熱處理工藝對(duì)304L不銹鋼/Gr70碳素鋼爆炸復(fù)合板界面硬度的影響

李平倉(cāng)，趙 惠，劉燕平

(1.西安天力金屬?gòu)?fù)合材料有限公司，西安 710201； 2.陜西省層狀金屬?gòu)?fù)合材料工程研究中心，西安 710201； 3.國(guó)家-地方聯(lián)合工程研究中心，西安 710201)

【機(jī)械制造與檢測(cè)技術(shù)】

熱處理工藝對(duì)304L不銹鋼/Gr70碳素鋼爆炸復(fù)合板界面硬度的影響

李平倉(cāng)1，趙 惠2，劉燕平3

(1.西安天力金屬?gòu)?fù)合材料有限公司，西安 710201； 2.陜西省層狀金屬?gòu)?fù)合材料工程研究中心，西安 710201； 3.國(guó)家-地方聯(lián)合工程研究中心，西安 710201)

通過(guò)對(duì)比分析不同熱處理工藝對(duì)304L不銹鋼復(fù)合板界面硬度及結(jié)合強(qiáng)度影響規(guī)律，發(fā)現(xiàn)隨著回火溫度的提高，鋼側(cè)硬度逐漸降低，而304L側(cè)的界面硬度，當(dāng)保溫溫度在640℃以上時(shí)，才開(kāi)始下降。經(jīng)對(duì)試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比分析后發(fā)現(xiàn)，當(dāng)回火熱處理工藝為：640℃保溫4 h，爐冷，復(fù)合板界面硬度值降低至350HV且均勻，更便于后續(xù)加工使用。

熱處理工藝；304L不銹鋼復(fù)合板；界面硬度

爆炸焊接是一種以炸藥作為能源的一門(mén)高新技術(shù)，在炸藥的驅(qū)動(dòng)下，不銹鋼復(fù)層以高速撞擊鋼材基層，界面原子無(wú)限接近形成具備冶金結(jié)合特點(diǎn)的復(fù)合材料[1～2]。這種復(fù)合材料既有不銹鋼特殊的理化性質(zhì)，又有普通鋼高強(qiáng)度和低成本的特點(diǎn)，是石油化工、冶金和能源設(shè)備的不可缺少的結(jié)構(gòu)材料，如管板、筒體板和封頭板等。但是不銹鋼撞擊基層時(shí)，界面區(qū)域產(chǎn)生的加工硬化使復(fù)合材料后續(xù)加工，如鉆孔、卷筒等[3～5]困難。為改善這類(lèi)問(wèn)題，必須降低界面區(qū)域硬度[6～10]。本文詳細(xì)研究了不同熱處理狀態(tài)下304L不銹鋼復(fù)合材料界面硬度變化規(guī)律，通過(guò)對(duì)比分析找到最佳回火熱處理工藝。將研究結(jié)果應(yīng)用到批量化產(chǎn)品后，節(jié)約后續(xù)加工成本，得到用戶(hù)好評(píng)。

1 試驗(yàn)與方法

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)所用復(fù)層304L相當(dāng)于中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)GB1220的00Cr19N;10不銹鋼化學(xué)成分如表1所示，鋼基層為Gr70相當(dāng)于中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)GB713的22Mn碳素鋼，化學(xué)成分如表2所示。

表1 304L不銹鋼化學(xué)成分 %

表2 Gr70碳鋼板化學(xué)成分

1.2 實(shí)驗(yàn)設(shè)備及方法

采用爆炸焊接法制備尺寸為5/35×500×1 400 mm試板。為使硬度試樣具有對(duì)比性，按照爆炸焊接過(guò)程中沖擊波傳播機(jī)理切割試樣條，共計(jì)4條。

按照表3對(duì)試樣條進(jìn)行熱處理，考慮到如果超過(guò)相變溫度，對(duì)碳素鋼的力學(xué)性能影響大，因此設(shè)計(jì)4種熱處理工藝，如表3所示。

熱處理后在各個(gè)復(fù)合板結(jié)合樣條上的距離雷管區(qū)800 mm(G點(diǎn))和1 400 mm(Q點(diǎn))處取樣進(jìn)行硬度檢測(cè)，設(shè)備為HXD-1000TM型維氏硬度計(jì)。

采用MODEL55100型電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行晶間腐蝕試驗(yàn)、剪切試驗(yàn)和拉伸試驗(yàn)。

表3 不銹鋼/鋼試板熱處理工藝制度

2 結(jié)果與分析

爆炸焊接后對(duì)復(fù)合板進(jìn)行UT檢測(cè)，每個(gè)區(qū)域的波形圖均與圖1相似，從圖中可以看出，底波峰值高，看不到一次界面波，說(shuō)明復(fù)合板結(jié)合良好，界面無(wú)分層等缺陷，達(dá)到ASME 264-2011中1級(jí)要求。

檢測(cè)四種工藝下G點(diǎn)和Q點(diǎn)的硬度，結(jié)果如表4所示。從表中可以看出，鋼基體的硬度約170HV，而304L約為220HV，而界面區(qū)域硬度隨著保溫溫度的升高而呈現(xiàn)下降的趨勢(shì)。圖2和圖3分別為G點(diǎn)和Q點(diǎn)的硬度曲線圖，從圖中可以看出，工藝一條件下，鋼板界面硬度為316HV，比鋼基體硬度提高了85.8%，隨著遠(yuǎn)離界面的距離的增加，鋼板硬度逐漸降低，但均高于鋼基體硬度；此時(shí)304L界面為454HV，比304L高106.3%。在工藝二條件下，鋼側(cè)區(qū)域已降至母材硬度；304L界面硬度為389HV，比母材高76.8%，比爆炸態(tài)降低14.3%，遠(yuǎn)離界面區(qū)域有降低趨勢(shì)，但仍遠(yuǎn)高于母材硬度。在工藝三條件下，304L界面硬度為205HV，與母材接近，與爆炸態(tài)相比降低54.8%。

圖1 UT檢測(cè)的波形

圖2 13ZX-4G點(diǎn)不同熱處理工藝條件下顯微硬度曲線

圖3 13ZX-4Q點(diǎn)不同熱處理工藝條件下顯微硬度曲線

而遠(yuǎn)離界面區(qū)域的硬度雖然高于界面，但是低于工藝二條件下相應(yīng)位置的硬度。在工藝四條件下，304L界面硬度突然升高，接近于爆炸態(tài)，而遠(yuǎn)離界面后，區(qū)域硬度與640℃熱處理后相似。圖3顯示Q點(diǎn)的硬度變化趨勢(shì)與G點(diǎn)相同，工藝二條件下鋼側(cè)和304L側(cè)界面硬度最高。工藝三條件下，鋼側(cè)區(qū)域硬度降至鋼基體硬度，而304L側(cè)硬度變化趨勢(shì)與G點(diǎn)相似，硬度值均在350HV以?xún)?nèi)。工藝四條件下，304L側(cè)界面硬度突然升高，與爆炸態(tài)接近。從上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出，保溫溫度為640℃時(shí)，304L側(cè)區(qū)域硬度已降至最低，均在350HV以?xún)?nèi)，而當(dāng)溫度升高到680℃時(shí)，304L側(cè)界面硬度突然升高，這可能是由于高溫條件下，碳元素向304L界面擴(kuò)散，使304L界面產(chǎn)生碳化物，導(dǎo)致界面硬度升高。

表4 同工藝下顯微硬度

保溫溫度不僅影響復(fù)合板界面硬度，還影響復(fù)合板的剪切強(qiáng)度，因此制定熱處理工藝前，還應(yīng)分析熱處理工藝對(duì)復(fù)合板結(jié)合性能的影響。304L不銹鋼復(fù)合板檢驗(yàn)結(jié)果如表5和圖4所示，從圖4中可以看出，每種工藝條件下，304L不銹鋼復(fù)合板的剪切強(qiáng)度波動(dòng)不大，從表中可以看出隨著熱處理溫度的提高，復(fù)合板剪切強(qiáng)度平均值有所下降，但是均高于標(biāo)準(zhǔn)要求(SA 264-2011，≥140 MPa)155%以上，滿足使用要求。但是當(dāng)保溫溫度超640℃時(shí)，復(fù)合板的304L界面硬度發(fā)生突變，接近于爆炸態(tài)304L側(cè)界面硬度。而從復(fù)合板的結(jié)合強(qiáng)度來(lái)看，隨著熱處理溫度的提高，復(fù)合板剪切強(qiáng)度平均值有所下降，但是均高于標(biāo)準(zhǔn)要求155%以上。

圖4 13ZX-4Q點(diǎn)不同熱處理工藝條件下剪切強(qiáng)度

試樣號(hào)ABCDEFGHIJKL平均值13ZX-4-142043053545545544548045544544043543545313ZX-4-240039038540044040040540042539042543040813ZX-4-339037037039540539541043037040541538539513ZX-4-4365370360365335345355375380345350345358

304L的耐蝕性對(duì)熱處理溫度敏感，因此設(shè)計(jì)工藝時(shí)還應(yīng)考慮溫度對(duì)耐蝕性的影響。圖6是四種工藝條件下，試樣按照SA262E法的晶間腐蝕試驗(yàn)后的外觀。從圖中可以看出，工藝一、二、三條件下試樣表面光滑，未產(chǎn)生缺陷，這說(shuō)明三種溫度均未影響304L的耐蝕性。工藝四條件下，試樣彎曲面出現(xiàn)魚(yú)鱗狀形貌，這是典型的晶間腐蝕形貌，說(shuō)明材料在此熱處理溫度下發(fā)生了晶間腐蝕。

圖6 晶間腐蝕試驗(yàn)后的試樣

圖7 鉆孔后的管板

將工藝三應(yīng)用于批量化生產(chǎn)后，304L不銹鋼復(fù)合材的加工性能提高。如304L不銹鋼管板(圖7)，采用該工藝熱處理后，鉆頭使用壽命提高，鉆孔成本降低20%，得到用戶(hù)高度認(rèn)可。

綜上所述，304L不銹鋼復(fù)合板的最佳熱處理工藝是工藝三，即640±15℃/4小時(shí)，爐冷。

3 結(jié)論

熱處理工藝影響復(fù)合材料界面硬度的大?。涸?00±15℃ 4小時(shí)回火和680±15℃ 4小時(shí)回火時(shí)，界面硬度改善效果不理想，只有工藝三可以將界面硬度最大程度降低，在350HV以?xún)?nèi)，且均勻。在此回火工藝下，304L不銹鋼復(fù)合材的主要力學(xué)性能指標(biāo)，剪切強(qiáng)度和腐蝕性能均能達(dá)到要求，因此，304L不銹鋼復(fù)合材的最佳回火熱處理工藝為：640±15℃/4小時(shí)，爐冷。

[1] 楊江,王斌,王維.Q345/IN825復(fù)合板焊接接頭組織與性能[J].材料熱處理學(xué)報(bào),2016,37(1):150-156.

[2] 王芝玲,劉威,蔣佳強(qiáng),等.Q345R/304爆炸復(fù)合板的組織及力學(xué)性能研究[J].熱加工工藝,2015(23):243-245.

[3] 翟偉國(guó).鈦-鋼和銅-鋼爆炸復(fù)合板的性能及界面微觀組織結(jié)構(gòu)[D].南京:南京航空航天大學(xué),2013.

[4] 丁海民,范孝良,王進(jìn)峰.熱軋復(fù)合不銹鋼-碳鋼復(fù)合板界面特征[J].材料熱處理學(xué)報(bào),2011,32(11):18-22.

[5] 張壽祿,王立新,裴海祥,等.不銹鋼-鋼爆炸復(fù)合板結(jié)合區(qū)組織的分析[J].特殊鋼,2003,24(3):13-16.

[6] 楊碧蕓.復(fù)合板界面的維氏硬度試驗(yàn)方法[J].機(jī)械工程與自動(dòng)化,2014,1:109-111.

[7] 路王珂,謝敬佩,王愛(ài)琴,等.退火溫度對(duì)銅鋁鑄軋復(fù)合板界面組織和力學(xué)性能的影響[J].機(jī)械工程材料,2014(3):14-17.

[8] 白允強(qiáng),鄧家愛(ài),王章忠,等.熱處理對(duì)2205-Q345爆炸復(fù)合板界面組織和性能的影響[J].金屬熱處理,2011(11):60-62.

[9] 武晶晶,蘇麗鳳,李正佳,等.熔化塊對(duì)TA1/Q235界面硬度的影響[J].世界有色金屬,2015(1):32-33.

[10]張罡,林東升,姜岳峰.304/Q245R爆炸復(fù)合板結(jié)合界面的退火組織和硬度[J].焊接學(xué)報(bào),2015,36(9):95-98.

(責(zé)任編輯 唐定國(guó))

Analysis on Interface Hardness of the Clad Plate with Different Heat Treatment Process

LI Ping-cang1， ZHAO Hui2，LIU Yan-ping3

(1.Xi’an Tianli Clad Metal Materials Co., Ltd., Xi’an 710201, China;2.Shaanxi Engineering Research Center of Metal Clad Plate, Xi’an 710201, China; 3.National Joint Engineering Research Center, Xi’an 710201, China)

Through the comparative analysis of different heat treatment process on the combination of rule and impact strength of 304L stainless steel composite plate interface hardness, we found that with the increase of temperature, the hardness of steel decreased gradually, while when the heating temperature is over 640℃, the interface hardness of 304L side began to decline. By the comparative analysis of the test results, it showed that when the heat treatment craft: 640℃,1～4 h,and furnace cooling, the interface hardness decreased to 350HV and uniformity, and it is more convenient for subsequent processing.

heat treatment process; 304L clad plate; interface hardness

2016-10-15；

2016-11-25

國(guó)家高技術(shù)研究發(fā)展技術(shù)項(xiàng)目(863計(jì)劃)(2015AA03A501)

李平倉(cāng)(1968—)，男，教授，主要從事層狀金屬?gòu)?fù)合材料研究。

趙惠(1979—)，女，博士，教授，主要從事層狀金屬?gòu)?fù)合材料研究。

10.11809/scbgxb2017.02.027

李平倉(cāng),趙惠，劉燕平.熱處理工藝對(duì)304L不銹鋼/Gr70碳素鋼爆炸復(fù)合板界面硬度的影響[J].兵器裝備工程學(xué)報(bào)，2017(2):118-121.

format:LI Ping-cang，ZHAO Hui，LIU Yan-ping.Analysis on Interface Hardness of the Clad Plate with Different Heat Treatment Process[J].Journal of Ordnance Equipment Engineering,2017(2):118-121.

TG156

A

2096-2304(2017)02-0118-04