軋制對碳鋼不銹鋼冶金結合的影響

杏 瑋

南京工業大學，江蘇南京 211800

0 引言

金屬復合材料是指利用復合技術或多種、化學、力學性能不同的金屬冶金結合而形成的復合材料，其相較于單一金屬材料具有更好的熱膨脹性、強度、斷裂韌性、沖擊韌性、耐磨損性、電性能、磁性能等，因而被廣泛應用于石油、化工、船舶、冶金、礦山、機械制造、電力、水利、交通、環保、壓力容器制造、食品、釀造、制藥等工業領域。

碳鋼不銹鋼復合板是一種以碳鋼為基體，包覆不銹鋼的復合材料，在化工、石油、核工業等各個領域都有很大用量，它不僅可以在等效的情況下降低成本40%～50%，節約替代了優質卻昂貴的不銹鋼，而且還較單一的不銹鋼具有更好的力學性能和導熱性和使用性能，具有較好的性價比。隨各行業對金屬復合材料的逐步認識及新技術、新工藝、新裝備的使用要求，市場用量在不斷增加[1]。

雙金屬復合材料的生產方法多種多樣[2]。一般地，根據材料狀態的不同可以分為兩個大類——固/固相復合法和液/固相復合法。常見的固/固相復合法有軋制復合法、爆炸復含法、擴散焊接法和擠壓復合法，而常見的液/固相復合法有鑄造復合法和釬焊法[3]。

1 研究方法

本課題首先研究在碳鋼不銹鋼表面電鍍鎳鉬磷合金的工藝，然后以電鍍層作為釬料進行釬焊，最后對碳鋼-不銹鋼在不同道次的軋制處理下結合強度的變化進行研究。本文的研究大致路線如圖1 和圖2 所示。

圖1 研究技術路線圖

圖2 軋制研究技術路線圖

電鍍鎳鉬磷研究：

1）Ni-Mo-P 電鍍

將經過酸蝕預處理并且清洗吹干后的碳鋼片按圖3 所示的方式連接。碳鋼片作為陰極，使用鎳板作為電鍍的陽極。鍍液配制好后，使用5%氨水溶液調整鍍液的pH 為10。將經過前處理的碳鋼試樣，迅速放入鍍液中，并保證與陰極平行相對。陽極為鎳板，同樣需要保證連接無誤，接觸良好。為保證電力線在鍍片的整個面分布均勻，需要調整碳鋼與鎳板的位置，使二者在鍍液中呈平行的狀態。通過調節滑動變阻器和電源電壓的大小，控制好電流在設定的大小之后，即可實施電鍍。電鍍時，根據電鍍面積調整電流，使電流密度穩定為2.5A/dm2，鍍液溫度在數顯恒溫水浴中維持在70℃，電鍍時間為30min。

圖3 直流電鍍裝置示意圖

在施鍍30min 后，關閉電鍍電源，取出碳鋼片和鎳板。根據碳鋼試片表面鍍層的宏觀形貌，對鍍層質量有個初步的評價。評價的標準是鍍層致密、光亮、無明顯的氣孔，得到的碳鋼試樣用蒸餾水清洗并吹干。

2）單因素法確定電鍍 Ni-Mo-P 工藝參數

在碳鋼表面電鍍Ni-Mo-P 試驗中，主鹽濃度、溫度、電流密度是比較重要的參數。本實驗采用單因素比較法，固定其他各工藝參數，研究單一工藝參數的變化對鍍層外觀和鍍層形貌的影響。從而初選碳鋼表面沉積Ni-Mo-P 的工藝參數，每個單因素實驗中，合理選擇波動的范圍。

①次亞磷酸鈉的單因素實驗

根據碳鋼表面電鍍Ni-Mo-P 的文獻并結合本文的實際操作中選擇的硫酸鎳50g/L、鉬酸鈉5g/L，檸檬酸三鈉為30g/L，溫度為70℃，pH 值為10，電流密度2.5A/dm2。次亞磷酸鈉濃度分別取：4g/L、6g/L、8g/L、10g/L、12g/L。

在上述的工藝參數條件下，在碳鋼表面電鍍沉積Ni-Mo-P，觀察和測試鍍層的質量，從而確定次亞磷酸鈉濃度。

②硫酸鎳的單因素實驗

根據碳鋼表面電鍍Ni-Mo-P 相關文獻并結合①操作中選擇次亞磷酸鈉的濃度。在實際電鍍中，選擇并固定次亞磷酸鈉為上述鍍層最好的對應濃度值，鉬酸鈉為5g/L，檸檬酸三鈉為30g/L，設置電鍍溫度為70℃，溶液的pH 值為10，電流密度2.5A/dm2。硫酸鎳濃度分別取：30g/L、40g/L、50g/L、60g/L、70g/L。

③鉬酸鈉的單因素實驗

根據碳鋼表面電鍍Ni-Mo-P 的文獻并結合①、②操作中選擇的硫酸鎳的濃度，在實際電鍍中，選擇并固定次亞磷酸鈉和硫酸鎳為上述鍍層最好的對應的濃度值，檸檬酸三鈉為30g/L，溫度為70℃，pH 值為10，電流密度2.5A/dm2。其濃度分別取值1g/L、3g/L、5g/L、7g/L、9g/L。

④溫度的單因素實驗

根據碳鋼表面電鍍Ni-Mo-P 的文獻并結合①、②、③操作中選擇的硫酸鎳、鉬酸鈉、次亞磷酸鈉的濃度，在實際電鍍中，選擇并固定次亞磷酸鈉、硫酸鎳、鉬酸鈉為上述鍍層最好的對應的濃度值，固定檸檬酸三鈉為30g/L，pH 值為10，電流密度2.5A/dm2。選擇溫度范圍為55℃、60℃、65℃、70℃、75℃。

⑤電流密度的單因素實驗

根據碳鋼表面電鍍Ni-Mo-P 的文獻并結合①、②、③操作中選擇的硫酸鎳、鉬酸鈉、次亞磷酸鈉的濃度，在實際電鍍中，選擇并固定硫酸鎳、鉬酸鈉、次亞磷酸鈉為上述鍍層最好的對應的濃度值，固定檸檬酸三鈉為30g/L，溫度為70℃，pH值為10。選擇電流密度為2.3A/dm2、2.5A/dm2、2.7A/dm2、2.9A/dm2、3.1A/dm2。

2 結論

本文采用在碳鋼表面預鍍鎳鉬磷后再和不銹鋼釬焊制備碳鋼不銹鋼復合材料，采用冷軋和熱處理的方式對制備出的試樣進行處理，對其冶金結合層的結合強度進行了測試和分析，得出一些主要結論如下：

1）對碳鋼電鍍鎳鉬磷合金時，選用硫酸鎳的濃度為50g/L，次亞磷酸鈉的濃度為8g/L，溫度設定為70℃，電流密度設置為2.5A/dm2，pH 值為10，鉬酸鈉的濃度選用5 g/L～6g/L；

2）釬焊后的原始試樣在焊縫附近聚集脆性相，出現分層結構，結合強度較差，在加熱1000℃，保溫30min 條件下剪切強度為80MPa；

3）通過軋制加熱處理后的拉伸實驗結果表明：軋制能夠有效提高試樣的結合強度，第一道次軋制后的結合強度為166.5MPa，第二道次軋制后的結合強度為207.6MPa，第三道次軋制后的結合強度就達到了218.5MPa，符合國標規定的碳鋼不銹鋼復合板的使用要求；

4）釬焊后的試樣拉伸斷口在掃描電鏡下觀察到脆性斷口形貌，斷面平齊，能觀察到保持完好的晶粒。隨著軋制的進行和道次增多，拉伸斷面的滑移平臺消失，平整區域逐漸減小直至消失不見，晶粒得到細化，結合強度得到強化。

[1]程挺宇.不銹鋼/碳鋼熱軋復合工藝及性能[J].上海金屬，2009，31(1):48-50.

[2]田雅琴，秦建平，李小紅.金屬復合板的工藝研究現狀與發展[J].材料開發與應用，2006，1:40-43.

[3]白真權，李鶴林，劉道新，王獻昉.模擬油田H2S/CO2環境中N80鋼的腐蝕及影響因素研究[J].材料保護，2003，36(4):32-34.

[4]孫浩，王克魯.不銹鋼復合板生產方法和制備技術的討論[J].上海金屬，2005，27(1):50-54.

[5]李永松，沈怡琳.不銹鋼復合板制作新工藝及市場前景的研究[J].Guangxi Machinery.2001，4:34-36.

[6]潘曉亮，高芝，謝世坤，左孝青.金屬層狀材料的復合技術及其新進展[J].安徽冶金，2008，4:20-23.