熱處理時(shí)間對(duì)不銹鋼-碳鋼爆炸復(fù)合板結(jié)合界面的影響

 1    前言

         在壓力容器行業(yè)中，特別是一些用于化學(xué)工業(yè)的設(shè)備，由于長(zhǎng)期在具有腐蝕性的環(huán)境中服役，因此對(duì)其制造材料的耐腐蝕性能有很高的要求。如果用單一的耐腐蝕材料進(jìn)行制造，雖然滿足了使用要求，但是大大提高了生產(chǎn)成本?？梢钥紤]在保證材料強(qiáng)度和使用性能的前提下，通過(guò)在價(jià)格相對(duì)便宜的基板上復(fù)合一層耐腐蝕板材來(lái)達(dá)到降低成本的目的[1]。            本文以0Cr13不銹鋼-Q235碳鋼爆炸不銹鋼復(fù)合板為試驗(yàn)對(duì)象，研究了不同熱處理時(shí)長(zhǎng)對(duì)其結(jié)合界面在組織形態(tài)、元素?cái)U(kuò)散及顯微硬度等方面的影響，為確定合適的熱處理時(shí)間提供了理論指導(dǎo)。

2    試驗(yàn)材料及方法

         試驗(yàn)材料為不銹鋼-碳鋼爆炸不銹鋼復(fù)合板，復(fù)層材料為0Cr13不銹鋼，基層材料為Q235碳鋼，厚度規(guī)格為3mm（0Cr13）+17mm（Q235），板材的化學(xué)成分如表1所示。從原始板材切取尺寸為25mm×10mm×20mm的3份樣品，并將樣品置于管式電阻爐中進(jìn)行不同時(shí)長(zhǎng)的熱處理，試驗(yàn)方案如表2所示。處理后的樣品用砂紙按照320#、400#、600#、800#的順序依次打磨，最后用金剛石拋光膏進(jìn)行機(jī)械拋光。考慮到不銹鋼、碳鋼兩種金屬耐腐蝕性能的差異，采用分次腐蝕的方法對(duì)樣品進(jìn)行化學(xué)腐蝕，碳鋼一側(cè)用的是4%的硝酸酒精溶液，腐蝕時(shí)間為5s，不銹鋼一側(cè)用的是5ml HNO3+50ml HCL+50ml H3O的混合溶液，腐蝕時(shí)間為8min。腐蝕后的樣品用MR2000 型倒置光學(xué)顯微鏡進(jìn)行金相組織觀察，通過(guò)MH -3型自動(dòng)數(shù)字顯微硬度儀對(duì)界面結(jié)合區(qū)進(jìn)行顯微硬度的測(cè)定，并利用X射線能譜儀對(duì)試樣界面區(qū)的元素?cái)U(kuò)散行為進(jìn)行了分析。    

3    試驗(yàn)結(jié)果及討論 

3.1    金相組織觀察 

        圖1a為焊態(tài)下不銹鋼復(fù)合板結(jié)合界面區(qū)域的金相組織圖。從圖中可以發(fā)現(xiàn)，兩種金屬的結(jié)合界面呈現(xiàn)明顯的波狀特征，這是爆炸焊接工藝最顯著的特點(diǎn)。碳鋼一側(cè)的組織為鐵素體和珠光體, 由于爆炸產(chǎn)生的熱效應(yīng)使得界面附近的晶粒明顯長(zhǎng)大，晶粒尺寸隨著遠(yuǎn)離界面而不斷減小直到與基體晶粒一致。同時(shí)，界面附近的晶粒開(kāi)始出現(xiàn)脫碳現(xiàn)象，碳從晶粒內(nèi)部析出聚集于晶界。不銹鋼一側(cè)界面附近的晶粒呈現(xiàn)細(xì)長(zhǎng)的纖維狀，這是由于碰撞時(shí)劇烈的塑性變形促使晶粒沿著平行于界面的方向被拉長(zhǎng)。圖1b為2#試樣結(jié)合界面區(qū)域的金相組織圖。碳鋼一側(cè)界面附近的晶粒尺寸相對(duì)于焊態(tài)有所減小，這是在熱處理作用下晶粒發(fā)生了回復(fù)再結(jié)晶。而焊態(tài)下聚集于晶界處的碳也因?yàn)闊崽幚淼靡猿浞謹(jǐn)U散，削弱了晶界處偏析作用的影響。不銹鋼一側(cè)界面附近的變形流線仍舊存在，但變形程度有所減小，晶粒開(kāi)始有再結(jié)晶跡象。同時(shí)，碳化物數(shù)量明顯增多，可能是碳鋼中的碳擴(kuò)散到不銹鋼中與鉻元素反應(yīng)生成碳化鉻，這將導(dǎo)致不銹鋼中出現(xiàn)貧鉻區(qū)域，降低了母材的抗腐蝕性能[4]。圖1c為3#試樣結(jié)合界面區(qū)域的金相組織圖。碳鋼一側(cè)界面附近的晶粒開(kāi)始長(zhǎng)大，晶界處碳的偏析現(xiàn)象已經(jīng)消失。不銹鋼一側(cè)的變形組織則進(jìn)一步減少，分布于基體中的碳化物也基本消失，這是由于元素的擴(kuò)散作用使得鉻元素又重新固溶到母材之中，有利于提高材料的耐腐蝕性能。

  3.2    結(jié)合界面SEM分析及X射線能譜分析

         利用掃描電子顯微鏡對(duì)爆炸不銹鋼復(fù)合板的結(jié)合界面進(jìn)行了觀察，發(fā)現(xiàn)不銹鋼與碳鋼之間存在兩種結(jié)合方式，一種是直接結(jié)合（如圖2a所示）, 另一種是間接結(jié)合（如圖2b所示）。間接結(jié)合方式中的中間層是由于基板和復(fù)板中的合金元素互溶形成的，該區(qū)域的化學(xué)成分介于復(fù)板和基板之間[5]。因?yàn)榻?jīng)歷了金屬熔化和凝固階段，熔合層易出現(xiàn)氣孔、裂紋等缺陷，成為界面結(jié)合較薄弱的區(qū)域。從圖2中還可以發(fā)現(xiàn)，不管是以何種方式結(jié)合，界面附近都有超細(xì)晶粒帶出現(xiàn)。這是在爆炸過(guò)程中由于材料的高速碰撞，在極短的時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生巨大的壓力使該處金屬受到很大的剪切作用，塑性剪切功轉(zhuǎn)變的巨大熱量使金屬在很窄的區(qū)域內(nèi)發(fā)生熔化，之后又急劇冷卻，故形成極細(xì)的組織，甚至有非晶組織形成[6]。

  3.3    顯微硬度的測(cè)定

         利用MH-3型自動(dòng)數(shù)字顯微硬度儀對(duì)界面結(jié)合區(qū)的顯微硬度分布情況進(jìn)行了測(cè)定，試驗(yàn)數(shù)據(jù)如圖4所示。由圖可知，界面處的顯微硬度明顯高于兩側(cè)的基體金屬，這是由于爆炸焊接過(guò)程中的高速碰撞使金屬受到強(qiáng)烈的壓縮作用和劇烈的塑性變形，從而導(dǎo)致在界面結(jié)合區(qū)產(chǎn)生不同程度的加工硬化。顯微硬度隨著與界面距離的增大而逐漸降低，當(dāng)距離超過(guò)變形層的范圍之后，硬度就趨近于基體金屬的原始硬度了, 這主要是由于相應(yīng)位置金屬的塑性變形逐漸減弱所致。熱處理時(shí)間越長(zhǎng)，界面附近碳鋼一側(cè)的顯微硬度相對(duì)于母材就下降得越劇烈。這是因?yàn)闊崽幚碛兄赒235中的碳擴(kuò)散到界面和復(fù)層金屬之中，導(dǎo)致此區(qū)域中形成了脫碳區(qū)[8]。同時(shí)，從兩側(cè)擴(kuò)散而來(lái)的碳和鉻促使界面處生成的碳化物不斷增加，導(dǎo)致此處的顯微硬度也隨著熱處理時(shí)間的增加而上升。

  4    結(jié)束語(yǔ)

 4.1    0Cr13-Q235復(fù)合板沿爆轟方向的界面呈明顯的波狀結(jié)合，且界面兩側(cè)的晶粒由于焊接過(guò)程中劇烈的碰撞都存在不同程度的變形。 

4.2    不銹鋼復(fù)合板進(jìn)行熱處理促使晶粒發(fā)生再結(jié)晶, 減少母材之中的變形組織，并有利于兩側(cè)金屬之中的元素相互擴(kuò)散，在界面處生成硬度很高的碳化物，提高了界面的結(jié)合強(qiáng)度。 

4.3    隨著熱處理時(shí)間增加，界面兩側(cè)元素?cái)U(kuò)散進(jìn)行得更充分。碳鋼一側(cè)出現(xiàn)脫碳區(qū)，不銹鋼一側(cè)則產(chǎn)生滲碳現(xiàn)象，且滲碳層中的碳化物呈網(wǎng)狀分布或顆粒狀分布。

 4.4    在280℃進(jìn)行熱處理時(shí)，理想的保溫時(shí)間是7小時(shí)。雖然界面鄰近區(qū)域的硬度有所下降，但不銹鋼中的碳化物發(fā)生了分解，使得Cr又重新固溶于母材之中，消除了貧鉻現(xiàn)象對(duì)材料耐腐蝕性能的不利影響。

參考文獻(xiàn)

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