退火温度对钛钢轧制复合板组织和性能的影响

来源:北京科技大学冶金工程研究院作者:阎晓倩

利用光学显微镜、扫描电子显微镜、显微硬度计、纳米显微力学探针,研究了不同退火温度对钛钢真空-轧制复合板组织性能的影响。结果表明:热处理过程中,钢侧组织发生回复、再结晶和晶粒长大的过程,碳元素向界面扩散,在界面附近形成铁素体区。热处理温度对钛钢轧制复合板的界面结合性能有显著影响,850℃时性能最好。850℃以下热处理时,在界面上面主要生成TiC;850℃以上热处理时,界面上形成大量的Ti-Fe金属间化合物(Fe2Ti/FeTi)及少量的TiC。Ti-Fe金属间化合物对界面结合性能起到决定性作用,显著降低结合性能。

钛钢复合板充分利用钛材优异的耐蚀性能和钢材良好的力学性能,获得了较好的综合性能,降低了材料成本。在化工、海水淡化、真空制盐和电厂脱硫烟筒等领域得到广泛应用。目前钛钢复合板的生产方法主要有爆炸复合法、爆炸-轧制复合法、轧制复合法和扩散复合法。其中最成熟、最广泛的方法是爆炸复合法,其利用炸药产生的冲击波使两种金属快速地结合在一起,可以获得结合性能优异的复合板。但是其缺点是对环境影响大、场地要求高和复合板尺寸小,难以生产复层厚度小于2mm、面积大于20m2的钛钢复合板。因此简单易行的轧制复合法在钛钢复合板的大规模生产有很大发展前景。国外,尤其是日本的科研工作者对钛钢轧制复合板的生产工艺进行了大量研究,并取得大量专利成果。目前,国内对钛钢爆炸复合板的研究较多,由于生产条件的限制,对钛钢轧制复合板的研究较少。

近来,随着大能力轧钢设备的引进,国内已具有轧制复合法生产宽幅钛钢复合板的能力,对于复合板的轧制工艺有了一定的研究,但有关轧后热处理对复合板组织和性能方面影响的报道很少。

本文研究轧制复合工艺生产的钛钢复合板在不同热处理工艺下的组织变化,以及扩散过程对性能的影响。

1、实验材料与方法

实验材料为采取真空环境下多道次热轧的方法生产的钛钢复合板,基层和复层分别为Q345钢板和TA1钛板,其化学成分如表1所示。

表1 TA1和Q345合金的化学成分( 质量分数,%)

TA1和Q345合金的化学成分

采用对称组坯的方式,将表面处理后的Q345B板坯两两对正叠置,中间放入TA1钛板,对复合面四周采用氩弧焊进行焊接密封,在最后焊合处留出5mm的未焊合区,在未焊合区上焊上一个钢管用以对复合板坯间隙抽真空至0.1Pa,用压钳进行密封后再次将真空管进行焊接密封。870℃加热,保温时间1h,开轧温度即为加热温度,总压下量为80%,组坯后板料总厚度为30mm,经过6道次轧制成6mm厚复合板,终轧温度为702℃。

热处理设备为箱式电阻炉SRJX-4-13,最高加热温度为1300℃。热处理工艺:从钢侧组织的角度出发,选择保温温度,两相区加热700、750、800和850℃,完全奥氏体加热900℃、950℃;保温30min;冷却方式为空冷。

钢侧组织观察方法:试样经机械打磨和抛光,4%的硝酸酒精侵蚀后,利用光学显微镜ZEISSAX10进行组织观察。复合板界面研究方法:试样经机械打磨和抛光后,利用数字式显微硬度计(HXD-1000TM/LCD)研究界面附近的硬度,并利用ZEISSULTRA55热场发射扫描电镜观察显微压痕下界面的裂纹状况,研究界面的结合强度;利用纳米显微力学探针,研究界面附近扩散层处的硬度变化,探究元素扩散对微区硬度的影响;利用ZEISSULTRA55热场发射扫描电镜分析界面元素的扩散特征。

结论

1)钛钢真空轧制复合板,基层金属钢在轧制过程中发生塑性变形,为热处理过程发生回复和再结晶提供了畸变能,热处理的温度越高,钢侧组织发生回复、再结晶以及晶粒长大的程度越大;

2)对钛钢真空轧制复合板进行热处理,低于850℃时,碳元素由钢侧向界面扩散,在界面形成TiC,抑制Fe-Ti金属间化合物的生成;高于850℃时,界面上主要形成Fe-Ti金属间化合物,显著降低界面的结合性能。界面的结合强度在850℃时达到最高;

3)热处理过程中,钢侧的硬度降低,钛侧的硬度升高。这是因为钢侧发生回复和再结晶,都是软化的过程,而且生产少量易碎的Fe-Ti金属间化合物,硬度降低;钛侧在铁元素和温度的共同作用下,发生α/β转变,硬度升高。