不锈钢_碳钢冷轧复合机理的研究

August󰀁2004

钢󰀁铁󰀁研󰀁究

ResearchonIron&Steel

第4期(总第139期)

No.4󰀁(Sum139)

不锈钢󰀁碳钢冷轧复合机理的研究

祖国胤,王󰀁宁,于九明,温景林

(东北大学轧制技术及连轧自动化国家重点实验室,辽宁沈阳110004)

摘󰀁要:通过对不锈钢󰀁碳钢复合板冷轧工艺的研究,提出了不锈钢󰀁碳钢冷轧复合的结合机理。分析了影响不锈钢与碳钢复合的主要因素,指出扩散退火可以明显提高复合界面的结合性能。得到的实验数据对于开发新的不锈钢󰀁碳钢复合板冷轧工艺有指导作用。

关键词:不锈钢󰀁碳钢复合板;冷轧;复合界面;扩散退火

中图分类号:TG14.71󰀁文献标识码:A󰀁文章编号:1001-1447(2004)04-0032-03

RESEARCHONBONDINGMECHANISMOFCOMPOSITECOLD

ROLLINGPLATEOFSTAINLESSSTEEL󰀁STEEL

ZUGuo-yin,WANGNing,YUJiu-min,WENJing-lin(TheStateKeyLabofRollingTechnologyandAutomation,

NortheastrnUniversityShenyang110004,China)

Synopsis:Througharesearchonthecoldrollingprocessofcompositecoldrollingplateofstainlesssteel󰀁steel,thebondingmechanismofthecompositeplateisputforwardinthispaper.Mainfactorsthatinfluencethebondingofthecompositeplateareanalyzed.Itisindicatedthatdiffusionannealingcanobviouslyraisethebondingperformanceofbondinginterface.Thedataobtainedbytheexperimentscanbeusedasguidingreferencetodevelopnewproductionprocessesofcompositecoldrollingplateofstainlesssteel󰀁steel.

Keywords:compositecoldrollingplateofstainlesssteel󰀁steel;coldrolling;bondinginterface;diffusionannealing

1󰀁前󰀁言

不锈钢󰀁碳钢复合板是近年来发展起来的一种新兴复合材料,它兼有不锈钢耐腐蚀、外观豪华

和碳钢刚度高、成本低的特点,成为传统材料一种

[1]

重要的替代品。目前不锈钢󰀁碳钢复合板已经广泛应用于化工、原子能、海洋开发,造船工业等要求耐腐蚀的领域中,另外在建筑业和民用方面

[2]

的用量也在不断增长,因此开发研制不锈钢󰀁碳钢复合板的生产工艺具有广阔的应用前景。

目前我国生产双金属复合板的工艺方法仍多采用热轧和爆炸复合,冷轧复合还没有得到广泛应用。这主要是由于对冷轧复合机理的研究还不够深入,尤其是诸如不锈钢等高熔点的硬金属复

合轧制时存在的轧机负荷较大问题,极大限制了

[3]

冷轧复合技术的推广应用。因此目前发展双金属固相复合技术的问题一方面是要加强新的复合工艺技术的开发,另一方面也需要加强对固相复合的理论研究,以期更加有效地提高技术水平和生产能力。在本实验中系统地研究了双金属固相冷轧复合工艺的复合机理,主要探讨了不锈钢与碳钢冷轧复合中所存在的主要问题,并分析了提高不锈钢与碳钢界面结合性能的方法。2󰀁试验材料和方法

2.1󰀁实验材料

(1)不锈钢:采用奥氏体不锈钢304,规格为:长200mm,宽20mm,厚0.27mm。主要成分(质量

作者简介:祖国胤(1977-),男,黑龙江齐齐哈尔市人,博士,主要从事轧制技术研究.

󰀁32󰀁分数󰀁%)为Cr18.19,Ni8.34,Mn1.2,Si0.47,C0.05,󰀁,Fe余量。

(2)低碳钢:采用Q235低碳钢,规格为:长200mm,宽20mm,厚1.95mm。主要成分(质量分数󰀁%)为C0.1,Si0.5,Mn0.8,󰀁,Fe余量。2.2󰀁实验方法

实验中需要首先对碳钢及不锈钢表面进行清理,在复合材料生产工艺的研究中,表面清理,在复合材料生产工艺的研究中,表面清理是一项十分重要的工序,清理效果的好坏直接决定着复合板的各项力学性。不锈钢在复合前的清理应当首先进行脱脂,清除掉附着在表面的油脂和污物,然后进行酸液清洗和手工的机械清刷,这样就可以获得洁净、干燥,带有表面凸起的的不锈钢板。对于碳钢表面的清理,主要有碱液除油、酸洗活化、钝化处理,机械打磨等工序。清理后的两种母材叠放在一起,为了防止在轧制过程中出理󰀁跑偏󰀁的问题,对先进入轧机的一端进行点焊,然后轧件送入󰀁180mm二辊轧机进行轧制。首道次的压下率控制在40%~60%之间。

对于采用冷轧工艺生产的不锈钢󰀁碳钢复合板,研究了复合界面以及剥离面的结合情况。结合已经了解得比较透彻的钢󰀁铝,钢󰀁铜之间的复合机理,分析了不锈钢󰀁碳钢冷轧复合的机理。针对不锈钢󰀁碳钢冷轧复合所存在的主要问题,提出了提高界面结合性能的方法。3󰀁实验结果及分析

3.1󰀁变形率同剥离强度的关系

将表面经过清理的不锈钢与碳钢在󰀁180mm二辊轧机上进行冷轧,发现在首道次压下率小于50%时不能使两者很好地复合在一起,随着压下率的增大,需要轧制力迅速增大。当压下率大于50%时,不锈钢与碳钢出现了一定面积的复合,但是这种复合的效果是很差的,用手便可以将两者剥离,界面上主要是强度很低的机械啮合。并且随着压下率的增大,轧机还会出现󰀁闷车󰀁的现象。由此可见,直接对不锈钢和碳钢进行冷轧不能使二者有效地实现复合。图1为采用不同生产工艺所生产的不锈钢󰀁碳钢复合板的剥离强度同变形率之间的关系,从中可以看到采用热轧复合以及爆炸复合工艺生产的产品在变形率为15%时即可实现复合,分析结果显示界面的结合方式为良好的冶金结合。这种结合方式同冷轧复合所

依赖的机械结合不同,产品的剥离强度随变形率的增加变化得并不明显。

图1󰀁不同生产工艺的不锈钢󰀁碳钢复合板剥离强度

3.2󰀁冷轧复合机理的研究

冷轧结合是一种固相连接方法,是在没有外加热源的条件下仅借助压力来使金属产生塑性变形的加工方法。由于在冷轧中温度较低,所以扩散是很微弱的,同时塑性变形会随着变形程度的增加而使材料出现加工硬化,而这一过程是一个与温度无关的非热力学过程。在塑性变形中还存在着另一个过程一回复,而回复是一个与温度有关的热力学过程,在冷轧状态下回复只与轧制速度有关。由于在塑性变形过程中会产生一定的变形热,使金属内能增加,其数值与变形程度、热力学常数有关,这对金属的回复产生有利的影响。但是这种有限的温度升高不会达到再结晶温度,所以在冷轧情况下回复与软化作用要低于加工硬化作用

[4]

,这就导致了在冷轧工艺中对轧制设备

有着很高的要求。

由于对铜与钢及铝与钢的复合机理目前已经有了较为深入的了解,下面通过这两种双金属的复合机理来分析不锈钢与碳钢冷轧复合的机理。在铜与钢轧制复合变形过程中,在铜的表面是不产生裂口的,并且在轧制过程中经常全有污染层和氧化层的金属铜被挤入钢表面的裂口中,同时钢裂口中的粗糙而洁净的钢表面会刺破铜的表面层,由此形成的粘合点是稀疏而细碎的。在这种情况下,粘合的强度很低。一般认为,铜与钢的冷轧复合代表了一类情况:那就是在进行双金属冷轧复合时,复合表面的污染层和氧化层由于轧制而延伸变薄,在被擦破之后形成金属接触的

[5]

粘合点。

󰀁33󰀁和铜与钢的冷轧复合机理不同,铝与钢的冷轧复合情况可以典型地说明另一类双金属复合的本质。在铝与钢通过冷轧复合之后,可以看到在铝与钢表面的凸起部位产生了许多宽大的裂口,新鲜的金属从裂口中被挤出,相遇后形成粘合,而由此形成的结合是十分牢固的。并且相关的材料认为:铝与钢的粘合机制与表面预处理的方式密切相关。轧制前选用具有足够硬度的钢丝刷对复合表面进行清刷,可以造成足够厚的加工硬化层以及有利于复合的凸凹的波形表面,并且对复合的坯料进行充分的除油,除脂以及酸洗也可以有效地促进复合。铝与钢的复合情况表明:在双金属冷轧复合时,可以利用金属表面冷加工硬化层的破裂,洁净的金属由裂口挤出而形成粘合,并且由此形成的粘合强度是比较高的。

由于不锈钢在加工硬化后仍具有良好的塑性,因此看不到宽大的裂口,只在低碳钢与不锈钢表面产生大量细微的裂纹。通过这样细微的裂纹,变形抗力很大的基体金属是不可能被挤压出来的,因而不能使基体金属表面冷加工硬化层破裂,洁净的金属就不能由裂口挤出相遇而形成粘合点。

另一方面,由于低碳钢的表面不具有硬而脆的极薄的氧化膜,也不具有类似于铜那样塑性的,易于擦破的氧化亚铜的氧化膜,因而就不会产生基体金属的表面污染层和氧化层被延伸变薄的情况,导致无法形成金属接触的粘合点。

综上所述,在低碳钢与不锈钢之间进行冷轧复合即使变形量很大,也只能在两种基体表面之间形成机械嵌合,粘合的强度是很低的。3.3󰀁提高不锈钢󰀁碳钢界面结合性能的方法

在初步了解到不锈钢󰀁碳钢冷轧复合机理之后,可以发现单纯依靠冷轧工艺很难实现不锈钢与碳钢间的良好复合,这就要求采用其它方法一提高不锈钢󰀁碳钢界面的结合性能。对于不锈钢󰀁碳钢复合板,要得到优良的复合界面结合性能,首先必须在复合过程中,在复合界面上形成异类原子间的物理接触。这一点在一般冷轧工艺中,可以通过加大变形量来实现,但对于不锈钢等材料,由于受到轧机刚度的限制,变形量的增加受到了很大的制约,这样对复合板进行扩散退火就成为了提高不锈钢󰀁碳钢界面结合性能的主要手段。由于不锈钢与碳钢在金属性质上存在差异,在复合过程中以及复合完成后的冷却过程中由于两种󰀁34󰀁[6]

基体金属之间延伸量的差异会使复合界面上的残

余应力以及使扩散进行的更为充分,在实际生产和研究中采用了许多行之有效的方法,其中应用最广泛的是扩散退火。图3为采用冷轧工艺生产的不锈钢󰀁碳钢复合板在500󰀁扩散退火之后的剥离强度,对比没有进行退火的实验数据,可见扩散退火可以显著提高复合板的剥离强度,使复合板的性能得到明显的优化。

复合后的不锈钢󰀁碳钢复合板,由于变形量上的差异,使得两种金属原子不同程度地偏离了晶格点阵上的平衡位置,因此在复合板界面附近造成残余应力。当复合板在500󰀁的扩散退火温度下,存在于界面残余应力区域内的金属原子,由于周围环境的热作用,具备了足够的活动能力,将由偏离平衡位置向能量较低的平衡位置迁移,这样由于金属原子的扩散,使复合界面内的残余应力得以去除。由图2可见当退火时间达到1.5h之后,剥离强度的提高已经不太明显,这是由于在1.5h时,复合界面的残余应力已经基本完全去除,扩散也进行得很充分,继续延长退火时间意义不大。

[8]

[7]

图2󰀁不同退火时间下不锈钢󰀁碳钢复合板剥离强度

除了扩散退火之外,在复合材料基体上涂镀中间夹层的方法目前也得到了一定的应用,其主要依据是利用表面改性的原理来改善两种基体复合的冶金学条件,这种方法在不锈钢与碳钢复合工艺的研究中已经取得了一定的突破。4󰀁结󰀁论

(1)采用冷轧工艺生产不锈钢󰀁碳钢复合板,50%以下的首道次压下率不能使两种基体复合,超过50%的变形率虽然可以实现复合,但复合强度很低。

(下转第38页)

[9]

态再结晶。计算结果表明:动态再结晶在温度较高、应变速率较低的条件下容易发生、变形温度是影响动态结晶的主要因素;而静态再结晶在前几道次发生比较充分,随着道次间隔时间的缩短静态再结晶很难充分发生。

(3)模拟计算的奥氏体晶粒尺寸与实测值吻合较好,且遵循以下规律:热轧过程中,粗轧阶段细化奥氏体晶粒的效果明显,晶粒尺寸可由几百降到40~50󰀁m;而精轧阶段晶粒细化效果较弱。因此,可以在生产实践中对粗轧进行控制,得到比

图7󰀁晶粒尺寸实测值与计算值的比较

较细小的晶粒,从而优化产品的性能。

(4)热变形过程中由于精轧阶段轧制速度的加快和道次间间隔时间的缩短,静态再结晶发生不完全导致变形体内保留一定的残余应变,使得位错密度增大,约为10。

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(收稿日期:2003-11-24)

14

图8󰀁带钢轧制过程位错密度变化情况

5󰀁结󰀁论

(1)确定了C-Mn钢SS400静态再结晶激活能184.3kJ󰀁mol。

(2)模拟热轧过程中奥氏体的动态再结晶、静(上接第34页)

(2)不锈钢在加工硬化后仍具有良好的塑性,不能产生宽大的裂口,变形抗力很大的基体金属不可能被挤压出来,无法形成冶金结合所需的󰀁裂口机制󰀁。

(3)在不锈钢与碳钢冷轧过程中,不会产生基体金属的表面污染层和氧化层被延伸变薄的情况,无法形成金属接触的粘合点。

(4)采用扩散退火工艺可以使复合板的剥离强度得到显著提高,使复合板的力学性能得到明显优化。

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(收稿日期:2003-11-24)

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