鈦鋼復(fù)合板的軋制復(fù)合工藝

供稿|楊哲，楊晗，李桂 / YANG Zhe, YANG Han, LI Gui

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文章介紹了TA2/Q235軋制復(fù)合法生產(chǎn)工藝方法。根據(jù)TA2、Q235材質(zhì)的特點(diǎn)和復(fù)合技術(shù)要求，選取三種材料作為夾層，采取基、復(fù)、夾層材料對稱組坯方式并做真空處理，對不同夾層材料、加熱制度和軋制工藝進(jìn)行了研究。綜合分析認(rèn)為以1#材料為夾層，加熱溫度為900℃、變形量大于80%的工藝，其貼合率、表面質(zhì)量和力學(xué)性能均能滿足GB/T 8547—2006的要求。該生產(chǎn)方法可以有效解決以往爆炸-軋制法生產(chǎn)方式板幅小、受外界條件制約的不足，為今后高效化生產(chǎn)寬幅鈦鋼復(fù)合板奠定了基礎(chǔ)。

鈦-鋼復(fù)合板既具有鈦的耐腐蝕性，又通過復(fù)合鋼材提高了強(qiáng)度，改善了材料的綜合性能，性價(jià)比高，從而擴(kuò)展了鈦材的適用范圍，能夠廣泛應(yīng)用于化工、電廠等的設(shè)備制造領(lǐng)域[1]。目前鈦-鋼復(fù)合板主要生產(chǎn)方式是爆炸法和爆炸-軋制法。其生產(chǎn)效率受天氣等外界環(huán)境影響很大，且由于爆炸技術(shù)局限性，能生產(chǎn)的復(fù)合板板幅有限[2-3]。而現(xiàn)代大型設(shè)備制造時(shí)，為了提高設(shè)備的安全系數(shù)和降低成本，要求減少設(shè)備上的焊縫，因而對大面積鈦鋼復(fù)合板的需求迫切。爆炸復(fù)合法及爆炸軋制復(fù)合法無法滿足這一要求，軋制復(fù)合生產(chǎn)工藝是有效的解決途徑。這種工藝對設(shè)備、技術(shù)和人員操作技能要求很高，目前國內(nèi)廠家很少采用此種工藝，只有國外一些企業(yè)技術(shù)較為成熟[4]。寶鈦集團(tuán)有德國進(jìn)口的3.3 m熱軋機(jī)的設(shè)備優(yōu)勢和技術(shù)優(yōu)勢以及多年復(fù)合板生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)，完全可以對該產(chǎn)品進(jìn)行開發(fā)，其對擴(kuò)展公司產(chǎn)品結(jié)構(gòu)、拓展市場空間有重要意義。

實(shí)驗(yàn)方法

TA2與Q235不能直接軋制復(fù)合，采用合適的材料作為夾層是有效的解決途徑。通過分析基、復(fù)層材質(zhì)特點(diǎn)和復(fù)合工藝要求，實(shí)驗(yàn)初步設(shè)計(jì)了幾種工藝路線，制定了不同的加熱溫度、變形量、夾層材料來進(jìn)行對比實(shí)驗(yàn)。工藝方案見表1。

實(shí)驗(yàn)以Q235為基層、TA2為復(fù)層，兩者與夾層材料采取對稱方式組坯，抽真空并處理。試制按照實(shí)驗(yàn)方案的工藝參數(shù)執(zhí)行，空冷后將實(shí)驗(yàn)板切邊、掀開后觀察表面質(zhì)量、貼合情況，取樣分析界面金相和測試剪切強(qiáng)度等性能。將實(shí)驗(yàn)結(jié)果對照標(biāo)準(zhǔn)加以分析，確定夾層材料、加熱溫度和變形量，從而最終確定合理可行的工藝方案。

表1 實(shí)驗(yàn)方案及試樣編號

實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

由于采取對稱方式組坯，軋制后需將實(shí)驗(yàn)板切邊掀板，然后觀察貼合情況和表面質(zhì)量。對貼合良好的實(shí)驗(yàn)板取樣檢測，相關(guān)情況見表2。

表2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

軋制TA2/1#/Q235復(fù)合板

TA2/1#/Q235復(fù)合板組坯6塊，取樣測試剪切強(qiáng)度值，按照GB/T 8547—2006標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定復(fù)層厚度小于1.5 mm應(yīng)取拉剪試樣，其中軋制法鈦鋼復(fù)合板剪切強(qiáng)度值不小于140 MPa[5]。測試結(jié)果見表3。A4的L2強(qiáng)度不合，A6強(qiáng)度值均可以滿足標(biāo)準(zhǔn)要求，且整體優(yōu)于A4的結(jié)果。A6溫度高于A4，但是不宜繼續(xù)提高加熱溫度，有關(guān)研究表明鈦鋼復(fù)合板在接近1000℃的較高加熱溫度時(shí)會產(chǎn)生大量的金屬間化合物，導(dǎo)致其結(jié)合強(qiáng)度降低，甚至無法貼合[6-7]。

表3 TA2/1#/Q235軋制復(fù)合板剪切強(qiáng)度

TA2/1#/Q235復(fù)合板界面金相見圖1，A4結(jié)合界面平滑，A6結(jié)合界面呈現(xiàn)波浪狀，而無論是平滑界面還是波狀界面均可以良好結(jié)合[8]。

圖1 TA2/1#/Q235復(fù)合板界面金相圖：(a) A4；(b) A6

從圖1(a)中可以看出，A4的界面化合物層較厚，鈦側(cè)晶粒內(nèi)部存在片層狀組織，F(xiàn)e-Ti層較明顯，且界面處化合物層厚度不一，較厚的化合物層均出現(xiàn)在鐵素體晶粒周圍，而在含碳量高的滲碳體處則較薄，存在Ti-C化合物。直接影響鈦鋼復(fù)合板結(jié)合強(qiáng)度的主要是過渡層出現(xiàn)的金屬間化合物Fe-Ti和Ti-C化合物層，這兩種化合物越多結(jié)合強(qiáng)度越低[9]。從圖1(b)中可以看出，A6界面化合物較少，鈦鋼兩側(cè)組織正常。因此，A6整體組織形貌優(yōu)于A4。

軋制TA2/2#/Q235復(fù)合板

TA2/2#/Q235軋制復(fù)合板剪切強(qiáng)度見表4。B2強(qiáng)度均不能滿足標(biāo)準(zhǔn)，B6強(qiáng)度可以滿足標(biāo)準(zhǔn)要求，但是偏低。

表4 TA2/2#/Q235軋制復(fù)合板剪切強(qiáng)度

TA2/2#/Q235復(fù)合板界的界面組織金相圖見圖2，B2夾層及界面化合物較多，B6結(jié)合處化合物層很薄，組織無明顯異常，但是整體強(qiáng)度較低，且2#材質(zhì)成本較高。多方面考慮不建議以2#材質(zhì)作為夾層。

圖2 TA2/2#/Q235復(fù)合板界面金相：(a) B2；(b) B6

軋制TA2/3#/Q235復(fù)合板

TA2/3#/Q235軋制復(fù)合板剪切強(qiáng)度值見表5，C2不能滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。C4的L1不合，不能完全滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。

表5 TA2/3#/Q235軋制復(fù)合板剪切強(qiáng)度

TA2/3#/Q235復(fù)合板界面金相組織見圖3，從圖3(a)可以看出，C2化合物層厚，且界面存在明顯夾雜物，其夾層內(nèi)部缺陷也偏多。將C2放大200倍，見圖3(b)，夾層完成再結(jié)晶，且有孿晶存在。普鋼側(cè)組織無異常，為正常亞共析組織，但是純鈦側(cè)組織發(fā)生明顯變化，除去正常再結(jié)晶產(chǎn)生的等軸晶粒外，沿晶界生長出片層狀、粗大針狀組織，而且沿界面出現(xiàn)大尺寸晶粒，見圖3(b)箭頭處，認(rèn)為是3#與鈦在798℃共析轉(zhuǎn)變，該組織是共析轉(zhuǎn)變產(chǎn)物。C4結(jié)合界面也存在較多化合物，見圖3(c)。綜合考慮認(rèn)為不應(yīng)以3#作為夾層材料。

結(jié)束語

結(jié)合實(shí)驗(yàn)結(jié)果認(rèn)為：變形量是影響貼合的重要因素，本次實(shí)驗(yàn)變形量為50%的復(fù)合板均未貼合，經(jīng)過計(jì)算實(shí)驗(yàn)板實(shí)際變形量，結(jié)合實(shí)驗(yàn)結(jié)果和相關(guān)資料，為實(shí)現(xiàn)良好貼合，變形量應(yīng)不低于80%；軋制TA2/Q235復(fù)合板可以以1#材料為夾層，對稱組坯并真空處理后，采取加熱溫度900℃、變形量大于80%的工藝，其各項(xiàng)性能可以滿足GB/T 8547—2006標(biāo)準(zhǔn)的要求，且貼合情況和表面質(zhì)量較好。

圖3 TA2/3#/Q235復(fù)合板界面金相圖：(a) C2；(b) C2；(c) C4