CN109750223A - 一种镍基耐蚀合金与碳钢复合板及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种镍基耐蚀合金与碳钢复合板及其制备方法。本发明的复合板的基材为碳钢，复材为镍基耐蚀合金，余量为Ni和不可避免的杂质元素。复合板的制备方法包括如下步骤：镍基耐蚀合金的一个表面上涂刷耐高温隔离涂料，将经过表面处理的镍基耐蚀合金板与碳钢板加工成四层对称组坯，组坯外层为碳钢，内侧为镍基耐蚀合金，并且在内侧镍基耐蚀合金之间加入阻焊剂。然后抽真空并将坯料四周焊接密封，对真空组坯进行加热，对加热后的真空组合对坯轧制，经过多道次轧制得到镍基耐蚀合金与碳钢复合板。本发明提出了可用于制备不同性能的镍基耐蚀合金与碳钢复合板的制备方法，未经热处理的复合板的剪切强度达到368MPa，性能优异。

Description

一种镍基耐蚀合金与碳钢复合板及其制备方法

技术领域

本发明涉及一种金属复合板的生产方法，具体涉及一种镍基耐蚀合金与碳钢复合板及其制备方法。

背景技术

金属复合板是指在金属基材上覆以另外一种金属复材，使获得的复合板可以兼具复层金属与基层金属的性能。以Inconel600合金为代表的镍基耐蚀合金在高温下具有极佳的耐氧化性，对于各种酸碱环境具有极佳的耐腐蚀性，作为一种高温耐腐蚀合金得到广泛应用。相比于生产生活中使用纯镍基耐蚀合金，采用碳钢作为基材，镍基耐蚀合金作为复材制备成的复合板具有镍基耐蚀合金优异的耐高温氧化、耐酸碱腐蚀性，还大大节约了镍基耐蚀合金的使用，降低了成品使用，减少了资源浪费，可以替代镍基耐蚀合金用于防腐、压力容器制造、石油、化工、汽车等行业。

随着国家对节能环保，经济型产品的要求提出，这类金属复合板作为一种新型经济型材料，越来越多地受到人们的关注。因此，发展镍基耐蚀合金与碳钢复合板及其制造工艺，制备具有高剪切强度的镍基耐蚀合金与碳钢复合板就显得尤为重要。目前，真空轧制复合法是世界上普遍采用的制备工艺，这种方法是在一定温度与压力共同作用下，令复材与基材之间的界面在接近真空的状态下发生微观的塑性流变相互紧密接触，从而达到完全的冶金结合，真空轧制复合法具有低噪声，生产效率高，生产成本低，产品精度高，对环境影响小，易于实现大规模自动化生产等优势。

基于上述优点，国内外对真空轧制法制备复合进行了大量研究，如文献“Mechanical propertiesandinterfacial structure of hot-roll bonding TA₂/Q235Bplate using DT₄ interlayer[J].”中报道通过真空热轧复合法取代传统的爆炸复合法制备TA₂/Q235B复合板，能够有效地降低污染和能耗，获得完好的结合界面及剪切强度。但是由于Fe、Ti容易形成FeTi、Fe₂Ti等金属间化合物，大大降低了结合强度，因此该钛钢复合板的剪切强度在200MPa左右。此外，为了避免Ti、C元素的扩散形成TiC脆性化合物，还需要在两块板材之间加过渡层，在成本以及工艺简化方面还有待提升。专利CN104525611发明了一种采用连续轧制水冷制备管线用镍铬合金与X60MS高强碳钢复合板的制备方法，该方法容易实现自动化，对材料的厚度，结合层的成分可以通过调整轧制工艺参数来控制，结合强度高耐蚀性能好，相比于爆炸焊复合板制备工艺，更易于产业化。该专利针对管线高强钢设计了较为复杂的制备工艺，同时加入镍箔用来阻止合金元素在轧制过程中的扩散，以保护高强钢的力学性能，但没有考虑铬镍合金中的元素扩散对于界面附近碳钢的晶粒尺寸和韧性的影响。可见采用轧制工艺及热处理工艺控制合金元素扩散，改善调整界面结构来制备镍基耐蚀合金与碳钢复合板工艺现在仍处于空白，是复合板发展的重要方向。

发明内容

发明目的：本发明公开了一种镍基耐蚀合金与碳钢复合板及其制备方法，该镍基耐蚀合金与碳钢复合板剪切强度较高，复合板结合性能好。该制备方法能够有效控制轧制过程中的元素扩散行为调整界面附近的碳钢的晶粒尺寸，改善其韧性，实现高性能镍基耐蚀合金与碳钢复合板的制备。

技术方案：一种镍基耐蚀合金与碳钢复合板，包括镍基耐蚀合金层、碳钢层及复合层，其中，复合层中Ni、Cr元素自镍基耐蚀合金层一侧向碳钢层一侧扩散，且浓度逐渐降低；Fe元素自碳钢层一侧向镍基耐蚀合金层一侧逐渐扩散，且浓度逐渐降低。

复合板中所使用的基材碳钢层其质量百分比含量为：C≤0.22％，Mn≤1.8％，Si≤0.6％，S≤0.05％，P≤0.045％，余量为Fe和不可避免的杂质元素，或再添加质量分数不超过0.12％的微合金强化元素V。

复合板所使用的复材为镍基耐蚀合金层，镍基耐蚀合金层中包括Cr、Fe、C、Si、S、P、Ti、Co、Al、Cu、Mn元素，各元素质量百分比含量分别为13％≤Cr≤25％，5％≤Fe≤15％，C≤0.2％，Si≤0.7％，S≤0.02％，P≤0.015％，Ti≤3％，Co≤1％，Al≤1％，Cu≤0.1％，Mn≤1％，余量为Ni和不可避免的杂质元素。

一种镍基耐蚀合金与碳钢复合板的制备方法，包括如下步骤：

1)真空制坯：将基材钢板或钢坯以及复材镍基耐蚀合金轧制到设计的尺寸，然后对镍基耐蚀合金和碳钢的表面进行清洁处理，并在镍基耐蚀合金的一个表面上涂刷耐高温隔离涂料；将经过表面处理的镍基耐蚀合金板与碳钢板加工成四层对称组坯，组坯外层为碳钢，内侧为镍基耐蚀合金，并且在内侧镍基耐蚀合金之间加入阻焊剂；利用真空电子束焊机将坯料四周焊接密封，保证内部真空度不低于10^-2Pa；

2)轧制：对真空组合对坯进行加热，加热温度为800～1400℃，保温30～90min。随后对加热后的真空组合对坯轧制，经过多道次轧制得到轧制板材，轧制总压下率为50～80％，单次压下率10～50％；轧制后的轧制板材空冷至室温；切除轧制板材的四个边，得到镍基耐蚀合金与碳钢复合板；

3)热处理：根据需要对轧后镍钢复合板进行热处理，处理温度为800～1200℃，热处理时间为20～240min，冷却方式为空冷或水冷。

有益效果：本发明公开的镍基耐蚀合金与碳钢复合板的制备方法的主要特点在于，镍基耐蚀合金中含有高含量的Ni元素，轧制过程中Ni元素的扩散使界面附近的碳钢中镍含量增加，因此通过有效控制轧制过程中的元素扩散行为，尤其是镍元素的扩散能够调整界面附近的碳钢的晶粒尺寸，改善其韧性，实现高性能镍基耐蚀合金与碳钢复合板的制备。同时通过热处理工艺进一步调整复合界面结构，得到更加优异的性能。本发明公开的镍基耐蚀合金与碳钢复合板其剪切强度较高，结合性能较好。

附图说明

图1为本发明复合板坯轧制前组坯示意图；

图2为本发明实例1轧制温度为1200℃的镍基耐蚀合金与碳钢复合板的金相照片；

图3为本发明实例1轧制温度为1200℃的镍基耐蚀合金与碳钢复合板的剪切强度曲线图；

图4为本发明实例41200℃轧制后经热处理的镍基耐蚀合金与碳钢复合板的剪切强度曲线图；

图5为本发明1200℃轧制后镍基耐蚀合金与碳钢复合板复合界面线扫描图像；

图6为本发明1100℃热处理温度下不同保温时间镍基耐蚀合金与碳钢复合板剪切强度曲线。

具体实施方式

下述实施例中镍基耐蚀合金与碳钢复合板的制备方法所采用基材碳钢层其质量百分比含量为：C≤0.22％，Mn≤1.8％，Si≤0.6％，S≤0.05％，P≤0.045％，余量为Fe和不可避免的杂质元素，或再添加质量分数不超过0.12％的微合金强化元素V。使用的复材镍基耐蚀合金层中包括Cr、Fe、C、Si、S、P、Ti、Co、Al、Cu、Mn元素，各元素质量百分比含量分别为13％≤Cr≤25％，5％≤Fe≤15％，C≤0.2％，Si≤0.7％，S≤0.02％，P≤0.015％，Ti≤3％，Co≤1％，Al≤1％，Cu≤0.1％，Mn≤1％，余量为Ni和不可避免的杂质元素。

实施例1

一种镍基耐蚀合金与碳钢复合板的制备方法，具体包括如下步骤：

1)真空制坯：将经过表面处理的镍基耐蚀合金与碳钢板加工成四层对称组坯，组坯外层为碳钢，内侧为镍基耐蚀合金，镍基耐蚀合金的规格150mm×125mm×4mm，钢板的规格为150mm×125mm×8mm，并且在内侧镍基耐蚀合金之间加入阻焊剂。然后利用真空电子束焊机将坯料四周焊接密封，保证内部真空度达到10^-2Pa。

2)轧制：加热之前先对钢板表面进行简单的清理，去除表面异物。将组坯在置于1200℃热处理炉保温60min，之后迅速取出复合板进行轧制，轧制工艺为5道次轧制，总变形量75％，每道次压下率依次为20％，10％，17％，28％，40％，轧制速度为25m/min。每道次轧制之后迅速将复合板放入热处理炉中，炉温为1200℃，保温时间为10min。

3)冷却：最后一道次轧制之后，对复合板进行空冷，直至冷却到室温。

图2显示了上述工艺制备的镍基耐蚀合金与碳钢复合板的界面结构，显然在压力和温度共同作用下，界面结合层发生了相互扩散和高质量复合，界面没有裂纹和空洞。图3显示了该样品的剪切曲线，界面的剪切强度达到了368MPa。

实施例2

一种镍基耐蚀合金与碳钢复合板的制备方法，具体包括如下步骤：

1)真空制坯：将经过表面处理的镍基耐蚀合金与碳钢板加工成四层对称组坯，组坯外层为碳钢，内侧为镍基耐蚀合金，镍基耐蚀合金的规格200mm×150mm×6mm，钢板的规格为200mm×150mm×12mm，并且在内侧镍基耐蚀合金之间加入阻焊剂。然后利用真空电子束焊机将坯料四周焊接密封，保证内部真空度达到10^-2Pa。

2)轧制：加热之前先对钢板表面进行简单的清理，去除表面异物。将组坯在置于1100℃热处理炉保温40min，之后迅速取出复合板进行轧制，轧制工艺为5道次轧制，总变形量75％，每道次压下率依次为20％，10％，17％，28％，40％，轧制速度为25m/min。每道次轧制之后迅速将复合板放入热处理炉中，炉温为1100℃，保温时间为10min。

3)冷却：最后一道次轧制之后，对复合板进行空冷，直至冷却到室温。

实施例3

一种镍基耐蚀合金与碳钢复合板的制备方法，具体包括如下步骤：

1)真空制坯：将经过表面处理的镍基耐蚀合金与碳钢板加工成四层对称组坯，组坯外层为碳钢，内侧为镍基耐蚀合金，镍基耐蚀合金的规格100mm×80mm×4mm，钢板的规格为100mm×80mm×8mm，并且在内侧镍基耐蚀合金之间加入阻焊剂。然后利用真空电子束焊机将坯料四周焊接密封，保证内部真空度达到10^-2Pa。

2)轧制：加热之前先对钢板表面进行简单的清理，去除表面异物。将组坯在置于1000℃热处理炉保温60min，之后迅速取出复合板进行轧制，轧制工艺为5道次轧制，总变形量75％，每道次压下率依次为20％，10％，17％，28％，40％，轧制速度为25m/min。每道次轧制之后迅速将复合板放入热处理炉中，炉温为1000℃，保温时间为10min。

3)冷却：最后一道次轧制之后，对复合板进行空冷，直至冷却到室温。

实施例4

一种镍基耐蚀合金与碳钢复合板的制备方法，具体包括如下步骤：

1)真空制坯：将经过表面处理的镍基耐蚀合金与碳钢板加工成四层对称组坯，组坯外层为碳钢，内侧为镍基耐蚀合金，镍基耐蚀合金的规格150mm×125mm×4mm，钢板的规格为150mm×125mm×8mm，并且在内侧镍基耐蚀合金之间加入阻焊剂。然后利用真空电子束焊机将坯料四周焊接密封，保证内部真空度达到10^-2Pa。

2)轧制：加热之前先对钢板表面进行简单的清理，去除表面异物。将组坯在置于1200℃热处理炉保温60min，之后迅速取出复合板进行轧制，轧制工艺为5道次轧制，总变形量75％，每道次压下率依次为20％，10％，17％，28％，40％，轧制速度为25m/min。每道次轧制之后迅速将复合板放入热处理炉中，炉温为1200℃，保温时间为10min。

3)冷却：最后一道次轧制之后，对复合板进行空冷，直至冷却到室温。

4)热处理：热处理温度为1100℃，热处理时间为30min，热处理完成后空冷至室温。

图4显示了实施例4最终所得到的样品的剪切曲线，界面的剪切强度达到了456MPa。

如下表1及图6所示，在轧制温度为1200℃，压下率为75％的轧制条件以及1100℃热处理温度条件下，当热处理时间在15min～30min时，其产品剪切强度增加，而30min～45min时产品剪切强度则降低，45min～60min时剪切强度无变化。故热处理温度在15min～45min之间时产品剪切强度较高，30min时最佳。

表1

热处理时间	15min	30min	45min	60min
					剪切强度	327Mpa	456Mpa	353Mpa	353Mpa

如图5所示，上述四个实施例所提供的镍基耐蚀合金与碳钢复合板的制备方法所得到的镍基耐蚀合金与碳钢复合板其复合层中Ni、Cr元素自镍基耐蚀合金层一侧向碳钢层一侧扩散，且浓度逐渐降低；Fe元素自碳钢层一侧自镍基耐蚀合金层一侧逐渐扩散且浓度逐渐降低。

Claims (9)

1.一种镍基耐蚀合金与碳钢复合板，包括镍基耐蚀合金层、碳钢层及复合层，其特征在于：所述复合层中Ni、Cr元素自镍基耐蚀合金层一侧向碳钢层一侧扩散，且浓度逐渐降低；所述Fe元素自碳钢层一侧向镍基耐蚀合金层一侧逐渐扩散，且浓度逐渐降低。

2.根据权利要求1所述的一种镍基耐蚀合金与碳钢复合板，其特征在于：所述复合板中所使用的基材碳钢层其质量百分比含量为：C≤0.22％，Mn≤1.8％，Si≤0.6％，S≤0.05％，P≤0.045％，余量为Fe和不可避免的杂质元素，或再添加质量分数不超过0.12％的微合金强化元素V。

3.根据权利要求1或2所述的一种镍基耐蚀合金与碳钢复合板，其特征在于：所述复合板所使用的复材为镍基耐蚀合金层，所述镍基耐蚀合金层中包括Cr、Fe、C、Si、S、P、Ti、Co、Al、Cu、Mn元素，各元素质量百分比含量分别为13％≤Cr≤25％，5％≤Fe≤15％，C≤0.2％，Si≤0.7％，S≤0.02％，P≤0.015％，Ti≤3％，Co≤1％，Al≤1％，Cu≤0.1％，Mn≤1％，余量为Ni和不可避免的杂质元素。

4.一种镍基耐蚀合金与碳钢复合板的制备方法，其特征在于：包括如下步骤：

1)真空制坯：将基材钢板或钢坯以及复材镍基耐蚀合金轧制到设计的尺寸，然后对镍基耐蚀合金和碳钢的表面进行清洁处理，并在镍基耐蚀合金的一个表面上涂刷耐高温隔离涂料；将经过表面处理的镍基耐蚀合金板与碳钢板加工成四层对称组坯，组坯外层为碳钢，内侧为镍基耐蚀合金，并且在内侧镍基耐蚀合金之间加入阻焊剂；然后将坯料四周焊接密封，进行真空处理，形成真空组合对坯；

2)轧制：对真空组合对坯进行加热，加热温度为800～1400℃，保温30～90min。随后对加热后的真空组合对坯轧制，经过多道次轧制得到轧制板材，轧制后的轧制板材空冷至室温；切除轧制板材的四个边，得到镍基耐蚀合金与碳钢复合板；

3)热处理：根据需要对轧后镍钢复合板进行热处理。

5.根据权利要求4所述的镍基耐蚀合金与碳钢复合板的制备方法，其特征在于：所述真空处理的真空度不低于10^-2Pa。

6.根据权利要求4所述的镍基耐蚀合金与碳钢复合板的制备方法，其特征在于：所述步骤2)中轧制的总次数为5道次。

7.根据权利要求6所述的镍基耐蚀合金与碳钢复合板的制备方法，其特征在于：轧制总压下率为50～80％，单次压下率10～50％。

8.根据权利要求4所述的镍基耐蚀合金与碳钢复合板的制备方法，其特征在于：所述热处理温度为800～1200℃，热处理时间为20～240min，冷却方式为空冷或水冷。

9.根据权利要求8所述的镍基耐蚀合金与碳钢复合板的制备方法，其特征在于：所述热处理时间具体为30min。