金屬粉末作中間材熱軋制備不銹鋼復合板

康 磊，廖相巍，尚德禮，賈吉祥，李廣幫，康 偉

（鞍鋼集團鋼鐵研究院海洋裝備用金屬材料及其應用國家重點實驗室，遼寧 鞍山114009）

不銹鋼復合板是采用軋制或爆炸等工藝使不銹鋼與碳鋼或低合金鋼復合的新材料，它不僅具有不銹鋼的耐腐蝕性能，還具有碳鋼或低合金鋼的力學性能，達到了既節約貴金屬又增強材料性能的目的［1-5］，因而被廣泛應用于化工、石油、海水淡化、造船工業等領域。不銹鋼復合板有多種生產方法［6-7］，其中熱軋復合技術是國際上生產大規格不銹鋼復合板的主流方法［1］，低成本、連續化制造高品質大規格不銹鋼復合板的熱軋工藝一直是主要研究方向［6］。近年來，真空熱軋法制備不銹鋼復合板是國內外學者的研究熱點，但采用該技術制備復合坯相對復雜、成本高、周期長，不適合小批量生產小規格的不銹鋼復合板［8］。 已有文獻［9］提到，制坯過程中的真空度是影響不銹鋼/碳鋼復合效果的最重要因素。熱軋復合過程中易產生金屬間化合物以及碳化物，而這些物質是脆性相，會消弱復合板的復合界面強度，針對這個問題，有學者研究在不銹鋼和碳鋼（低合金鋼）間加銅、鎳、純鐵等中間材［10-12］，以阻止金屬間化合物和碳化物的生成，但由于提高了生產成本和影響復合強度，因此，在工業上都沒有應用。本文針對真空熱軋法存在的上述技術問題，研究金屬粉末作為中間材在非真空條件下制備不銹鋼復合板的方法，重點分析不銹鋼復合板復合界面的微觀組織和復合性能。

1 試驗材料及方法

1.1 試驗材料

試驗采用304奧氏體不銹鋼作覆層材料、工業純鐵為基層材料、304不銹鋼粉作為中間材。三種原材料的化學成分見表1。

表1 原材料的化學成分（質量分數）Table 1 Chemical Compositions（Mass Fraction） of Raw Materials %

為了防止復合板熱軋后彎曲變形，采用對稱組坯方式，坯料組合示意圖見圖1。由圖1所示，從上至下依次是工業純鐵、304不銹鋼粉末、304不銹鋼、隔離劑、304不銹鋼、304不銹鋼粉末和工業純鐵。304不銹鋼尺寸為200 mm×215 mm×20 mm，工業純鐵尺寸為 200 mm×205 mm×24 mm，304不銹鋼粉末厚度為3 mm，要求不銹鋼粉末的粒度小于280 μm。

圖1 坯料組合示意圖Fig.1 Schematic Diagram for Combination of Billets

1.2 試驗方法

覆材和基材的待復合面進行噴丸處理后，將不銹鋼粉末填充到覆材和基材間并震實，采用氬弧焊沿四周密封焊接制備成復合坯，焊接要求無漏粉點。采用550 mm兩輥軋機進行軋制試驗，復合坯加熱溫度1 200℃，保溫2 h。開軋溫度為1 150℃，終軋溫度為950℃。復合板坯的原始厚度為94 mm，共軋制六道次，終軋厚度為10 mm，軋后空冷至室溫。

在復合板中切取金相試樣，鑲嵌并水磨拋光，用4%硝酸酒精溶液對基層金屬腐蝕，用200MAT光學顯微鏡（OB）對微觀組織進行觀察和分析，用QUANT400掃描電鏡（SEM）分析界面形貌和元素分布。

為了分析金屬粉末中間層對復合性能的影響，在上表面切割試樣進行剪切強度的測試。采用Inspekt100-table萬能材料試驗機進行剪切變形試驗，變形速度為1 mm/min。圖2為拉伸剪切試件示意圖。另外，本次試驗檢測了復合板的彎曲性能，冷彎試驗的取樣位置分別是板寬的1/4和1/2處，試驗尺寸為國家標準GB/T6396-2008要求的10 mm×30 mm×400 mm。彎曲試驗在Carvar壓力試驗機上進行，彎心直徑為10 mm，彎曲角度為180°。

圖2 拉伸剪切試件示意圖Fig.2 Schematic Diagram for Specimens for Tensile Shearing Test

2 結果與討論

試驗制備的不銹鋼熱軋復合板實物見圖3。由圖3（a）可以看出，從宏觀上看，覆板和基板間結合良好，無明顯分層，而且整體復合板板形非常平整，無彎曲變形。由圖3（b）可以看出，復合板一側板邊存在軋制裂紋，其余板面均無宏觀裂紋。由圖3（c）可以看出，覆板和基板在軋制過程中變形基本一致。在實際生產中，通過剪板機切除頭、尾和邊部軋制缺陷，即可獲得質量完好的不銹鋼復合板。

圖3 不銹鋼熱軋復合板實物Fig.3 Real Products of Hot Rolled Stainless Steel Clad Plates

2.1 界面組織分析

圖4為不銹鋼復合板金相照片。金相顯微鏡觀察復合板的整個橫斷面后發現，基材、中間層和覆材間結合良好，不同材質間無未結合區域。

圖4 不銹鋼復合板金相照片Fig.4 Metallograph of Stainless Steel Clad Plates

圖4（a）中可以看出，腐蝕后的復合板由基材、中間層和覆材三個區域組成，由不銹鋼粉軋成的中間層沿軋制方向厚度分布均勻 （約300 μm）且致密性高。由圖4（b）可知，中間層與基材和覆材結合分別形成復合界面Ⅰ和復合界面Ⅱ，復合界面Ⅰ呈近似直線形貌且界線清晰，而復合界面Ⅱ無清晰的分界線，僅僅是中間層內存在灰色相，說明兩層間在加熱和軋制過程中熔合的較好。復合界面Ⅰ和復合界面Ⅱ附近均無氧化物存在，但在中間層內部有少量的長度為20～40 μm條狀氣孔。這是由金屬粉末間存在氣體造成的，還需對中間層進行抽空處理，以消除中間層內的氣孔。復合界面Ⅰ附近基材組織為塊狀鐵素體，和遠離界面Ⅰ基材的組織一致，說明使用不銹鋼粉作中間層不會形成增碳區。其原因可能是處于松散狀態下的不銹鋼粉末顆粒與基材間為點接觸，在加熱過程中金屬粉末向基材中的碳元素擴散非常微小 （可以忽略不計），雖然在鋼板軋制時增大了金屬粉末與基板間的接觸面積，但是金屬粉末溫度的降低限制了碳元素向基材上擴散，因此，復合板坯在加熱和軋制過程中不會發生碳的擴散行為。

2.2 復合界面合金成分分析

對腐蝕后的復合界面進行微區成分分析，采用線掃描分析復合界面處的 Si、Mn、Cr、Ni等元素。圖5為復合界面處的SEM組織。

圖5 復合界面處的SEM組織Fig.5 SEM Microstructure at Composite Interface

圖6為復合界面處的線掃描結果。從圖5、6中看出，這幾種元素都發生了擴散現象，其中Cr、Ni的擴散最明顯。這主要是中間層和純鐵側Cr、Ni元素存在濃度梯度，在熱軋過程中發生了元素的擴散，其中 Cr擴散了約 20 μm，Ni擴散了 10 μm，Cr、Ni擴散后在純鐵側形成一條寬約20 μm的富Cr、Ni層。

圖6 復合界面處的線掃描結果Fig.6 Linear Scanning Results at Composite Interface

圖7為復合界面處C元素的電子探針掃描結果，由圖7看出，復合界面處C元素幾乎沒有變化，未出現文獻［13］提到的復合板界面處C元素擴散遷移現象。

中間層灰色相EDS面掃描結果見圖8。由圖 8 可知，灰色相中存在 Cr、Ti、Nb、C 這 4 種元素富集。 根據富集區域形狀可知，Cr、Ti、Nb、C 的富集形狀相同。因此，不銹鋼粉末在熱軋成型過程中析出了富Cr、Ti、Nb的碳化物。碳化物的偏析是中間層的薄弱區域，嚴重破壞中間層的組織，危害其拉伸、沖擊性能等各項性能［14-15］。還需進一步研究熱處理工藝來解決此類碳化物的偏析缺陷。

圖7 復合界面處C元素的電子探針掃描結果Fig.7 Scanning Results by Electron Probe for Carbon Element at Composite Interface

圖8 中間層灰色相EDS面掃描結果Fig.8 Scanning Results for EDS Plane in Gray Phase of Interface Layer

2.3 剪切性能

拉剪試樣取樣位置為復合板長度方向的頭部、中部和尾部，表2為不銹鋼復合板各部位剪切強度。由表2可知，三個位置的剪切強度值比較接近，均大于400 MPa，計算均值為412 MPa，遠高于國標GB/T8165-2008要求的剪切強度值。

表2 不銹鋼復合板各部位剪切強度Table 2 Shearing Strengths of Different Positions at Stainless Steel Clad Plate MPa

2.4 冷彎試驗

圖 9 為彎曲試樣實物圖。由圖 9（a）、（b）可以看出，復合板分別經180°內彎曲和外彎曲后，其復合界面結合緊密，不存在開裂或分層缺陷，說明復合板的界面保持完好的冶金結合。從圖9（c）、（d）可以看出，經內彎曲和外彎曲試驗后,試樣的彎曲外表面也未出現由彎曲產生的微細裂紋。不銹鋼復合板符合GB/T 8165-2008標準規定，具有良好的彎曲性能。

圖9 彎曲試樣實物圖Fig.9 Samples after Bending Test

3 結論

（1）利用不銹鋼粉末作為中間夾層材料成功制備了不銹鋼/低碳鋼復合板，復合板的剪切強度和彎曲性能均達到了國標GB/T 8165-2008的要求，不銹鋼和低碳鋼間實現了緊密的冶金結合。

（2）在不銹鋼和低碳鋼中加入不銹鋼粉末能有效阻礙碳等元素的擴散，而且復合界面附近無氧化物雜質，有效地提高了復合界面的剪切強度，剪切強度平均值達到412 MPa。

（3）還需進一步研究金屬粉末夾層的抽空處理和復合板的后續熱處理，以解決復合板中粉末夾層中的氣孔和元素偏析問題。