CN109693075A - 以if钢为过渡层高性能双面钛钢复合板及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开以IF钢为过渡层高性能双面钛钢复合板及其制备方法。制造复合板的复合坯包括IF钢、钛复材和基材。基材为C≤0.22％的普碳钢或低合金钢；钛复材为工业纯钛TA2，基材与复材厚度比为5～10，钛复材长、宽小于基材且与其四条边的边距为60～100mm；将密封焊接后的复合坯加热至900～920℃保温，保温时间1min/mm×复合坯总厚度，开轧温度880～900℃，终轧温度≥800℃，空冷至室温，单道次压下率≥15％，头三道次压下率≥20％，总压下率≥75％；生产的钛钢复合板的厚度为6～45mm，IF钢过渡层厚度为80～120μm；适用于对内外表面均提出耐腐蚀性能要求且兼顾整体力学性能的结构。
Description
技术领域
本发明属于复合板制备技术领域，特别涉及到一种应用真空复合+轧制技术生产高性能双面钛钢复合板的工艺方法。
背景技术
钛钢复合板既具有钛复层优良的耐腐蚀性能，又具有基层结构钢的强度和塑性，与钛板相比其经济成本大幅度下降，尤其是双面钛钢复合板，因其表层均为钛板，整体抗腐蚀性能极强，是耐腐蚀环境设备制造的理想材料，在石油化工、制盐、电力、海水淡化、海洋工程等领域得到推广应用且应用潜力极大。近年来，众多学者针对轧制法制备钛钢复合板技术进行了研究。
CN105080997A公开了一种无中间层钛钢复合板的制备方法、CN104624644A公开了钛钢复合板的生产方法、CN105107841A公开了钛钢复合板的制备方法，上述专利文献中均采用钛钢直接复合轧制技术进行钛钢复合板的制备，制备工艺简单，不添加过渡层，通过较高的终轧温度，使界面化合物破碎后产生微孔洞的可能性减小，从而使界面上的孔洞对结合性能的负面影响降低到最小。
CN104907332A公开了以镍为中间层的钛钢复合板的生产方法、CN104907333A公开了以镍为中间层的钛钢复合板的高温制备方法、CN104826866A公开了以镍为中间层的钛钢复合板的高温轧制方法，上述专利文献中均通过在钛钢复合界面之间插入适当的金属镍做过渡层，进而阻止钛、铁等元素的相互扩散，改善界面的结合效果，提高产品质量。
王敬忠，颜学柏，阎静亚在《有色金属》2009年61卷第4期39-42页中发表的论文“钛-钢复合板生产中的过渡层材料”、CN104998903A公开的以铜为中间层钛钢复合板的制备方法、CN104874636A公开的以铜为中间层钛钢复合板的高温制备方法以及CN104874635A公开的以铜为中间层高结合强度钛钢复合板的制备方法中，均采用以铜为过渡层，防止钛钢复合板在制备过程中界面上钛铁化合物的生成，同时利用轧制过程将结合面液相挤出，获得洁净的新生面，从而实现钛钢界面的良好结合。
综上所述，若钛钢直接复合进行轧制，在结合界面不可避免的会产生大量的钛铁和钛碳脆性化合物，严重影响钛钢复合板的结合性能。然而，现有的加入铜、镍等纯金属制备技术，不仅得到的结合性能有限，经济成本也较高，无法满足市场对复合性能越来越高的要求。同时，在石油化工、制盐、电力、海水淡化、海洋工程等腐蚀环境条件下，往往结构件内外表面均处于腐蚀环境当中，需同时具备抗腐蚀性能。目前，针对单面钛钢复合板制备技术已经开展了大量的研究工作，但是关于双面钛钢复合板制备技术并未深入开展。
面对各腐蚀环境、领域对其结构件的抗腐蚀性能、力学性能和经济成本的要求，开发一种低成本、高质量双面钛钢复合板的制备技术已经成为了市场的迫切需求。
发明内容
基于上述钛钢复合板制备技术存在的问题，本发明的目的是提供一种以IF钢为过渡层高性能双面钛钢复合板的制备方法，通过控制钛钢复合界面上钛、碳间的反应程度和反应物的分布状态，得到复合面抗剪切强度≥350MPa的高性能双面钛钢复合板。
一种以IF钢为过渡层的高性能双面钛钢复合板，复合板由上至下由5层材料构成，分别为钛复层、IF钢过渡层、普碳钢或低合金钢基层、IF钢过渡层和钛复层，位于上下表面的钛复层均为工业纯钛TA2；IF钢过渡层为冷轧薄板，其中C、N、Ti含量按质量百分比计为：C≤0.007％、N 0.002％～0.003％、Ti 0.05％～0.07％；普碳钢或低合金钢基层中C含量按质量百分比计为C≤0.22％；成品复合板板幅≤3m，厚度为6～45mm，其中，IF钢过渡层厚度为80～120μm；
一种以IF钢为过渡层高性能双面钛钢复合板的制备方法，复合板由复合坯轧制而成，生产工艺包括表面处理、复合坯组坯、真空焊接、轧制、分板、表面修磨，其特征在于：
(1)选取钛复材、IF钢、基材作为复合坯用原料，采用包覆组坯方式，复合坯的上下两层均为盖板，组坯按照由上至下依次为盖板、钛复材、IF钢、基材、IF钢、钛复材、盖板的顺序居中叠放，盖板与基材之间的间隙用长方形夹条进行完全填充，形成复合坯；
基材、夹条和盖板为C含量按质量百分比计为C≤0.22％的普碳钢或低合金钢；其中，基材长度为2～4m，宽度为1～3m，厚度为30～150mm；盖板长度和宽度与基材相同，厚度为钛复材厚度的1.5～2倍；钛复材为工业纯钛TA2，长度为1.8～3.88m，宽度为0.8～2.88m，厚度5～20mm；IF钢的长度和宽度与钛复材相同，厚度为0.32～1mm；盖板、夹条和钛复材为板材，基材为连铸坯、中间坯或板材，基材与钛复材厚度比为5～10，钛复材长、宽小于基材且在组坯时与基材四条边的边距为60～100mm；
组坯前，分别采用铣削和磨削的机加工方式对基材和钛复材进行表面处理，去除待复合面的锈层和氧化层，IF钢采用400#～600#砂纸去除表面氧化层。对盖板、处理后的基材、钛复材以及IF钢表面进行去油污和吹扫处理；钛复材与盖板之间涂敷隔离剂，静置干燥，隔离剂喷涂厚度为1～2mm；
(2)将复合坯送入真空室抽取真空后对其四周缝隙进行真空电子束密封焊接，使钛复材处于密闭真空环境，真空度为1.0×10-2～4.5×10-2Pa；真空电子束密封焊接的有效熔深为30～40mm；
(3)将焊后的复合坯加热至900～920℃保温，保温时间按照1min/mm×坯料厚度计算，开轧温度为880～900℃，单道次压下率≥15％，头三道次压下率≥20％，总压下率≥75％，终轧温度为800℃以上，空冷至室温。轧制后，成品钛钢复合板厚度为6～45mm，IF钢过渡层厚度为80～120μm。
(4)将轧制后复合板进行切边、分板、表面修磨后得到双面钛钢复合板。
选择IF钢为钛、钢之间的过渡金属层可以有效改善和提高复合界面的结合质量和性能。在轧制复合时，钛、钢之间易产生大量的钛铁或钛碳化合物，而钛碳化合物的大量生成和不均匀分布导致了复合性能和质量的严重下降。本发明在钛、钢之间加入IF钢金属层并添加N、Ti固碳元素，一方面通过隔离钛、钢之间的直接接触，防止在复合界面生成大量的钛碳化合物；另一方面，通过添加IF钢过渡层，改善钛碳化合物在复合界面的分布状态，由不均匀分布转变为均匀分布。采用该方法可以有效控制钛、钢复合界面钛碳化合物的生成和分布，提高复合质量。
基材和钛复材由于材质不同，在轧制复合过程中彼此间的应力应变不一致，冷却过程中会形成较大的应力集中和形变，降低复合界面的结合率和结合质量，甚至完全撕裂。本发明采用基材与复材厚度比为5～10，钛复材长、宽小于基材且组坯时与基材四条边的边距为60～100mm，一方面通过限定钛复材所占的厚度比例，降低基材和钛复材之间的应力差，另一方面通过加大四周封边焊接的有效熔深以及同质间的轧制结合力达到控制其形变的作用。
在组坯之前对坯料待复合表面进行修磨处理，去除锈层和氧化物层，可使其在轧制的过程中均以新鲜金属相互接触，保证两者之间形成冶金结合，提高结合质量，避免夹杂、气孔和未结合等缺陷。
隔离剂在1250℃以下时，不与基材、IF钢和钛复材发生反应且保证隔离效果。为了防止复材和盖板发生轧制结合，隔离剂的喷涂厚度控制在1～2mm，一方面可以防止复材和盖板的直接接触，另一方面控制复材和盖板之间的间隙，防止间隙过大引起钛板串动。
对复材采用盖板进行包覆组坯，不仅起到了真空密封复材的效果，还提高了复合坯的整体厚度和终轧厚度，提高了板形控制效果。其中，钛复材在高于400℃时会分别与氧、氮、氢发生反应，且复合界面也会产生剧烈氧化，本发明采用包覆组坯方式，将钛复材置于基材上下表面焊接真空密封，防止了钛复合和基材待复合表面与大气发生反应。另外，由于在轧制较薄规格板材时板形不易控制，易发生翘曲、波浪等缺陷，本发明采用加装盖板并通过其厚度的调节，提高并控制其轧制厚度，有效的控制了薄板的板形问题。
为了保证复合坯的封边效果，采用真空电子束焊机进行了封边焊接，焊接有效熔深达到30～40mm，一方面可以保证复合界面的真空度，另一方面可以保证复合坯在轧制过程中不开裂。
在真空环境下对复合坯进行真空电子束封装焊接，可最大限度的降低结合面之间的气体含量，避免在轧制后出现气体残留，造成结合率不合格。同时，待结合面之间气体含量的降低还有助于防止加热和轧制过程中其对结合面表面的二次氧化，有助于结合性能的提高。
加入IF钢金属过渡层，轧制后IF钢过渡层的厚度为80～120μm，可以有效的控制钛、钢之间的反应程度，改善钛碳化合物的分布状态。另外，本发明采用15％以上的单道次压下率、20％以上头三道次压下率和75％以上的总压下率，可以保证钛、IF钢、基材之间形成良好的冶金结合，获得高复合强度的双面钛钢复合板。
另外，钛、铁、碳在轧制过程中会持续发生反应且与温度高低成正比，在钛钢复合轧制中其反应程度越大则复合性能越低。因此，本发明在控制单道次压下率和总压下率的同时，限定双面钛钢复合板的厚度为6～45mm，控制复合板的冷却速度和界面反应程度，达到优化钛钢复合性能的作用。
有益效果：
按上述方案生产的复合板具有以下有益效果：
(1)本发明制备的双面钛钢复合板表层均为TA2工业纯钛，具备极高的抗腐蚀性能，腐蚀环境适应性极高；心部为C≤0.22％(按质量百分比计)的普碳钢或低合金钢，具有较高的结构强度，复合板抗拉强度可达562MPa以上，且屈服强度可达372MPa以上，达到了Q345级别碳钢的国家标准要求。适用于氯碱、纯碱、石油化工、制盐、海水淡化用管道和海洋石油钻探、管件等对内外表面均提出耐腐蚀性能要求且兼顾整体力学性能的结构制备。
(2)本发明的组坯和轧制工艺轧制效果好，可保证TA2和碳钢之间形成冶金结合，轧制板形好，无需矫直，成材率可达85％以上。
(3)本发明制备的钛钢复合板，板幅大，可达3m，厚度最大可达45mm，且基层和复层的组织和性能稳定，复合面结合率为100％。
(4)添加IF钢过渡金属即可实现钛、钢之间的良好结合，复合界面力学性能优异，其剪切强度均达到350MPa以上，正反弯检验合格。
附图说明
图1为双面钛钢复合板示意图，复合板从上至下依次为钛复层、IF钢过渡层、普碳钢或低合金钢基层、IF钢过渡层、钛复层；图2为采用本发明方法得到的TA2/Q345B/TA2双面钛钢复合板复合界面微观组织，其中，(a)为上复合界面微观组织；(b)为下复合界面微观组织；复合界面连续、平滑，无气孔、夹杂、微裂纹和未结合缺陷，且无大块TiC脆性相存在。
具体实施方式
以下实施例用于具体说明本发明内容，这些实施例仅为本发明内容的一般描述，并不对本发明内容进行限制。
表1为本发明实施例基材的实际材质及原料规格；表2为本发明实施例钛复材的实际材质及原料规格；表3为本发明实施例钛复材盖板信息；表4为本发明实施例IF钢过渡层的相关信息；表5为实施例复合坯相关信息；表6为实施例轧制工艺参数；表7本发明实施例轧制制度；表8为实施例复合板的性能检验结果。
表1 实施例基材坯料的实际材质及原料规格
| 实施例 | 钢种 | C/wt％ | 来源 | 长度/m | 宽度/m | 厚度/mm |
| 1 | Q345B | 0.22 | 连铸坯 | 4 | 3 | 100 |
| 2 | Q345E | 0.18 | 板材 | 3.6 | 2.8 | 40 |
| 3 | Q345D | 0.16 | 板材 | 3.6 | 2.8 | 140 |
| 4 | S355JR | 0.15 | 中间坯 | 4 | 3 | 80 |
表2 实施例钛复材的实际材质及原料规格
表3 实施例盖板信息
表4 实施例IF钢过渡层信息
| 实施例 | 钢种 | C/wt％ | N/wt％ | Ti/wt％ | 长度/m | 宽度/m | 厚度/mm |
| 1 | IF钢 | 0.0061 | 0.0020 | 0.060 | 3.84 | 2.84 | 0.61 |
| 2 | IF钢 | 0.0063 | 0.0026 | 0.066 | 3.46 | 2.66 | 0.35 |
| 3 | IF钢 | 0.0054 | 0.0025 | 0.050 | 3.4 | 2.6 | 0.47 |
| 4 | IF钢 | 0.0070 | 0.0030 | 0.070 | 3.84 | 2.84 | 0.68 |
表5 实施例复合坯相关信息
表6 实施例轧前工艺及坯料信息
表7 实施例轧制制度
表8 实施例实物力学性能检验结果
由实施例可见，根据本发明一种以IF钢为过渡层高性能双面钛钢复合板的制备方法，生产的双面钛钢复合板，抗拉强度≥562MPa，屈服强度≥372MPa，伸长率≥28％，上下复合面抗剪切强度≥350MPa，正反弯曲检验合格，超声波检验100％合格。在添加IF钢过渡层的条件下实现了钛和较高碳含量碳钢之间的良好结合，相关力学性能均满足国家钛钢复合板R1级标准。
Claims (4)
1.一种以IF钢为过渡层的高性能双面钛钢复合板，其特征在于，复合板由上至下由5层材料构成，分别为钛复层、IF钢过渡层、普碳钢或低合金钢基层、IF钢过渡层和钛复层，位于上下表面的钛复层均为工业纯钛TA2；IF钢过渡层为冷轧薄板，其中C、N、Ti含量按质量百分比计为：C≤0.007％、N 0.002％～0.003％、Ti 0.05％～0.07％；普碳钢或低合金钢基层中C含量按质量百分比计为C≤0.22％；成品复合板板幅≤3m，厚度为6～45mm，其中IF钢过渡层厚度为80～120μm。
2.一种以IF钢为过渡层高性能双面钛钢复合板的制备方法，复合板由复合坯轧制而成，生产工艺包括表面处理、复合坯组坯、真空焊接、轧制、分板、表面修磨，其特征在于：
(1)选取钛复材、IF钢、基材作为复合坯用原料，采用包覆组坯方式，复合坯的上下两层均为盖板，组坯按照由上至下依次为盖板、钛复材、IF钢、基材、IF钢、钛复材、盖板的顺序居中叠放，盖板与基材之间的间隙用长方形夹条进行完全填充，形成复合坯；
基材、夹条和盖板为C含量按质量百分比计为C≤0.22％的普碳钢或低合金钢；其中，基材长度为2～4m，宽度为1～3m，厚度为30～150mm；盖板长度和宽度与基材相同，厚度为钛复材厚度的1.5～2倍；钛复材为工业纯钛TA2，长度为1.8～3.88m，宽度为0.8～2.88m，厚度5～20mm；IF钢的长度和宽度与钛复材相同，厚度为0.32～1mm；盖板、夹条和钛复材为板材，基材为连铸坯、中间坯或板材，基材与钛复材厚度比为5～10，钛复材长、宽小于基材且在组坯时与基材四条边的边距为60～100mm；
组坯前，对基材、钛复材和IF钢待复合面进行表面处理，对盖板、处理后的基材、钛复材以及IF钢表面进行去油污和吹扫处理；钛复材与盖板之间涂敷隔离剂，静置干燥，隔离剂喷涂厚度为1～2mm；
(2)将复合坯送入真空室抽取真空后对其四周缝隙进行真空电子束密封焊接，使钛复材处于密闭真空环境，真空度为1.0×10-2～4.5×10-2Pa；真空电子束密封焊接的有效熔深为30～40mm；
(3)将焊后的复合坯加热至900～920℃保温，保温时间按照1min/mm×坯料厚度计算，开轧温度为880～900℃，单道次压下率≥15％，头三道次压下率≥20％，总压下率≥75％，终轧温度为800℃以上，空冷至室温；
(4)将轧制后复合板进行切边、分板、表面修磨后得到双面钛钢复合板。
3.如权利要求2所述的以IF钢为过渡层的双面钛钢复合板的高温制备方法，其特征在于：对基材和钛复材的待复合表面采用机械加工方式进行表面处理，对IF钢过渡层采用砂纸进行表面处理。
4.如权利要求3所述的一种以IF钢为过渡层的双面钛钢复合板的制备方法，其特征在于：所述的机械加工方式为铣削和磨削。
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