熱處理對316L/Q345R不銹鋼復(fù)合板顯微組織與力學(xué)性能的影響

金賀榮，張春雷，韓雪艷，宜亞麗

(1.燕山大學(xué) 先進鍛壓成型技術(shù)與科學(xué)教育部重點實驗室，秦皇島 066004；2.燕山大學(xué) 河北省并聯(lián)機器人與機電系統(tǒng)實驗室，秦皇島 066004；3.燕山大學(xué) 機械工程學(xué)院，秦皇島 066004)

不銹鋼復(fù)合板由基層(Q345R低合金鋼)和復(fù)層(316L不銹鋼)通過冶金復(fù)合而成[1]，在減少不銹鋼用量前提下，既能保證材料耐腐蝕性又充分利用基層提高力學(xué)性能[2]。有效降低材料成本30%～50%，在化工、石油、海水淡化、造船工業(yè)等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用前景[3]。

異種金屬的熱軋復(fù)合包含若干相互銜接的物理、力學(xué)過程，復(fù)合板的質(zhì)量主要取決于結(jié)合界面各組成元素間的相互作用。異種金屬結(jié)合界面的結(jié)構(gòu)及變化對復(fù)合材料的后續(xù)加工性能起著至關(guān)重要的影響。我國復(fù)合板生產(chǎn)水平與國外相比，存在一定技術(shù)差距，如何提高復(fù)合材料綜合性能一直是眾多研究者關(guān)注的課題[4-6]。李炎等[7]分析得到界面組織組成和Fe、Ni、Cr等原子的擴散。張鐵磊等[8]對比了熱處理前、后鎂合金焊接接頭微觀組織、硬度及拉伸性能的不同。RAO等[9]發(fā)現(xiàn)熱軋304不銹鋼復(fù)合板中Ni、Cr的擴散導(dǎo)致復(fù)合界面的硬度高于基層的。馮紹偉等[10]分析了軋制變形量及退火溫度對合金板材織構(gòu)的影響。趙明等[11]和謝廣明等[12]研究了不同工藝參數(shù)對板材組織性能的影響。駱宗安等[13]研究采用鈮夾層提高不銹鋼耐腐蝕性機理，并對其組織與性能進行分析。熱處理工藝已成為保證和改善復(fù)合板性能的重要手段，針對不同類型復(fù)合板，需制定合理熱處理工藝。

本文作者提出316L/Q345R復(fù)合板熱處理制度，在試驗研究基礎(chǔ)上，通過對比熱軋狀態(tài)和熱處理后復(fù)合板的組織與力學(xué)性能，分析復(fù)合界面的顯微組織、相結(jié)構(gòu)和成分變化，研究顯微組織與性能影響關(guān)系，以實現(xiàn)不銹鋼復(fù)合板性能優(yōu)化。

1 實驗

實驗所用的不銹鋼復(fù)合板材料Q345R低合金鋼和316L不銹鋼的化學(xué)成分如表1所列。復(fù)合板采用真空熱軋成形，具體工藝：先對基層和復(fù)層材料的表面進行處理，及時封裝組坯避免處理完成后的表面氧化，焊接密封后抽真空，將坯料加熱到1100～1200℃，保溫一段時間后進行軋制。試樣終軋尺寸為450 mm×320 mm×100 mm，復(fù)合比為0.1。

Q345R低合金鋼和316L不銹鋼性能指標不同，適用的熱處理制度也不同。Q345R熱處理為通過冷卻控制組織獲得滿足技術(shù)要求的力學(xué)性能，316L不銹鋼需要進行固溶處理提高本身的耐腐蝕性，因此需要針對不銹鋼復(fù)合板制定單一適用的熱處理制度。為確保復(fù)合板的力學(xué)性能和耐腐蝕性，避免不銹鋼的敏化區(qū)間 (450～850℃)[14]，高溫階段采取快速冷卻，而在低于450℃時采取緩慢冷卻的方式。

圖1 試樣熱處理制度Fig.1 Heat treatment process of clad plate sample

316L/Q345R復(fù)合板試樣熱處理制度如圖1所示，即高溫快速冷卻+低溫緩慢冷卻，具體工藝過程：首先在節(jié)能型箱式電阻爐中將試樣加熱到1000℃保溫60 min，出爐后立即放入油中冷卻，每隔10 s采用紅外測溫儀測量溫度，溫度降至約450℃時隨即進行空冷。此熱處理方式能夠避免進入不銹鋼敏化區(qū)，保證不銹鋼耐腐蝕敏感性，采用的油冷、空冷方式易于實現(xiàn)，降低了對冷卻設(shè)備的要求。

對兩種試樣拋光，然后用4%(體積分數(shù))硝酸酒精對基層進行腐蝕，對于復(fù)層的腐蝕方法為：將試樣作為陽極，在10%(體積分數(shù))的草酸溶液中電解。采用200MAT金相顯微鏡觀察組織，采用能譜儀進行成分分析。根據(jù)GB/T 6396-2008實驗方法對試樣剪切、抗拉強度等性能指標進行測試，其中剪切、拉伸實驗在CSS-44300電子萬能試驗機上進行，沖擊實驗設(shè)備為CBD-500電子式擺錘沖擊試驗機，采用Tukon 2100B維氏硬度計測量硬度，載荷砝碼30 kN，負載時間15 s。

表1 不銹鋼復(fù)合板的化學(xué)成分Table1 Chemical composition of stainless steel clad plate material

2 結(jié)果與分析

2.1 低合金鋼Q345R側(cè)的顯微組織

熱軋狀態(tài)和熱處理后的基層Q345R側(cè)組織形貌分別如圖2和3所示。由于基層的厚度較大，冷卻速度不同，分別作表層、心部和近界面處的組織圖譜。

熱軋狀態(tài)下Q345R側(cè)組織主要為鐵素體和珠光體，并有組織梯度產(chǎn)生。表面冷卻速度較快，晶粒相對較小，組織中的基體為鐵素體，含有少量珠光體，如圖2(a)所示。中心部位冷卻速度慢，晶粒粗大，且呈帶狀分布，珠光體含量增多，如圖2(b)所示?；鶎优c復(fù)層之間的界面清晰可見，并且較為平直。在近界面處，珠光體明顯減少，全部為鐵素體組織，說明該區(qū)存在一定程度脫碳，如圖2(c)所示。

圖2 熱軋狀態(tài)Q345R側(cè)的顯微組織Fig.2 Microstructures of Q345R side at hot rolling:(a)Surface;(b)Core;(c)Near interface

圖3中熱處理后試樣Q345R側(cè)顯微組織多呈板條狀、片狀，部分組織中還有不規(guī)則小島狀組織，結(jié)合熱處理工藝可判斷組織為板條貝氏體及粒狀貝氏體，此外還含有少量的珠光體和鐵素體，中心部位和近界面處組織中珠光體的含量增加。相比熱軋狀態(tài)，晶粒得到細化，不存在組織梯度，近界面處的脫碳層寬度減小。

通過圖2與3中Q345R側(cè)顯微組織對比可知，經(jīng)過高溫快速冷卻+低溫緩慢冷卻熱處理后的基層晶粒細化均勻，并得到軟相和硬相結(jié)合的復(fù)相組織，能夠改善低合金鋼側(cè)的力學(xué)性能。

圖3 熱處理后Q345R側(cè)的顯微組織Fig.3 Microstructures of Q345R side after heat treatment:(a)Surface;(b)Core;(c)Near interface

2.2 不銹鋼316L側(cè)的顯微組織

不銹鋼316L側(cè)的顯微組織為單一的奧氏體組織，晶界清晰，呈規(guī)則多邊形，如圖4所示。熱軋狀態(tài)的組織晶粒粗大，其中晶粒內(nèi)有連續(xù)分布的孿晶界。在復(fù)合板結(jié)合界面處和晶粒晶界分布著夾雜物顆粒，夾雜物顆粒主要成分為Cr的碳化物，由于不銹鋼中較高的Cr含量對C有較強的吸附力，高溫下會形成穩(wěn)定的Cr含量較高的碳化物，會導(dǎo)致晶間貧Cr，易引發(fā)晶間腐蝕。熱處理后的組織晶粒尺寸相對較小，孿晶減少，并有部分再結(jié)晶發(fā)生，主要是由于形變遺留的儲存能在高溫保持過程中為再結(jié)晶提供了能量。晶界析出碳化物顆粒減少，說明在熱處理溫度為1000℃時使析出的碳化物又熔入組織中。由于加熱促進界面兩側(cè)的C元素和合金元素分別從低合金鋼和不銹鋼側(cè)向界面擴散，界面處形成碳化物顆粒相對晶界較多。

圖4 不銹鋼316L側(cè)的顯微組織Fig.4 Microstructures of 316L stainless steel side at different states:(a)Hot rolling state;(b)After heat treatment

2.3 復(fù)合板能譜分析

分別對試樣界面附近的夾雜物顆粒和界面兩側(cè)一條直線上元素進行成分分析，點能譜和線掃描結(jié)果如圖5所示。

復(fù)合界面附近的夾雜物顆粒主要為氧化物,通過點能譜分析，發(fā)現(xiàn)其中都含有C、O、Mg、Al、Si、Ca、Cr、Mn、Fe元素。其中Fe是鋼中的固有元素，而Cr是不銹鋼側(cè)擴散產(chǎn)生，Si、Mn、Ca為鋼板內(nèi)部析出(試樣用坯料本身含有這幾種元素)，Al、Mg為電阻式加熱爐的耐火材料粉塵沿開裂焊縫進入復(fù)合界面處，高溫下Al、Si、Mn易向界面擴散被氧化形成氧化物[15]。熱軋狀態(tài)所測夾雜物中Al含量最高，說明夾雜物以Al的氧化物為主。Cr的含量也較高，為10.89%，說明形成含Cr量較高的碳化物，導(dǎo)致Cr的析出，從而造成不銹鋼耐腐蝕性能下降。熱處理試樣中Si氧化物含量最高，Cr的含量有所降低為4.5%，這是由于熱處理的加熱制度固溶了部分Cr的碳化物，而高溫階段快速冷卻減少了Cr的析出，Cr的含量影響不銹鋼的耐腐蝕性，Cr的析出量減少，不銹鋼的耐腐蝕性可得到提高[14]。

從界面兩側(cè)線掃能譜中可看出 Cr、Ni含量的變化，由于高溫作用和兩側(cè)濃度差異原因，316L不銹鋼中Cr、Ni向Q345R低合金鋼側(cè)擴散，并且由于Cr在界面兩側(cè)具有更高的濃度梯度，擴散距離大于Ni。Cr、Ni的擴散對不銹鋼側(cè)的耐腐蝕性有不良影響。熱軋試樣中Cr的擴散距離為8.2 μm，大于Ni的擴散距離(3.3 μm)；熱處理試樣中Cr的擴散距離為14.3 μm，Ni的擴散距離為1.6 μm，說明在熱處理的加熱作用下，Cr的擴散更為充分。

2.4 界面兩側(cè)硬度分析

以復(fù)合界面處的白亮帶為零點，向兩側(cè)打點，測得硬度值，其結(jié)果如圖6所示。試樣測的硬度值顯示，熱軋后不銹鋼側(cè)硬度的最大值在220 HV左右，與不銹鋼的硬度相符。界面處的硬度較大，由于靠近界面處的劇烈變形產(chǎn)生了大量位錯，造成了形變硬化，并和此處形成較多碳化物有關(guān)。低合金鋼側(cè)的硬度值較小，平均在120 HV，由于界面附近的碳鋼存在脫碳，組織為硬度較小的鐵素體。當(dāng)與界面的距離超出脫碳層時，其硬度就接近于基層Q345R鋼的原始硬度。

熱處理后試樣硬度的變化趨勢與熱軋狀態(tài)的相同，不銹鋼側(cè)硬度平均在250 HV以上，最高值為300 HV，其原因為所測硬度點處在晶界上，高于晶內(nèi)硬度。C在加熱制度下充分擴散，熱處理雖然使晶粒變形產(chǎn)生了恢復(fù)，復(fù)板整體硬度下降，但在界面附近，熱處理時間越長，碳的擴散程度越大，這樣產(chǎn)生的碳化物(具有較高硬度)就越多，從而導(dǎo)致界面硬度提高。低合金鋼側(cè)硬度值上升是由貝氏體組織的出現(xiàn)所致。

2.5 復(fù)合板力學(xué)性能分析

圖5 能譜分析結(jié)果Fig.5 EDS results of point and line analysis:(a)Hot rolling state line scanning;(b)Hot rolling state point spectrum;(c)Heat treatment state line scanning;(d)Heat treatment state point spectrum

圖6 界面兩側(cè)的硬度分布Fig.6 Hardness distribution near interface:(a)After hot rolling;(b)After heat treatment

不銹鋼復(fù)合板力學(xué)性能主要包括剪切強度、屈服強度、抗拉強度、伸長率、沖擊性能等，其中剪切強度是衡量復(fù)合板界面結(jié)合程度的性能指標，也是評價復(fù)合板性能的主要標準。通過剪切、拉伸和沖擊實驗得到各項性能的實驗數(shù)據(jù)見表2。

GB/T 8165—2008規(guī)定不銹鋼復(fù)合板剪切強度最小值為210 MPa，但在實際應(yīng)用中，復(fù)合板結(jié)合界面的剪切強度應(yīng)不小于復(fù)材和基材中低強度組元材料的剪切強度，才能保證界面的良好結(jié)合[16]。Q345鋼的剪切強度(σc)范圍在300～450 MPa，所以316L/Q345復(fù)合板的剪切強度應(yīng)在300 MPa之上，方能確保界面結(jié)合良好。熱軋后的不銹鋼復(fù)合板試樣剪切強度為338 MPa，遠大于標準中的210 MPa，同時大于Q345鋼抗剪強度的下限，說明界面結(jié)合良好。熱處理后試樣的剪切強度有所提高，達到397 MPa，其原因為經(jīng)過熱處理的加熱制度使得界面兩側(cè)的合金元素進一步擴散，殘余應(yīng)力得到釋放。熱軋試樣屈服強度(σs)為310 MPa，抗拉強度(Rm)為505 MPa，處在復(fù)合板標準下限，伸長率(δ)為24.7%，沖擊能為51 J，符合實用要求。熱軋試樣力學(xué)性能達到標準與試樣組織結(jié)構(gòu)有關(guān)，因為熱軋試樣中晶粒為鐵素體和珠光體硬度較小，且晶粒尺寸較大，此外還與殘余應(yīng)力有關(guān)。而高溫快速冷卻+低溫緩慢冷卻的熱處理制度使復(fù)合板中組織復(fù)相化，晶粒細化，使得試樣的屈服強度達到365 MPa，抗拉強度達到575 MPa，明顯高于熱軋試樣的，通常在冷變形態(tài)金屬強度提高的同時，往往伴隨明顯的塑性降低，而熱處理后試樣的伸長率為22.2%，接近熱軋試樣的伸長率，同時沖擊能達到123J，韌性大大提高。綜合分析結(jié)果表明：該熱處理制度使316L/Q345復(fù)合板的綜合力學(xué)性能顯著提高。

表2 實驗試樣的力學(xué)性能Table2 Mechanical properties of samples

3 結(jié)論

1) 熱軋后復(fù)合板Q345R側(cè)顯微組織有組織梯度，以軟相組織珠光體和鐵素體為主，316L側(cè)析出的Cr的碳化物較多。熱處理后組織成分中有貝氏體的出現(xiàn)，組織復(fù)相化，晶粒細化，復(fù)層不銹鋼側(cè)熱處理過程中進行了固溶處理，減少了Cr在晶界的析出。

2) 真空熱軋可使兩種材料較好復(fù)合，界面平直，而熱處理后復(fù)合板性能更佳，說明高溫快速冷卻+低溫緩慢冷卻制度適用于316L/Q345R復(fù)合板熱處理，并且該制度易于操作。

3) 復(fù)相組織和晶粒細化可改善不銹鋼復(fù)合板的力學(xué)性能，合金元素的適當(dāng)擴散有利于復(fù)合板結(jié)合性能的提高。

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