科技新進(jìn)展：不銹鋼基層狀復(fù)合材料低成本高效成形技術(shù)！
2023-09-25 17:17:49
作者：材料科學(xué)與工程 來源：材料科學(xué)與工程
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不銹鋼具有良好的耐腐蝕性、較高的塑性和韌性，廣泛應(yīng)用于海洋工程、建筑裝飾、交通運(yùn)輸、石油化工、國防軍工和日常生活等領(lǐng)域。然而，不銹鋼中Cr、Ni、Mo等貴重金屬元素的添加導(dǎo)致其成本較碳鋼顯著提高，這也限制了不銹鋼在更廣泛領(lǐng)域的推廣應(yīng)用。金屬層狀復(fù)合材料兼具了多種金屬材料的優(yōu)異性能，能夠?qū)崿F(xiàn)結(jié)構(gòu)和功能的一體化設(shè)計(jì)，同時可以節(jié)省貴重金屬材料的用量，大幅降低成本。因此，以不銹鋼作為基層的金屬層狀復(fù)合材料在具備不銹鋼優(yōu)異性能的同時可以進(jìn)一步降低成本（如不銹鋼/碳鋼層狀復(fù)合材料）或滿足不同耐腐蝕環(huán)境（鈦/不銹鋼層狀復(fù)合材料），可以作為不銹鋼材料的替代品滿足更多領(lǐng)域的應(yīng)用需求，具有廣泛的應(yīng)用前景和市場。目前，工業(yè)化生產(chǎn)中普遍采用爆炸+軋制或真空熱軋復(fù)合的方法成形不銹鋼基層狀復(fù)合材料，但爆炸復(fù)合環(huán)境不友好、生產(chǎn)效率低、產(chǎn)品尺寸規(guī)格受限，因此逐步被真空熱軋復(fù)合技術(shù)所替代。真空熱軋復(fù)合技術(shù)采用成形的板材為原料，首先需要進(jìn)行基層和覆層的表面處理、組坯、焊接、抽真空等工序，工藝繁雜且流程長，導(dǎo)致生產(chǎn)效率低、成本高；隨后，在高溫下進(jìn)行熱軋制備不同規(guī)格的不銹鋼基層狀復(fù)合材料，熱軋過程中復(fù)合界面區(qū)域不可避免地形成氧化物、孔洞和脆性相，降低不銹鋼基層狀復(fù)合材料的界面結(jié)合強(qiáng)度，限制了后續(xù)加工和應(yīng)用。因此，開發(fā)不銹鋼基層狀復(fù)合材料的高效、短流程、低成本制備技術(shù)，提高不銹鋼基層狀復(fù)合材料的性能并降低生產(chǎn)成本是不銹鋼基層狀復(fù)合材料制備急需解決的問題。與現(xiàn)有技術(shù)相比，液-固復(fù)合連鑄技術(shù)在金屬層狀復(fù)合材料生產(chǎn)過程中具有工藝流程短、成本低、效率高且易于實(shí)現(xiàn)組織性能調(diào)控等特點(diǎn)。然而，由于不銹鋼熔點(diǎn)高，對液-固復(fù)合設(shè)備結(jié)構(gòu)和穩(wěn)定性要求較高，現(xiàn)有液-固復(fù)合連鑄技術(shù)在生產(chǎn)不銹鋼基層狀復(fù)合材料時面臨基層金屬材料的組織易粗化、熔蝕，以及產(chǎn)品尺寸規(guī)格受限等問題。因此，需要突破現(xiàn)有技術(shù)瓶頸，開發(fā)不銹鋼基層狀復(fù)合材料液-固復(fù)合連鑄新技術(shù)及裝備，實(shí)現(xiàn)厚規(guī)格不銹鋼基層狀復(fù)合材料的低成本高效成形。此外，對于薄規(guī)格不銹鋼基層狀復(fù)合材料，冷軋復(fù)合的產(chǎn)品板形平直，尺寸精度高，由于省去了加熱及精整工序，生產(chǎn)效率有很大的提升，降低了能耗，節(jié)約了生產(chǎn)成本。但利用冷軋生產(chǎn)不銹鋼基層狀復(fù)合材料時，軋機(jī)負(fù)荷較大且界面結(jié)合強(qiáng)度不高，這也是限制冷軋復(fù)合法廣泛應(yīng)用的重要原因。因此，開發(fā)新型不銹鋼基層狀復(fù)合材料高效成形技術(shù)及裝備，實(shí)現(xiàn)高性能不銹鋼基層狀復(fù)合材料的短流程、高效率和低成本制備具有重要的經(jīng)濟(jì)和社會效益。針對不銹鋼基層狀復(fù)合材料制備存在的問題，北京科技大學(xué)劉雪峰教授團(tuán)隊(duì)提出將反向凝固原理和連鑄技術(shù)相結(jié)合，連鑄開始時使高溫不銹鋼液在固態(tài)碳鋼基層表面快速發(fā)生初始凝固形成覆層保護(hù)層，防止后續(xù)液-固連鑄復(fù)合過程中碳鋼基層的組織粗化和熔蝕，隨后在控溫反向凝固器內(nèi)將初始凝固的覆層回熔去除復(fù)合界面的孔洞和氧化物等缺陷，同時進(jìn)一步使碳鋼基層表面與不銹鋼液接觸，實(shí)現(xiàn)碳鋼表面微熔和復(fù)合界面的元素?cái)U(kuò)散，并基于正/反向凝固原理調(diào)控界面和覆層組織性能，在此基礎(chǔ)上發(fā)明了獲授權(quán)多項(xiàng)國家發(fā)明專利的不銹鋼包覆碳鋼層狀復(fù)合材料液-固復(fù)合連鑄成形技術(shù)，其原理如圖1所示。
圖1 不銹鋼包覆碳鋼層狀復(fù)合材料液-固復(fù)合連鑄成形技術(shù)原理圖根據(jù)上述思路，項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)制造了獲授權(quán)國家發(fā)明專利的不銹鋼包覆碳鋼層狀復(fù)合材料液-固復(fù)合連鑄成形設(shè)備，如圖2所示。該設(shè)備主要包括熔煉坩堝、碳鋼基層保護(hù)裝置、反向凝固器、水冷鑄型、冷卻器和牽引機(jī)構(gòu)等。當(dāng)進(jìn)行不銹鋼包覆碳鋼液-固復(fù)合連鑄時，首先在熔煉坩堝中進(jìn)行不銹鋼的熔煉，然后不銹鋼液通過熔煉坩堝底部流入反向凝固器，碳鋼基層在牽引機(jī)構(gòu)作用下通過碳鋼基層保護(hù)裝置，進(jìn)入反向凝固器內(nèi)與不銹鋼液接觸，不銹鋼液在碳鋼基層表面快速凝固形成初始反向凝固層，緊接著碳鋼基層在反向凝固器內(nèi)運(yùn)動過程中初始反向凝固層逐漸回熔，使碳鋼表面與不銹鋼液再次接觸發(fā)生微熔，最終在水冷鑄型的作用下實(shí)現(xiàn)正/反向凝固，連續(xù)制備出不銹鋼包覆碳鋼層狀復(fù)合材料。該技術(shù)工藝流程短、設(shè)備簡單、成本低、覆層均勻、基層不易熔蝕和氧化、復(fù)合界面組織和覆層組織可控、復(fù)合界面結(jié)合強(qiáng)度高、表面質(zhì)量好，易于實(shí)現(xiàn)近終形成形。圖2 不銹鋼包覆碳鋼層狀復(fù)合材料液-固復(fù)合連鑄成形實(shí)驗(yàn)設(shè)備此外，針對現(xiàn)有冷軋復(fù)合成形薄規(guī)格不銹鋼基層狀復(fù)合材料時存在的軋機(jī)負(fù)荷大且界面結(jié)合強(qiáng)度不高等問題，項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)發(fā)明了獲授權(quán)國家發(fā)明專利的不銹鋼基層狀復(fù)合材料冷-熱軋制復(fù)合成形技術(shù)，其工藝流程如圖3所示。首先對基、覆層材料的待復(fù)合面進(jìn)行機(jī)械打磨處理，然后在空氣氛圍中對層疊坯料進(jìn)行冷軋預(yù)復(fù)合成形，使復(fù)合界面形成緊密的機(jī)械嚙合；接著在空氣氛圍中加熱后進(jìn)行熱軋，使復(fù)合界面發(fā)生元素?cái)U(kuò)散實(shí)現(xiàn)冶金結(jié)合，并且可以后續(xù)熱處理，獲得界面為強(qiáng)冶金結(jié)合的不銹鋼基層狀復(fù)合材料（如不銹鋼/碳鋼層狀復(fù)合材料、鈦/不銹鋼層狀復(fù)合材料）。不銹鋼基層狀復(fù)合材料冷-熱軋制復(fù)合成形技術(shù)無需真空或保護(hù)氣氛，有利于實(shí)現(xiàn)高性能不銹鋼基層狀復(fù)合材料的短流程、高效率、低成本制備。圖3 不銹鋼基層狀復(fù)合材料冷-熱軋制復(fù)合成形工藝流程示意圖1、發(fā)明了不銹鋼包覆碳鋼液-固復(fù)合水平連鑄成形新技術(shù)，發(fā)明了液-固復(fù)合水平連鑄成形設(shè)備，制備了高質(zhì)量高性能不銹鋼包覆碳鋼層狀復(fù)合材料針對傳統(tǒng)的不銹鋼/碳鋼層狀復(fù)合材料液-固復(fù)合連鑄成形時，碳鋼基層組織粗化、易熔蝕，復(fù)合界面和覆層質(zhì)量不高且難以同步調(diào)控等問題，將反向凝固原理和連鑄技術(shù)相結(jié)合，能夠防止碳鋼基層的組織粗化，并且通過在反向凝固器內(nèi)完成不銹鋼液的初始凝固和回熔以及碳鋼表面的微熔實(shí)現(xiàn)了對復(fù)合界面質(zhì)量和元素?cái)U(kuò)散的調(diào)控，同時基于正/反向凝固原理同步調(diào)控界面和覆層質(zhì)量，在此基礎(chǔ)上發(fā)明了不銹鋼包覆碳鋼液-固復(fù)合連鑄成形技術(shù)和設(shè)備，制備了高質(zhì)量高性能不銹鋼包覆碳鋼層狀復(fù)合材料。2、揭示了近界面鐵素體基體上碳化物的形成機(jī)理及其對消除脫碳層、抑制滲碳層碳化物析出和強(qiáng)化復(fù)合界面的作用機(jī)制在不銹鋼包覆碳鋼液-固復(fù)合連鑄過程中，經(jīng)快速反向凝固和回熔后，碳鋼基層表面溫度升高且氧化物被完全去除，碳鋼表面與不銹鋼液接觸形成Cr、C元素混合均勻的微熔區(qū)，隨后冷卻凝固過程中界面元素發(fā)生互擴(kuò)散，最終形成均勻分布的碳化物；界面碳化物的形成顯著降低了復(fù)合界面與近界面不銹鋼側(cè)的C原子化學(xué)勢梯度，阻礙了C原子向不銹鋼擴(kuò)散，消除了近界面碳鋼側(cè)脫碳層，抑制了滲碳層中碳化物析出；界面碳化物的共格強(qiáng)化和析出強(qiáng)化作用，以及脫碳層和滲碳層碳化物的消除提高了不銹鋼包覆碳鋼層狀復(fù)合材料的界面抗剪強(qiáng)度。3、發(fā)明了不銹鋼基層狀復(fù)合材料冷-熱軋制復(fù)合成形技術(shù)，制備了綜合性能優(yōu)異的薄規(guī)格不銹鋼/碳鋼層狀復(fù)合板和鈦/不銹鋼層狀復(fù)合板實(shí)現(xiàn)了非真空或保護(hù)氣氛條件下不銹鋼基層狀復(fù)合材料的連續(xù)制備，提高了復(fù)合界面的結(jié)合率并獲得了均勻一致的強(qiáng)冶金結(jié)合復(fù)合界面，顯著降低了界面脆性相的含量，制備出了高界面結(jié)合質(zhì)量和綜合性能優(yōu)異的不銹鋼/碳鋼層狀復(fù)合板和鈦/不銹鋼層狀復(fù)合板，實(shí)現(xiàn)了薄規(guī)格不銹鋼基層狀復(fù)合材料的短流程、高效率、低成本制備。北京科技大學(xué)劉雪峰教授團(tuán)隊(duì)利用發(fā)明的液-固復(fù)合連鑄成形技術(shù)和設(shè)備開展了304不銹鋼包覆Q235碳鋼層狀復(fù)合材料的復(fù)合成形，成功制備了橫截面尺寸為23mm×48mm，長度超過1m，層厚比為4:15:4和6:11:6的304不銹鋼包覆Q235碳鋼層狀復(fù)合材料，其宏觀照片如圖4所示。圖4 層厚比為4:15:4和6:11:6的304不銹鋼包覆Q235碳鋼層狀復(fù)合材料304不銹鋼包覆Q235碳鋼層狀復(fù)合鑄坯的碳鋼基層尺寸精確、不銹鋼覆層均勻，上述兩種層厚比復(fù)合鑄坯的抗拉強(qiáng)度可達(dá)500MPa以上、復(fù)合界面抗剪強(qiáng)度可達(dá)450MPa以上，其抗拉強(qiáng)度和復(fù)合界面抗剪強(qiáng)度已經(jīng)與真空熱軋制備的不銹鋼/碳鋼層狀復(fù)合材料相近。發(fā)明了304不銹鋼包覆Q235碳鋼層狀復(fù)合鑄坯的熱軋工藝，制備的不銹鋼包覆碳鋼層狀復(fù)合板表面質(zhì)量和板形良好，界面抗剪強(qiáng)度可達(dá)500MPa，遠(yuǎn)超國標(biāo)《GB/T8165-2008不銹鋼復(fù)合鋼板和鋼帶》中Ⅰ級復(fù)合板標(biāo)準(zhǔn)要求的210MPa，界面結(jié)合率為100%，在彎曲部分的外側(cè)無裂紋，綜合力學(xué)性能及耐腐蝕性能優(yōu)異。利用冷-熱軋制復(fù)合成形技術(shù)制備的薄規(guī)格鈦/不銹鋼層狀復(fù)合板的界面結(jié)合強(qiáng)度可達(dá)280MPa以上，遠(yuǎn)超《GB∕T 8546-2017鈦-不銹鋼復(fù)合板》中0類鈦/不銹鋼復(fù)合板的界面結(jié)合強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)要求的196 MPa，界面結(jié)合率為100%，180°內(nèi)彎或外彎界面均不分層；制備的薄規(guī)格不銹鋼/碳鋼層狀復(fù)合板的界面剪切強(qiáng)度超過350MPa，界面結(jié)合率為100%，在彎曲部分的外側(cè)無裂紋，綜合力學(xué)性能及耐腐蝕性能優(yōu)異。
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