牛 涛1, 2，安成钢1, 2，吴新朗3，于 晨3，张彩霞3，代晓莉1, 2
(1.首钢技术研究院，北京 100043；2.北京市能源用钢工程技术研究中心，北京 100043；3.首钢股份公司迁安钢铁公司，河北 迁安 064404)
摘 要：采用力学试验、光学电镜(OM)、场发射扫描电镜(SEM)和能谱分析(EDS)等方法对工业热连轧生产304/Q235B热轧复合卷板的力学性能、显微组织以及接合面夹杂物与析出进行了分析，结果表明，热连轧生产的304+Q235B热轧复合卷板的力学性能、晶间腐蚀性能均满足技术要求，剪切强度良好。基板Q235B的显微组织为铁素体/珠光体类型，还含有少量贝氏体，覆层为典型的奥氏体类型，局部呈现孪晶形貌，接合面附近存在约40 μm宽的脱碳层。接合面处存在少量小尺寸硅、锰的氧化物夹杂，伴随铬的碳化物附着析出；覆层不锈钢仅在晶界处有少量细微析出，保证了良好的耐晶间腐蚀性能。
关键词：热轧复合卷板；显微组织；力学性能；接合面；析出
金属复合板是一种具有优异特性的金属材料，它的研究与开发一直是材料加工领域的重要课题之一。而采用低合金钢与不锈钢冶金复合生产的不锈钢复合板，既具有不锈钢的耐腐蚀性，又具有低碳钢良好的可焊性、成形性和导热性，同时可节约大量镍、铬等贵重金属，因而被广泛用于石油、化工、海洋工程、运输和电力等行业，用于取代全不锈钢，具有巨大的社会效益和经济效益[1-2]。我国不锈钢复合板生产发展迅速，在一些方面已与国外水平相当，但某些技术仍然存在一定技术差距，如何提高复合材料综合性能一直是众多研究者关注的课题[3-4]。
目前，国内报道的研究主要集中在中厚板方面，且很多研究还停留在实验室阶段[5]。在卷板热连轧工业生产的过程中，其轧制过程中的变形、卷取后的冷却等均与中厚板及实验室试制有较大差异。本文结合首钢股份公司304不锈钢+Q235B热连轧复合卷板的生产实践，研究了其组织性能特点，为热连轧复合卷板的开发提供参考。
试验用不锈钢复合板分别采用Q235B和304不锈钢作为基层材料和覆层材料，其化学成分见表1。采用真空焊接组坯，在2250热连轧机组进行热轧成形。具体工艺如下：先对基层和复层材料的表面进行处理，使其露出新鲜金属；然后及时封装组坯，以避免处理完成后的表面氧化；焊接密封后抽真空，经过板坯加热→粗轧→精轧→层流冷却→地下卷取的方式进行工业试制。
表1 化学成分(质量分数) (%)
材料CSiMnPSNiCr基层材料Q235B0．12～0．150．15～0．250．4～0．6≤0．015≤0．05--覆层材料3040．050．30～0．401．1～1．20．0230．0028．1118．16
为了研究复合卷板产品的力学性能，在成品卷板取横向试样，按照GB/T 6396—2008的要求，采用SHT4605万能拉伸试验机进行基层拉伸与全厚度拉伸试验，采用ZBC-600C冲击试验机进行夏比冲击试验；对复合板取纵向试样，按照ASTMA 264—2003所述方法进行剪切强度试验，并按照GB/T 4334—2008的要求进行晶间腐蚀试验。
对热轧后复合板取全厚度金相试样，抛光后先用4%的硝酸-酒精溶液进行腐蚀显示碳钢侧组织，再用10%的铬酸-水溶液进行电解显示不锈钢侧组织，利用金相显微镜及扫描电镜(SEM)观察界面的微观组织，并利用能谱(EDS)对复合界面进行成分分析。
2.1 力学性能
沿热轧卷板轧制的不同部位进行取样，包括钢卷外圈(轧制尾部)、中部以及内圈(轧制头部)。试样外形尺寸为2.5 mm×55 mm×10 mm，分别进行去覆层基板拉伸、整板拉伸、冲击以及剪切强度的测试，结果见表2。
表2 304不锈钢+Q235B热轧复合卷板的力学性能
取样位置试验内容Rt0．5/MPaRm/MPaA50．8/%冲击温度/℃Kv2/Jτ/MPa外圈基板拉伸33849630全厚度拉伸34552236．5016298中部基板拉伸32247830全厚度拉伸34151537016277内圈基板拉伸32647432全厚度拉伸34751538．5015276
由表2可以看出，所有力学性能满足GB/T 8165—2008的技术要求，同时具有良好的剪切强度，证明基板与覆层的接合良好。0 ℃条件下1/4尺寸冲击功均在15 J以上，韧性控制良好。相对于中部与内圈，钢卷外圈的拉伸强度略高而中部略低，表明在良好的热轧工艺控制下，整个钢卷长度方向上的性能差异较小。由于不锈钢覆层304不锈钢的强度高于基板，整板拉伸的结果在屈服强度和抗拉强度方面均高于基板拉伸，伸长率同样显著高于基板拉伸。
此外，按照GB/T 4334—2008的要求进行晶间腐蚀试验，结果表明，晶间腐蚀后弯曲试样表面光滑，没有出现任何裂纹，表现出良好的耐晶间腐蚀性能。
2.2 显微组织
不同位置的基板显微组织形貌如图1所示。从图1可以看出，基板Q235B的显微组织为铁素体/珠光体类型，还含有少量贝氏体；铁素体晶粒不再呈现等轴的多边形，方向性比较明显。不同于传统的Q235B卷板轧制工艺，复合卷板在生产时采用了更高的终轧温度，相对粗化的奥氏体稳定性更高，在后续的冷却过程中易朝着低温相变的方向发展。在卷取后的冷却过程中热轧卷板的中部冷却速度更慢，保温效果好，晶粒尺寸略大。
图1 不同位置的基板显微组织形貌图
覆层的304不锈钢显微组织为典型的奥氏体类型，主要为多边形晶粒，在局部有明显的孪晶形貌；奥氏体晶粒尺寸约为20 μm；满足不锈钢晶粒尺寸6级以上的要求。在复合卷板的加热与轧制过程中，奥氏体并不发生相变，轧制变形产生的形变储存能只能通过奥氏体的再结晶过程消耗，因此在局部保留了变形形成的孪晶形貌[6]。覆层与接合面显微组织如图2所示。由图2可以看出，在靠近不锈钢的一侧，碳钢发生了明显的脱碳现象。脱碳层的宽度通常可以作为衡量碳扩散程度的依据[7]。由图2b可以看出，试验用钢脱碳层的宽度约为40 μm，组织为粗大的铁素体，几乎没有珠光体。
图2 覆层与接合面显微组织
2.3 接合面夹杂物与析出
利用场发射电镜观察结合面附近的显微组织及夹杂物情况如图3所示。从图3可以看出，在更高的放大倍数下，接合面附近存在细小的夹杂物，尺寸细小，大部分夹杂物的线度均≤5 μm，其主要成分由O、Mn、Si、Cr和Fe构成(见表3中能谱1～3)。这主要是由于在组坯过程中，即使表面处理，碳钢和不锈钢表面因仍具有一定的粗糙度，经抽真空密封后还会有少量氧吸附在密封的界面处，这些氧在长时间加热过程中优先与界面两侧的硅、锰等易氧化元素反应生成一层薄的Si-Mn氧化物，轧制后氧化层破碎，弥散分布在界面上[8]。此外，在能谱分析中还发现了少量铬的碳化物析出(见表3中能谱1)。这主要是由于Fe、Cr、Ni的原子半径接近，分别为0.127 、0.125和0.128 nm，有利于相互之间以置换的方式进行扩散[9]。扩散到界面附近的铬与基体中较高含量的碳相互作用，在卷取过程中形成铬的碳化物析出。由图3中的观察结果也可以发现，小颗粒MnO2的氧化物夹杂也可以为铬的碳化物析出提供核心(见表3中能谱3)，从而促进其析出过程。由于此碳化物的析出一方面降低了复合界面的强度，另一方面消耗了附近的铬元素，从而可能导致界面耐腐蚀性能的降低，因此提高组坯真空度、减少氧化物夹杂对提高复合界面的剪切强度以及耐腐蚀性同样至关重要。
图3 接合面组织形貌及夹杂物
表3 接合面能谱分析结果 (%)
能谱COSiCrMnFeTotal13．3133．22—38．5818．176．71100．0024．7521．4310．3012．284．6546．60100．0035．5923．191．3922．699．6237．52100．0047．78——5．45—86．77100．00
2.4 不锈钢覆层中的析出
与碳钢/不锈钢复合中厚板轧制不同的是，复合卷板在水冷-卷取后需要经过长时间的缓慢冷却。而奥氏体不锈钢具有耐腐蚀能力的必要条件是w(Cr)>12%。当温度升高，特别是在450～850 ℃时，碳在不锈钢晶粒内部的扩散速度大于铬的扩散速度。在室温时，碳在奥氏体中的熔解度很小，约为0.02%～0.03%，一般奥氏体不锈钢中的碳含量均超过此值，故溶解不了的多余的碳就不断地向奥氏体晶粒边界扩散，并和铬元素化合，在晶间形成碳和铬的化合物(如Cr23C6等)发生敏化，从而降低晶间腐蚀能力[10]。
本文结合场发射扫描电镜对304不锈钢内的析出物进行分析(见图4)。由图4可以看出，整个覆层材料中的析出数量很少，仅在个别位置的晶界上观察到非常少量的小尺寸析出，析出尺寸一般为1～3 μm，且整体析出较少，保证了不锈钢良好的腐蚀性能。不锈钢析出物能谱分析结果见表4。
图4 304不锈钢析出形貌
表4 不锈钢析出物能谱分析结果 (%)
能谱CCrFeNiTotal18．9120．9864．555．55100．0028．3218．8366．176．67100．00
通过上述研究，得出如下结论。
1)采用真空焊接组坯，在2250热连轧产线进行了304不锈钢+Q235B热轧复合卷板的试制，并对钢卷的外圈、中部、内圈不同位置进行力学性能检测。结果表明，钢卷的综合力学性能、晶间腐蚀性能均满足GB/T 8165—2008的技术要求，剪切强度良好。
2)显微组织分析表明，基板Q235B的显微组织为铁素体珠光体类型，还含有少量贝氏体；覆层的304不锈钢显微组织为典型的奥氏体类型，主要为多边形晶粒，在局部有明显的孪晶形貌；在靠近不锈钢的一侧，碳钢发生了明显的脱碳现象，脱碳层的宽度约为40 μm。
3)试验用钢接合面附近存在少量小尺寸夹杂物，以硅、锰的氧化物为主，伴随铬的碳化物附着析出；覆层304不锈钢虽然在卷取后经历了长时间的高温保温过程，但仅在晶界处有少量细微析出，保证了良好的耐晶间腐蚀性能。
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责任编辑 马彤
Research on Microstructure and Properties of 304/Q235B Hot Rolled Clad Steel Coil
NIU Tao1,2, AN Chenggang1,2, WU Xinlang3, YU Chen3, ZHANG Caixia3, DAI Xiaoli1,2
(1.Shougang Research Institute of Technology, Beijing 100043, China; 2.Beijing Engineering Research Center of Energy Steel, Beijing 100043, China; 3.Shougang Co., Ltd., Qian’an Steel Corp, Qian’an 064404, China)
Abstract：In this study, tensile test, optical microscopy (OM), field emission scanning electron microscope (SEM), and energy dispersion spectrum (EDS) are used to analyze the mechanical properties, microstructure and inclusions and precipitates characteristics at the interface. Results show that 304/Q235B hot rolled clad steel coil manufactured using hot rolling line has a good performance in combined mechanical properties, intergranular corrosion property and shear strength. Microstructure of Q235B mainly consists of ferrite and perlite, with a little amount of Bainite, while that of 304 stainless steel consists of deformed austenite with part of twin crystal morphology. There is a 40 μm wide decarburized layer near the interface, as well as a little amount of oxide inclusion containing Si and Mn, and carbide precipitates of Cr adhere to them. Only a small amount of Cr-containing precipitates has been found on the grain boundaries, which guarantees the good intergranular corrosion property of 304 stainless steel.
Key words：hot rolled clad coil, microstructure, mechanical property, bonding interface, precipitate
中图分类号：TG 142.1
文献标志码：A
作者简介：牛涛(1984-)，男，高级工程师，从事管线钢品种开发及工艺等方面的研究。
收稿日期：2017-02-17
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