不锈钢复合板的真空热轧方法
【专利摘要】本发明为一种不锈钢复合板的真空热轧方法。该方法包括如下步骤：(1) 对不锈钢和碳钢待复合面进行打磨；(2) 将两块不锈钢板贴合面之间加入高温隔离布，四周点焊固定于一起，将点焊后的两块不锈钢板固定在待复合的一块碳钢板上，再用四块封条围绕不锈钢形成一个盒体，再在上面固定第二块碳钢板，形成对称型组坯，然后采用氩弧焊焊接，得到密封对称型组坯；(3) 将密封对称型组坯中一个封条之间钻一个通孔，将不锈钢管氩弧焊接于封条上；(4) 抽真空，再用液压钳将不锈钢管密封，最后用真空泥将不锈钢管封闭；（5）采用了多道次热轧，得到不锈钢复合板。本发明的板型应力分布相对对称，具有良好的界面强度。
【专利说明】
不锈钢复合板的真空热轧方法
技术领域
[0001]本发明创造涉及不锈钢复合板生产技术领域，特别涉及真空热乳方法制备超高界面强度的耐高温耐蚀不锈钢复合板，属于金属压延领域。
【背景技术】
[0002]为了有效的降低成本、节约资源和避免浪费，目前石油化工、海水淡化、发电、造船以及油气输送管线等重大装备行业以及造纸、食品和医疗器械等部门都逐渐采用不锈钢复合板，来代替传统昂贵的不锈钢制品。不锈钢复合板既是以碳钢为基层，不锈钢为覆层的层状金属基复合材料。它能充分发挥不锈钢的耐高温、耐蚀、耐磨、抗磁等特点，又具有碳钢良好的可焊性、成型性、拉延性和导热性，并与纯不锈钢板相比，可节约铬、镍等合金元素70%?80%，节约成本30%?50%。
[0003]不锈钢复合板工业化生产主要采用爆炸复合工艺，但是爆炸焊接方式具有噪音大，生产效率低，过程不易控制和对环境污染大等缺点，并只能生产较厚覆层的不锈钢复合板，因此国外已逐渐摒弃爆炸复合方式。
[0004]真空热乳目前成为世界上普遍采用的制备工艺，它是在温度和压力的同时作用下，令不锈钢板与碳钢板之间的界面在接近真空的状态下发生微观的塑性流变后相互紧密接触，从而达到完全的冶金结合。与爆炸焊接方法相比，具有无噪声，生产效率高，过程可控，对环境影响小，可大面积规模化生产等优势。然而由于对真空热乳过程中界面精确控制和界面形成机理等方面的认识不足，因此目前国内外仍不能将真空热乳法完全应用于工业化生产不锈钢复合板。不锈钢复合板界面无法精确控制的主要原因，是在热乳过程中，不锈钢具有较高的热变形抗力，而碳钢的高温变形能力较强，因此两者变形协调性较差，这一方面影响了各层厚度的均匀性和界面的平整性，出现周期性波状颈缩类型的界面形貌，甚至会发生脱层现象，另一方面会在界面处产生较大的残余应力，不利于不锈钢复合板的成型和应用。同时，不锈钢复合板在服役过程中往往承受拉伸、弯曲、交变等载荷的作用，如果界面结合强度较低，会产生分层、折裂等现象，造成灾难性事故。此外，乳制界面结合机理都建立于冷乳基础上的，而在热乳过程中，氧化膜的变形和断裂，合金元素的扩散和反应将严重影响复合界面的强度。当前，制备真空热乳不锈钢复合板的过程中采用了非对称组坯方式，将表面清理后的不锈钢板和碳钢板叠放在一起，放在抽真空室中进行抽真空，然后用真空电子束焊把界面四周密封封装。由于真空电子束焊接设备昂贵，成本较高。
【发明内容】
[0005]本发明的目的为针对当前技术存在的不足，提供一种不锈钢复合板的真空热乳方法。该方法采用真空对称式封装和多道次热乳的方式，利用真空设备进行抽真空，减少界面氧化物，提高了界面结合强度；同时，采用了多道次热乳，每道次控制在20?30%，避免了过大的压下量造成翘曲。热乳温度高达1100°C，在不锈钢复合板界面产生一定的扩散层，获得超高界面结合。
[0006]—种不锈钢复合板的真空热乳方法，包括如下步骤:
[0007](I)表面打磨，分别对不锈钢板和碳钢板的待复合面进行打磨；
[0008](2)将两块不锈钢板贴合面之间加入高温隔离布，四周点焊固定于一起，将点焊后的两块不锈钢板固定在待复合的一块碳钢板上，再用四块封条围绕不锈钢形成一个盒体，再在上面固定第二块碳钢板，形成对称型组坯，然后采用氩弧焊焊接，得到密封对称型组坯;其中，不锈钢四边与相邻的封条距离为5?40mm，两块不锈钢板厚度之和，加上高温隔离布的厚度，等于封条的厚度；
[0009](3)将密封对称型组坯中一个封条之间钻一个通孔，将不锈钢管氩弧焊接于封条上，并通过验漏设备进行检查确保焊接封装完好；
[0010](4)用含有机械栗、磁栗和分子栗三级栗的真空设备进行抽真空，令组坯内真空度达到10—2Pa为止，用氩弧焊枪将不锈钢管加热到500?1000°C，并用液压钳将不锈钢管密封，最后用真空泥将不锈钢管封闭；
[0011](5)将抽完真空后的组坯放入高温加热炉中进行升温，升至1000?1300°C进行保温处理，保温I?3h;
[0012](6)将加热后的组坯送入热乳机中进行热乳，每次乳制压下量为1?90 %，乳制道次为I?9次，乳制总压下量为10?90% ；
[0013](7)在矫直机上进行矫直，随后空冷至室温，得到不锈钢复合板。
[OOM]所述的步骤(6)中的乳制速度为0.8?lm/s。
[0015]所述的步骤(6)中的乳制道次优选为6?9次，乳制总压下量优选为为60?90%。
[0016]本发明的实质性特点为:
[0017]现有真空热乳技术中，多采用非对称方式进行组坯，这样板型在热乳过程中会产生明显的弯曲或翘曲现象，严重影响了板型的平整性和均匀性。而本实验采用对称组坯方式，板型在热乳过程中相对变形均匀，应力分布相对对称，避免了翘曲现象的产生。同时本实验利用含有三级栗的真空设备抽真空，而以往只采用机械栗一级栗，这样就会产生大量的氧化物，严重影响了界面结合状态。此外，以往热乳采用较低温度(900?IlO(TC)的热乳实验，不利于合金元素的相互扩散，获得的界面结合强度较低，而本方法采用较高温度(1100?1300°C)的热乳实验，或在界面处产生一定尺度的扩散层，获得良好的界面强度，避免了在服役和后续加工成型过程中脱层裂纹的产生，降低了事故的风险性。
[0018]本发明的有益效果在于:
[0019]本发明采用对称组坯方式，板型在热乳过程中相对变形均匀，应力分布相对对称，避免了翘曲现象的产生，与非对称组坯方式相比，板型的平整性和均匀性较好;采用了机械栗、磁栗和分子栗三级栗的真空设备进行抽真空，大大减少了复合板界面氧化物的产生，使界面达到很好的结合状态，即结合率为100%;采用了较高温度(1100?1300°C)的热乳工艺，在界面处产生一定尺度的扩散层，获得了良好的界面强度，即界面结合强度超过300MPa，避免了在服役和后续加工成型过程中脱层裂纹的产生。
【附图说明】
[0020]图1为热乳不锈钢复合板对称真空封装示意图；其中1-封条2-碳钢3-不锈钢4-隔离布5-抽真空管；
[0021]图2为热乳之后的板型形状；
[0022]图3为实施例1得到的不锈钢复合板的金相组织照片；
[0023]图4为实施例2得到的不锈钢复合板的金相组织照片；
[0024]图5为实施例3得到的不锈钢复合板的金相组织照片；
[0025]图6为不同热乳温度下的不锈钢复合板拉伸侧面断口形貌的照片，其中图6a)为IlOO0C热乳温度下的照片；图6b)为12000C热乳温度下的照片、图6c)为1300°C热乳温度下的照片。
【具体实施方式】
[0026]实施例1
[0027](I)表面打磨，分别用角磨机对314不锈钢和Q235碳钢待复合面进行打磨，打磨后表面出现金属光泽为止，并保证待复合界面的平整性，通过打磨可以去除表面杂质和氧化膜，以利于热乳结合，其中碳钢尺寸:200mm X 300mm X 60mm，不锈钢尺寸:160mm X 260mm X12mm；
[0028](2)如图1所示的对称型组坯方式进行组装:将两块不锈钢贴合面之间加入高温隔离布，四周点焊固定于一起，再将两不锈钢板放置于待复合的一块碳钢板表面中间(不锈钢钢板与碳钢钢板中心对称)，将其点焊固定，再用四块封条围绕不锈钢板形成一个盒体，点焊固定，不锈钢板四边距相邻封条内壁距离均为5mm(封条尺寸为230mm X 30mm X 25mm和270mm X 30mm X 25mm，材质为Q235碳钢，其中，封条厚度为两块不锈钢厚度之和，加上高温隔离布的厚度)，然后再在上面盖上第二块碳钢板，点焊固定，形成对称型组坯;最后采用交流氩弧焊焊接封条之间、以及封条与碳钢板之间，得到密封对称型组坯(焊接参数:焊接电流为120A，妈极直径为3臟，八1'气消耗量为517111；[11，焊接速度为10011/111；[11)；
[0029](3)将密封后的对称型组坯其中一个封条之间钻一个直径为1mm的通孔，将外径为1mm的304不锈钢管氩弧焊接于封条上，并通过验漏设备进行检查确保焊接封装完好；(检漏的方法是向不锈钢管打气加正压，用水喷至焊接的区域，看是否有气泡的方式)
[0030](4)用含有机械栗、磁栗和分子栗三级栗的真空设备进行抽真空，令对称型组坯内真空度达到10—2Pa为止，用氩弧焊枪将不锈钢管加热到60(TC，并用液压钳将不锈钢管密封(压扁封死)，最后向不锈钢管中填充一小块真空泥将真空管完全封闭；
[0031](5)将抽完真空后的组坯放入高温加热炉中进行升温，升至1100°C进行保温处理，保温2h ；
[0032](6)用吊车将加热后的组坯送入热乳机中进行热乳，乳制道次为8道次，每道次压下率分别为20%、20%、20%、23%、23%、27%、31%、36%，乳制速度为1111/8，总压下量约为90%。
[0033](7)在矫直机上进行矫直，随后空冷至室温，最后得到上、下各一组不锈钢/碳钢复合板(经隔离布分离为两块)。
[0034]由图3可以看出不锈钢复合板界面是一条略带弯曲的直线，近界面碳钢的组织为铁素体组织，远界面碳钢的组织为铁素体+珠光体组织，近界面不锈钢的组织为细小的奥氏体组织。经测量不锈钢复合板中碳钢层的厚度约为1.2mm，不锈钢层的厚度约为6.0mm。采用超声波探测器进行探测，没有发现未结合的部位。对热乳后的不锈钢复合板进行拉伸和剪切实验，其屈服强度和剪切强度均超过300MPa。
[0035]实施例2
[0036](I)表面打磨，分别用角磨机对314不锈钢和Q235碳钢待复合面进行打磨，打磨后表面出现金属光泽为止，并保证待复合界面的平整性，通过打磨可以去除表面杂质和氧化膜，以利于热乳结合，其中碳钢尺寸:200mm X 300mm X 60mm，不锈钢尺寸:160mm X 260mm X12mm；
[0037](2)如图1所示的对称型组坯方式进行组装:将两块不锈钢贴合面之间加入高温隔离布，四周点焊固定于一起，再将两不锈钢板放置于待复合的一块碳钢板表面中间(不锈钢钢板与碳钢钢板中心对称)，将其点焊固定，再用四块封条围绕不锈钢板形成一个盒体，点焊固定，不锈钢板四边距相邻封条内壁距离均为5mm(封条尺寸为230mm X 30mm X 25mm和270mm X 30mm X 25mm，材质为Q235碳钢，其中，封条厚度为两块不锈钢厚度之和，加上高温隔离布的厚度)，然后再在上面盖上第二块碳钢板，点焊固定，形成对称型组坯;最后采用交流氩弧焊焊接密封对称型组坯(焊接参数:焊接电流为120A，钨极直径为3mm，Ar气消耗量为5L/min，焊接速度为 10cm/min)；
[0038](3)将密封后的对称型组还其中一个封条之间钻一个直径为1mm的通孔，将外径为1mm的304不锈钢管氩弧焊接于封条上，并通过验漏设备进行检查确保焊接封装完好；(检漏的方法是向不锈钢管打气加正压，用水喷至焊接的区域，看是否有气泡的方式)
[0039](4)用含有机械栗、磁栗和分子栗三级栗的真空设备进行抽真空，令对称型组坯内真空度达到10—2Pa为止，用氩弧焊枪将不锈钢管加热到60(TC，并用液压钳将不锈钢管密封(压扁封死)，最后向不锈钢管中填充一小块真空泥将真空管完全封闭；
[0040](5)将抽完真空后的组坯放入高温加热炉中进行升温，升至1200°C进行保温处理，保温2h ；
[0041](6)用吊车将加热后的组坯送入热乳机中进行热乳，乳制道次为8道次，每道次压下率分别为20%、20%、20%、23%、23%、27%、31%、36%，乳制速度为1111/8，总压下量约为90%。
[0042](7)在矫直机上进行矫直，随后空冷至室温，最后得到上、下各一组不锈钢/碳钢复合板(经隔离布分离为两块)。
[0043]实施例3
[0044](I)表面打磨，分别用角磨机对314不锈钢和Q235碳钢待复合面进行打磨，打磨后表面出现金属光泽为止，并保证待复合界面的平整性，通过打磨可以去除表面杂质和氧化膜，以利于热乳结合，其中碳钢尺寸:200mm X 300mm X 60mm，不锈钢尺寸:160mm X 260mm X12mm；
[0045](2)如图1所示的对称型组坯方式进行组装:将两块不锈钢贴合面之间加入高温隔离布，四周点焊固定于一起，再将两不锈钢板放置于待复合的一块碳钢板表面中间(不锈钢钢板与碳钢钢板中心对称)，将其点焊固定，再用四块封条围绕不锈钢板形成一个盒体，点焊固定，不锈钢板四边距相邻封条内壁距离均为5mm(封条尺寸为230mm X 30mm X 25mm和270mm X 30mm X 25mm，材质为Q235碳钢，其中，封条厚度为两块不锈钢厚度之和，加上高温隔离布的厚度)，然后再在上面盖上第二块碳钢板，点焊固定，形成对称型组坯;最后采用交流氩弧焊焊接密封对称型组坯(焊接参数:焊接电流为120A，钨极直径为3mm，Ar气消耗量为5L/min，焊接速度为lOcm/min)；
[0046](3)将密封后的对称型组坯其中一个封条之间钻一个直径为1mm的通孔，将外径为1mm的304不锈钢管氩弧焊接于封条上，并通过验漏设备进行检查确保焊接封装完好；(检漏的方法是向不锈钢管打气加正压，用水喷至焊接的区域，看是否有气泡的方式)
[0047](4)用含有机械栗、磁栗和分子栗三级栗的真空设备进行抽真空，令对称型组坯内真空度达到10—2Pa为止，用氩弧焊枪将不锈钢管加热到60(TC，并用液压钳将不锈钢管密封(压扁封死)，最后向不锈钢管中填充一小块真空泥将真空管完全封闭；
[0048](5)将抽完真空后的组坯放入高温加热炉中进行升温，升至1300°C进行保温处理，保温2h ；
[0049](6)用吊车将加热后的组坯送入热乳机中进行热乳，乳制道次为8道次，每道次压下率分别为20%、20%、20%、23%、23%、27%、31%、36%，乳制速度为1111/8，总压下量约为90%。
[0050](7)在矫直机上进行矫直，随后空冷至室温，最后得到上、下各一组不锈钢/碳钢复合板(经隔离布分离为两块)。
[0051]图2中为热乳之后的板型形状，发现平整性和厚度均匀性良好，无翘曲。从图3，4，5中可以得到界面较为平直且层厚较为均匀。并发现界面层处出现了明显的过渡层，靠近界面层的碳钢侧为脱碳层区，内部组织仅有铁素体组成，珠光体消失，而靠近界面层的不锈钢侧为渗碳层，由金相腐蚀较深的规则晶粒组成，由于碳元素的渗入，在晶界处极易出现细小弥散的碳化物，这说明在较高温度下热乳，合金元素能够充分的扩散，从而提高界面结合强度。图6为不同热乳温度下的不锈钢复合板拉伸侧面断口形貌，随着热乳温度的升高，脱层裂纹逐渐消失，反应界面结合强度逐渐升高，能够满足加工成型和服役的需要。
[0052]本发明未尽事宜为公知技术。
【主权项】
1.一种不锈钢复合板的真空热乳方法，其特征为包括如下步骤: (1)表面打磨，分别对不锈钢板和碳钢板的待复合面进行打磨； (2)将两块不锈钢板贴合面之间加入高温隔离布，四周点焊固定于一起，将点焊后的两块不锈钢板固定在待复合的一块碳钢板上，再用四块封条围绕不锈钢形成一个盒体，再在上面固定第二块碳钢板，形成对称型组坯，然后采用氩弧焊焊接，得到密封对称型组坯；其中，不锈钢四边与相邻的封条距离为5?40mm，两块不锈钢板厚度之和，加上高温隔离布的厚度，等于封条的厚度； (3)将密封对称型组坯中一个封条之间钻一个通孔，将不锈钢管氩弧焊接于封条上，并通过验漏设备进行检查确保焊接封装完好； (4)用含有机械栗、磁栗和分子栗三级栗的真空设备进行抽真空，令组坯内真空度达到10—2Pa为止，用氩弧焊枪将不锈钢管加热到500?1000°C，并用液压钳将不锈钢管密封，最后用真空泥将不锈钢管封闭； (5)将抽完真空后的组坯放入高温加热炉中进行升温，升至1000?1300°C进行保温处理，保温I?3h; (6)将加热后的组坯送入热乳机中进行热乳，每次乳制压下量为10?90%，乳制道次为I?9次，乳制总压下量为1?90%; (7)在矫直机上进行矫直，随后空冷至室温，得到不锈钢复合板。2.如权利要求1所述的不锈钢复合板的真空热乳方法，其特征为所述的步骤(6)中的乳制速度为0.8?lm/s。3.如权利要求1所述的不锈钢复合板的真空热乳方法，其特征为所述的步骤(6)中的乳制道次优选为6?9次，乳制总压下量优选为为60?90%。
【文档编号】B21B1/38GK105880285SQ201610412045
【公开日】2016年8月24日
【申请日】2016年6月13日
【发明人】刘宝玺, 代响林, 殷福星, 董艳春, 陈翠欣
【申请人】河北工业大学