壓下率對真空熱軋NM360/Q345R復合板微觀組織和拉伸斷口的影響

成慕華, 黃慶學, 趙廣輝, 馬立峰

(山西省冶金設備設計理論與技術重點實驗室 太原重型機械裝備協同創新中心 太原科技大學，太原 030024)

壓下率對真空熱軋NM360/Q345R復合板微觀組織和拉伸斷口的影響

成慕華, 黃慶學, 趙廣輝, 馬立峰

(山西省冶金設備設計理論與技術重點實驗室 太原重型機械裝備協同創新中心 太原科技大學，太原 030024)

采用真空熱軋法軋制NM360/Q345R復合板，借助光學顯微鏡、掃描電鏡和元素能譜分析等手段，對壓下率分別為30%、50%、70%和80%時的復合板進行了界面微觀組織和拉伸斷口分析.結果發現：復合界面平直，耐磨鋼側發生明顯的脫碳現象，隨著壓下率增加，脫碳層厚度減小；當壓下率為30%和50%時，界面附近有長條狀或黑色點狀夾雜物，經EDS分析為Mn和Si的氧化物，這些夾雜物的存在對界面結合質量有嚴重影響，拉伸斷裂后復合界面出現明顯的分層開裂；當壓下率達到70%時，界面結合緊密，未發現孔洞和裂紋，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械零件失效的三大方式，我國每年因磨損消耗的金屬材料已達300萬t以上[1].現代工業迫切需要能在惡劣磨損工況下有效工作的工件.在保證機械部件強度、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，成為研究開發的熱點[2].耐磨復合鋼板的出現極大地滿足了人們對材料耐磨性能的要求，它是一種采用復合技術生產的耐磨復合材料，在設計上綜合了耐磨合金和基體材料的優點，并彌補了各自的不足，具有單一金屬或合金無法比擬的優異綜合性能，因此被廣泛應用于各個工業領域[3-11].

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

本實驗采用真空熱軋法軋制復合板，使待結合界面處于高真空狀態，然后在高溫下加熱并保溫一段時間，最后在軋機強大的軋制力和高溫熱的雙重作用下，使基層和復層金屬實現牢固的冶金結合.該方法具有較高的生產效率，低污染，低能耗[13]，且復合率高.迄今為止，對耐磨鋼-碳鋼的復合鋼板研究較少.邱俊等[14]研究了NM450D耐磨鋼-Q235B碳鋼復合板的軋制和熱處理工藝對組織和性能的影響；龔闖偉[15]對耐磨鋼-碳鋼復合軋制工藝進行了研究.

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

1 實驗材料及方法

本實驗軋制雙層NM360/Q345R復合板，以NM360作為復層，以Q345R作為基層.NM360鋼和Q345R化學成分見表1.

表1 Q345R和NM360化學成分(質量分數)

首先，將實驗所用NM360和Q345R板坯進行表面處理，除去附著在待結合表面的氧化鐵皮等雜質，直至表面露出光亮新鮮的金屬.本實驗采用鋼絲刷角磨機打磨待結合表面，直至待結合面表面光亮，用這種機械方式清理表面氧化膜，能使待結合表面產生一定的粗糙度，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合點[16].接著，用無水乙醇清洗已打磨的待結合面，除去表面的附著物和油污，再用吹風機吹干.然后，迅速進行組坯，組坯方式為將處理過的NM360和Q345R兩塊板相對疊放在一起，用氬弧焊將四周焊合，同時將抽真空管焊接在結合面處.最后，用真空擴散泵對實驗板坯抽真空，當真空度達到1.0×10-3Pa時，在高溫下將抽真空管熱壓封口.

本實驗所用NM360厚3 mm，Q345R厚10 mm.將NM360/Q345R復合板坯預先加熱到1 200 ℃，保溫10 min，取出板坯進行軋制實驗，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如表2所示.

表2 軋制復合工藝參數

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

為研究拉伸斷口形貌，根據國標GB/T 6396-2008《復合鋼板力學及工藝性能實驗方法》，沿平行于軋制方向取拉伸試樣，在拉伸實驗機上以1 mm/min的速度做拉伸實驗，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 實驗結果與討論

2.1 界面微觀組織觀察

圖1為不同壓下率的復合板復合界面超景深觀察結果，界面上面為Q345R，下面為NM360.如圖1所示，復合板結合界面平直，耐磨鋼側的晶粒尺寸明顯大于碳鋼側晶粒尺寸，在復合界面處未出現孔洞等缺陷，晶粒分布均勻，說明該實驗條件下復合板坯均能通過軋制實現界面的復合.Q345R鋼側主要由鐵素體+珠光體組成，圖1可見靠近界面處Q345R鋼側存在大量黑色連續的帶狀物質，經分析這些物質為珠光體組織，隨著軋制壓下率的增加，珠光體組織從粗大向細小轉變.在耐磨鋼側有一定程度的脫碳現象，這是由于耐磨鋼的碳質量分數大于碳鋼側碳的質量分數，所以耐磨鋼側的碳原子向碳鋼側擴散.進一步分析觀察可知，隨著壓下率的增加，耐磨鋼側脫碳層的寬度在減小.盡管高溫有助于碳原子的擴散，由于熱軋過程時間短，熱軋過程中，擴散層的厚度的變化主要與高溫塑性變形有關，從而使得擴散層沿軋制方向延伸，因此擴散層減薄[17].同時，隨著變形程度的增加，復合界面附近的晶粒沿軋制方向被拉長，基層和復層的晶粒尺寸在不斷較小，這是在因為大的塑性變形和熱的共同作用下，晶粒發生了再結晶現象，細化了晶粒，有助于復合板力學性能的提高.當壓下率達到70%時，由于擴散作用和再結晶作用雙重影響，復合界面兩側組織接近相同，復合界面的結合效果最優，此時的復合板結合強度較高.

圖1 光學顯微鏡下NM360/Q345R復合板界面組織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復合板界面SEM觀察結果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復合板EDS掃描結果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%復合板界面及斷口形貌對比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%復合板界面及斷口形貌對比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復合板界面在4000倍掃描電鏡下的觀察結果，可見界面處未出現大的孔洞和裂紋等缺陷，這說明該熱軋復合條件下復合板已成功實現復合.靠近Q345R側界面均可觀察到明顯細長的珠光體組織，這與前面OM觀察結果一致.

通過進一步的觀察對比發現，當壓下率較低時(50%以下)，靠近界面的耐磨鋼側有連續密集分布的點狀黑色顆粒或者長條狀的黑色帶(圖1(a)和(c))，圖3為界面部分點掃面結果，發現界面存在大量的氧元素，原因在于即使進行了抽真空處理，待結合表面由于粗糙度的存在，還是會存在部分氧等氣體分子吸附于待結合表面；點掃面表明除氧元素外界面還大量存在Fe、Mn、Si元素，Fe為基復層金屬中固有的元素，Mn、Si為NM360和Q345R的元素擴散至界面周圍.分析可知，界面處的黑色物為Mn和Si的氧化物，Si、Mn在高溫時易與復合界面殘留的O結合生成氧化物[18]，這些氧化物的存在影響界面的結合強度.從圖3可知，隨著壓下率的增大，當壓下率達到70%時，復合界面氧含量在減少，減少了金屬間化合物的形成，有利于界面實現冶金復合，因此復合板結合質量較好，這與前面組織分析結果相一致.已有相同的研究證明黑色的雜質和氧化物形成于結合面.Nomura M[19]研究發現，含有Mn、Si的鋼表面極易生成Si-Mn氧化物，Nomura認為這與Si和Mn對氧的敏感性有關.Peng[20]研究發現，在軋制過程中，結合面氧化物的碾碎能夠促進兩結合表面實現牢固的冶金結合.氧化物越細小，越有利于界面的結合.陳靖[21]研究發現，在25Cr5MoA/Q235鋼復合板界面處存在約為5 μm的黑色條狀夾雜物，該夾雜物的形成與氧化和元素的擴散有關.

當NM360/Q345R復合板壓下率為30%和50%時，界面附近黑色顆粒較多，影響復合強度.隨著壓下率從30%增大到50%，長條狀的顆粒逐漸變小，以更細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，使基復層金屬接觸面積增大，在軋制力和熱的作用下，界面易于實現冶金結合.當壓下率達到70%時(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合界面的組織中，大的軋制壓下率可增大雙金屬的復合物理接觸面積，增多有效的機械結合點，從而提高雙金屬復合鋼板的機械結合強度，并且提供了更多的機會使新鮮金屬相互接觸并發生作用，這樣對結合界面的負面影響就會降低，因此，隨著壓下率越大，界面結合質量越高.

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%壓下率的復合板在拉伸斷裂后，結合層出現明顯的分層現象(圖4(a)和(b))，這是因為耐磨鋼和低碳鋼二者的軋制復合強度較低，拉伸變形協調性差，所以造成復合界面在拉斷后出現分層.靠近界面處的NM360鋼和靠近界面處的Q345R鋼側，發現斷口處均存在大量的韌窩形貌，說明基板斷裂屬于典型的韌性斷裂，且隨著壓下率的增加，韌窩越來越多、越來越細小，說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%的復合板拉伸斷口微觀形貌，從圖5(a)和(c)可知，整個復合界面平直，結合緊密，拉伸斷裂處界面干凈整潔，未出現任何明顯的裂紋和大的孔洞，說明復合情況良好.結合前面所述，隨著壓下率的增大，即當壓下率達到70%時，原始結合界面已幾乎不能被識別，界面結合較好，拉伸斷裂后無分層撕裂現象發生，界面結合強度較高.進一步觀察復合界面的斷口形貌(圖5(b)和(d))，發現在靠近界面處的基層和復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%的復合板界面放大至 4 000 倍，圈出部分呈現典型的細密韌窩形貌，該部分可能是形成的細小再結晶組織，這些韌窩組織相較于單一的Q345R或NM360鋼側的韌窩更加細密，這進一步說明當壓下率達到70%時，界面已實現牢固的冶金結合.當壓下率為80%時(圖5(d)))，原始界面已消失.綜上所述，在此實驗條件下，當軋制復合壓下率大于等于70%時，NM360/Q345R復合板才能實現很好的冶金結合，界面結合性能優良.

3 結 論

(1) 借助超景深觀察到復合板結合界面平直，耐磨鋼側發生了明顯的脫碳現象，脫碳層隨壓下率的增大而減小.

(2) 在30%和50%壓下率的復合界面附近出現大量長條狀或點狀黑色顆粒，分析可知此黑色物質為Mn和Si的氧化物.

(3) 當壓下率為30%和50%時，復合板界面結合較差，拉伸斷裂后結合層有明顯的分層；當壓下率達到70%時，拉伸斷口界面未出現大的孔洞或裂紋，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