CN113523241B - 一种不锈钢/碳钢复合材料的高效成形方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种不锈钢/碳钢复合材料的高效成形方法，属于不锈钢/碳钢复合材料成形技术领域。该方法通过对待复合碳钢基材进行冷却，协同控制连铸复合前不锈钢液与碳钢板待复合表面温度，结合复合后的控温冷却，基于液‑固复合连铸原理连铸制备界面为强冶金结合的不锈钢/碳钢复合铸坯，于1000～1200℃加热30～120分钟后，进行总变形量为30％～50％、轧制道次为2～5次的热轧，或将热轧后的不锈钢/碳钢复合材料进行道次变形量为10％～20％、变形道次为2～6道次的冷轧或冷拉等塑性变形，或进行后续矫直、热处理。与传统不锈钢/碳钢复合材料制备方法相比，本发明工艺流程短、效率高、成本低，制备的不锈钢/碳钢复合材料界面结合强度高。
Description
技术领域
本发明属于不锈钢/碳钢复合材料成形技术领域，具体涉及一种不锈钢/碳钢复合材料的高效成形方法。
背景技术
不锈钢/碳钢复合材料在国民经济和国防军工等领域具有广泛用途，是由碳钢基材与不锈钢覆层复合而成的一种金属层状复合材料，具有不锈钢耐腐蚀、美观以及碳钢高强韧性、成本低等优点。
目前规模化生产不锈钢/碳钢复合材料的最常用方法是真空热轧复合法，其基本工艺流程是：待复合表面处理→组坯→焊接→抽真空→加热→热轧→冷却→矫直→热处理。为了获得高界面结合强度的不锈钢/碳钢复合材料，不仅在热轧复合前需要进行待复合表面处理、组坯、焊接和抽真空，而且在热轧复合时还存在着加热温度高(1100～1300℃)、加热时间长(2～10小时)、热轧压下量大(50％～90％)和热轧道次多(10～20道次)等问题。并且，热轧复合时的高温大变形将使复合界面发生氧化和严重的不协调变形，界面存在氧化物、孔洞和应力集中等缺陷，导致不锈钢/碳钢复合材料的生产工艺流程长、效率低、成本高、界面结合强度低。另外，为了获得不锈钢/碳钢复合薄材，往往需要对热轧复合后的不锈钢/碳钢复合材料进行冷轧、冷拉等后续塑性变形，由于传统的真空热轧复合法制备的不锈钢/碳钢复合材料界面存在氧化物、孔洞和应力集中等缺陷，界面结合强度低，为避免后续塑性变形时界面开裂，冷轧或冷拉时的道次变形量小(通常小于10％)、道次多，导致生产工艺流程长、效率低、成本高。
采用先进的短流程工艺生产不锈钢/碳钢复合材料成为近年来研究开发的热点。目前，研究主要集中在采用新工艺制备界面具有强冶金结合的不锈钢/碳钢复合坯料，减少真空热轧时的焊接和抽真空等工艺，结合后续轧制成形工艺流程，生产不同规格的不锈钢/碳钢复合材料。
不锈钢/碳钢复合坯料的制备方法主要有爆炸复合法、定量浇注法、电磁连铸复合法、反向凝固法和固-液铸轧复合法等。爆炸复合过程中，由于基层和覆层塑性变形及物理性能的差异会导致复合界面处形成应力集中和孔洞等缺陷，降低不锈钢/碳钢复合材料界面结合强度，同时工艺复杂、流程长、效率低。定量浇注和电磁连铸复合法无法精确控制复合过程中复合界面处温度，复合界面易发生氧化、未复合、过度复合甚至熔穿等情况，界面结合强度波动较大，工艺复杂。反向凝固和固-液铸轧复合法利用不锈钢液与固态碳钢基材复合制备不锈钢/碳钢复合坯料，工艺流程短、效率高，但由于对碳钢板温度以及复合后的冷却过程控制不合理，制备的不锈钢/碳钢复合材料界面会出现未复合或熔穿等情况，导致界面结合强度不高，且只能制备薄尺寸不锈钢/碳钢复合材料。上述方法制备的不锈钢/碳钢复合坯料界面结合强度低，导致后续轧制成形时工艺流程长、效率低、成本高。
目前，不锈钢/碳钢复合材料传统制备工艺存在流程长、效率低、成本高和界面结合强度低等问题，因此需要开发新的高效成形方法。
发明内容
本发明为实现短流程生产高性能不锈钢/碳钢复合材料，降低生产成本，提高界面结合强度，提供一种通过对待复合的碳钢基材进行冷却，协同控制连铸复合前不锈钢液和固态碳钢基材待复合表面温度，结合复合后的控温冷却，基于液-固复合连铸原理连铸制备界面为强冶金结合的不锈钢/碳钢复合铸坯，后续进行小变形量热轧或在小变形量热轧后进行道次大变形量冷轧成形不锈钢/碳钢复合材料的高效成形方法，缩短现有不锈钢/碳钢复合材料生产工艺流程，提高生产效率，降低生产成本，提高不锈钢/碳钢复合材料的界面结合强度。
根据本发明的一种不锈钢/碳钢复合材料的高效成形方法，具体步骤如下：
步骤1：利用熔炼炉熔炼不锈钢液并于1450～1700℃下保温30～120分钟；启动牵引机构，使经机械打磨处理后的碳钢基材朝引锭方向移动，同时利用冷却装置对即将进入复合铸型的碳钢基材进行冷却控温，使碳钢基材待复合表面在进入复合铸型时温度为100～700℃；随后不锈钢液经导流管进入复合铸型并与碳钢基材待复合表面接触，通过协同控制复合前不锈钢液温度和碳钢基材待复合表面温度，凝固获得不锈钢/碳钢预复合材料；调节拉坯速度、水冷结晶器与二次冷却装置的冷却强度，控制不锈钢/碳钢预复合材料以1～100℃/s的冷却速度降温，最终连铸获得界面为强冶金结合的不锈钢/碳钢复合铸坯。
步骤2：将不锈钢/碳钢复合铸坯在1000～1200℃进行30～120分钟的加热，随后进行总变形量为30％～50％、单道次变形量为15％～25％、轧制道次为2～5道次的热轧复合，成形得到不锈钢/碳钢复合材料。
进一步的，对不锈钢/碳钢复合材料进行总变形量为30％～60％、单道次变形量为10％～20％、变形道次为2～6道次的冷轧或冷拉等塑性变形。
进一步的，对不锈钢/碳钢复合材料进行矫直处理，随后根据需要进行热处理，改变不锈钢/碳钢复合材料的组织和性能，并获得光亮的表面。
进一步的，不锈钢是奥氏体不锈钢、铁素体不锈钢、马氏体不锈钢或双相不锈钢中的任何一种。
进一步的，碳钢是普碳钢、容器钢、桥梁钢、管线钢、船板钢或高强钢中的任何一种。
进一步的，碳钢基材的规格为线材、棒材、管材、板材、带材或型材中的至少一种。
进一步的，不锈钢/碳钢复合材料的类型为叠层复合结构型、侧面复合结构型、包覆复合结构型或镶嵌复合结构型中的至少一种。
进一步的，不锈钢/碳钢复合材料的规格为线材、棒材、管材、板材、带材或型材中的至少一种。
进一步的，步骤1中碳钢基材进入复合铸型前的冷却控温方式为液体冷却或气体冷却中的任何一种。
进一步的，步骤1适用于上引式、下引式或水平式中的任何一种液-固复合连铸方法。
本发明的优点在于：
1、通过对待复合的碳钢基材进行冷却控温，协同控制连铸复合前不锈钢液和碳钢基材待复合表面温度，结合复合后控温冷却，促进了复合界面两侧铬、镍、铁原子互扩散，抑制了碳原子扩散，避免了界面氧化、孔洞和脆性相的形成，获得了界面为强冶金结合的不锈钢/碳钢复合铸坯，减少了热轧前的焊接和抽真空等工艺，有利于缩短工艺流程、提高生产效率、降低成本。
2、本发明所提供的不锈钢/碳钢复合材料生产方法与传统不锈钢复合材料热轧方法相比，有利于缩短工艺流程、提高生产效率、降低成本和提高界面结合强度。传统不锈钢/碳钢复合材料热轧前界面结合强度低，为了获得界面的强冶金结合，需要进行多道次的大变形量轧制，存在工艺流程长、生产效率低、成本高、界面结合强度低等缺点；而本发明在热轧前已制备出界面为强冶金结合的不锈钢/碳钢复合铸坯，热轧时仅需进行小变形量成形，具有工艺流程短、生产效率高、成本低和界面结合强度高等优点。
3、本发明所提供的不锈钢/碳钢复合材料的界面结合强度高，后续冷轧或冷拉等塑性变形时道次变形量大，道次显著减少，因此工艺流程短、生产效率高、成本低。
具体实施方式
以下结合实施例对本发明进行具体描述，有必要在此指出的是本实施例只用于对本发明进行进一步说明，不能理解为对本发明保护范围的限制，该领域的熟练技术人员可以根据上述本发明的内容做出一些非本质的改进和调整。
实施例1：基层厚度为20mm、覆层厚度为4mm的304L不锈钢/Q235碳钢复合板材
利用熔炼炉熔炼304L不锈钢液并于1550℃下保温30分钟；启动牵引机构，使经机械打磨处理后的厚度为40mm的Q235碳钢板以0.5m/min的速度朝引锭方向移动，同时启动冷却装置对即将进入复合铸型的Q235碳钢板进行冷却控温，使Q235碳钢板待复合表面在进入复合铸型时温度为200℃；随后使304L不锈钢液经导流管进入复合铸型并与Q235碳钢板待复合表面接触，凝固获得304L不锈钢/Q235碳钢预复合板坯，未完全凝固的304L不锈钢/Q235碳钢预复合板坯连续进入水冷结晶器，在冷却水流量1200L/h、冷却水温度25℃的水冷结晶器的强制冷却作用下完全凝固，随后经过冷却水流量1500L/h、冷却水温度25℃的二次冷却装置时被进一步冷却，使304L不锈钢/Q235碳钢预复合板坯以30～50℃/s的冷却速度降温，连铸获得界面为强冶金结合的覆层厚度为8mm的304L不锈钢/Q235碳钢复合板坯。
将304L不锈钢/Q235碳钢复合板坯在1050℃进行60分钟的加热，随后进行总变形量为50％、单道次变形量为15％～25％、轧制道次为3～5道次的热轧；按上述工艺制备的304L不锈钢/Q235碳钢复合板厚为24mm、基层厚度为20mm、覆层厚度为4mm。
对热轧304L不锈钢/Q235碳钢复合板进行矫直处理，随后根据需要进行热处理，改变304L不锈钢/Q235碳钢复合板的组织和性能，并获得光亮的表面，满足使用要求；304L不锈钢/Q235碳钢复合板的热处理工艺为950℃保温120分钟，快速冷却(冷却速度为20℃/s)至450℃后空冷至室温。
实施例2：芯材直径为20mm、覆层厚度为2mm的316L不锈钢包覆Q345碳钢复合棒材
利用熔炼炉熔炼316L不锈钢液并于1600℃下保温60分钟；启动牵引机构，使经机械打磨处理后的直径为50mm的Q345碳钢芯棒以0.3m/min的速度朝引锭方向移动，同时启动冷却装置对即将进入复合铸型的Q345碳钢芯棒进行冷却控温，使Q345碳钢芯棒待复合表面在进入复合铸型时温度为300℃；随后使316L不锈钢液经导流管进入复合铸型并与Q345碳钢芯棒待复合表面接触，凝固获得316L不锈钢包覆Q345碳钢预复合棒坯，未完全凝固的316L不锈钢包覆Q345碳钢预复合棒坯连续进入水冷结晶器，在冷却水流量1000L/h、冷却水温度25℃的水冷结晶器的强制冷却作用下完全凝固，随后经过冷却水流量1200L/h、冷却水温度25℃的二次冷却装置时被进一步冷却，使316L不锈钢包覆Q345碳钢预复合棒坯以50～80℃/s的冷却速度降温，连铸获得界面为强冶金结合的覆层厚度为5mm的316L不锈钢包覆Q345碳钢复合棒坯。
将316L不锈钢包覆Q345碳钢复合棒坯在1000℃进行30分钟的加热，随后进行总变形量为60％、单道次变形量为15％～25％，轧制道次为3～5道次的热轧；按上述工艺制备的316L不锈钢包覆Q345碳钢复合棒材覆层厚度为2mm、碳钢芯棒直径为20mm。
对热轧316L不锈钢包覆Q345碳钢复合棒材进行矫直处理，随后根据需要进行热处理，改变316L不锈钢包覆Q345碳钢复合棒材的组织和性能，并获得光亮的表面，满足使用要求；316L不锈钢包覆Q345碳钢复合棒材的热处理工艺为1000℃保温60分钟，快速冷却(冷却速度为25℃/s)至500℃后空冷至室温。
实施例3：基层厚度为2.4mm、覆层厚度为0.6mm的316L不锈钢/X60管线钢复合板
利用熔炼炉熔炼316L不锈钢液并于1550℃下保温30分钟；启动牵引机构，使经机械打磨处理后的厚度为12mm的X60管线钢板以1m/min的速度朝引锭方向移动，同时启动冷却装置对即将进入复合铸型的X60管线钢板进行冷却控温，使X60管线钢板待复合表面在进入复合铸型时温度为500℃；随后使316L不锈钢液经导流管进入复合铸型并与X60管线钢板待复合表面接触，凝固获得316L不锈钢/X60管线钢预复合板坯，未完全凝固的316L不锈钢/X60管线钢预复合板坯连续进入水冷结晶器，在冷却水流量800L/h、冷却水温度25℃的水冷结晶器的强制冷却作用下完全凝固，随后经过冷却水流量1000L/h、冷却水温度25℃的二次冷却装置时被进一步冷却，使316L不锈钢/X60管线钢预复合板坯以40～60℃/s的冷却速度降温，连铸获得界面为强冶金结合的覆层厚度为3mm的316L不锈钢/X60管线钢复合板坯。
将316L不锈钢/X60管线钢复合连铸板坯在1100℃进行90分钟的加热，随后进行总变形量为50％、单道次变形量为15％～25％，轧制道次为4～5道次的热轧；将热轧后的316L不锈钢/X60管线钢复合板进行酸洗，清除表面氧化物和缺陷，随后对表面处理后的316L不锈钢/X60管线钢复合板进行总变形量为60％、单道次变形量为10％～20％、轧制道次为3～5道次的冷轧；按上述工艺制备的316L不锈钢/X60管线钢复合板厚度为3mm、基层厚度为2.4mm、覆层厚度为0.6mm。对冷轧后的316L不锈钢/X60管线钢复合板进行热处理，热处理工艺为1100℃保温30分钟，快速冷却(冷却速度为30℃/s)至400℃后空冷至室温，改变316L不锈钢/X60管线钢复合板的组织和性能，最后根据需要对316L不锈钢/X60管线钢复合板进行矫直处理，满足使用要求。
对比实施例：芯材直径为20mm、覆层厚度为2mm的316L不锈钢包覆Q345碳钢复合棒材
利用熔炼炉熔炼316L不锈钢液并于1350℃下保温10分钟；启动牵引机构，使经机械打磨处理后的直径为50mm的Q345碳钢芯棒以0.3m/min的速度朝引锭方向移动，同时启动冷却装置对即将进入复合铸型的Q345碳钢芯棒进行冷却控温，使Q345碳钢芯棒待复合表面在进入复合铸型时温度为800℃；随后使316L不锈钢液经导流管进入复合铸型并与Q345碳钢芯棒待复合表面接触，凝固获得316L不锈钢包覆Q345碳钢预复合棒坯，未完全凝固的316L不锈钢包覆Q345碳钢预复合棒坯连续进入水冷结晶器，在冷却水流量1500L/h、冷却水温度25℃的水冷结晶器的强制冷却作用下完全凝固，随后经过冷却水流量1800L/h、冷却水温度25℃的二次冷却装置时被进一步冷却，使316L不锈钢包覆Q345碳钢预复合棒坯以120～150℃/s的冷却速度降温，连铸获得覆层厚度为5mm的316L不锈钢包覆Q345碳钢复合棒坯，复合界面存在氧化物、孔洞等缺陷，界面结合强度低。
将316L不锈钢包覆Q345碳钢复合棒坯在1000℃进行30分钟的加热，随后进行总变形量为60％、单道次变形量为15％～25％，轧制道次为3～5道次的热轧；按上述工艺制备的316L不锈钢包覆Q345碳钢复合棒材覆层厚度为2mm、碳钢芯棒直径为20mm，热轧后复合界面存在大量氧化物等缺陷，界面结合强度低。
对热轧316L不锈钢包覆Q345碳钢复合棒材进行矫直处理，随后根据需要进行热处理，改变316L不锈钢包覆Q345碳钢复合棒材的组织和性能，并获得光亮的表面，热处理后界面结合强度低，不能满足使用要求；316L不锈钢包覆Q345碳钢复合棒材的热处理工艺为1000℃保温60分钟，快速冷却(冷却速度为25℃/s)至500℃后空冷至室温。
上面对本发明的实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可做出很多形式，这些均属于本发明的保护之内。
Claims (9)
1.一种不锈钢/碳钢复合材料的高效成形方法，其特征在于，所述高效成形方法通过对待复合的碳钢基材进行冷却，协同控制连铸复合前不锈钢液和固态碳钢基材待复合表面温度，结合复合后的控温冷却，基于液-固复合连铸原理连铸制备界面为强冶金结合的不锈钢/碳钢复合铸坯，后续进行小变形量热轧或在小变形量热轧后进行道次大变形量冷轧成形不锈钢/碳钢复合材料，能够实现短流程生产高性能不锈钢/碳钢复合材料，具体步骤如下：
步骤1：利用熔炼炉熔炼不锈钢液并于1550℃下保温30分钟；启动牵引机构，使经机械打磨处理后的碳钢基材朝引锭方向移动，同时对即将进入复合铸型的所述碳钢基材进行冷却控温，使所述碳钢基材的待复合表面在进入所述复合铸型时温度为500 ℃，所述冷却控温方式为液体冷却或气体冷却中的任何一种；随后使所述不锈钢液经导流管进入所述复合铸型并与所述碳钢基材的所述待复合表面接触，凝固获得不锈钢/碳钢预复合材料；调节拉坯速度、水冷结晶器与二次冷却装置的冷却强度，控制所述不锈钢/碳钢预复合材料以40-60 ℃/s的冷却速度降温，促进复合界面两侧铬、镍、铁原子互扩散，抑制碳原子扩散，避免界面氧化、孔洞和脆性相的形成，最终连铸获得界面为强冶金结合的不锈钢/碳钢复合铸坯；
步骤2：所述不锈钢/碳钢复合铸坯在1100 ℃进行90分钟的加热，随后进行总变形量为50%、单道次变形量为15%~25%、轧制道次为4~5道次的热轧，成形得到不锈钢/碳钢复合材料。
2.根据权利要求1所述的成形方法，其特征在于，对所述不锈钢/碳钢复合材料进行总变形量为30%~60%、单道次变形量为10%~20%、变形道次为2~6道次的塑性变形，所述塑性变形包括但不限于冷轧塑性变形或冷拉塑性变形。
3.根据权利要求1所述的成形方法，其特征在于，对所述不锈钢/碳钢复合材料进行矫直处理，随后根据需要进行热处理，改变所述不锈钢/碳钢复合材料的组织和性能，并获得光亮的表面。
4.根据权利要求1所述的成形方法，其特征在于，所述不锈钢是奥氏体不锈钢、铁素体不锈钢、马氏体不锈钢或双相不锈钢。
5.根据权利要求1所述的成形方法，其特征在于，所述碳钢是普碳钢、容器钢、桥梁钢、管线钢、船板钢或高强钢。
6.根据权利要求1所述的成形方法，其特征在于，所述碳钢基材的规格为线材、棒材、管材、板材或带材。
7.根据权利要求1所述的成形方法，其特征在于，所述不锈钢/碳钢复合材料的类型为叠层复合结构型、侧面复合结构型或包覆复合结构型。
8.根据权利要求1所述的成形方法，其特征在于，所述不锈钢/碳钢复合材料的规格为线材、棒材、管材、板材或带材。
9.根据权利要求1所述的成形方法，其特征在于，步骤1适用于上引式、下引式或水平式中的任何一种液-固复合连铸方法。
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