CN102294484B - 18-8型奥氏体不锈钢-碳钢覆层钢板的制造方法 - Google Patents

Abstract

18-8型奥氏体不锈钢-碳钢覆层钢板的制造方法，具体步骤如下：1)制备18-8型奥氏体不锈钢粉末；2)去除待覆层的碳钢基板的表面氧化皮；3)制备碳钢-不锈钢覆层板坯；4)覆层板坯热处理；5)覆层板坯冷轧变形处理。本发明不锈钢覆层与基板在界面处形成10微米以上的扩散区，结合强度高，覆层空隙率低，并获得微米和亚微米级超细晶粒组织；与已有不锈钢复合板相比，覆层与基体界面结合力提高10％以上，覆层硬度和耐磨性分别提高10％和15％以上。本发明工艺流程短，成本低，效率高，适用范围广，具有广阔的应用前景。

Description

18-8型奥氏体不锈钢-碳钢覆层钢板的制造方法

技术领域

本发明属冶金制造领域，具体涉及一种18-8型不锈钢-碳钢覆层板的制造方法。

背景技术

21世纪进入不锈钢的高消费时代，世界不锈钢年消耗量已经大于2000万吨，人均不锈钢消耗量3Kg。奥氏体型不锈钢是应用最广泛的一类钢，一般属于耐蚀钢，其显微组织为奥氏体，它是在高铬不锈钢中添加适当的镍而形成的，其中以18-8型不锈钢最有代表性，它具有较好的力学性能，便于进行机械加工、冲压和焊接，在氧化性环境中具有优良的耐腐蚀性能和良好的耐热性能。2009年，国内不锈钢消耗量已达到600万吨以上，对于中国这样一个缺铬少镍、资源相对匮乏的国家，开发不锈钢覆层板无疑是一条最佳的解决资源问题的办法。不锈钢覆层板作为整体不锈钢的替代材料，可应用于需求整体不锈钢的所有行业，不锈钢覆层板与不锈钢板比可节约铬、镍元素70～80％，这对我国这个铬、镍资源贫乏的国家来说，具有重大的经济意义和社会效益。

不锈钢覆层板使用的主要目的是利用母材的强度和塑性及膜层材料的耐腐蚀、耐热、耐氢、耐磨、光亮等特殊性能，其产品主要用于建筑、装饰、石油精炼、化学工业、原子能工业、电解及弱电设备、家庭用品以及船舶、汽车等等。尤其对于装饰性材料，覆层板表面膜层的耐磨性和耐蚀性是两种最重要的性能指标。随着我国经济的迅速发展，国民经济的支柱产业如冶金、化工、石油、天然气和农药、饮料、酒类、造船、核能行业，星级饭店、建筑装饰等行业，对不锈钢+钢、铜合金+钢及钛合金+钢等一系列板的需求量很大。

中国专利申请号为01219784公开了一种离心铸造和热轧配合制造不锈钢覆层板的方法，成本低，易于实现，覆层界面坚固、稳定，不锈钢层分布均匀，无气孔，无夹渣；

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中国专利申请号200910079149公开了一种碳钢/不锈钢覆层材料的制备方法，采用中频感应炉中惰性气体保护下熔化不锈钢，将表面处理后的45#钢浸入不锈钢熔液中，浸入时间为1～10s，随后在静置空气中自然冷却。45#钢表面可形成厚度在0.5～3mm之间的不锈钢层。本发明的优点在于：生产时间短，效率高，设备简单，对设备的使用寿命影响不大，可连续化生产。

中国专利申请号200610026318公开了一种不锈钢包覆碳钢的覆层钢板的制造方法，在碳钢铸坯热轧过程中，采用冷气动力喷涂技术在高温碳钢板表面喷涂不锈钢涂层，经连续热轧得到不锈钢包覆碳钢的覆层结构钢板。

发明内容

本发明的目的在于提供一种18-8型奥氏体不锈钢-碳钢覆层钢板的制造方法，具有表面高硬度、高耐磨和良好耐蚀性能的18-8型奥氏体不锈钢-碳钢覆层板，不锈钢覆层与基板在界面处形成一定深度的扩散区，结合强度高，覆层空隙率低，并获得微米和亚微米级超细晶粒组织；且，不受钢板宽度限制，适应性强，工艺流程短，成本低，效率高，适用范围广。

为达到上述目的，本发明的技术方案是，

18-8型奥氏体不锈钢-碳钢覆层钢板的制造方法，具体步骤如下：

1)制备18-8型奥氏体不锈钢粉末

不锈钢粉末的成分重量百分比为：C：≤0.1％，Cr：17％-19％，Ni：8％-11％，Si0.8％-1.7％，S≤0.01％，Mn≤1％，N≤0.1％，P≤≤0.02％，余量为Fe和不可避免的杂质；

2)去除待覆层的碳钢基板的表面氧化皮，获得钢板表面粗糙度范围为Ra0.5-Ra8.0之间；

3)制备碳钢-不锈钢覆层板坯

采用温态粒子高速应变沉积的方法，即采用氮气或氦气驱动不锈钢粒子达到600m/s以上后撞击在碳钢基板表面，在碳钢表面制备0.1-1.0mm的不锈钢覆层；此过程中不锈钢粉末自身温度在450-750℃之间；

4)覆层板坯热处理

随炉加热至900-1250℃，保温时间为10-180min，然后进行水冷，覆层钢板400℃以上时冷却速率达到60℃/s以上；不锈钢覆层与碳钢基体形成10微米以上的扩散区，覆层内获得微米和亚微米级的超细再结晶组织；

5)覆层板坯冷轧变形处理。

进一步，还包括，步骤6)对覆层板进行酸洗、光亮及涂镀等后处理。

上述步骤1)，制粉熔炼过程采用氧化镁坩埚。

上述步骤1)中，不锈钢粉末制备采用氮气或氦气冲击不锈钢液流，使其雾化、冷却，得到球形度95％以上的微小颗粒；

上述步骤1)中，不锈钢粉末制备完成后需采用氢气氛炉还原，所得不锈钢颗粒的含氧量小于0.02％。

上述步骤1)中，不锈钢颗粒直径小于80微米，其中，5-20μm颗粒比例为10-15％，20-40微米颗粒比例为50-55％，40-80微米颗粒比例为30-40％。

上述步骤2)中，钢板表面氧化皮去除采用酸洗、高压水除鳞、喷砂、超音速喷丸中的一种或几种的组合，获得新鲜金属表面；氧化皮去除后，钢板表面粗糙度范围为Ra0.5-Ra8.0之间，优选为Ra1.5-Ra5之间。

上述步骤4)中，覆层钢板热处理使用真空保护，或使用氮气、氦气、氩气等惰性气体保护，或使用氢气等还原性气体保护，或使用表面涂覆硅酸盐抗氧化涂料进行保护。

上述步骤5)中，不锈钢覆层单道次变形量≥1％，累积变形量≤75％，优选累积变形量范围为5-40％。

本发明与常规18-8型不锈钢的不同之处在于，本发明所用不锈钢粉中硅含量较高，0.8％-1.7％。

本发明的有益效果

与已有18-8型奥氏体不锈钢复合板相比，采用上述工艺制备的不锈钢覆层板具有如下优点：

1.覆层厚度可由毫米级减少到微米级，且覆层比例容易控制，可达到10％以下，成本大大降低；

2.覆层发生完全再结晶，获得微米和亚微米级的超细晶粒组织，硬度提高10％以上，耐磨性提高15％以上；

3.覆层与基体材料形成10微米以上的扩散区，结合强度提高10％以上；

4.界面处形成一定厚度的扩散层，与以往爆炸焊、复合浇铸及常规喷涂方法相比，结合力大幅提升。

附图说明

图1为本发明18-8型奥氏体不锈钢-碳钢覆层钢板的制造方法的工艺流程图；

图2为本发明不锈钢粉末形貌SEM照片；

图3为本发明不锈钢覆层超细晶组织SEM照片；

图4为本发明不锈钢-碳钢界面扩散区SEM照片；

图5为本发明8％冷轧变形不锈钢覆层板截面SEM照片。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明做进一步说明。

实施例1

参见图1，本发明不锈钢覆层板制造方法，包括如下步骤：

步骤1，不锈钢粉末制备。不锈钢粉末成分中，硅百分含量1.2％，其它元素含量如下：C：0.1％，Cr：18％，Ni：8.6％，S≤0.01％，Mn：0.4％，N：0.08％，P≤0.02％，余量为Fe和不可避免的杂质；粉末采用氮气物化制备，球形度达到96％，含氧量0.16％；5-20μm颗粒比例为15％，20-40微米颗粒比例为50％，40-80微米颗粒比例为35％；不锈钢粉末形貌如图2所示。

步骤2，钢板基体为热轧IF钢板，酸洗去除表面氧化皮，表面粗糙度为Ra0.8；

步骤3，采用温态粒子高速应变沉积的方法在钢板表面制备了0.2mm厚的不锈钢覆层，粒子温度为650℃，应变量达到30％以上。

步骤4，热处理采用真空保护，随炉升温到1120℃，保温120min，以75℃/s的冷却速率水冷至400℃，不锈钢覆层与碳钢基体间形成50微米的扩散区，覆层为微米和亚微米的超细再结晶组织，如图3、图4所示。

步骤5，热处理后对不锈钢覆层板进行了冷轧，单道次变形量2％，累积变形量8％，如图5所示，冷轧后覆层自身具有良好的冷轧变形能力，冷轧后覆层内部无明显缺陷；同时，不锈钢覆层与碳钢基板变形协调性良好，界面处无显著开裂。

采用上述工艺制造的不锈钢-碳钢覆膜板覆层所占比例为3％，覆层与基体结合力提高20％，覆层硬度较常规复合板提高15％，耐磨性提高20％。

实施例2

不锈钢粉末硅含量1.7％，其它元素含量如下：C：0.11％，Cr：17.8％，Ni：9.2％，S≤0.01％，Mn：0.6％，N：0.06％，P≤0.02％，余量为Fe和不可避免的杂质；粉末采用氦气物化制备，球形度达到98％，含氧量0.13％；5-20μm颗粒比例为13％，20-40微米颗粒比例为55％，40-80微米颗粒比例为32％。钢板基体为热轧IF钢板，喷砂去除表面氧化皮，表面粗糙度为Ra4.3；采用温态粒子高速应变沉积的方法在钢板表面制备了1mm厚的不锈钢覆层，粒子温度为750℃，应变量达到30％以上。热处理采用含有3％(体积比)氢气与氮气的混合气氛保护，随炉升温到1085℃，保温150min，以68℃/s的冷却速率水冷至400℃，不锈钢覆层与碳钢基体间形成30微米的扩散区，采用上述工艺制造的不锈钢-碳钢覆膜板覆层所占比例为10％，覆层与基体结合力提高18％，覆层硬度较常规复合板提高25％，耐磨性提高30％。

实施例3

不锈钢粉末硅含量0.9％，其它元素含量如下：C：0.09％，Cr：18.5％，Ni：8.7％，S≤0.01％，Mn：0.55％，N：0.08％，P≤0.02％，余量为Fe和不可避免的杂质；粉末采用氮气物化制备，球形度达到95％，含氧量0.13％；5-20μm颗粒比例为11％，20-40微米颗粒比例为55％，40-80微米颗粒比例为34％；钢板基体为普碳钢，高压水去除表面氧化皮，表面粗糙度为Ra1.0；采用温态粒子高速应变沉积的方法在钢板表面制备了0.5mm厚的不锈钢覆层，粒子温度为700℃，应变量达到35％以上。热处理采用氮气保护，随炉升温到1120℃，保温120min，以75℃/s的冷却速率水冷至400℃，不锈钢覆层与碳钢基体间形成40微米的扩散区。热处理后对不锈钢覆层板进行了冷轧，单道次变形量1％，累积变形量20％。采用上述工艺制造的不锈钢-碳钢覆膜板覆层所占比例为6％，覆层与基体结合力提高25％，覆层硬度较常规复合板提高15％，耐磨性提高18％。

实施例4

不锈钢粉末硅含量1.6％，其它元素含量如下：C：0.09％，Cr：18.3％，Ni：9.5％，S≤0.01％，Mn：0.68％，N：0.08％，P≤0.02％，余量为Fe和不可避免的杂质；粉末采用氮气物化制备，球形度达到95％，含氧量0.1％；5-20μm颗粒比例为14％，20-40微米颗粒比例为53％，40-80微米颗粒比例为33％；钢板基体为TWIP钢，超音速喷丸方法去除表面氧化皮，表面粗糙度为Ra7.4；采用温态粒子高速应变沉积的方法在钢板表面制备了0.1mm厚的不锈钢覆层，粒子温度为750℃，应变量达到40％以上。热处理前表面涂敷硅酸盐抗氧化涂料保护，随炉升温到980℃，保温180min，以60℃/s的冷却速率水冷至400℃，不锈钢覆层与碳钢基体间形成25微米的扩散区。采用上述工艺制造的不锈钢-碳钢覆膜板覆层所占比例为3％，覆层与基体结合力提高20％，覆层硬度较常规复合板提高23％，耐磨性提高20％。

Claims (11)

1.18-8型奥氏体不锈钢-碳钢覆层钢板的制造方法，具体步骤如下：

1)制备18-8型奥氏体不锈钢粉末

不锈钢粉末的成分重量百分比为：C：≤0.1％，Cr：17％-19％，Ni：8％-11％，Si0.8％-1.7％，S≤0.01％，P≤0.02％，余量为Fe和不可避免的杂质；

2)去除待覆层的碳钢基板的表面氧化皮，获得钢板表面粗糙度范围为Ra0.5-Ra8.0之间；

3)制备碳钢-不锈钢覆层板坯

采用温态粒子高速应变沉积的方法，即采用氮气或氦气驱动不锈钢粒子达到600m/s以上后撞击在碳钢基板表面，在碳钢基板表面制备0.1-1.0mm的不锈钢覆层，此过程中不锈钢粉末自身温度在450-750℃之间；

4)覆层板坯热处理

随炉加热至900-1250℃，保温时间为10-180min，然后进行水冷，覆层钢板400℃以上时冷却速率达到60℃/s以上；不锈钢覆层与碳钢基体形成10微米以上的扩散区，覆层内获得微米和亚微米级的超细再结晶组织；

5)覆层板坯冷轧变形处理。

2.如权利要求1所述的18-8型奥氏体不锈钢-碳钢覆层钢板的制造方法，其特征是，还包括，步骤6)对覆层板进行酸洗、光亮及涂镀处理。

3.如权利要求1所述的18-8型奥氏体不锈钢-碳钢覆层钢板的制造方法，其特征是，步骤1)制粉熔炼过程采用氧化镁坩埚。

4.如权利要求1所述的18-8型奥氏体不锈钢-碳钢覆层钢板及其制造方法，其特征是，步骤1)中不锈钢粉末制备采用氮气或氦气冲击不锈钢液流，使其雾化、冷却，得到球形度95％以上的微小颗粒。

5.如权利要求1所述的18-8型奥氏体不锈钢-碳钢覆层钢板的制造方法，其特征是，步骤1)中不锈钢粉末制备完成后需采用氢气氛炉还原，所得不锈钢颗粒的含氧量小于0.02％。

6.如权利要求5所述的18-8型奥氏体不锈钢-碳钢覆层钢板的制造方法，其特征是，上述步骤1)中，不锈钢颗粒直径小于80微米，其中，5-20μm颗粒比例为10-15％，20-40微米颗粒比例为50-55％，40-80微米颗粒比例为30-40％。

7.如权利要求1所述的18-8型奥氏体不锈钢-碳钢覆层钢板的制造方法，其特征是，上述步骤2)中，钢板表面氧化皮去除采用酸洗、高压水除鳞、喷砂、超音速喷丸中的一种或几种的组合，获得新鲜金属表面。

8.如权利要求1所述的18-8型奥氏体不锈钢-碳钢覆层钢板的制造方法，其特征是，钢板表面粗糙度为Ra1.5-Ra5。

9.如权利要求1所述的18-8型奥氏体不锈钢-碳钢覆层钢板的制造方法，其特征是，步骤4)中，覆层钢板热处理使用真空保护，或使用氮气、氦气、氩气等惰性气体保护，或使用氢气还原性气体保护，或使用表面涂覆硅酸盐抗氧化涂料进行保护。

10.如权利要求1所述的18-8型奥氏体不锈钢-碳钢覆层钢板的制造方法，其特征是，上述步骤5)中，不锈钢覆层单道次变形量≥1％，累积变形量≤75％。

11.如权利要求1所述的18-8型奥氏体不锈钢-碳钢覆层钢板的制造方法，其特征是，上述步骤5)中，不锈钢覆层单道次变形量≥1％，累积变形量为5-40％。

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