碳鋼屑密度對不銹鋼/碳鋼屑復(fù)合板性能的影響

梁 煜 王 濤 任忠凱 韓建超 賈 燚 黃慶學(xué)

太原理工大學(xué)機(jī)械與運(yùn)載工程學(xué)院，太原，030024

0 引言

目前，越來越多的不銹鋼復(fù)合板開始取代純不銹鋼板，廣泛應(yīng)用于石油化工、化學(xué)化工、機(jī)械制造、建筑工程等方面[1]。不銹鋼復(fù)合板通常由奧氏體不銹鋼和低碳鋼或碳鋼復(fù)合而成，它既有不銹鋼的優(yōu)良耐腐蝕性、耐磨性和精美外觀，又有碳鋼優(yōu)良的可焊性、可加工性、韌性及導(dǎo)熱性[2-4]。與純不銹鋼相比，不銹鋼復(fù)合板可以有效節(jié)約鉻鎳等金屬，既節(jié)約資源，又節(jié)省生產(chǎn)成本。通過軋制[3]、爆炸復(fù)合[5-7]、爆炸+軋制[6]、包覆澆鑄[8]、堆焊[9]等方法制造不銹鋼復(fù)合板已經(jīng)相當(dāng)成熟，國內(nèi)外很多學(xué)者對此進(jìn)行了充分的研究。ZINA等[3]研究了熱軋復(fù)合的低碳鋼/奧氏體不銹鋼復(fù)合板的微觀結(jié)構(gòu)和機(jī)械性能之間的關(guān)系。王爽等[5]分析了爆炸復(fù)合板結(jié)合區(qū)缺陷組織與相結(jié)構(gòu)的組成，總結(jié)出結(jié)合界面失效和相變化的產(chǎn)生原因。LIU等[2]研究了在不同軋制溫度下真空軋制的不銹鋼復(fù)合板的機(jī)械性能和斷裂特性。黃慶學(xué)等[10]采用3種工藝制備不銹鋼/碳鋼復(fù)合板坯并進(jìn)行熱軋，研究了不同制坯工藝下復(fù)合板復(fù)合界面的組織結(jié)構(gòu)及其性能。

在金屬機(jī)加工的過程中會產(chǎn)生大量的金屬切屑，這些金屬切屑表面積較大、占據(jù)空間大、有嚴(yán)重的污染性，傳統(tǒng)方法是將其回爐熔化，需要耗費(fèi)大量資源且效率低，會對環(huán)境造成二次污染[11]。預(yù)計(jì)到2025年，重點(diǎn)行業(yè)的單位工業(yè)增加值能耗、物耗及污染物排放將達(dá)到世界先進(jìn)水平[12]。以此為目標(biāo)，可以將碳鋼屑通過冷壓、熱壓、軋制等方法回收利用[11，13-17]，節(jié)約碳鋼資源。YASUMASA等[13]的研究發(fā)現(xiàn)，固體回收鋼和鑄鋼之間的性能沒有差異，證明固體回收是鋼的有效回收方法之一。OSAWA等[16-17]使用銅或鋁合金作為黏合劑來回收鐵屑，通過軋制實(shí)現(xiàn)鐵屑間的冶金結(jié)合，得到了具備一定強(qiáng)度和性能的試件。

1 實(shí)驗(yàn)材料及方法

1.1 實(shí)驗(yàn)材料的處理

復(fù)合板選用厚度為2 mm的304奧氏體不銹鋼作為覆層，基層使用銑床、刨床加工Q235鋼板產(chǎn)生的碳鋼屑，厚度小于1mm，寬度為1～2 mm，長度小于5 mm，呈卷曲狀，如圖1中碳鋼屑實(shí)物圖所示。實(shí)驗(yàn)材料的主要成分見表1，F(xiàn)e元素為余量，其中，碳鋼屑是以原材料Q235鋼板的參數(shù)為標(biāo)準(zhǔn)的。使用鋼絲直徑為0.5 mm的鋼絲刷對不銹鋼板待復(fù)合表面進(jìn)行打磨，去除表面污漬和氧化層，使新鮮金屬暴露出來。碳鋼屑通過丙酮脫脂、酒精清洗、10%鹽酸溶液酸洗、酒精清洗、烘干爐烘干共5個步驟，去除機(jī)加工時殘留的油脂和表面的氧化物，促進(jìn)碳鋼屑之間的結(jié)合。

圖1 試樣制備流程

表1 實(shí)驗(yàn)材料化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù))

1.2 試樣制備

為了減少后續(xù)熱軋過程中結(jié)合界面的氧化行為，對不銹鋼的開口進(jìn)行封焊，并焊接一根直徑為5 mm的不銹鋼管用于抽真空。使用真空抽氣機(jī)組抽真空后進(jìn)行封口，使坯料內(nèi)部真空度達(dá)到90 Pa，最終制備好的試樣如圖1中坯料實(shí)物圖所示。

1.3 實(shí)驗(yàn)方案

圖2是軋制過程示意以及每一道次對應(yīng)的復(fù)合板實(shí)物圖，圖2中為碳鋼屑軋制前相對密度為70%的復(fù)合板。軋制前采用隨爐加熱的方法，首先將試樣在箱式加熱爐中真空加熱至1150 ℃，爐內(nèi)保溫30 min，然后進(jìn)行三道次軋制，并且第一、二道次軋制后回爐保溫10 min。每道次壓下率分別為40%、40%、50%，總壓下率為82%，軋件初始厚度為20 mm，最終厚度為3.6 mm。發(fā)現(xiàn)復(fù)合板軋制時寬展變化不明顯，板長增加明顯，三道次軋制后板長390 mm左右。

圖2 軋制過程及復(fù)合板實(shí)物圖

1.4 分析設(shè)備和方法

從軋制后的試樣上取金相試樣并進(jìn)行拋光，用4%硝酸酒精溶液進(jìn)行腐蝕，顯示出碳鋼屑層組織。用JSM-IT500掃描電鏡及能譜儀觀察結(jié)合界面的組織形貌和進(jìn)行成分分析。按照圖3所示的尺寸制作骨狀拉伸試樣和剪切試樣，其中，t為不銹鋼層厚度。在Instron5969萬能試驗(yàn)機(jī)上對復(fù)合板進(jìn)行拉伸、剪切實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)束后對拉伸斷口進(jìn)行掃描電鏡觀察，分析形貌。

(a) 拉伸試樣尺寸

2 力學(xué)性能分析

2.1 壓制力與碳鋼屑相對密度的關(guān)系

圖4 碳鋼屑相對密度與壓制力曲線

可以看到，室溫下壓實(shí)碳鋼屑所需的壓制力隨著碳鋼屑相對密度的增大而增大，在相對密度達(dá)到70%之前，壓制力與相對密度大致呈線性關(guān)系，但在相對密度達(dá)到70%之后，隨著相對密度的增大，所需壓制力急劇增大，呈指數(shù)關(guān)系。將碳鋼屑相對密度壓實(shí)到80%所需壓制力為136.24 kN，而相對密度達(dá)到70%僅需壓制力54.56 kN。這也說明在相對密度達(dá)到70%之后，壓制所消耗的資源大量增加，從節(jié)約生產(chǎn)成本的角度，過大的碳鋼屑相對密度將增加工藝難度，不利于復(fù)合板的生產(chǎn)。

2.2 熱軋制后碳鋼屑相對密度

熱軋制后測量不銹鋼層和碳鋼屑層的厚度，其中，不銹鋼層是上下兩層的總厚度，結(jié)果如圖5所示。根據(jù)柱狀圖統(tǒng)計(jì)出基層和覆層的壓下率，并求出軋制前不同相對密度的試樣在軋制后的碳鋼屑層的相對密度，統(tǒng)計(jì)結(jié)果見表2。

圖5 熱軋制后復(fù)合板厚度

表2 軋制壓下率及相對密度

無論軋制前碳鋼屑相對密度為多少，軋制后密度均能達(dá)到Q235材料密度的95%以上，說明碳鋼屑層在三道次軋制后均致密，與不銹鋼板的密度差別不大，且由大到小排序依次為：不銹鋼層壓下率、不銹鋼/碳鋼屑復(fù)合板總壓下率、碳鋼屑層壓下率。這是由于碳鋼屑在室溫壓制后仍然存在孔隙，并沒有完全致密，而且軋制前相對密度越小，孔隙就越大。軋制力既作用在孔隙的縮小，又作用于兩種金屬各自的減薄與復(fù)合。在軋制過程中，碳鋼屑的孔隙首先縮小，在孔隙消失、碳鋼屑密度達(dá)到最大值時，軋制力才真正使不銹鋼板和碳鋼屑層厚度減小和兩層金屬復(fù)合，所以軋制前相對密度越大，軋制力作用于孔隙減小的部分就越小，碳鋼屑層的軋制后厚度也越大，相應(yīng)地，不銹鋼層熱軋壓下率就大，但小于復(fù)合板總壓下率。隨著碳鋼屑軋制前相對密度增大，碳鋼屑層和不銹鋼層兩者的壓下率差距逐漸減小，更接近于復(fù)合板總壓下率。

2.3 拉伸和剪切強(qiáng)度

各相對密度的剪切強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度、延伸率曲線如圖6所示。從圖6a可以看到，在同一累積壓下率下，剪切強(qiáng)度τ隨著碳鋼屑軋制前密度的增大而增大，橫向與軋向的大小區(qū)別不明顯，碳鋼屑相對密度為50%時復(fù)合板的剪切強(qiáng)度僅150 MPa左右，該值較低，不滿足使用要求；但相對密度為60%時剪切強(qiáng)度提升較大，軋向與橫向剪切強(qiáng)度分別為213.66 MPa和221.99 MPa，已經(jīng)達(dá)到國家標(biāo)準(zhǔn)中對I級不銹鋼復(fù)合板界面抗剪強(qiáng)度需大于210 MPa的要求[23]；相對密度為80%的復(fù)合板橫向剪切強(qiáng)度最大，為251.73 MPa。通過剪切強(qiáng)度可以判斷出，軋制前相對密度為50%時，不銹鋼層與碳鋼屑層僅為強(qiáng)度較低的機(jī)械嚙合，未產(chǎn)生冶金結(jié)合，結(jié)合上文分析，說明軋制力幾乎都作用于碳鋼屑自身的致密，少部分作用于兩層金屬的復(fù)合，所以剪切強(qiáng)度并不高。在相對密度達(dá)到60%時，軋制力較多地作用于金屬復(fù)合，開始滿足強(qiáng)度要求，并且隨著相對密度的增大，軋制力對金屬復(fù)合的作用也就越明顯。

從圖6b中延伸率曲線可以看出，延伸率(用A表示)隨著相對密度的增大而增大，與剪切強(qiáng)度的規(guī)律一致，并且很明顯，橫向延伸率均要好于軋向延伸率，碳鋼屑相對密度為80%的復(fù)合板的延伸率最大，橫向延伸率達(dá)到56.51%。碳鋼屑相對密度為50%的復(fù)合板延伸率僅為30%～32%，明顯小于其他密度，這是因?yàn)樵谠撁芏认拢讳P鋼層與碳鋼層結(jié)合強(qiáng)度低，導(dǎo)致拉伸時兩者變形不同步，碳鋼層提前斷裂，這也說明在50%相對密度下，碳鋼屑本身的延伸性較差，要低于不銹鋼層，其余密度的復(fù)合板，兩種金屬是同步斷裂的。軋向延展性較差的原因是復(fù)合板在軋制過程中，不銹鋼和碳鋼屑已經(jīng)在沿軋制方向產(chǎn)生了很大的變形，所以在軋制后延展性不如橫向延展性。

(a) 剪切強(qiáng)度

圖6b中的抗拉強(qiáng)度(用Rm表示)柱狀圖說明，無論是軋向還是橫向，碳鋼屑相對密度為50%～70%時，復(fù)合板的抗拉強(qiáng)度隨著碳鋼屑相對密度的增大而增大。碳鋼屑相對密度為70%的復(fù)合板橫向的抗拉強(qiáng)度最大，為589.97 MPa,相對密度為80%的復(fù)合板的抗拉強(qiáng)度比70%的復(fù)合板有所減小，每種密度下橫向的抗拉強(qiáng)度均大于軋制方向的抗拉強(qiáng)度。據(jù)此推測，不銹鋼/碳鋼屑復(fù)合板的抗拉強(qiáng)度與3種因素有關(guān)。首先，抗拉強(qiáng)度與碳鋼屑材料自身的結(jié)合強(qiáng)度有關(guān)，碳鋼屑相對密度越大，自身的結(jié)合強(qiáng)度就越高，延伸性也越接近不銹鋼板的延伸率；其次，抗拉強(qiáng)度與復(fù)合板界面的結(jié)合強(qiáng)度有關(guān)，碳鋼屑相對密度越大，剪切強(qiáng)度就越大，不銹鋼層與碳鋼層在拉伸時的變形就更加一致，均勻受力，增大了復(fù)合板的抗拉強(qiáng)度；最后，碳鋼屑層和不銹鋼層的厚度比例也影響著復(fù)合板的抗拉強(qiáng)度，由上述討論得知，碳鋼屑軋制前相對密度越大，軋制后的不銹鋼層就越薄，由于不銹鋼本身的抗拉強(qiáng)度要大于Q235的抗拉強(qiáng)度，所以不銹鋼層薄的復(fù)合板的抗拉強(qiáng)度就低于不銹鋼層厚試樣的抗拉強(qiáng)度。這3種因素相互作用，結(jié)果如圖7所示，由于50%密度的結(jié)果明顯低于其他密度的結(jié)果，也證明結(jié)合強(qiáng)度的影響要大于厚度比例的影響。

(a) 50%相對密度

3 微觀結(jié)構(gòu)分析

3.1 界面微觀結(jié)構(gòu)分析

復(fù)合板微觀組織以及結(jié)合界面放大圖如圖7所示。圖7a～圖7d分別對應(yīng)軋制前碳鋼屑相對密度50%～80%的復(fù)合板。

從微觀組織圖中可以看到每種相對密度下的碳鋼屑層組織均由黑色的鐵素體和白色的珠光體構(gòu)成，碳鋼屑軋制前密度越大，軋制時作用于碳鋼屑的軋制力就越大，碳鋼屑層的晶粒就越小，相對密度為80%的復(fù)合板晶粒體積大約為50%相對密度復(fù)合板晶粒體積的1/3。晶粒越小，材料的延展性就越好，這從微觀組織的角度解釋了復(fù)合板延展性隨著碳鋼屑相對密度的增大而增大的原因。結(jié)合界面沿軋制方向大致呈直線形貌，由于碳鋼屑在壓制時的形狀差異，使得結(jié)合界面各處的加工硬化程度不同，不銹鋼內(nèi)側(cè)在壓制時與碳鋼屑形成了齒狀連接，軋制時這種齒狀界面被軋平，起到機(jī)械嚙合的作用，相對密度越大，軋制力就越大，機(jī)械嚙合效果就越好。

觀察結(jié)合界面的放大圖，發(fā)現(xiàn)在相對密度為50%時，復(fù)合板結(jié)合界面有一條相對較寬的黑色夾雜物條帶，寬約4 μm。隨著碳鋼屑軋制前相對密度的增大，結(jié)合界面變窄，相對密度60%的復(fù)合板僅寬0.5～1 μm。在70%相對密度下，結(jié)合界面有一條不連續(xù)的黑色夾雜物條帶。相對密度為80%時，黑色夾雜物數(shù)量減少，體積也變小，明顯的結(jié)合界面幾乎不可見，這是由于碳鋼屑相對密度增大后，在同一壓下率下，不銹鋼與碳鋼屑的變形應(yīng)力增大，碾碎了界面生成的化合物，這就有利于兩者的冶金結(jié)合，并且80%相對密度的機(jī)械嚙合效果也最好，這就從兩方面解釋了復(fù)合板剪切強(qiáng)度隨著相對密度增大而增大的原因。

為了明確黑色夾雜物的組成成分，分別對有、無黑色夾雜物的界面進(jìn)行EDS線掃描，分析兩種金屬之間的元素擴(kuò)散情況，掃描結(jié)果分別如圖8和圖9所示。

圖8 黑色夾雜物附近的元素擴(kuò)散

圖9 結(jié)合界面(無夾雜物)的元素擴(kuò)散

圖8是掃描60%相對密度復(fù)合板結(jié)合界面的結(jié)果，可以看到在界面存在黑色夾雜物的情況下，從不銹鋼層一側(cè)到結(jié)合界面，Cr元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)是先變小再明顯增大的，在夾雜物處達(dá)到峰值，要遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于在不銹鋼中的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，然后在碳鋼屑一側(cè)逐漸過渡到0。而Fe元素的變化過程剛好相反，在不銹鋼層靠近結(jié)合界面的位置，F(xiàn)e元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)大于其在不銹鋼層的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，在夾雜物處最小，并且小于Cr元素，F(xiàn)e應(yīng)該在結(jié)合界面處與Cr形成了化合物，然后Fe質(zhì)量分?jǐn)?shù)迅速增大，過渡到與碳鋼屑中Fe質(zhì)量分?jǐn)?shù)一致。Ni元素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)從不銹鋼層到碳鋼屑層逐漸過渡到0。圖8中分別標(biāo)示出Cr和Ni元素的擴(kuò)散距離，可以看到Cr元素的擴(kuò)散距離約為6 μm，而Ni元素的擴(kuò)散距離僅有1.5 μm。

當(dāng)結(jié)合界面不存在黑色夾雜物時，即80%相對密度的復(fù)合板結(jié)合界面，掃描結(jié)果如圖9所示，可以看出結(jié)合界面處存在Cr、Ni、Fe等元素的擴(kuò)散，與存在黑色夾雜物不同的是，各元素從不銹鋼鋼層到碳鋼屑層均平穩(wěn)過渡，未發(fā)生突變，同理，Cr元素從不銹鋼側(cè)向碳鋼屑側(cè)的擴(kuò)散距離(約8 μm)要大于Ni元素的擴(kuò)散距離(約4 μm)。

對60%相對密度的復(fù)合板結(jié)合界面處夾雜物進(jìn)行能譜分析，位置是圖8中的紅十字標(biāo)識，分析結(jié)果見圖10，結(jié)果表明界面處化合物元素成分為C-Cr-Fe。由于熱軋時的高溫加熱提高了C和Cr的擴(kuò)散距離，故生成了C-Cr化合物，但該碳化物生成后，會阻止Cr元素從不銹鋼側(cè)向碳鋼屑一側(cè)的擴(kuò)散，所以有黑色夾雜物時Cr的擴(kuò)散距離(6 μm)要小于沒有夾雜物時Cr的擴(kuò)散距離(8 μm)，對Ni元素的擴(kuò)散也有一定的影響。這是一種脆性化合物，它會降低復(fù)合板界面的結(jié)合強(qiáng)度，這就解釋了碳鋼屑軋制前相對密度為50%的復(fù)合板剪切強(qiáng)度很低(低于國家標(biāo)準(zhǔn))的原因。其他相對密度情況下的剪切強(qiáng)度提高的原因是，在加熱溫度和加熱時間相同的情況下，碳鋼屑相對密度越大，越容易在軋制時將脆性夾雜物碾碎，促進(jìn)Cr和Ni元素的擴(kuò)散，從而產(chǎn)生冶金結(jié)合。

圖10 界面夾雜物的能譜分析

圖11為碳鋼屑層微觀組織的放大圖，可以明顯觀察到碳鋼屑層靠近結(jié)合界面處的組織均是黑色的鐵素體，不存在珠光體組織，形成了脫碳層。這是由于碳鋼屑的碳元素含量大于不銹鋼側(cè)，并且在碳鋼屑側(cè)的擴(kuò)散速率高，碳元素向不銹鋼一側(cè)擴(kuò)散，形成了上坡擴(kuò)散和界面碳元素的峰值。脫碳層厚度隨著碳鋼屑軋制前相對密度的增大而變大。

(a) 50%相對密度

3.2 拉伸斷口形貌分析

對拉伸過后試樣的斷口形貌進(jìn)行觀察，圖12分別為4種不同相對密度的斷口宏觀形貌特征。圖12c和圖12d為有結(jié)合界面的局部放大圖。

(a) 50%相對密度

從斷口尺寸上看，相同壓下量的復(fù)合板試樣，碳鋼屑相對密度越大，拉伸斷口的厚度就越小，這是因?yàn)槔煸嚇拥难由煨栽胶?，斷裂時縮頸就越嚴(yán)重。碳鋼屑相對密度為50%和60%的復(fù)合板試樣，不銹鋼層與碳鋼屑層斷裂的位置不一致，如圖12a和圖12b所示，下層不銹鋼斷裂的位置與中部碳鋼屑層不在同一平面，斷口照片無法拍到下層不銹鋼，并且在同一位置斷裂的兩層金屬(上層不銹鋼與碳鋼屑層)開裂嚴(yán)重，有明顯的分離。從相對密度為70%與80%的結(jié)合界面局部放大圖可以看到，復(fù)合板在拉伸斷裂后，兩種金屬并沒有產(chǎn)生明顯的裂紋，并且相對密度越大，結(jié)合得越緊密。

觀察拉伸斷口的微觀特征, 發(fā)現(xiàn)4種試樣均為韌窩斷裂，圖13所示為拉伸試樣斷口的碳鋼屑層的韌窩特征?？梢钥闯?，相對密度為50%的復(fù)合板試樣的韌窩數(shù)量較多、體積小、深度淺，隨著相對密度的增大，韌窩數(shù)量減少，深度加深，這與拉伸實(shí)驗(yàn)的結(jié)果一致，韌窩越大，材料的塑性就越好，延伸率就越大。值得注意的是，相對密度為50%的試樣的碳鋼屑層內(nèi)部產(chǎn)生了裂紋，如圖14所示，裂紋最寬達(dá)7 μm。這說明該密度下，碳鋼屑材料本身就沒有形成冶金結(jié)合，這也是該密度下的復(fù)合板性能最差的根本原因。

(a) 50%相對密度

圖14 碳鋼屑層的裂紋

4 結(jié)論

(1)室溫下碳鋼屑相對密度隨著壓制力的增大而增大，相對密度達(dá)到70%后，所需壓制力急劇增大。

(2)真空熱軋制后的碳鋼屑層相對密度均在95%以上，近似于致密的Q235鋼板，在一定范圍內(nèi)，與軋制前相對密度的關(guān)系不大。

(3)除50%相對密度以外，其余相對密度的復(fù)合板的剪切強(qiáng)度都達(dá)到了國家標(biāo)準(zhǔn)的要求，并且相對密度越大，齒狀界面越被軋平，界面的夾雜物數(shù)量越少、體積越小，脫碳層越厚，越有利于兩種金屬的機(jī)械嚙合和冶金結(jié)合，剪切強(qiáng)度就越大。相對密度為70%的復(fù)合板抗拉強(qiáng)度最大，達(dá)589.97 MPa；延伸率隨著相對密度的增大而增大， 相對密度為80%的復(fù)合板延伸率達(dá)56.51%。