CN105172218A - 一种不锈钢/碳钢双金属角钢及其复合成型工艺 - Google Patents

Abstract

本发明实施例公开了一种不锈钢/碳钢双金属角钢及其复合成型工艺，所述双金属角钢包括一体成型的第一角钢脚和第二角钢脚，其中，第一角钢脚和第二角钢脚均包括外层不锈钢层和内层碳钢芯，不锈钢层包裹在碳钢芯的外周，不锈钢层的内壁与碳钢芯的外壁紧密结合，且不锈钢层和碳钢芯的结合界面因为有复合成型工艺中的过盈配合、高温加热以及轧制压力作用，可以形成为结合强度高、工艺性能好的冶金结合界面。本发明双金属角钢来替代不锈钢角钢，在保证角钢抗腐蚀特性的前提下，还可以节省不锈钢材料，降低工程成本；同时，相比普通不锈钢角钢，本发明的双金属角钢有更高的强度。

Description

一种不锈钢/碳钢双金属角钢及其复合成型工艺

技术领域

本发明涉及金属材料及冶金轧钢技术领域，特别是涉及一种不锈钢/碳钢双金属角钢及其复合成型工艺。

背景技术

角钢俗称角铁，是两边互相垂直成角形的长条钢材，有等边角钢和不等边角钢之分。角钢可按结构的不同需要组成各种不同的受力构件，也可作构件之间的连接件，广泛地用于各种建筑结构和工程结构。普通角钢使用碳素结构钢制成，是简单断面的型钢钢材，在使用中要求有较好的可焊性、塑性变形性能及一定的机械强度。普通碳素结构角钢在使用方面存在易生锈、易腐蚀等缺陷，尤其在酸性潮湿环境中，严重影响到结构构件的使用寿命和安全性。

基于上述原因，现有技术中，大量使用由不锈钢原料制成的不锈钢角钢，其中，不锈钢是在空气或化学腐蚀介质中能够抵抗腐蚀的一种高合金钢。由于不锈钢具有良好的耐腐蚀性，所以使用不锈钢角钢能使结构部件永久地保持工程设计的完整性。

目前，不锈钢中的主要合金元素是Cr，只有当Cr含量达到一定值时，钢才有耐蚀性，因此不锈钢一般Cr含量至少为12％，同时为了使不锈钢具有更好的耐晶界腐蚀性,不锈钢中还需要含有Ni、Ti、Mn、N、Nb、Mo以及Si等贵金属元素，但是，这样在制备不锈钢角钢时会消耗大量贵重金属，导致工程材料成本高。

发明内容

本发明实施例中提供了一种不锈钢/碳钢双金属角钢及其复合成型工艺，以解决如何在确保所用角钢满足结构构件的使用寿命和安全性能的前提下，最大限度的降低工程材料成本问题。

为了解决上述技术问题，本发明实施例公开了如下技术方案：

一种不锈钢/碳钢双金属角钢，包括一体成型的第一角钢脚和第二角钢脚，其中：

所述第一角钢脚和所述第二角钢脚均包括外层不锈钢层和内层碳钢芯；

所述不锈钢层包裹在所述碳钢芯的外周，所述不锈钢层的内壁与所述碳钢芯的外壁紧密结合，且所述不锈钢层和所述碳钢芯的结合界面为冶金结合界面。

优选地，所述碳钢芯包括Q235A钢芯或Q235B钢芯。

优选地，所述不锈钢层包括Cr-Ni系奥氏体不锈钢或Cr-Mn-Ni系奥氏体不锈钢。

优选地，所述不锈钢层的重量为所述双金属角钢总重量的8％-30％。

优选地，所述不锈钢层的厚度为所述双金属角钢的角钢脚厚度的5％-18％。

一种不锈钢/碳钢双金属角钢复合成型工艺，包括以下步骤：

将碳钢芯坯料装入中空的不锈钢钢管坯料形成双金属坯料，其中所述碳钢芯坯料和所述不锈钢钢管坯料为过盈配合；

将装配好的所述双金属坯料放入加热炉中加热；

将加热后的所述双金属坯料进行热轧加工，形成包括两个互相垂直的角钢脚的双金属角钢的双金属角钢。

优选地，将碳钢芯坯料装入中空的不锈钢钢管坯料形成双金属坯料之前，还包括：

将所述碳钢芯坯料和所述不锈钢钢管坯料分别依次进行除锈、清理飞边毛刺和清洗处理。

优选地，将碳钢芯坯料装入中空的不锈钢钢管坯料形成双金属坯料，还包括：

将所述双金属坯料的两端端面、所述碳钢芯坯料的外壁和所述不锈钢钢管坯料的内壁接触的位置进行焊接密封。

优选地，将所述碳钢芯坯料装入所述不锈钢钢管坯料的方法包括压力机压入法或冷装法。

优选地，将装配好的所述双金属坯料放入加热炉中加热后，出炉温度为1050℃-1280℃。

优选地，所述碳钢芯坯料和所述不锈钢钢管坯料过盈配合的过盈量为0-0.1mm。

由以上技术方案可见，本发明实施例提供的一种不锈钢/碳钢双金属角钢及其复合成型工艺，包括一体成型的第一角钢脚和第二角钢脚，其中：所述第一角钢脚和所述第二角钢脚均包括外层不锈钢层和内层碳钢芯，所述不锈钢层包裹在所述碳钢芯的外周，所述不锈钢层的内壁与所述碳钢芯的外壁紧密结合，且所述不锈钢层和所述碳钢芯的结合界面为冶金结合界面；其复合成型工艺包括：将碳钢芯坯料装入中空的不锈钢钢管坯料形成双金属坯料，其中所述碳钢芯坯料和所述不锈钢钢管坯料为过盈配合；将装配好的所述双金属坯料进行轧制加工，形成双金属角钢，其中，所述不锈钢层和所述碳钢芯的结合界面因为有上述成型工艺中的过盈配合、高温加热以及轧制压力作用，可以形成为结合强度高、工艺性能优良的冶金结合界面。本发明采用碳钢芯和外层不锈钢层结构的双金属角钢来替代现有技术中的不锈钢角钢，在保证角钢抗腐蚀特性的前提下，还可以节省不锈钢材料，大大降低工程成本；同时，相比普通不锈钢角钢，本发明所述双金属角钢可以有更高的强度。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，对于本领域普通技术人员而言，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例提供的一种不锈钢/碳钢双金属角钢立体结构示意；

图2为本发明实施例提供的一种双金属料坯的轴向剖面结构示意图；

图3为本发明实施例提供的一种双金属料坯的横向剖面结构示意图；

图4为本发明实施例提供的另一种双金属料坯的横向剖面结构示意图；

图1-4中，具体符号为：

1-第一角钢脚，2-第一角钢脚，3-不锈钢层，4-碳钢芯，5-不锈钢钢管坯料，6-碳钢芯坯料。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明中的技术方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。

参见图1，为本发明实施例提供的一种本发明实施例提供的一种不锈钢/碳钢双金属角钢立体结构示意，所述双金属角钢包括一体成型的第一角钢脚1和第二角钢脚2，其中，所述第一角钢脚1的长度大于或等于所述第二角钢脚2的长度，所述第一角钢脚1和所述第二角钢脚2均包括外层不锈钢层3和内层碳钢芯4，所述不锈钢层3包裹在所述碳钢芯4的外周，所述不锈钢层3的内壁与所述碳钢芯4的外壁紧密结合，且所述不锈钢层3和所述碳钢芯4的结合界面为冶金结合界面。

本实施例中所述不锈钢层3和所述碳钢芯4的结合界面为经过加热以及连续热轧后形成的冶金结合界面，这种冶金结合界面是所述不锈钢层3和所述碳钢芯4的界面间原子相互扩散而形成的结合，其结合强度以及结构稳定性是机械结合所不能比拟的，有良好的工艺性能。

进一步的，所述不锈钢层3设置在所述双金属角钢的外层，充分的利用了不锈钢材料的耐腐蚀性；同时，所述不锈钢层3内包裹有所述碳钢芯4，碳钢由于含碳量高，相对于不锈钢具有高强度和硬度水平，相应的可以有效提高所述双金属角钢的强度，并且碳钢的价格比不锈钢低，所述本实施例提供的所述双金属角钢与现有的不锈钢角钢相比，在提高角钢强度的同时还降低了材料成本。

为了达到所述双金属角钢的防腐目的同时有尽可能的降低原材料成本，本实施例中，所述不锈钢层3的重量为所述双金属角钢总重量的8％-30％，所述不锈钢层3的厚度为所述双金属角钢的角钢脚厚度的5％-18％，但并不限于上述数值范围。

所述碳钢芯4采用碳素结构钢制成，比如，采用含碳量在0.14—0.22﹪之间、且具有良好的塑性、焊接性能以及成型能力的Q235A钢，或者对于机械性能要求高的角钢，还可以采用Q235B钢，当然，还可以使用其它钢材。

进一步的，不锈钢中的Cr-Ni系奥氏体不锈钢防腐效果最好，因此，本实施例中所述不锈钢层3采用防腐性能好的Cr-Ni奥氏体不锈钢。

进一步的，在Cr-Ni系奥氏体不锈钢中，304不锈钢是应用最为广泛的一种不锈钢，具有良好的耐蚀性、耐热性；316不锈钢是继304不锈钢之后，第二个得到最广泛应用的钢种，添加钼元素使其获得一种抗腐蚀的特殊结构，较304不锈钢其具有更好的抗氯化物腐蚀能力，因此所述不锈钢层3优选采用304不锈钢或316不锈钢。对于防腐要求不高的应用环境，也可以采用Cr-Mn-Ni系不锈钢，当然也可以选用其它具有耐腐蚀性能的不锈钢材。

本发明实施例还提供了双金属角钢复合成型工艺，具体包括以下步骤：

S101；将碳钢芯坯料6装入中空的不锈钢钢管坯料5形成双金属坯料，其中所述碳钢芯坯料6和所述不锈钢钢管坯料5为过盈配合。

选用合适型号的碳钢芯坯料6和不锈钢钢管坯料5，在原材料类型选择方面，所述碳钢芯坯料6采用具有良好的塑性、焊接性能以及成型能力的Q235A钢或Q235B钢，所述不锈钢钢管坯料5可以选用防腐效果好的Cr-Ni系奥氏体不锈钢或Cr-Mn-Ni系奥氏体不锈钢；在原材料形状选择方面，所述不锈钢钢管坯料5的内径形状可以为圆形、方形等形状，相应的所述碳钢芯坯料6的外径形状也为圆形、方形等形状；在原材料尺寸选择方面，因为不锈钢是靠其表面形成的一层坚固细密的稳定的富铬氧化膜，防止氧原子的继续渗入、继续氧化，而获得抗锈蚀的能力，所以对双金属角钢中的外层不锈钢层有一定的厚度要求，但同时考虑保证双金属角钢的高强度以及工程成本，优选地，所述不锈钢钢管坯料5的壁厚为所述双金属坯料尺寸的5％-18％，所述不锈钢钢管坯料4的重量为所述双金属坯料总重量的8％-30％。

在有关标准中对角钢的表面质量作了规定，要求表面不得有裂缝，不得存在使用上有害的缺陷等，所以为了提高成品质量，所述不锈钢钢管坯料5采用不锈钢无缝钢管，这样可以有效防止所述不锈钢钢管坯料5在后续的轧制过程中表面产生裂缝。

为了使所述碳钢芯坯料6的外壁能与所述不锈钢钢管坯料5的内壁紧密结合，所述碳钢芯坯料6和所述不锈钢钢管坯料5为过盈配合，考虑到最大过盈量所产生的内应力不允许超出屈服强度的限定以及本实施例中所选用的上述原材料类型，所述碳钢芯坯料6和所述不锈钢钢管坯料5的过盈量为0-0.1mm。

考虑所述碳钢芯坯料6和所述不锈钢钢管坯料5之间为轻度过盈配合，本实施例中采用压力机压入法或冷装法将所述碳钢芯坯料6装入所述不锈钢钢管坯料5中。其中，采用压力机压入法是可以采用油压机装。具体包括，首先根据过盈量以及配合长度等因素对理论压入力进行计算，设定油压机所产生的压力为理论压入力1.5-2倍，然后在常温环境下将所述碳钢芯坯料6与所述不锈钢钢管坯料5进行组装。

为了能使所述碳钢芯坯料6和所述不锈钢钢管坯料5最终能够形成稳固的冶金结合界面，将所述碳钢芯坯料6装入所述不锈钢钢管坯料5之前，还包括坯料清理的步骤，以提高两者结合界面的洁净度，具体包括，将所述碳钢芯坯料6和所述不锈钢钢管坯料5分别依次进行除锈、机械加工清理飞边毛刺和清洗处理等步骤，最终使所述碳钢芯坯料6的外表面和所述不锈钢钢管坯料5的内表面达到无杂质、无氧化以及无划痕碰伤的要求。其中，所述清洗处理可以采用酸洗和丙酮清洗相结合的清洗方式，通过酸洗清除坯料表面的油污、锈斑、焊斑、氧化层以及游离铁等污垢，然后通过丙酮清洗进一步去除坯料表面的有机物等污垢，当然并不限于上述清洗方式，还可以加入去离子水清洗处理或乙醇脱水处理等处理步骤。

进一步的，为了使所述碳钢芯坯料6和所述不锈钢钢管坯料5的结合界面能够处于真空环境下，以确保形成牢固的冶金结合界面，将所述碳钢芯坯料6装入所述不锈钢钢管坯料5后，还包括，将所述双金属坯料的两端面、所述碳钢芯坯料6的外壁和所述不锈钢钢管坯料5的内壁相接触的位置进行焊接密封，具体实施时，组装后的坯料必须在真空环境下进行焊合。

S102：将装配好的所述双金属坯料放入加热炉中加热。

对所述双金属坯料加热的目的一方面是为所述碳钢芯坯料6和所述不锈钢钢管坯料5的结合界面形成冶合金结合界面了另一方面是为加工变形提供条件，因此，一般加热温度越高越好。但是温度过高又会产生过热、过烧、甚至发生融化等加热缺陷；另一方面，根据对金属加工工艺的工艺要求，希望在金属加工完时能保持在一定的温度上，以期待得到理想的内部组织和性能。因此，本实施例中将所述双金属坯料放入加热炉中进行预热、加热、均热，加热温度、即出炉温度设定为1050℃-1280℃，具体实施时，所述加热温度可以根据所述不锈钢钢管坯料5的材料以及管壁厚度等因素做相应的改变。

S103：将加热后的所述双金属坯料进行热轧加工，形成双金属角钢。

具体实施中，可包括如下步骤：高压水除鳞→轧机粗轧→切头→高压水除鳞→轧机精轧

S201：出炉高压水除鳞，该步骤保证成品表面质量的重要步骤，其中，出炉高压水除鳞压力约为22MPa。

S202：对所述双金属坯料进行粗轧，使其具备成品雏形，轧制5-7个道次。

S203：切除头部变形区。

S203：粗轧后高压水除鳞，保证精轧之前的坯料表面良好。

S204：对双金属坯料进行精轧，共轧制5-7个道次，轧制成合格的成品。

进一步的，在轧制完成后可以采用水冷线进行控制冷却，以细化近表面组织晶粒，提高表面硬度和耐磨性能。经水冷后的轧件输入辊道进行倍尺分段锯切，然后在齿式冷床上冷却，齿式冷床对轧件具有一定的矫直作用，最后在链式冷床进行自然冷却。

上述热轧工艺中，所述碳钢芯坯料6和所述不锈钢钢管坯料5在高温、高压条件下接触界面处形成的扩散层，可以实现所述碳钢芯坯料6和所述不锈钢钢管坯料5接触界面处良好的冶金结合。

当然，并不限于上述热轧工艺步骤，也可以采用采用冷轧工艺对所述双金属坯料进行轧制加工，可以包括如下步骤：

S301：使用冷轧机将所述双金属坯料轧制成双金属角钢。

S302：对轧制成型的所述双金属角钢进行二次回火，祛除其多余的碳元素，增加其致密度，从而提高其延伸率、抗拉强度。

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明中的技术方案，下面将结合具体的实施对本发明做进一步的举例说明。

实施例一

本实施例采用304不锈钢和Q235A钢坯料，最终轧制成边长40mm、厚度5mm的等边双金属角钢。

如图2和图3所示，为本发明实施例提供的一种双金属料坯的基本结构示意图。

本实施例中外层的不锈钢钢管坯料5采用304不锈钢，所述不锈钢钢管坯料5为圆形无缝钢管，其具体尺寸为Φ150×5×2000(直径×壁厚×长度，mm)。芯部的碳钢芯坯料6采用Q235A钢坯料，其具体尺寸为Φ140.05×2000(直径×长度，mm)，所述碳钢芯坯料6和所述不锈钢钢管坯料5之间的过盈量为0.05mm。

将所述不锈钢钢管坯料5首先去处内表面的飞边毛刺，然后进行酸洗处理，最后再用丙酮清洗处理。将芯部用坯料进行车削加工至所述碳钢芯坯料6要求的尺寸，然后再进行表面清洗处理。

对所述碳钢芯坯料6进行深冷处理，优选地，用于冷冻所述碳钢芯坯料6的冷冻剂选用液态氮，然后将所述碳钢芯坯料6装入所述不锈钢钢管坯料5，形成304/Q235A钢双金属坯料，所述304/Q235A钢双金属坯料总重量为278.3公斤，其中所述不锈钢钢管坯料5的重量为36.4公斤，占所述304/Q235A双金属坯料总重量的13.1％。

将所述304/Q235A双金属坯料在真空环境下对两端面、所述碳钢芯坯料6的外壁和所述不锈钢钢管坯料5的内壁相接触的位置进行焊接密封。

将所述304/Q235A双金属坯料放入加热炉中加热，出炉温度控制在1260℃。

加热完全后，通过高压水除鳞、轧机粗轧、切头、二次高压水除鳞、轧机精轧等步骤，最终轧制成边长40mm、厚度5mm的等边双金属角钢，其中不锈钢层的厚度约为0.31mm。

实施例二

本实施例采用316不锈钢和Q235B钢芯坯料，最终轧制成边长25mm、厚度3mm的等边双金属角钢。

如图4所示，为本发明实施例提供的另一种双金属料坯的基本结构示意图。

本实施例中外层的不锈钢钢管坯料5采用316不锈钢，所述不锈钢钢管坯料5为矩形无缝钢管，其具体尺寸为160×5×2000(边长×壁厚×长度，mm)。芯部的碳钢芯坯料6采用Q235B钢坯料，其具体尺寸为150.3×2000(边长×长度，mm)，所述碳钢芯坯料6和所述不锈钢钢管坯料5之间的过盈量为0.3mm。

将所述不锈钢钢管坯料5首先去处内表面的飞边毛刺，然后进行酸洗处理，最后再用丙酮清洗处理。将芯部用坯料进行车削加工至所述碳钢芯坯料6要求的尺寸，然后再进行表面清洗处理。

采用油压机，在常温环境下将所述碳钢芯坯料6与所述不锈钢钢管坯料5进行组装，形成316/Q235B双金属坯料，所述316/Q235B钢双金属坯料总重量为400公斤，其中所述不锈钢钢管坯料5的重量为49.6公斤，占所述316/Q235B钢双金属坯料总重量的12.4％。装配后，将所述316/HRB500双金属坯料的两端面、所述碳钢芯坯料6的外壁和所述不锈钢钢管坯料5的内壁相接触的位置进行焊接密封。

将所述316/Q235B钢双金属坯料放入加热炉中，出炉温度控制在1270℃。

加热后，通过高压水除鳞、轧机粗轧、切头、二次高压水除鳞、轧机精轧等步骤，轧制成成边长25mm、厚度3mm的等边双金属角钢，其中不锈钢层的厚度约为0.18mm。

需要说明的是，在本文中，诸如“第一”和“第二”等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

以上所述仅是本发明的具体实施方式，使本领域技术人员能够理解或实现本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (10)

1.一种不锈钢/碳钢双金属角钢，其特征在于，包括一体成型的第一角钢脚(1)和第二角钢脚(2)，其中：

所述第一角钢脚(1)和所述第二角钢脚(2)均包括外层不锈钢层(3)和内层碳钢芯(4)；

所述不锈钢层(3)包裹在所述碳钢芯(4)的外周，所述不锈钢层(3)的内壁与所述碳钢芯(4)的外壁紧密结合，且所述不锈钢层(3)和所述碳钢芯(4)的结合界面为冶金结合界面。

2.根据权利要求1所述的不锈钢/碳钢双金属角钢，其特征在于，所述碳钢芯(4)包括Q235A钢芯或Q235B钢芯。

3.根据权利要求1所述的不锈钢/碳钢双金属角钢，其特征在于，所述不锈钢层(3)包括Cr-Ni系奥氏体不锈钢或Cr-Mn-Ni系奥氏体不锈钢。

4.根据权利要求1所述的不锈钢/碳钢双金属角钢，其特征在于，所述不锈钢层(3)的重量为所述双金属角钢总重量的8％-30％。

5.根据权利要求1所述的不锈钢/碳钢双金属角钢，其特征在于，所述不锈钢层(3)的厚度为所述双金属角钢的角钢脚厚度的5％-18％。

6.一种不锈钢/碳钢双金属角钢复合成型工艺，其特征在于，包括以下步骤：

将碳钢芯坯料(6)装入中空的不锈钢钢管坯料(5)形成双金属坯料，其中所述碳钢芯坯料(6)和所述不锈钢钢管坯料(5)为过盈配合；

将装配好的所述双金属坯料放入加热炉中加热；

将加热后的所述双金属坯料进行热轧加工，形成包括两个互相垂直的角钢脚的双金属角钢。

7.根据权利要求6所述的不锈钢/碳钢双金属角钢复合成型工艺，其特征在于，将碳钢芯坯料(6)装入中空的不锈钢钢管坯料(5)形成双金属坯料之前，还包括：

将所述碳钢芯坯料(6)和所述不锈钢钢管坯料(5)分别依次进行除锈、清理飞边毛刺和清洗处理。

8.根据权利要求6所述的不锈钢/碳钢双金属角钢复合成型工艺，其特征在于，将碳钢芯坯料(6)装入中空的不锈钢钢管坯料(5)形成双金属坯料，还包括：

将所述双金属坯料的两端端面、所述碳钢芯坯料(6)的外壁和所述不锈钢钢管坯料(5)的内壁接触的位置进行焊接密封。

9.根据权利要求6-8任一所述的不锈钢/碳钢双金属角钢复合成型工艺，其特征在于，将装配好的所述双金属坯料放入加热炉中加热后，出炉温度为1050℃-1280℃。

10.根据权利要求6-8任一所述的不锈钢/碳钢双金属角钢复合成型工艺，其特征在于，所述碳钢芯坯料(6)和所述不锈钢钢管坯料(5)过盈配合的过盈量为0-0.1mm。