武漢科技大學(xué)

1、1.1 前言從人類使用材料的歷史可以看出,每一種重要材料的誕生及使用都會提高人類改造和支配自然的能力,使得人類生活及社會生產(chǎn)力發(fā)生日新月異的變化。從表1.1中人類所使用材料時代的時間表可知,人類在過去使用材料的歷史,也可以說是人類在進(jìn)化和進(jìn)步的歷史。鋼鐵材料具備塑韌性好、強(qiáng)度高及優(yōu)良的加工性、焊接性和環(huán)境兼容性等多種優(yōu)點(diǎn),因此,鋼鐵材料廣泛地應(yīng)用在國家建設(shè)和人民生活的發(fā)展中。并且鋼鐵行業(yè)歷經(jīng)近代的快速發(fā)展,已經(jīng)上升到很高的水平。我國鋼鐵工業(yè)的持續(xù)增長有力地推動了我國經(jīng)濟(jì)的發(fā)展,并且國內(nèi)自主生產(chǎn)的大批量高端鋼鐵材料為經(jīng)濟(jì)發(fā)展中用鋼產(chǎn)業(yè)提供了有力的保障。工業(yè)制造對鋼鐵材料的需求量日益劇增,且各行各

2、業(yè)對鋼鐵材料性能的要求也不斷提高,因此促進(jìn)了人們對新型雙金屬復(fù)合材料的研究及開發(fā)。1.2 復(fù)合材料概述及發(fā)展?fàn)顩r根據(jù)國際ISO組織的定義,復(fù)合材料是由物理化學(xué)性質(zhì)不同的兩種或兩種以上的材料通過某種復(fù)合工藝制造而成的新型材料。通過復(fù)合材料中復(fù)材與基材之間的相互協(xié)同、取長補(bǔ)短的作用,可綜合復(fù)材與基材各自的優(yōu)良性能,并完善單一組成材料的使用性能。因此,復(fù)合材料的誕生和發(fā)展,是材料歷史上的一個重大突破?？梢钥隙?如果把材料用作為歷史的分界點(diǎn),那么當(dāng)今21世紀(jì)必定是快速發(fā)展和應(yīng)用復(fù)合材料的新時代。1.2.1 雙金屬復(fù)合材料的發(fā)展現(xiàn)狀金屬基復(fù)合材料的出現(xiàn)和發(fā)展,大大地改善及拓展了傳統(tǒng)單一金屬材料的性能及使

3、用范圍。金屬基復(fù)合材料比傳統(tǒng)的單一金屬材料有更高的比張度、比剛度、比強(qiáng)度,較好的延展性、耐蝕性、耐磨性等,這些可設(shè)計的優(yōu)良性能使得金屬基復(fù)合材料的誕生后就成為新型材料家族的重要一員。金屬基復(fù)合材料是以一種金屬或者合金作為基體材料,以第二種不同物理、化學(xué)性能的材料作為復(fù)層增強(qiáng)性材料,并利用復(fù)合技術(shù)將其進(jìn)行結(jié)合的一種新型復(fù)合材料。其中,雙金屬復(fù)合材料既有作為基體材料鋼的易加工性及經(jīng)濟(jì)性,又兼有作為復(fù)層材料的其他金屬的高耐磨性、高耐蝕性、熱傳導(dǎo)性、導(dǎo)電性好、抗高溫氧化等多種優(yōu)點(diǎn),可替代現(xiàn)有的傳統(tǒng)的單一鋼鐵材料。如不銹鋼-碳鋼復(fù)合鋼板可作為單一不銹鋼的替代材料,可節(jié)約70%80%的鎳、鉻等貴重元素,且

4、其成本僅為同等厚度的純不銹鋼板的5070%,這對我國缺乏鎳、鉻資源的國家來說有著重大意義和社會效益。從20世紀(jì)80年代開始,美國每年花費(fèi)10億美元來用于專門對新型材料的研究和開發(fā),且對雙金屬復(fù)合材料的研究是其重點(diǎn)之一10。雙金屬復(fù)合材料已在美國、歐洲、日本等發(fā)達(dá)國家大規(guī)模制造生產(chǎn)并廣泛應(yīng)用于石油化工、國防建設(shè)、航空航天等領(lǐng)域。而我國對雙金屬復(fù)合材料的研究則比較遲緩,直至1968年,在"爆炸大王"陳火金等同志的不懈努力下,在大連造船廠通過爆炸復(fù)合工藝成功研制出我國第一塊雙金屬復(fù)合鋼板。隨著冶金、化工等經(jīng)濟(jì)支柱性產(chǎn)業(yè)的迅速發(fā)展,如礦山機(jī)械、煤炭采運(yùn)、石油化工、建材裝飾、船舶工程

5、等對耐磨鋼-鋼、不銹鋼-鋼等一系列復(fù)合鋼板的需求倍增,如礦山機(jī)械用軌道、煤炭采運(yùn)用選煤機(jī)械、石油天然氣輸送管道及船體、結(jié)構(gòu)件等。目前,發(fā)達(dá)國家都在積極地對雙金屬復(fù)合鋼板進(jìn)行研究和開發(fā),如日本金屬工業(yè)公司已開發(fā)了不銹鋼鋁、不銹鋼鈦、鎳鋁等一系列復(fù)合鋼板的新品種,為鋼鐵行業(yè)帶來了顯著的經(jīng)濟(jì)效益。我國也正在積極努力地研制和生產(chǎn)雙金屬復(fù)合鋼板。2011年6月,由國家發(fā)展計劃委員會及科學(xué)技術(shù)部等權(quán)威部門聯(lián)合發(fā)布的當(dāng)前優(yōu)先發(fā)展的高科技技術(shù)產(chǎn)業(yè)化重點(diǎn)領(lǐng)域指南(2011年度),其中確定了雙金屬復(fù)合鋼板的優(yōu)先發(fā)展地位以推進(jìn)高新科技產(chǎn)業(yè)的發(fā)展,并指出雙金屬復(fù)合鋼板將朝著機(jī)械自動化進(jìn)一步發(fā)展。表1.2中所示為常見雙

6、金屬復(fù)合鋼板的主要性質(zhì)及用途15。表1.2 常見的雙金屬復(fù)合鋼板的主要性質(zhì)及用途復(fù)材基材主要性質(zhì)主要用途不銹鋼銅裝飾效果、焊接性、熱交換性建筑材料、炊具材料、電力電器等鋼鋁輕質(zhì)量、耐腐蝕、裝飾性汽車裝飾板、過渡接頭、電解槽、軸瓦電解鋁、航空航天、儀表儀器等銅低碳鋼基材經(jīng)濟(jì)性、熱傳導(dǎo)性、表面易壓縮、易焊接加工電器接點(diǎn)、電器開關(guān)等電器制品、化工、汽車行業(yè)等蒙內(nèi)爾合金低碳鋼耐腐蝕、基材經(jīng)濟(jì)性、熱交換性、均一性化工設(shè)備不銹鋼低碳鋼耐蝕性、加工性、基材經(jīng)濟(jì)性、裝飾效果耐蝕性、焊接性、熱傳導(dǎo)性等餐飲器具、化工業(yè)、壓力容器、結(jié)構(gòu)鋼管、生物工業(yè)及醫(yī)用等耐磨鋼低碳鋼耐磨性、加工性、基材經(jīng)濟(jì)性、焊接性礦山機(jī)械、石

7、油化工、結(jié)構(gòu)件、電力行業(yè)等1.2.2 雙金屬復(fù)合鋼板的制造方法至今,我國復(fù)合材料的總產(chǎn)量繼美國、日本之后,且國家也繼續(xù)將高性能的復(fù)合材料作為發(fā)展重點(diǎn)。2014年11月由中國鋼鐵工業(yè)協(xié)會、中國金屬學(xué)會主辦的2014年鋼鐵行業(yè)技術(shù)創(chuàng)新大會也表明了未來10年鋼鐵行業(yè)技術(shù)的發(fā)展目標(biāo)及方向,且強(qiáng)調(diào)指出了對金屬復(fù)合材料的品種、成型方式及工藝技術(shù)的創(chuàng)新性研究將會進(jìn)一步推動我國鋼鐵材料的發(fā)展,繼續(xù)保持鋼鐵材料作為基礎(chǔ)原材料的主導(dǎo)地位,提高世界鋼鐵工業(yè)的競爭力。目前,我國以工業(yè)大規(guī)模制造雙金屬復(fù)合鋼板的方法主要有軋制復(fù)合法、爆炸焊接-熱軋法、鑄造復(fù)合法及電磁連鑄復(fù)合法等。一、軋制復(fù)合法軋制復(fù)合法是指兩種或兩種以

8、上不同物理、化學(xué)性能的金屬(基材與復(fù)材)通過軋機(jī)的壓力使它們在整個接觸表面上,相互牢固地結(jié)合在一起的加工方法。軋制復(fù)合生產(chǎn)的板帶材,具有比組成材料更好的特殊性能。工業(yè)上穩(wěn)定大批量地生產(chǎn)雙金屬復(fù)合鋼板,一般都是采用軋制復(fù)合法生產(chǎn)寬幅、大尺寸復(fù)合鋼板,軋制復(fù)合法是一種有效的、主流的生產(chǎn)方法。軋制復(fù)合可以通過軋機(jī)在高溫下的熱軋、常溫下的冷軋、真空下軋制以及不同輥速軋制等。其中,熱軋復(fù)合法是將基材與復(fù)材經(jīng)表面處理后疊合并焊接其四周,加熱到一定溫度后再進(jìn)行軋制結(jié)合的工藝。軋制過程中,在大的塑形變形作用下,使得基材與復(fù)材完成金屬及冶金結(jié)合,從而得到一定形狀與尺寸的金屬復(fù)合鋼板19。熱軋復(fù)合法的基本特點(diǎn)有可

9、以對單塊復(fù)合組坯進(jìn)行熱軋復(fù)合,也可對多塊組坯進(jìn)行大批量生產(chǎn),且對軋機(jī)的要求不是很高,可以進(jìn)行大型復(fù)合鋼板的生產(chǎn)。冷軋復(fù)合法則是直接將復(fù)材和基材疊合軋制。1956年,美國率先提出以表面處理、軋制復(fù)合以及熱處理退火強(qiáng)化處理的"三步法"冷軋復(fù)合工藝20。冷軋復(fù)合法與熱軋復(fù)合法相比較,冷軋復(fù)合需要的更大的首道次壓下率,一般要都要達(dá)到60%70%左右,甚至更高。通過較大的壓下率使得雙層金屬產(chǎn)生結(jié)合,然后再進(jìn)行擴(kuò)散熱處理退火工藝,使冷軋復(fù)合板得到強(qiáng)化。異步軋制法是指線速度不相等的兩個工作輥在一起軋制金屬的生產(chǎn)技術(shù),也被稱為不對稱軋制。異步軋制復(fù)合法是我國從1962年開始研究以發(fā)展我國薄

10、板工業(yè),其軋制精度高、壓力低等特點(diǎn),適合軋制薄板及帶材,通過改變工作輥的轉(zhuǎn)速或輥徑可實現(xiàn)異步軋制。真空軋制復(fù)合法是指在真空中進(jìn)行的熱軋復(fù)合的一種軋制方法。最早是俄羅斯于1953年開始研究在真空中進(jìn)行加熱軋制金屬的試驗,緊接著美國、日本也對真空軋制復(fù)合法進(jìn)行研究。在真空下進(jìn)行熱軋,使得金屬表面不被氧化,促進(jìn)軋制過程中金屬的冶金結(jié)合,進(jìn)而在真空下脫氣后得到干凈表面的軋制復(fù)合鋼材。但是,真空軋制復(fù)合法還未實現(xiàn)普遍生產(chǎn)的應(yīng)用24,是因為難以滿足真空軋制復(fù)合法所需的最低真空度(10-510-6 Pa左右)及非氧化氣氛設(shè)計的要求24。二、爆炸焊接-熱軋法爆炸焊接-熱軋法是指先通過爆炸焊接將基材與復(fù)材連接好

11、后,再使用熱軋法生產(chǎn)所需規(guī)格復(fù)合板的方法。這種方法是結(jié)合爆炸焊接法及熱軋軋制法兩者的優(yōu)點(diǎn)而發(fā)展起來的一種新的復(fù)合技術(shù),采用此方法生產(chǎn)復(fù)合板是70年代從國外發(fā)展起來的一項新技術(shù)25。其不足之處在于生產(chǎn)效率低、復(fù)合板成品質(zhì)量不合格,且對解決存放炸藥、選擇爆炸地點(diǎn)、處理噪音、保障人身安全及環(huán)境的污染等眾多問題而使得這種方法不易被推廣使用。三、鑄造復(fù)合法先在兩塊基材鋼板中間夾層涂上剝離劑后疊合,再焊合板材四周,然后在鑄模內(nèi)與復(fù)材金屬液進(jìn)行組合,待液態(tài)金屬凝結(jié)后通過軋制,最后裁去多余的邊角,即可得到所需的兩塊復(fù)合鋼板。鑄造復(fù)合法是將鑄造法與軋制法結(jié)合起來的一種新型復(fù)合技術(shù),借助液相的高溫作用及軋機(jī)的軋制

12、壓力,能實現(xiàn)較高復(fù)合強(qiáng)度。20世紀(jì)80年代,我國東北大學(xué)率先開展了對鑄造軋制復(fù)合法的研究。此法可實現(xiàn)連續(xù)生產(chǎn)、效率高、工藝簡單、成本低,但因兩種金屬的熔點(diǎn)不同而易引起結(jié)合部位的熔損,在此方面還需進(jìn)一步完善。四、電磁連鑄復(fù)合法電磁連鑄復(fù)合法由于工藝復(fù)雜,目前仍處于研究中。如圖1.2所示,首先將兩種化學(xué)性質(zhì)不同的液態(tài)金屬分別注入結(jié)晶器中,結(jié)晶器下部的水平磁場產(chǎn)生的洛侖茲力會阻止兩種液態(tài)金屬的混合,同時以水平磁場為分界,結(jié)晶器熔池被分為兩個部分。待液態(tài)金屬冷卻凝固后,即可得到連鑄復(fù)合板。復(fù)合板的外層金屬由上部熔池的液態(tài)金屬凝固而成,復(fù)合板的內(nèi)層金屬則由下部熔池的液態(tài)金屬凝固而成。1.2.3 雙金屬復(fù)

13、合軋制機(jī)理國內(nèi)外許多學(xué)者對熱軋復(fù)合法軋制雙金屬復(fù)合板的過程作過系統(tǒng)的研究,得出雙金屬界面結(jié)合的作用機(jī)制為裂口作用機(jī)制和薄膜理論。在軋制前對雙金屬表面處理的過程中,會在金屬表面形成氧化層及加工硬化層,隨著軋制過程的進(jìn)行,塑性差的氧化層和硬化層被壓碎破裂后,界面兩側(cè)的新鮮金屬從氧化層和硬化層破裂的縫隙中露出,相互接觸后完成冶金結(jié)合。只有在足夠壓力下才能在雙金屬表面達(dá)到一定寬度的裂口,雙金屬才發(fā)能實現(xiàn)良好的冶金結(jié)合,因此金屬界面的結(jié)合需要一定的臨界變形率。文獻(xiàn)中還指出,在高溫?zé)崤c壓力的共同作用下,金屬層狀復(fù)合材料的結(jié)合過程包括三個階段:第一階段是兩種金屬材料之間的物理接觸形成過程,即金屬在軋制壓力的

14、作用下產(chǎn)生塑形變形,使得在整個雙金屬接觸面上相互接近到可以發(fā)生物理作用;第二階段是雙金屬材料之間的化學(xué)相互作用過程,即接觸的金屬表面激活并形成化學(xué)鍵,并實現(xiàn)雙金屬的冶金結(jié)合;第三階段是相互擴(kuò)散的過程,即雙金屬中的金屬原子在已形成結(jié)合面上發(fā)生相互擴(kuò)散,提高雙金屬復(fù)合材料的結(jié)合強(qiáng)度。此外,必需在一定的能量下才會滿足雙金屬界面結(jié)合作用機(jī)制的結(jié)合條件,因此,要求兩種金屬組元具有一定的應(yīng)力和應(yīng)變。1.2.4 影響結(jié)合強(qiáng)度的主要因素以兩個均勻相為分界的雙金屬復(fù)合界面,是復(fù)合材料中特有且重要的組成部分。復(fù)合界面的存在,通過物理及化學(xué)等多方面的作用使得雙金屬復(fù)合形成性能優(yōu)異的雙金屬復(fù)合材料。通過對復(fù)合金屬的表

15、面處理,促進(jìn)雙金屬的物理接觸,從而達(dá)到雙金屬復(fù)合板材在軋制復(fù)合過程中良好的界面結(jié)合。因此,軋制復(fù)合前對雙金屬表面進(jìn)行表面處理是非常有必要的。文獻(xiàn)中介紹了多種復(fù)合板軋制界面處理方法,通常采用先酸洗,再用鋼絲刷、砂紙等清理金屬板表面。1.3 磨損及金屬耐磨材料概述材料在使用過程中會因磨損、腐蝕及斷裂等而產(chǎn)生失效。其中,因磨損而造成的經(jīng)濟(jì)損失是巨大的。因此,耐磨材料被廣泛應(yīng)用于各種耐磨條件下。其中,耐磨鋼廣泛地應(yīng)用于礦山機(jī)械、煤炭采運(yùn)、工程機(jī)械、農(nóng)業(yè)機(jī)械、建材、電力機(jī)械、鐵路運(yùn)輸?shù)饶p尤為嚴(yán)重的行業(yè)。因此,研究和發(fā)展以成本較低的基體材料生產(chǎn)復(fù)合耐磨鋼板以代替成本較高的耐磨鋼,節(jié)省耐磨材料的成本,對國

16、民經(jīng)濟(jì)有重要的意義。1.3.1 磨損的分類及機(jī)理概述1957年英國物理學(xué)家鮑威爾將磨損分為四大類。磨料磨損是由于磨料的機(jī)械作用而引起材料表面產(chǎn)生損耗的現(xiàn)象。材料發(fā)生磨料磨損后在材料表面上會出現(xiàn)明顯的犁溝或切削劃痕,并產(chǎn)生條狀或切屑狀的磨損物。磨料磨損有許多種分類,可分為低應(yīng)力磨料磨損、高應(yīng)力磨料磨損、鑿削型磨料磨損、沖擊磨料磨損、沖蝕磨料磨損等。粘著磨損是在兩個物體接觸時在表面產(chǎn)生滑動摩擦而引起材料磨損的現(xiàn)象。粘著磨損的主要特征是會在磨損的材料表面上會出現(xiàn)細(xì)小的劃痕,材料表面發(fā)生擦傷,并產(chǎn)生片狀或小顆粒狀的磨損物。疲勞磨損是日常生活中最為普遍的一種磨損形式,也稱為接觸疲勞磨損。在循環(huán)周期的接觸

17、載荷或交變應(yīng)力的作用下常會使機(jī)器零件表面產(chǎn)生疲勞磨損,如軋輥、車軸、滾動軸承、齒輪等。材料發(fā)生疲勞磨損時,材料表面上會出現(xiàn)點(diǎn)蝕、斷裂等現(xiàn)象,并產(chǎn)生塊狀或餅狀的磨損物。腐蝕磨損是指材料在磨損的同時與周圍的腐蝕介質(zhì)發(fā)生化學(xué)或電化學(xué)反應(yīng)而引起材料損失的現(xiàn)象,是材料受腐蝕和磨損綜合作用的過程。腐蝕磨損的主要特征是在磨損表面會出現(xiàn)化學(xué)反應(yīng)膜或光滑的小麻點(diǎn),腐蝕磨損包括化學(xué)腐蝕磨損和電化學(xué)腐蝕磨損。1.3.2 金屬耐磨材料的分類及概述金屬材料是在各類耐磨材料中應(yīng)用最廣的一類的耐磨材料。金屬耐磨材料可分為耐磨鋼、耐磨鑄鐵、有色金色和硬質(zhì)合金。由于耐磨鋼具有一定的耐磨性,同時還具備高強(qiáng)度和高韌性,因此,耐磨鋼

18、是應(yīng)用最為廣泛,可用于各種磨損工況下的耐磨材料。其中,耐磨鋼按合金含量可分為高錳耐磨鋼和合金耐磨鋼。1882年,由英國冶金學(xué)家哈德菲爾德(R.A.Hadfield)制得含Mn為1014%,含C為0.91.5%的高錳耐磨鋼,簡稱高錳鋼,其牌號為ZGMn13,常見高錳鋼的力學(xué)性能如表1.3所示。高錳鋼作為礦山冶金、電力、煤炭、建筑等各種用鋼重工業(yè)中的耐磨鋼材,并成為傳統(tǒng)的耐磨材料。合金含量小于5%的合金鋼被稱為低合金鋼,當(dāng)合金含量在6%8%被稱為中合金鋼,當(dāng)合金含量大于8%則被稱為高合金鋼,主要合金元素有Mn、Si、Cr、Mo、Ni、B、V等。其中,低、中合金耐磨鋼是具有很大發(fā)展前途的一種耐磨鋼材

19、料。因其具有較高的硬度和優(yōu)良的強(qiáng)韌性、耐磨性以及良好的淬透性,生產(chǎn)靈活易加工,且成本不高,低、中合金耐磨鋼得到廣泛的應(yīng)用和推廣。我國常用的低、中合金耐磨鋼主要有45Mn2合金結(jié)構(gòu)鋼,GCr15高碳鉻軸承鋼,50CrMn中鉻錳彈簧鋼,ZG30Cr2MnSiMoTi鑄鋼等。1.3.3 高強(qiáng)度耐磨鋼概述高強(qiáng)度耐磨鋼是從高強(qiáng)度的低合金鋼的發(fā)展而來的,通常含有1%3%的合金元素,主要是Mn、Si、Cr、Mo、Ni、V、Ti、B、Re等合金元素,表1.4中所示為國外常見高強(qiáng)度耐磨鋼的牌號及化學(xué)成分。其中,碳元素是影響耐磨鋼組織與性能的主要元素,可以最經(jīng)濟(jì)有效地提高耐磨鋼的硬度,且耐磨鋼的抗拉強(qiáng)度、硬度、屈

20、服強(qiáng)度均會隨著碳元素含量的增加而增強(qiáng),但為了進(jìn)一步提高硬度和改善其韌性還須添加合金元素。錳元素作為主要合金元素之一,可提高耐磨鋼的淬透性、強(qiáng)度和耐磨性,并且錳礦資源豐富、價格便宜。硅元素可以在冶煉過程中脫氧,并改善馬氏體耐磨鋼的回火穩(wěn)定性。鉻、鉬元素均可提高耐磨鋼的淬透性、回火穩(wěn)定性、強(qiáng)度、硬度及耐磨性,但其價格較高。具有良好耐磨性能的高強(qiáng)度耐磨鋼,不僅強(qiáng)度高、硬度大、韌性高、使用壽命長,且生產(chǎn)工藝簡單,通常采用軋制后直接淬火加回火得到馬氏體組織,或者通過在軋制過程中進(jìn)行控軋、控冷等工藝。高強(qiáng)度耐磨鋼廣泛應(yīng)用于礦山機(jī)械、煤炭采運(yùn)、工程機(jī)械、農(nóng)業(yè)機(jī)械、建材、電力機(jī)械、鐵路運(yùn)輸?shù)确矫?可以滿足大型

21、工程機(jī)械設(shè)備在惡劣環(huán)境下的工作使用要求,其強(qiáng)度一般在1000MPa以上。目前,國外有名的生產(chǎn)高強(qiáng)度耐磨板的有:瑞鋼奧隆的HARDOX系列,日本JFE公司生產(chǎn)的EH系列,德國蒂森公司生產(chǎn)的XAR系列等。目前,高強(qiáng)度耐磨鋼在我國已廣泛地應(yīng)用并取得很大的發(fā)展,如舞鋼、武鋼、鞍鋼等鋼廠生產(chǎn)的NM系列、B-HARD系列等,強(qiáng)度能高達(dá)HB500。1.4 本文研究內(nèi)容及研究意義目前,高強(qiáng)度耐磨鋼在我國已廣泛地應(yīng)用并取得很大的發(fā)展,不僅開發(fā)出多種系列的高強(qiáng)度耐磨鋼,且已形成工程機(jī)械用高強(qiáng)度耐磨鋼板的標(biāo)準(zhǔn)。如今高強(qiáng)度耐磨鋼的發(fā)展方向主要就是在經(jīng)濟(jì)性這個方面,從資源利用、節(jié)約成本、生產(chǎn)技術(shù)等方面著手,以提高國民經(jīng)

22、濟(jì)發(fā)展。2.2 實驗材料本實驗采用基材為Q235B普通碳素結(jié)構(gòu)鋼,屈服強(qiáng)度s在235MPa左右,整體性能優(yōu)異,強(qiáng)度、塑形、焊接等各方面性能都能達(dá)到完美的配合,廣泛地應(yīng)用于各種建筑及工程結(jié)構(gòu)鋼、模具零件等。復(fù)材為NM450D高強(qiáng)度耐磨鋼,NM450D鋼是我國鋼鐵廠為滿足國內(nèi)市場的需求研制生產(chǎn)的低合金高強(qiáng)度耐磨用鋼。NM450D鋼中含有Si、Mn、Cr、Mo等多種合金元素,其化學(xué)成分如表2.3所示,NM450D耐磨鋼板強(qiáng)度高,屈服強(qiáng)度s 950MPa,抗拉強(qiáng)度b 1250MPa,是普通低合金鋼板的35倍;表面硬度410490HBW;高淬透性、高韌性,具有優(yōu)良的低溫韌性和抗裂性能,焊接性能、冷彎成型

23、性能、加工性能良好,是耐磨料磨損系列中板鋼種之一,其耐磨性能是Q235B的45倍。NM450D高強(qiáng)度耐磨鋼廣泛應(yīng)用于礦山機(jī)械、煤礦機(jī)械、環(huán)保機(jī)械、工程機(jī)械等,是目前國內(nèi)礦山機(jī)械用于焊接結(jié)構(gòu)件強(qiáng)度級別較高的鋼種。2.3 實驗過程及儀器2.3.3 線切割及金相試樣的制備隨后采用電火花數(shù)控線切割機(jī)床(圖2.2)進(jìn)行線切割制樣,切割時必須水冷,切割速度不宜過快。試樣切割好后,使用XQ-1型金相試樣鑲嵌機(jī)(圖2.3)進(jìn)行鑲嵌處理,其額定功率為650W,加熱器規(guī)格為220V,50HZ。鑲嵌的試樣規(guī)格為30×15mm,鑲嵌時采用熱鑲嵌料,加熱溫度為120,保溫時間為8min。2.3.5 力學(xué)性能檢

24、測實驗基于雙金屬復(fù)合板檢測的相關(guān)國家標(biāo)準(zhǔn),雙金屬復(fù)合板的結(jié)合強(qiáng)度是最主要的復(fù)合板性能指標(biāo)。復(fù)合鋼板的抗剪強(qiáng)度c、拉伸強(qiáng)度t可以有效地衡量雙金屬復(fù)合鋼板的結(jié)合強(qiáng)度,且便于測量,通常采用剪切實驗、拉伸實驗以及彎曲實驗來進(jìn)行測量48。參照國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T6396-2008復(fù)合鋼板力學(xué)及工藝性能試驗方法,本實驗采用拉剪、拉伸、彎曲這三種方法來測試符合復(fù)合鋼板的結(jié)合強(qiáng)度。通過計算試樣切割規(guī)格后,利用線切割設(shè)備按照示意圖2.8,圖2.9所示分別制作拉剪、拉伸試樣,然后用WAW-1000C電液伺服萬能試驗機(jī)來進(jìn)行拉伸、拉剪實驗,用CMT5105電子萬能試驗機(jī)進(jìn)行彎曲實驗。3.3 NM450D/Q235B雙金

25、屬復(fù)合鋼板結(jié)合強(qiáng)度的影響因素NM450D/Q235B雙金屬復(fù)合鋼板的結(jié)合強(qiáng)度是衡量其復(fù)合質(zhì)量的重要性能指標(biāo)。美國Metal and Control Cop公司早期提出以表面處理、軋制復(fù)合以及熱處理退火強(qiáng)化處理的"三步法"工藝制備雙金屬復(fù)合鋼板。此"三步法"工藝可以用于大多數(shù)雙金屬復(fù)合鋼板的生產(chǎn),本實驗也遵循該工藝,本節(jié)探討的就是"三步法"工藝中表面處理及軋制復(fù)合階段中影響NM450D/Q235B雙金屬復(fù)合鋼板的結(jié)合強(qiáng)度的因素。其中,軋制溫度及軋制道次壓下率是軋制過程中起關(guān)鍵影響的軋制工藝參數(shù)。3.3.1 表面處理通過對復(fù)合金屬的表面處

26、理,促進(jìn)雙金屬的物理接觸,從而達(dá)到雙金屬復(fù)合板材在軋制復(fù)合過程中良好的界面結(jié)合。因此,軋制復(fù)合前對雙金屬表面進(jìn)行表面處理是非常有必要的。本實驗中對NM450D及Q235B雙金屬板材試樣的表面進(jìn)行酸洗、脫脂,然后再用鋼絲刷、砂紙等清理金屬板表面,再通過機(jī)械打磨直至完全露出新鮮金屬,最后用酒精沖洗干凈并及時吹干。3.3.2 軋制溫度對復(fù)合界面組織性能的影響及分析軋制溫度對復(fù)合板結(jié)合強(qiáng)度的影響很大,對軋制及熱處理后兩種鋼材的結(jié)合強(qiáng)度均有影響。NM450D/Q235B雙金屬在熱軋復(fù)合時,界面中的金屬元素會與空氣中的氧發(fā)生反應(yīng)生成氧化膜,然后,氧化膜在塑形變形的作用下會產(chǎn)生破裂,因此,NM450D/Q2

27、35B雙金屬復(fù)合界面中的氧化膜的破裂與再生是一個動態(tài)的過程,并且NM450D/Q235B雙金屬復(fù)合鋼板在熱軋過程中發(fā)生了動態(tài)再結(jié)晶。隨著軋制溫度的升高,會加快金屬的回復(fù)及再結(jié)晶程度,有利于界面處新晶核的生長和再結(jié)晶的進(jìn)行,增大其塑形變形的程度,降低NM450D/Q235B雙金屬的變形抗力,加快氧化膜的破裂速度,提高NM450D/Q235B雙金屬的結(jié)合率。當(dāng)軋制溫度較低時,雖然復(fù)合界面形成的氧化膜較少,但NM450D/Q235B雙金屬塑性變形的程度很小,氧化膜破裂的速度慢,因此雙金屬復(fù)合鋼板間的物理結(jié)合面積就會很小。對比a)、b)、c)可知,在單道次壓下率為60%下,13#、15#試樣中界面處均

28、出現(xiàn)明顯的分層,10#試樣的界面分層不明顯;對比d)、e)、f)可知,在兩道次累積壓下率為60%下,12#、14#試樣均出現(xiàn)明顯的分層界面,8#試樣的界面擴(kuò)散結(jié)合明顯,界面分層不明顯。從圖中還可看出,隨著軋制溫度的升高,晶粒的尺寸逐漸增大。在1200的軋制溫度下發(fā)生動態(tài)再結(jié)晶,使得晶粒尺寸繼續(xù)長大。圖3.5為軋制溫度為1100,兩道次累積壓下率60%的條件下的14#試樣的界面缺陷能譜圖,通過對其界面處缺陷進(jìn)行點(diǎn)能譜分析,可知,復(fù)合界面處的長條狀缺陷中含有O、Fe、Al、Si、Mn、K等元素。其中,Fe元素是實驗材料中的固有成分元素,高含量的O元素說明缺陷中多為O與Fe、Al、Si、Mn、K等元

29、素的氧化物。此外,相關(guān)文獻(xiàn)49還指出,在NM450D/Q235B雙金屬復(fù)合坯中的Si、Mn元素,對氧化極其敏感,容易形成Si-Mn氧化物。此外,表面處理經(jīng)機(jī)械打磨后殘留在表面的氧原子,在長時間的加熱和保溫后,會與雙金屬材料中的Al、Si、Mn等元素發(fā)生氧化反應(yīng),生成Al-Si-Mn氧化物薄層。同時在復(fù)合界面兩側(cè)的氧原子在高溫下會與界面附近的Fe、Al、Si、Mn、K等元素發(fā)生氧化反應(yīng)生成的氧化膜,在1100的軋制溫度下,即使有兩道次累積60%的壓下率也無法將這些氧化膜、氧化物薄層完全壓合、破碎,這勢必會對復(fù)合界面性能造成破壞性的影響。因此,在實際生產(chǎn)過程中要選擇合適的軋制溫度以避免該缺陷的產(chǎn)生

30、。3.3.3 壓下率對復(fù)合界面組織性能的影響及分析軋制道次壓下率也是影響復(fù)合板結(jié)合強(qiáng)度的重要因素之一。在表面處理的過程中,NM450D高強(qiáng)度耐磨鋼與Q235B鋼經(jīng)機(jī)械打磨,金屬表面會凹凸不平,且打磨完后,金屬表面會出現(xiàn)一層硬化層及氧化膜。將兩塊鋼板組合焊接時,也會在雙金屬的界面處留下少量的氧,在加熱的過程中,這些氧與雙金屬中的其他元素發(fā)生氧化反應(yīng)。在熱軋復(fù)合過程中,將復(fù)合組坯放入軋機(jī)的兩輥之間,復(fù)合組坯受到來自復(fù)合界面垂直方向的壓力與平行方向的摩擦剪切應(yīng)力,高溫下在熱與壓力的共同作用下,復(fù)合界面的氧化膜會發(fā)生破碎,復(fù)合組坯的厚度在不斷地減小。文獻(xiàn)50中對比介紹了利用Gleeble熱模擬試驗機(jī)進(jìn)

31、行模擬壓力復(fù)合實驗(僅存在界面垂直方向的壓力)與利用軋機(jī)進(jìn)行軋制復(fù)合實驗(存在界面垂直方向的壓力和水平方向的摩擦剪切應(yīng)力)的雙金屬復(fù)合界面結(jié)合的狀況。實驗結(jié)果表明,在Gleeble熱模擬試驗機(jī)下必須要有大變形量的壓力下才能消除部分金屬表面的氧化膜,而在軋機(jī)下只需一定的軋制變形量既可完全消除氧化膜。國內(nèi)外許多研究51,52也表明,軋制道次總壓下率的大小對雙金屬復(fù)合軋制的復(fù)合效果有顯著的影響。在軋制溫度為1200,軋制單道次壓下率為30%、40%、50%、60%的不同條件下,即圖3.4中a)、d)、g)、j)所示,可以發(fā)現(xiàn)1#、4#試樣有明顯的分界面,且分界處密集分布著數(shù)量較多、尺寸較大的黑色長條

32、狀及大顆粒狀的缺陷;7#、10#試樣分界面幾乎沒有缺陷,且出現(xiàn)的小顆粒狀的缺陷基本對其結(jié)合率無影響。通過計算,1#試樣的界面結(jié)合率為12.1%,4#試樣的界面結(jié)合率為48.3%,7#試樣的界面結(jié)合率為92.3%,10%試樣界面結(jié)合率為93.5%。圖3.5中為1#樣界面處缺陷的點(diǎn)能譜分析,可知,黑色長條狀及大顆粒狀的缺陷中含有大量的O元素,成分為Fe、Al、Si、Mn的氧化物。這說明,在復(fù)合界面兩側(cè)的O在高溫下與界面附近的Fe、Al、Si、Mn、K等元素發(fā)生氧化反應(yīng)生成的氧化膜,在軋制壓下率為30%的條件下無法完全破碎,在結(jié)合界面處無法形成有效的機(jī)械結(jié)合點(diǎn),對復(fù)合界面性能造成破壞性的影響。隨著道

33、次軋制壓下率的增大,界面結(jié)合率也增加;且在道次累積壓下率相同的情況下,最后的軋制結(jié)合率相差不大。通過計算得到,在不同軋制條件下,15組試樣的復(fù)合界面結(jié)合率如表3.2所示。在1200的軋制溫度下,第一道次壓下率為50%時,界面結(jié)合率較高,能高達(dá)92.3%,道次累積壓下率為70%時結(jié)合率最高為99.8%。在1200,不同單道次壓下率的復(fù)合界面結(jié)合率如圖3.6所示。實驗結(jié)果表明,隨著道次軋制壓下率的增大,軋制后NM450D/Q235B雙金屬復(fù)合鋼板的復(fù)合界面的結(jié)合率也變大。大的軋制壓下率可增大雙金屬的復(fù)合物理接觸面積,增多有效的機(jī)械結(jié)合點(diǎn),從而提高雙金屬復(fù)合鋼板的機(jī)械結(jié)合強(qiáng)度。分析對比試樣2#、5#

34、、8#的軋制情況,從圖中b)、e)、h)可看出,在總道次壓下率達(dá)到60%時,復(fù)合界面周圍出現(xiàn)第二相顆粒,此外,復(fù)合鋼板在熱軋復(fù)合過程中發(fā)生了動態(tài)再結(jié)晶,第二相顆粒明顯地細(xì)化了晶粒的尺寸,使得界面處的晶粒尺寸小于其他位置的晶粒尺寸。分析對比試樣3#、6#、9#的軋制情況,從圖中c)、f)、i)可看出,在總道次壓下率達(dá)到70%時,在顯微鏡200倍下的照片中己經(jīng)很難看到界面處的條狀、大顆粒狀缺陷,僅有數(shù)量很少、尺寸細(xì)小的黑色顆粒缺陷,可以忽略其對界面結(jié)合造成的影響;金相顯微鏡放大到500倍后可看到,復(fù)合界面周圍第二相顆粒的數(shù)量在顯著的減少,且界面處晶粒尺寸與復(fù)合板晶粒尺寸幾乎相同,且從圖中c)可看出

35、,3#、6#、9#試樣界面出現(xiàn)了不同程度鐵素體晶粒貫穿現(xiàn)象,這可以這說明在70%的總道次壓下率下,復(fù)合界面兩側(cè)組織接近相同,復(fù)合界面的結(jié)合效果最優(yōu)。3.4 界面夾雜物的對軋制復(fù)合結(jié)合強(qiáng)度的影響在表面處理的過程中,NM450D高強(qiáng)度耐磨鋼與Q235B鋼經(jīng)機(jī)械打磨,金屬表面會凹凸不平,打磨后的金屬表面就會形成硬化層及氧化膜;在加熱和保溫的過程中,殘留在金屬表面的氧和鐵的氧化物在高溫下分解的氧原子在界面的兩側(cè)會形成氧的濃度梯度,在NM450D/Q235B雙金屬復(fù)合坯中的Si、Mn等親氧元素在含氧濃度梯度及高激活能的共同作用下會迅速擴(kuò)散并與氧原子反生氧化反應(yīng),形成氧化物。在熱軋復(fù)合過程中,將復(fù)合坯放入

36、軋機(jī)的兩輥之間,復(fù)合坯受到與結(jié)合界面垂直方向的壓力及平行方向的摩擦剪切應(yīng)力,高溫下在熱與壓力的共同作用下,復(fù)合坯的厚度在不斷地減小。當(dāng)軋制溫度較低、軋制壓下率較小時,尺寸較小的夾雜氧化物被壓在一起,成為尺寸較大的夾雜物;隨著軋制溫度和軋制壓下率的不斷增大,界面的氧化膜隨著界面的變形發(fā)生破碎,數(shù)量減少,尺寸也越來越小,在結(jié)合界面處中形成有效的機(jī)械結(jié)合點(diǎn)。3.5 本章小結(jié)因此,必須在軋制復(fù)合前對雙金屬表面進(jìn)行表面處理。4.1 實驗?zāi)康谋緦嶒灢捎美?、拉剪、彎曲這三種方法來測試NM450D/Q235B雙金屬復(fù)合鋼板的結(jié)合強(qiáng)度。4.2 實驗結(jié)果與斷口SEM分析4.2.1 拉剪實驗結(jié)果與分析圖4.5、圖

37、4.6、圖4.7、圖4.8中所示分別為1#、6#、12#及14#試樣拉剪斷面SEM形貌及成分圖,通過使用INCA軟件對其進(jìn)行成分分析。圖4.5中所示為典型的韌窩斷口,表征1#試樣主要以韌性斷裂為主,因為軋制壓下率不大,仍然表現(xiàn)了原始態(tài)的組織形貌和性能特征,所以其界面結(jié)合強(qiáng)度不高。且通過對韌窩底部夾雜作成分分析可知,夾雜中含有一定的氧元素,說明在1200的軋制溫度、30%的道次壓下率下,1#試樣界面上的部分氧化膜、氧化物薄層沒有被壓合及破碎,較大尺寸的夾雜氧化物阻礙了位錯的滑移,使得界面氧化物周圍位錯塞積、應(yīng)力集中,當(dāng)拉力增大到一定程度時就會在界面拉剪處斷裂,使得其韌性降低、界面結(jié)合強(qiáng)度差。4.

38、2.3 彎曲實驗結(jié)果與分析參照國標(biāo)GB/T6396-2008復(fù)合鋼板力學(xué)及工藝性能試驗方法,將所制得的15組試樣放置在CMT5105電子萬能試驗機(jī)上進(jìn)行彎曲實驗,以20mm直徑的彎心和180°的彎曲度進(jìn)行內(nèi)彎曲后,再卸除試驗力,然后用肉眼來觀察試樣兩側(cè)的結(jié)合面是否分離,如若分離則按照公式4-2來計算其分離率。5.1 層厚比分配的意義層厚比的分配是雙金屬材料在復(fù)合軋制過程中變形行為的重要表現(xiàn)因素之一。影響軋制后的層厚比變化的因素主要有軋制速度、軋制壓下率、軋制溫度、軋制壓力等因素。在雙金屬軋制復(fù)合的過程中,由于兩種金屬材料不同,其力學(xué)性能必然會有所不同,雙金屬層的厚度變化有著特有的規(guī)律

39、及特性。雙金屬復(fù)合軋制的過程可分為3個階段53。其中,第一階段為自由變形的階段,其主要變形特點(diǎn)是雙層金屬之間尚未相互結(jié)合,此時雙金屬的層厚比是變化的,變形抗力較小的金屬層的變形量會大于變形抗力較大的金屬層的變形量,且先發(fā)生塑形變形。第二階段為雙金屬層部分結(jié)合階段,復(fù)合材料中的雙金屬層之間在這個階段不存在相對位移,且達(dá)到了臨界的結(jié)合變形值,雙金屬之間因變形抗力的差異使得在他們之間存在應(yīng)力方面的相互制約,這種情況下雙層金屬的變形則接近相同。在雙金屬復(fù)合軋制的最后階段,復(fù)合軋制的雙層金屬階段在宏觀整體上可當(dāng)作單一金屬材料的軋制,在這個階段中雙金屬復(fù)合軋制時層厚比不發(fā)生改變。所以,在實際鋼廠中雙金屬復(fù)

40、合鋼板軋制時,雙金屬層各自的厚度及層厚比都在隨著軋制的進(jìn)行而發(fā)生變化,且任何一層金屬的終軋厚度都有精確的要求。因此,研究雙金屬材料在復(fù)合軋制過程中層厚比的變化規(guī)律具有相當(dāng)重要的意義。5.2 層厚比分配的計算雙金屬復(fù)合軋制復(fù)合板的成品規(guī)格中要求其復(fù)層金屬板具有一定的厚度(比例),而且由于雙金屬材料的變形抗力及厚度的差異,使得其變形有一定的不可控性。因此,對于目標(biāo)厚度不能按照常規(guī)軋制方法進(jìn)行分配,依據(jù)目前的研究來看,層厚比分配的計算方法主要包括以下幾種:(1)根據(jù)軋制前后體積不變,可以把復(fù)層與基層的體積比轉(zhuǎn)化為其厚度比,化簡后的復(fù)合板的層厚比分配如公式(5-1)所示。(2)雙金屬材料在復(fù)合軋制后復(fù)

41、層金屬的厚度受到的影響因素主要為復(fù)合板原始厚度、壓下量以及軋制溫度,并且復(fù)層厚度與這些影響因素之間為多元線性關(guān)系。對于雙金屬復(fù)合軋制過程中穩(wěn)定軋制階段的邊部及中部復(fù)層金屬的厚度進(jìn)行分析并擬合,其數(shù)學(xué)模型如公式(5-2)所示,且擬合后的回歸方程有較好的實用效果。(3)雙金屬材料在復(fù)合軋制過程中,在其軋后的變形量一定的前提下,將復(fù)合坯中復(fù)層材料替換為同種規(guī)格的基層材料進(jìn)行軋制,得到疊軋后基層材料的變形量為;將復(fù)合坯中基層材料替換為同種規(guī)格的復(fù)層材料進(jìn)行軋制,得到疊軋后復(fù)層材料的變形量為。、三者的關(guān)系如公式(5-3)所示,對于不同的鋼種復(fù)合確定后,進(jìn)行層厚比分配的計算56。(4)雙金屬材料在復(fù)合軋制過程中,軋制壓力、總變形、復(fù)層與基層材料的變形與許多因素有關(guān),變形機(jī)理要比單一金屬材料軋制時復(fù)雜的多。單一金屬材料熱軋軋制過程中,其軋制壓力模型應(yīng)用最廣泛的是Sims壓力公式57,軋鋼磚家們?yōu)榱藬?shù)學(xué)計算及處理的方便,將Sims壓力公式作簡化處理,本課題中使用的是美坂佳助公式,通過簡化得到如下公式(5-4)所示。本課題中對NM450D/Q235B雙金屬復(fù)合軋制過程中層厚比變化進(jìn)行計算分析,軋制過程中厚度的變化如圖