的復合.隨后在冷卻過程中低碳鋼發生鐵素體相變，而不銹鋼仍為奧氏體組織，腐蝕后會出現宏觀的界面(圖4(e)).

由于軋制變形的時間較短，可認為擴散主要發生在軋制變形結束后，并形成最終的擴散界.按最高溫度1 200℃對Ni的擴散進行計算發現，在軋制期間(小于200 s)Ni擴散的距離小于1μm，因此假設擴散主要在軋制變形結束后進行從理論上是合理的.從實驗結果可以看出，熱軋不銹鋼復合板的結合界面并不是一個幾何面，實際上是具有一定厚度、由不銹鋼和低碳鋼交互反應產生冶金結合并伴有元素擴散的一個區域，即復合II區(見圖3).對于雙金屬固相復合機理的認識目前仍在繼續，但是由于測試手段的局限性，同時由于實驗研究難以排除各種因素的交互作用，規律性不強，因此有必要進一步提高研究水平，完善實驗手段.

3 結論

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

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

(3)不銹鋼復合板結合界面應為兩種金屬在塑性變形和熱的雙重作用下形成的一個原子交互作用、元素相互擴散的結合區域.剪切強度的大小實際上體現的是該結合區域的剪切強度.

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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－hardness 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.

國家863計劃資助項目2013AA031302.

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