軋制壓下率對(duì)碳鋼/不銹鋼復(fù)合板界面結(jié)合性能的影響

李天妹,丁文紅,明亞飛,吳夢(mèng)先,楊 赟

(1.武漢科技大學(xué)耐火材料與冶金國(guó)家重點(diǎn)試驗(yàn)室，武漢 430081;2.武漢一冶鋼結(jié)構(gòu)有限責(zé)任公司研發(fā)中心，武漢 430083)

0 引 言

目前單一金屬材料已經(jīng)不能滿(mǎn)足現(xiàn)代工業(yè)發(fā)展需求，由不同材料制成的復(fù)合板應(yīng)運(yùn)而生。不銹鋼/碳鋼復(fù)合板是應(yīng)用最廣泛的層狀復(fù)合材料之一，該材料既具有不銹鋼良好的耐腐蝕性、耐磨性、抗磁性、美觀(guān)性和裝飾性，又具有碳鋼良好的焊接性、成形性、拉延性和導(dǎo)熱性，在航天、石油、化工、航海等領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用[1-5]

提高復(fù)合板界面結(jié)合強(qiáng)度是制備優(yōu)質(zhì)復(fù)合板的主要目標(biāo)。影響復(fù)合板界面結(jié)合強(qiáng)度的關(guān)鍵因素主要包括易引起微裂紋萌生的界面夾雜物以及引起組織強(qiáng)度降低的脫碳層[6-7]。真空熱軋能夠有效降低界面氧化夾雜物的產(chǎn)生概率[8-11]，使得界面結(jié)合強(qiáng)度的影響因素僅為脫碳層。但由于我國(guó)對(duì)層狀金屬?gòu)?fù)合材料的研究起步較晚，對(duì)于真空熱軋的核心技術(shù)掌握不夠，目前大規(guī)模生產(chǎn)該材料的方法仍主要為直接熱軋法、釬焊軋制法等[12]。已有研究[12-17]表明，提高軋制壓下率可以使不銹鋼復(fù)合板的界面夾雜物細(xì)化，并減少界面孔洞數(shù)量，使復(fù)合板基板和覆板之間形成很好的冶金結(jié)合，從而提高界面結(jié)合強(qiáng)度。因此，可以考慮通過(guò)改善界面夾雜物的形貌和分布來(lái)減少其對(duì)界面結(jié)合強(qiáng)度的不利影響。但是，軋制壓下率的提高也會(huì)使碳鋼側(cè)出現(xiàn)脫碳鐵素體區(qū)，導(dǎo)致強(qiáng)度降低[18]。目前，未見(jiàn)有關(guān)不同軋制壓下率下不銹鋼/碳鋼復(fù)合板界面夾雜物和脫碳層對(duì)結(jié)合強(qiáng)度關(guān)聯(lián)性影響的報(bào)道。為此，作者以Q235碳鋼為基板、304奧氏體不銹鋼為覆板，采用非真空軋制非對(duì)稱(chēng)組坯方式在不同壓下率下制備不銹鋼/碳鋼復(fù)合板，研究了復(fù)合板界面處的顯微組織、夾雜物形貌、硬度和剪切強(qiáng)度，探討了不同軋制壓下率下界面夾雜物與脫碳層對(duì)復(fù)合板界面結(jié)合強(qiáng)度的競(jìng)爭(zhēng)性影響，為制備低成本高品質(zhì)不銹鋼/碳鋼復(fù)合板提供參考。

1 試樣制備與試驗(yàn)方法

圖1 復(fù)合板的組坯形式Fig.1 Form of billet assembly of clad plate

表1 Q235 碳鋼和304不銹鋼的化學(xué)成分Table 1 Chemical composition of Q235 carbon steel and 304 stainless steel %

表2 復(fù)合板的軋制工藝參數(shù)Table 2 Rolling process parameters of clad plate

在復(fù)合板界面附近截取金相試樣，經(jīng)打磨、拋光后，采用ZeissAxioplan型光學(xué)顯微鏡(OM)觀(guān)察界面夾雜物形貌，再分別用體積分?jǐn)?shù)4%硝酸酒精溶液和質(zhì)量分?jǐn)?shù)10%鉻酸對(duì)碳鋼和不銹鋼腐蝕后，觀(guān)察其界面顯微組織。采用Nova Nano SEM400型場(chǎng)發(fā)射掃描電鏡(SEM)附帶的能譜儀(EDS)對(duì)界面進(jìn)行元素線(xiàn)掃描，并對(duì)界面夾雜物成分進(jìn)行分析。采用HV-1000B型顯微維氏硬度計(jì)測(cè)界面附近的硬度，載荷為0.1 N，保載時(shí)間為10 s,測(cè)試間距為25 μm。按照GB/T 6396—2008，在復(fù)合板上沿軋制方向的前、中、后位置截取剪切試樣，利用Instron 3382型拉伸試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行室溫剪切試驗(yàn)，應(yīng)變速率為 2 s-1，得到試樣的剪切強(qiáng)度，即為復(fù)合板的界面結(jié)合強(qiáng)度。剪切試驗(yàn)后用Nova Nano SEM400型場(chǎng)發(fā)射掃描電鏡觀(guān)察斷口形貌。

2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 對(duì)界面夾雜物形貌的影響

由圖2可以看出：當(dāng)軋制總壓下率為28%時(shí)，復(fù)合板界面處的夾雜物呈集中分布的塊狀；當(dāng)軋制總壓下率為37%時(shí)，夾雜物的形貌由塊狀變?yōu)楸馄角疫B續(xù)分布的長(zhǎng)條狀；當(dāng)軋制總壓下率為47%時(shí)，夾雜物從連續(xù)長(zhǎng)條狀變?yōu)楸容^分散的條狀和顆粒狀；當(dāng)軋制總壓下率為59%，70%時(shí)，夾雜物呈均勻分布的顆粒狀，單位面積內(nèi)可見(jiàn)的夾雜物變少。由圖3可知，隨著總壓下率由28%增加到70%，單位長(zhǎng)度范圍內(nèi)夾雜物顆粒的寬度從15 μm減小到約2 μm，長(zhǎng)度從約45 μm增加到90 μm后減小至2 μm，總長(zhǎng)度逐漸增加。由此可見(jiàn)，軋制總壓下率對(duì)界面夾雜物的形貌和分布有較大影響，隨著軋制總壓下率的增大，夾雜物由集中分布的塊狀變?yōu)榫鶆蚍植嫉念w粒狀。

圖2 不同總壓下率軋制得到復(fù)合板界面夾雜物形貌Fig.2 Morphology of interface inclusion of clad plate by rolling with different total reductions

圖3 不同總壓下率軋制得到復(fù)合板界面夾雜物尺寸Fig.3 Interface inclusion size of clad plate by rolling with different rolling reductions

2.2 對(duì)界面夾雜物成分的影響

由圖4可以看出：當(dāng)軋制總壓下率由37%增大到47%時(shí)，復(fù)合板界面附近鐵、鉻元素的擴(kuò)散程度增加；當(dāng)軋制總壓下率由59%增大到70%時(shí)，鐵、鉻元素?cái)U(kuò)散程度未出現(xiàn)明顯增加趨勢(shì)。由表3可以看出，復(fù)合板界面夾雜物主要含有硅、鉻、錳、鐵、氧元素，其中：鐵元素為不銹鋼和碳鋼的固有元素，含量較高；氧元素主要是由于制坯過(guò)程并非真空環(huán)境，坯體中有少量氧氣殘留而產(chǎn)生的；硅、錳元素是304不銹鋼和Q235碳鋼中都含有的合金元素；鉻元素主要來(lái)自在高溫軋制過(guò)程中從不銹鋼側(cè)擴(kuò)散至界面的鉻。元素與氧的親和能力決定了各種元素與氧結(jié)合的先后順序，親和力越高，二者越容易結(jié)合。根據(jù)梁英教等[19]提出的金屬氧化自由能大小關(guān)系：硅、錳最容易與氧結(jié)合，其次是鉻，最后是鐵。由此推測(cè)，界面處的夾雜物可能為Si-Mn-Fe-Cr的氧化物聚合體。

圖4 不同總壓下率軋制得到復(fù)合板界面元素線(xiàn)掃描結(jié)果Fig.4 Element linear scanning results of interface of clad plate by rolling with different total rolling reductions

表3 不同總壓下率軋制得到復(fù)合板界面夾雜物的EDS分析結(jié)果Table 3 EDS analysis results of interface inclusions of clad plate by rolling with different total rolling reductions

2.3 對(duì)界面顯微組織的影響

由圖5可以看出，隨著軋制總壓下率的增大，復(fù)合板界面附近不銹鋼側(cè)晶粒細(xì)化，原因可能是原始奧氏體晶粒在軋制壓力作用下破碎并發(fā)生動(dòng)態(tài)再結(jié)晶，總壓下率越大，晶粒再結(jié)晶程度越大，晶粒細(xì)化越明顯，此外動(dòng)態(tài)再結(jié)晶和碳化物顆粒在晶界的聚集起到釘扎作用，可阻止晶界滑移，使得晶粒更加細(xì)小。當(dāng)軋制總壓下率為28%，37%，47%，59%，70%時(shí)，不銹鋼側(cè)奧氏體平均晶粒尺寸分別約為80,75,60,40,20 μm。復(fù)合板界面附近不銹鋼側(cè)形成滲碳層，當(dāng)總壓下率為70%時(shí)，滲碳層最明顯，其厚度約為80 μm。當(dāng)軋制總壓下率為28%時(shí)，界面碳鋼側(cè)顯微組織主要是奧氏體與滲碳體，未出現(xiàn)明顯脫碳層；當(dāng)軋制總壓下率為37%時(shí)，奧氏體仍然呈大片塊狀連續(xù)分布，珠光體含量增加，界面處仍未出現(xiàn)明顯脫碳層；當(dāng)軋制總壓下率為47%時(shí)，鐵素體開(kāi)始形成，奧氏體依舊存在于復(fù)合界面，晶界處有黑色碳化物聚集，界面處脫碳層厚度約為10 μm；當(dāng)軋制總壓下率增加到59%時(shí)，界面處碳鋼側(cè)組織主要為粒狀貝氏體，脫碳層厚度約為8 μm；當(dāng)軋制總壓下率達(dá)到70%時(shí)，界面碳鋼側(cè)組織主要包括晶界明顯且晶粒大小均勻的鐵素體以及少量珠光體，脫碳層厚度約為50 μm。

圖5 不同總壓下率軋制得到復(fù)合板界面附近的顯微組織Fig.5 Microstructures near interface of clad plate by rolling with different total rolling reductions

2.4 對(duì)界面附近硬度的影響

由圖6可以看出：界面附近碳鋼側(cè)的整體硬度低于不銹鋼側(cè)，距界面20 μm處碳鋼側(cè)的硬度最低，這是因?yàn)樘间搨?cè)的碳元素在軋制過(guò)程中向界面擴(kuò)散，導(dǎo)致碳鋼側(cè)形成脫碳層，脫碳層主要為鐵素體組織，顯微硬度較低；在距界面200 μm的不銹鋼側(cè)出現(xiàn)硬度峰值。在軋制過(guò)程中，碳鋼側(cè)的碳元素?cái)U(kuò)散至不銹鋼側(cè)，不銹鋼側(cè)的鉻、鎳在濃度梯度的作用下向界面擴(kuò)散，但碳在鋼中的擴(kuò)散系數(shù)比鉻、鎳大，碳先到達(dá)不銹鋼側(cè)，導(dǎo)致在界面附近不銹鋼側(cè)形成硬度較高的碳化物，在圖5(e)中也可觀(guān)察到明顯的滲碳層，因此該處的硬度較高[7]。70%總壓下率時(shí)界面附近的整體硬度最低，28%總壓下率時(shí)的整體硬度次之，而37%～59%總壓下率時(shí)的整體硬度均較高。在軋制總壓下率為37%～47%時(shí)，界面附近區(qū)域組織由奧氏體和聚集在晶界處的碳化物組成，而在壓下率為59%時(shí)，脫碳層厚度小于10 μm，碳鋼側(cè)主要由粒狀貝氏體組成，硬度偏高；軋制總壓下率為70%時(shí)，硬度谷、峰值最低，此時(shí)的脫碳層完全由鐵素體組成，為完全脫碳層，相比于鐵素體和珠光體的混合組織以及粒狀貝氏體，鐵素體硬度更低，因此總壓下率為70%時(shí)的碳鋼側(cè)近界面處硬度最低；此時(shí)由碳鋼擴(kuò)散至不銹鋼的碳元素總量增加，不銹鋼中的鉻析出與碳結(jié)合而形成貧鉻區(qū)，因此不銹鋼側(cè)的硬度也最低。

圖6 不同總壓下率軋制得到復(fù)合板界面附近的硬度分布曲線(xiàn)Fig.6 Hardness distribution curves near interface of clad plate by rolling with different total rolling reductions

2.5 對(duì)界面結(jié)合強(qiáng)度的影響

由圖7可以看出，當(dāng)軋制總壓下率由28%增大到47%時(shí)，界面結(jié)合強(qiáng)度升高，但總壓下率由47%繼續(xù)升高時(shí)，界面結(jié)合強(qiáng)度降低。當(dāng)軋制總壓下率為28%時(shí)，界面夾雜物主要呈塊狀，在剪切過(guò)程中夾雜物周?chē)a(chǎn)生較大的應(yīng)力集中而易萌生裂紋，因此界面結(jié)合強(qiáng)度較低[20]。當(dāng)軋制總壓下率增大到37%時(shí)，界面夾雜物由集中分布的塊狀逐漸變?yōu)殚L(zhǎng)條狀，所產(chǎn)生的集中應(yīng)力較小,不易萌生裂紋，結(jié)合性能改善。當(dāng)軋制總壓下率為70%時(shí)，夾雜物呈均勻分散的顆粒狀，但是界面結(jié)合強(qiáng)度卻較低，這與碳鋼側(cè)的脫碳層有關(guān)。

圖7 不同總壓下率軋制得到復(fù)合板的界面結(jié)合強(qiáng)度Fig.7 Interface bonding strength of clad plate by rolling with different total rolling reductions

隨著軋制壓下率的增大，金屬內(nèi)應(yīng)力增大，晶界畸變能升高，晶界處形核位置增多，金屬發(fā)生動(dòng)態(tài)再結(jié)晶，晶粒尺寸減小[21]；晶粒細(xì)化導(dǎo)致晶界界面能升高，碳原子更加容易聚集在晶界處并與合金元素結(jié)合形成碳化物[22]，析出的碳化物起到釘扎作用進(jìn)一步抑制晶粒長(zhǎng)大[23]。層狀金屬板在熱軋時(shí)通過(guò)元素?cái)U(kuò)散使界面處實(shí)現(xiàn)冶金結(jié)合。碳鋼中的碳含量明顯高于不銹鋼，在熱軋時(shí)界面附近碳元素的濃度梯度作用下向不銹鋼中擴(kuò)散，碳鋼側(cè)形成脫碳鐵素體層，而不銹鋼側(cè)形成滲碳層[24]。隨著總壓下率的增大，不銹鋼晶粒尺寸減小導(dǎo)致晶界增多，為碳原子擴(kuò)散提供了快速通道，使得碳原子更加容易擴(kuò)散至不銹鋼中，因此當(dāng)軋制壓下率為70%時(shí)，脫碳層厚度達(dá)到50 μm。隨著軋制壓下率的增大，碳鋼側(cè)的晶粒變得更加細(xì)小均勻。由于低強(qiáng)度鋼的疲勞裂紋擴(kuò)展門(mén)檻值隨晶粒度的增大而減小[25]，同時(shí)晶粒度增大，晶界第二相增多，金屬抗蠕變能力減弱[26]，因此碳鋼側(cè)裂紋擴(kuò)展更加容易。由此可知，尺寸小的晶粒不僅促進(jìn)了低強(qiáng)度脫碳層的形成，還使得裂紋更加容易擴(kuò)展。綜上，軋制總壓下率高于47%時(shí)，復(fù)合板界面附近碳鋼側(cè)脫碳層的形成是導(dǎo)致復(fù)合板界面結(jié)合強(qiáng)度降低的主要因素，而在軋制總壓下率低于47%時(shí)，界面夾雜物的存在是導(dǎo)致復(fù)合板界面結(jié)合強(qiáng)度降低的主要原因。軋制總壓下率在47%時(shí)，脫碳層的影響較小，界面夾雜物的影響減弱，此時(shí)復(fù)合板界面結(jié)合性能較好。

2.6 對(duì)剪切斷口形貌的影響

由圖8可以看出：當(dāng)軋制總壓下率為37%時(shí)，斷口相對(duì)于結(jié)合界面的平直度接近0，有少量碳鋼黏附于不銹鋼側(cè)，由于該壓下率下的界面夾雜物呈塊狀，應(yīng)力集中較大[27]，因此剪切時(shí)復(fù)合板易在界面結(jié)合處斷裂；當(dāng)軋制總壓下率為47%時(shí)，斷口與結(jié)合界面不完全平行而是存在30°角度，斷裂位置由界面向碳鋼側(cè)的脫碳層區(qū)域延伸，隨著軋制總壓下率的增大，界面處的夾雜物由集中分布的塊狀轉(zhuǎn)變?yōu)檠亟缑婢鶆蚍植嫉念w粒狀，界面處的應(yīng)力集中減小，因此復(fù)合板更容易在脫碳層處斷裂；當(dāng)軋制總壓下率達(dá)到70%時(shí)，斷口相對(duì)復(fù)合界面的平直度接近0，斷口位置完全位于碳鋼側(cè)脫碳層。

圖8 不同總壓下率軋制得到復(fù)合板剪切試驗(yàn)后的斷口形貌Fig.8 Fracture morphology of clad plate by rolling with different total rolling reductions after shear tests

3 結(jié) 論

(1)軋制壓下率會(huì)對(duì)Q235碳鋼/304不銹鋼復(fù)合板界面夾雜物的形貌和分布產(chǎn)生影響，當(dāng)軋制總壓下率由28%增大到70%時(shí)，界面夾雜物由集中分布的塊狀變?yōu)榫鶆蚍植嫉念w粒狀，界面夾雜物主要含有硅、鉻、錳、鐵、氧元素，為硅、鉻、錳、鐵的氧化物聚合體。

(2)當(dāng)軋制總壓下率由28%增大到70%時(shí)，界面不銹鋼側(cè)出現(xiàn)滲碳層，奧氏體晶粒尺寸減小，碳鋼側(cè)出現(xiàn)脫碳層，組織由奧氏體與滲碳體轉(zhuǎn)變?yōu)榈容S鐵素體與少量珠光體；當(dāng)軋制總壓下率為70%時(shí)，碳鋼側(cè)出現(xiàn)厚度約為50 μm的脫碳層，不銹鋼側(cè)出現(xiàn)厚度約為80 μm的滲碳層，硬度谷、峰值最低。

(3)隨著軋制總壓下率的增大，復(fù)合板界面結(jié)合強(qiáng)度先增大后減小，總壓下率為47%時(shí)的界面結(jié)合強(qiáng)度最大，剪切斷口與結(jié)合界面呈30°角度，斷裂位置由界面向碳鋼側(cè)的脫碳層區(qū)域延伸。

(4)軋制總壓下率高于47%時(shí)，復(fù)合板界面附近碳鋼側(cè)脫碳層的形成是導(dǎo)致復(fù)合板界面結(jié)合強(qiáng)度降低的主要因素，而在軋制總壓下率低于47%時(shí)，界面夾雜物的存在是導(dǎo)致復(fù)合板強(qiáng)度降低的主要原因。復(fù)合板在非真空條件下可通過(guò)合理控制軋制壓下率來(lái)平衡界面夾雜物和脫碳層對(duì)界面結(jié)合強(qiáng)度的競(jìng)爭(zhēng)性影響，從而實(shí)現(xiàn)低成本、高質(zhì)量碳鋼/不銹鋼復(fù)合板的制備。