316L-Q345R不銹鋼復(fù)合板性能評(píng)價(jià)

金賀榮,楊旭坤,宜亞麗

(1 燕山大學(xué) 先進(jìn)鍛壓成型技術(shù)與科學(xué)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河北秦皇島 066004；2 燕山大學(xué) 河北省并聯(lián)機(jī)器人與機(jī)電系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室，河北 秦皇島 066004；3 燕山大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，河北 秦皇島 066004)

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316L-Q345R不銹鋼復(fù)合板性能評(píng)價(jià)

金賀榮1,2,楊旭坤3,宜亞麗3

(1 燕山大學(xué) 先進(jìn)鍛壓成型技術(shù)與科學(xué)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河北秦皇島 066004；2 燕山大學(xué) 河北省并聯(lián)機(jī)器人與機(jī)電系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室，河北 秦皇島 066004；3 燕山大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，河北 秦皇島 066004)

從微觀組織和顯微硬度兩方面對(duì)真空熱軋316L-Q345R不銹鋼復(fù)合板試樣性能進(jìn)行評(píng)價(jià)。采用電子顯微和能譜分析技術(shù)，對(duì)試樣進(jìn)行微觀組織特征觀察和成分含量測(cè)定，研究相結(jié)構(gòu)及成分變化規(guī)律。通過(guò)硬度測(cè)試儀對(duì)復(fù)合板界面附近硬度進(jìn)行測(cè)量，研究微觀組織與硬度關(guān)系。結(jié)果表明：熱軋后復(fù)合板Q345R側(cè)顯微組織以鐵素體和珠光體為主，316L側(cè)顯微組織為單一奧氏體，一部分晶粒呈孿晶狀態(tài)，Q345R低合金鋼和316L不銹鋼經(jīng)過(guò)熱軋可良好復(fù)合，復(fù)合界面平直；界面兩側(cè)元素存在擴(kuò)散現(xiàn)象，不銹鋼中Cr，Ni元素向低合金鋼側(cè)擴(kuò)散，在界面形成富Cr，Ni薄層，低合金鋼中C向不銹鋼側(cè)產(chǎn)生少量遷移；在復(fù)合界面處的硬度值較大，低合金鋼側(cè)遠(yuǎn)離界面位置復(fù)合板硬度與Q345R本身硬度值接近，而從界面到不銹鋼側(cè)硬度呈現(xiàn)先下降后上升至穩(wěn)定的趨勢(shì)。

不銹鋼復(fù)合板；金相組織；元素?cái)U(kuò)散；硬度

雙金屬?gòu)?fù)合材料在設(shè)計(jì)上綜合了兩組元的優(yōu)點(diǎn)，具有單一金屬或合金無(wú)法比擬的綜合性能，成為當(dāng)今材料科學(xué)的研究熱點(diǎn)[1]。不銹鋼復(fù)合板由基層(碳鋼或低合金鋼)和復(fù)層(不銹鋼)通過(guò)冶金復(fù)合而成，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]，降低了設(shè)備制造成本，在化工、石油、海水淡化、造船工業(yè)等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景[3]。

隨著大功率軋機(jī)的出現(xiàn)和軋制技術(shù)的不斷成熟，真空熱軋不銹鋼復(fù)合板已實(shí)現(xiàn)連續(xù)化規(guī)模化生產(chǎn)[4,5]。軋制成形的復(fù)合材料性能主要取決于復(fù)合界面各組成元素間的相互作用，界面組織的結(jié)構(gòu)及其演化對(duì)復(fù)合材料的后續(xù)加工性能有著至關(guān)重要的影響，通過(guò)組織控制研究可以提高復(fù)合材料的綜合性能[6-9]。文獻(xiàn)[10]采用累積復(fù)合軋制技術(shù)完成TZM板4次軋制復(fù)合，并對(duì)不同道次TZM復(fù)合板進(jìn)行性能測(cè)試和組織分析；文獻(xiàn)[11]對(duì)比了國(guó)產(chǎn)和進(jìn)口兩類鐵素體不銹鋼復(fù)合板界面的組織和合金元素分布，并對(duì)硬度和側(cè)彎性能進(jìn)行了分析；文獻(xiàn)[12]中發(fā)現(xiàn)了熱軋304不銹鋼復(fù)合板中Ni，Cr的擴(kuò)散和復(fù)合界面硬度高于基層的現(xiàn)象；文獻(xiàn)[13-16]分別研究了熱處理工藝對(duì)雙相不銹鋼復(fù)合板，退火工藝對(duì)STS430復(fù)合板和鋁復(fù)合板，中間夾層對(duì)304不銹鋼復(fù)合板界面組織演化和力學(xué)性能的影響；文獻(xiàn)[17]通過(guò)對(duì)316L/16MnR熱軋復(fù)合板復(fù)合界面進(jìn)行掃描電鏡觀察和能譜分析，得到界面組織的組成和Fe，Ni，Cr等元素的擴(kuò)散規(guī)律。上述文獻(xiàn)主要研究了一些層狀復(fù)合板的組織性能變化規(guī)律以及不同熱處理工藝對(duì)組織和性能的影響，現(xiàn)階段對(duì)熱軋316L-Q345R不銹鋼復(fù)合板組織性能的研究相對(duì)較少，對(duì)其變化規(guī)律的研究還有待深入。

本工作以真空熱軋316L-Q345R不銹鋼復(fù)合板為研究對(duì)象，在實(shí)驗(yàn)研究基礎(chǔ)上，分析復(fù)合板微觀組織、相結(jié)構(gòu)及成分變化規(guī)律，明晰微觀組織與硬度關(guān)系，以實(shí)現(xiàn)不銹鋼復(fù)合板性能優(yōu)化，以期為工業(yè)化生產(chǎn)不銹鋼復(fù)合板提供參考。

1　實(shí)驗(yàn)材料與方法

基層材料為低合金鋼Q345R，復(fù)層材料為不銹鋼316L。采用真空熱軋成形，具體工藝為：先對(duì)基層和復(fù)層材料的表面進(jìn)行處理，及時(shí)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(shí)間后進(jìn)行四層對(duì)稱軋制，坯料總厚度為402mm，各道次壓下量為：42，40，38，36，34，32，30，26，24mm，熱軋后其復(fù)合比為1∶9(316L∶Q345R)，尺寸為450mm×320mm×100mm，化學(xué)成分如表1所示。

表1　不銹鋼復(fù)合板的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)/%)Table 1　Chemical composition of stainless steel clad plate (mass fraction/%)

試樣熱軋后空冷至室溫，經(jīng)磨床表面處理后，用體積分?jǐn)?shù)為4%硝酸酒精溶液對(duì)基層進(jìn)行腐蝕，用氯化鐵/鹽酸(體積比20∶1)水溶液對(duì)復(fù)層進(jìn)行腐蝕，用草酸對(duì)復(fù)合面進(jìn)行腐蝕。對(duì)試樣橫截面進(jìn)行腐蝕后，用光學(xué)顯微鏡、掃描電鏡以及能譜儀器在試樣不同位置處(如圖1所示)進(jìn)行組織形貌觀察和化學(xué)成分分析，同時(shí)分析復(fù)合面附近夾雜物的化合物成分，并利用顯微硬度測(cè)試儀對(duì)試樣復(fù)合面附近進(jìn)行硬度測(cè)量。

圖1　組織分析取樣點(diǎn)位置(a)不銹鋼復(fù)合板俯視圖；(b)不銹鋼復(fù)合板主視圖Fig.1　Microstructure analysis points of the samples(a)top view of stainless steel clad plate；(b)front view of stainless steel clad plate

圖2　基層Q345R微觀組織(a)1E表層；(b)1E心部；(c)1C表層；(d)1C心部；(e)2E表層；(f)2E心部；(g)2C表層；(h)2C心部Fig.2　Microstructure of Q345R steel(a)1E surface；(b)1E centre；(c)1C surface；(d)1C centre；(e)2E surface；(f)2E centre；(g)2C surface；(h)2C centre

2　實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

2.1基層Q345R側(cè)微觀組織

低合金鋼基層不同部位微觀組織如圖2所示，其熱軋后組織在寬度和厚度方向呈現(xiàn)一定的組織梯度。如圖2(a)，(b)所示，在軋件端部1E處，由于外表面冷卻速率比心部快，接近表面組織主要為馬氏體和貝氏體組織，晶粒較為細(xì)小均勻，在心部處為近魏氏組織的鐵素體和珠光體的混合組織，晶粒較為粗大。圖2(c)，(d)所示為軋件端部1C處組織形貌，在1C處冷卻速率較1E處均勻，所以近表面為細(xì)小均勻的馬氏體和貝氏體組織，而在心部1C處冷卻速率較1E處慢，顯微組織形貌表現(xiàn)為片狀鐵素體和塊狀珠光體。由圖2(e)，(f)可看出，與1E相比軋件中部2E處的組織由于冷卻速率下降且不均勻，近表面出現(xiàn)了鐵素體和珠光體組織，在心部出現(xiàn)了鐵素體和珠光體的帶狀組織，帶狀組織的出現(xiàn)易引起層狀撕裂，板厚方向上的力學(xué)性能降低。圖2(g)，(h)所示為軋件中部2C處組織，顯微組織趨于細(xì)化、均勻化，近表面為鐵素體、馬氏體和珠光體組織，心部為鐵素體和珠光體組織。

2.2復(fù)層316L側(cè)微觀組織

不銹鋼復(fù)層不同部位的微觀組織如圖3所示，其微觀組織為單一奧氏體組織，部分晶粒呈孿晶分布，而且晶界清晰干凈。采用真空熱軋法軋制不銹鋼復(fù)合板時(shí)，由于不銹鋼處于真空環(huán)境下，軋后空冷至室溫時(shí)，中部位置冷卻速率緩慢，一些孿晶奧氏體晶界上析出碳化物，形成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，產(chǎn)生了晶界缺陷，易引起晶間腐蝕。

圖3　復(fù)層316L微觀組織　(a)1E；(b)1C；(c)2E；(d)2CFig.3　Microstructure of 316L steel　(a)1E；(b)1C；(c)2E；(d)2C

2.3復(fù)合界面微觀組織

復(fù)合界面不同部位的微觀組織如圖4所示，復(fù)合界面清晰可見，寬約5μm，呈近似直線形貌。復(fù)合界面右側(cè)為Q345R低合金鋼，其組織為鐵素體和珠光體，而在界面附近其組織為鐵素體，即出現(xiàn)了脫碳現(xiàn)象；這是由于不銹鋼的含碳量比低合金鋼的含碳量要低，奧氏體比珠光體更易溶解碳，不銹鋼中含鉻較高，而鉻對(duì)碳具有較強(qiáng)的吸附力，加之碳原子尺寸小，在高溫及塑性變形條件下，低合金鋼中的碳不可避免地向不銹鋼擴(kuò)散遷移，且擴(kuò)散速率較快，結(jié)果在界面附近基層低合金鋼一側(cè)形成脫碳層，而在復(fù)層不銹鋼一側(cè)形成增碳層。界面左側(cè)為復(fù)層不銹鋼，其組織為單一奧氏體，一部分晶粒呈孿晶狀態(tài)，晶粒晶界清晰。從圖4(a)可看出在界面的附近彌散分布著一些細(xì)小顆粒狀?yuàn)A雜物。碳元素的擴(kuò)散會(huì)在界面處形成金屬間化合物，導(dǎo)致結(jié)合強(qiáng)度的降低；碳擴(kuò)散到不銹鋼中會(huì)形成鉻系碳化物，降低了不銹鋼中固溶鉻含量，影響不銹鋼的耐腐蝕性。

圖4　復(fù)合界面微觀組織　(a)1E；(b)1C；(c)2E；(d)2CFig.4　Microstructure of interface between 316L and Q345R　(a)1E；(b)1C；(c)2E；(d)2C

2.4復(fù)合界面合金成分及夾雜物分析

真空熱軋不銹鋼復(fù)合板時(shí)，合金元素在復(fù)合界面兩側(cè)存在濃度梯度，會(huì)引發(fā)元素的擴(kuò)散。如圖5所示，在復(fù)合區(qū)內(nèi)低合金鋼和不銹鋼中的合金元素發(fā)生了連續(xù)的互擴(kuò)散，其中Fe，Cr，Ni元素的擴(kuò)散較為明顯。在復(fù)合界面附近的不銹鋼側(cè)Cr和Ni具有較高的濃度，Cr和Ni會(huì)越過(guò)界面向低合金鋼側(cè)擴(kuò)散，導(dǎo)致在低合金鋼側(cè)復(fù)合面的附近形成了一層Cr，Ni富集層，對(duì)不銹鋼側(cè)的耐腐蝕性有不良影響。Fe，Cr，Ni的原子半徑相近，在復(fù)合界面處均發(fā)生置換擴(kuò)散，其擴(kuò)散范圍應(yīng)相近，但在界面兩側(cè)Cr比Ni存在更高的濃度梯度，導(dǎo)致Cr的擴(kuò)散距離比Ni大。

圖5　界面附近組織形貌及元素分布(a)SEM組織形貌；(b)元素分布Fig.5　Microstructure and elements distribution of interface between 316L and Q345R(a)SEM image；(b)elements distribution

圖6為通過(guò)點(diǎn)能譜分析得到的試樣界面附近Q345R側(cè)的明顯缺陷處夾雜物中一點(diǎn)的成分含量。點(diǎn)能譜分析結(jié)果發(fā)現(xiàn)夾雜物中主要含有C，O，F(xiàn)e，Si，Cr，Mn，Al，Mg，Ti，Ca等元素。在軋件復(fù)合界面1E，1C和2E處，夾雜物中除Fe，C，Cr，元素外，O，Al，Mg的質(zhì)量分?jǐn)?shù)較高，還有部分Ti，Si，Mn，Ca元素。Fe，C是鋼中固有元素，Cr是由不銹鋼層擴(kuò)散產(chǎn)生，Si，Mn為Q345R內(nèi)部析出，高比率的O，Al，Mg易形成Mg，Al氧化物[18]，這可能是組坯時(shí)從外界引入的，此外高溫真空環(huán)境下，Mn，Si元素易形成少量Si-Mn氧化物，C，Cr元素易形成少量碳化物，并在復(fù)合界面處呈彌散不連續(xù)分布。在軋件中部的復(fù)合界面2C處，Al，Mg，Ca，Ti含量很少，這是由于2C遠(yuǎn)離焊縫位置，不易因?yàn)楹附用芊鈺r(shí)焊渣進(jìn)入界面或者焊縫開裂而引入其他粉塵雜質(zhì)。

2.5界面硬度分布

在不同位置處分別對(duì)界面附近的組織進(jìn)行硬度測(cè)量，其分布規(guī)律如圖7所示。根據(jù)顯微硬度分析結(jié)果可知，在1E，1C，2E和2C處復(fù)合板硬度變化范圍與其滲碳層和脫碳層寬度基本一致。在復(fù)合界面處的硬度值較大，是由于靠近界面的劇烈形變產(chǎn)生了大量位錯(cuò)，造成形變硬化，并且合金元素和碳元素的擴(kuò)散出現(xiàn)交叉，該處各元素含量配比更易生成碳化物。在低合金鋼一側(cè)，硬度值隨著離界面距離的減小，均呈現(xiàn)先下降后上升的趨勢(shì)，大約在-10μm處達(dá)到最小值，遠(yuǎn)離界面位置硬度與Q345R本身硬度值接近；這一現(xiàn)象是由于低合金鋼中的C擴(kuò)散遷移后，而由不銹鋼擴(kuò)散的Ni，Cr未遷移到這一區(qū)域所致。而從界面到不銹鋼側(cè)復(fù)合板硬度值隨距離增大先下降后上升最終趨于穩(wěn)定。

圖6　界面附近Q345R側(cè)點(diǎn)能譜分析結(jié)果(a)1E；(b)1C；(c)2E；(d)2CFig.6　EDS analysis of points near the interface of Q345R(a)1E；(b)1C；(c)2E；(d)2C

圖7　界面附近硬度分布Fig.7　Distribution of hardness near interface

3　結(jié)論

(1)通過(guò)真空熱軋獲得了316L-Q345R復(fù)合比為1∶9的不銹鋼復(fù)合板試樣，復(fù)合界面較為平直，Q345R側(cè)組織以鐵素體和珠光體為主，為典型的熱軋組織，由于冷卻速率不同，組織存在一定的梯度，316L側(cè)為奧氏體組織，有孿晶分布。

(2)由于元素在界面兩側(cè)存在濃度梯度，導(dǎo)致擴(kuò)散遷移現(xiàn)象發(fā)生，Q345R界面附近碳元素向316L遷移，出現(xiàn)一定寬度的脫碳層，316L中Ni，Cr等元素向界面和低合金鋼側(cè)擴(kuò)散，致使不銹鋼側(cè)的耐腐蝕性下降。復(fù)合板在復(fù)合界面處硬度值較大；在Q345R側(cè)，由于近界面處脫碳導(dǎo)致其硬度值下降，遠(yuǎn)離界面位置硬度與Q345R本身硬度值接近；從界面到316L側(cè)的硬度變化趨勢(shì)為先下降后上升最終趨于穩(wěn)定。

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Performance Evaluation of 316L-Q345R Stainless Steel Clad Plate

JIN He-rong1,2,YANG Xu-kun3,YI Ya-li3

(1 Key Laboratory of Advanced Forging & Stamping Technology and Science of Ministry of National Education,Yanshan University, Qinhuangdao 066004,Hebei,China；2 Parallel Robot and Mechatronic System Laboratory of Hebei Province,Yanshan University,Qinhuangdao 066004,Hebei,China；3 School of Mechanical Engineering,Yanshan University,Qinhuangdao 066004,Hebei,China)

Performance of 316L-Q345R stainless steel clad plate prepared by vacuum hot-rolling was evaluated from two aspects of the microstructure and micro-hardness. Microstructure topography and constituent of clad plate were investigated by scanning electron microscope and energy spectrum analysis, and changing rules of phase structure and constituent were also studied. Relationship between microstructure and hardness was studied by testing the hardness of interface between stainless steel and carbon steel through hardness tester. The results indicate that, after vacuum hot-rolling, the microstructure of Q345R is mainly composed of ferrite and pearlite. The microstructure of 316L is single austenite, and part of grain is twin state. The clad plate compounds well after vacuum hot rolling, and the interface between stainless steel and carbon steel is straight. Elements diffuse into both sides of the interface. Cr and Ni diffuse from stainless steel into the low alloy steel and form a rich Cr/Ni layer in the interface, and C migrates from the low alloy steel into stainless steel. The hardness of clad plate is larger at the composite interface. The hardness away from the interface is closed to that of Q345R steel in Q345R steel side, while from the interface to stainless steel, the hardness reduces and then increases until it reaches a stable value.

stainless steel clad plate;microstructure;elements diffusion;hardness

10.11868/j.issn.1001-4381.2016.08.017

TB331;TG335.8

A

1001-4381(2016)08-0104-07

河北省自然科學(xué)基金-鋼鐵聯(lián)合研究基金資助項(xiàng)目(E2014203118)

2014-09-11;

2015-10-24

金賀榮(1975-)，男，副教授，博士，從事復(fù)合型材成形理論與工藝技術(shù)研究，聯(lián)系地址：河北省秦皇島市燕山大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院(066004)，E-mail：ysujhr@ysu.edu.cn