钛-钢复合板生产中的过渡层材料.pdf

第6 l 卷第4 期 2 009 年11 月 有色 金属 N o n f e I T O t l SM e t a l s V 0 1 ．6 1 。N o ．4 N o v e m b e r ．2009 钛一钢复合板生产中的过渡层材料 王敬忠1 ，颜学．柏2 ，阎静亚2 ，容 耀2 ，严平2 ，刘勇2 1 ．西安建筑科技大学，西安7 10 0 5 5 ；2 ．宝鸡有色金属加工厂，陕西宝鸡7 2 10 1 4 摘要研究加热温度分别在8 3 0 ，8 8 0 ，9 5 0 和1 0 0 0 。C 的情况下，工业纯铁作为钛一钢复合板的过渡材料对复合板结合强度 影响。结果表明，随着加工温度升高，复合板的结合强度降低。结合强度的稳定性也降低．复合板结合界面变得粗糙。生产薄复合 板时。终轧温度较低，加工硬化严重，抗托强度不能满足标准要求，需要进行退火。在5 5 0 6 5 0 。C 之间退火，复合板的结合强度略 有升高，在6 5 0 。C 时保温1h 可得到比较高的结合强度。通过金相观察，在结合界面上有显微裂纹存在。这种裂纹使结合强度降低。 关键词金属材料；钛一钢复合板；过渡层；工业纯铁；结合强度 中图分类号T G 2 4 9 ．7 ；T G l 4 6 ．1 1文献标识码A文章编号1 0 0 1 0 2 1 1 2 0 0 9 0 4 0 0 3 9 0 4 钛一钢复合板已广泛应用于能源、石油、化工、 海洋、采矿等国民经济的不同部门。传统的爆炸复 合方法，可以获得良好的结合质量，但这种方法受到 工艺因素限制，难以制造宽幅面的产品。另外，爆炸 复合的方法，产生大量的废气和伴随剧烈的声响，严 重污染环境，而且能源利用率低。所以，除特殊用途 钛钢复合板仍应用爆炸复合法生产外，这种生产方 式的应用逐渐减少。目前，国外生产钛一钢复合板 的工艺一般是轧制复合法1 。 钛和钢之间性能差异较大，若采用直接轧制复 合的方法，在钛和钢结合界面上易于形成脆性化合 物T i C ，使复合板的结合强度很难达到国家标准的 要求。T i C 形成的原因是钢中的C 在加热和加工及 随后的退火处理过程中向结合界面扩散，和界面上 的钛元素形成T i C 旧o 。为生产合格的钛一钢复合 板，须采取一定措施来防止或抑制钢中的C 向界面 扩散，通常要采取与钛既有良好固溶性又能阻碍C 扩散的金属作为钛一钢复合板中的过渡材料。中间 材料又必须和钢有良好的冶金结合性能。由于钛元 素和铁元素形成脆性的金属“间”化合物F e 3 T i 和 F e 2 T i ，文献旧3 为阻止这些脆性化合物的形成采用 T a ，C r ，N b ，V ，A g 等贵重金属，作为钛一钢复合板的 中间材料，获得满足要求的结果。由于成本太高，贵 金属在该领域的应用受到了限制。为了降低生产成 本，文献川采用C u 作为钛一钢复合板的中间过渡 收稿日期2 0 0 7 0 9 2 7 基金项目西安建筑科技大学校青年基金资助项目 D B 0 4 0 1 4 作者简介王敬忠 1 9 7 4 一 ，男，山东定陶县人，讲师，硕士，主要从 事金属压力加工和金属材料等方面的研究。 材料，来降低生产成本，其核心是利用T i 和C u 的共 晶反应生成液相，然后在存在液相的温度下进行加 工挤出液相，以获得钛和钢结合的新鲜界面，促进冶 金结合。从降低生产成本并且使产品满足结合强度 要求出发，以相对价格较低的工业纯铁做中间材料， 并以铜做中间材料对比，作试验研究。 1实验方法 1 ．1 试验用材料 复层材料为T A 2 ，退火状态。基层材料为 Q 2 3 5 ，热轧态。中间层材料为工业纯铁，热轧态； 紫铜。隔离材料为M O S 2 。 1 ．2 原料准备 采用爆炸的方法将工业纯铁和钛板焊接到一 起。为了提高复合板的贴合质量，在组料之前，将待 贴合面用砂轮进行表面清理，在复层金属板的背靠 面涂上M O S 2 的水溶液，晾干。 基板 图1 料坯示意图 F i g ．1 S c h e m eo fb o xo fr o wm a t e r i a l s 1 ．3 坯料的组盒 在组料的时候，采用酒精棉或者压缩空气把各 层金属的待贴合面上附着的金属碎屑清理干净，然 万方数据 4 0有色金属第6 l 卷 后在压力机上把各层金属板压实，形成如图l 所示 的料盒。料盒的尺寸为2 基层厚度1 0 r a m 中间 层厚度0 ．7 m m 复板厚度4 m m | ‘1 8 0 m m 木 2 2 0 m m 。共组了5 个坯料盒子，其中4 个以工业纯 铁做过渡层材料，1 个以紫铜作为过渡层材料。 1 ．4 加工方法 以工业纯铁为过渡材料的4 个坯料分别取 8 3 0 0 C ／1 h ，8 8 0 ℃／1 h ，9 5 0 0 C ／1 h ，1 0 0 0 ℃／1 h4 个温度 制度。以紫铜为过渡材料的坯料，采取8 7 0 ℃／1 h 的 温度制度，电炉加热保温。轧制在 3 5 0 m m 2 轧机 上完成，道次压下量大于1 0 ％，总压缩比7 。选择了 8 3 0 。C 和8 8 0 。C 两个热加工复合板做进一步的退火 试验。 1 ．5 取样检测 按照国家标准取样、制样，浸蚀剂为T A 2 ， 4 m l H N 0 3 6 m l H C I 5 m l H F 1 0 0 m l H 2 0 。4 1 ；Q 2 3 5 ， 5 m l H N 0 1 1 0 0 m l C2 H 。O H 。 在金相显微镜下和扫描电镜下进行观察试样。 表1T A 2 和Q 2 3 S 化学成分／％ T a b l e1C h e m i c a le o m p o s i t o no fs a m p l eT A 2a n dQ 2 3 5 2 试验结果及讨论 2 ．1 热轧态试样剪切强度分析 图2 表明，4 个试验温度的热轧态试样都能满 足标准G B ／T 8 5 4 7 2 0 0 6 钛一钢复合板的要求。 随着加工温度的升高，复合板的剪切强度降低。图 2 中的点是多试样所得值的平均值，9 5 0 ℃和1 0 0 0 ℃ 两个加工温度所得复合板，结合强度测得值波动较 大，有相当一部分试样的结合强度不符合标准要求， 而且在机加工时就有些试样发生开裂。从图2 中给 出的相应的复合板的抗拉强度曲线可以看出，在 8 3 0 0 C 和8 8 0 0 C 两个温度加工的复合板如果不经处 理，其机械性能不能满足标准要求，须加以必要的退 火处理。 罡 罨 越 联 图2 不同加工温度热轧态复合板剪切强度 F i g ．2C o m b i n i n gs t r e n g t ho fc o m p o s i t e p l a t ea td i f f e r e n tr o l l i n gt e m p e r a t u r e 图3 表明，8 3 0 。C 热加工复合板的结合界面最整 齐，在结合界面上没有因试样制备而引起的脱落，而 其他几个试样上有结合面优先腐蚀或者结合界面上 脆性化合物脱落而形成缝隙，并且随着加工温度升 高，缝隙变大。这说明随着加工温度升高，结合界面 上形成的脆性化合物增多。结合界面上形成的脆性 化合物，在剪切时作为裂纹形成的源泉，促使复合板 在较低应力下发生断裂。由图3 可以看出，随着加 工温度的升高，复合板界面上的脆性化合物的量增 大，其尺寸亦增大。裂纹源尺寸增大，裂纹的临界扩 展应力降低，所以，随着加工温度升高复合板结合强 度降低。 图4 a 和图4 b 表明，在温度为8 3 0 ℃和 8 8 0 0 C 的情况下加工，复合板的各层组织均呈明显的 加工态。9 5 0 ℃和1 0 0 0 ℃加工结束后，在复合板的 各层组织均发生过明显的再结晶如图4 c 和图 4 d 。图4 c 显示，钛和钢组织均发生了再结晶， 在Q 2 3 5 和工业纯铁的结合部位，钢的晶粒比较粗 大。由此，可以推测在工业纯铁和钢之间存在着变 形不均匀性，使得在结合部位储存了较多的变形能， 在随后的再结晶过程中率先再结晶，导致晶粒粗大， 这种现象在图4 d 中更加明显，沿着结合界面晶粒 的尺寸更大，呈现出竹节状，一方面由于变形能较大 的原因，另一方面，钢中C 元素向工业纯铁扩散对 晶粒大小有影响。在图4 d 中的钛组织状态模糊， 但局部可以看出，有针状组织出现，这说明F e 向钛 层扩散严重，F e 是口稳定元素，使得钛的组织变成 了a 口混合组织。图4 中钛和工业纯铁界面上的 黑线和图3 中的白线相对应，是脆性F e ，T i 和F e T i 以及少量的T i C 。 万方数据 第4 期王敬忠等钛一钢复合板生产中的过渡层材料 4 l a 一8 3 0 ℃； b 一8 8 0 气； c 一9 5 0 ‘℃； d 一1 0 0 0 ℃ 图3 热轧态金相试样的电镜照片 F i g ．3 S E Mm i c r o g r a p h so fs a m p l e s r o l l e da td i f f e r e n tt e m p e r a t u r e 结合图3 可以看出，随着加工温度升高，工业纯 铁和钛之间的界面上生成的脆性金属间化合物增 多，使得复合板实际的贴合面积降低，并且增加了结 合界面上裂纹源的数量和尺寸，使结合强度降低。 a 一8 3 0 ℃； b 一8 8 0 ℃； c 一9 5 0 ℃； d 一i 0 0 0 E 图4 不同加工温度热轧态金相图 F i g ．4O p t i c a lm i c r o s t r u e t u r eo fr o l l e dc o m p o s i t e p l a t ea td i f f e r e n tr o l l i n gt e m p e r a t u r e 2 ．28 3 0 ℃和8 8 0 ℃热加工复合板退火试样剪切强 度对比 图5 表明，8 3 0 0 C 和8 8 0 ℃热加工复合板经 5 5 0 。C 退火，剪切强度和热轧态的剪切强度相比变化 不大。随着退火温度升高，8 3 0 ℃热加工的复合板， 5 5 0 ～6 5 0 。C 退火，随着退火温度的升高，复合板的剪 切强度略有升高，但7 0 0 ℃退火，复合板的剪切强度 显著降低。8 8 0 ℃热加工的复合板，在6 5 0 ℃略有升 高，总的趋势是随着退火温度的升高，剪切强度降 低。两个加工温度所得复合板退火后相比，在 5 5 0 ℃相差不大，其余几个温度下退火所得结合强度 约相差6 0 M P a 。在试验的过程中发现，8 8 0 。C 加工的 复合板退火试样，机加工时容易开裂，说明工艺制度 下加工的复合板性能是不稳定的。主要原因还是在 于结合界面上金属间化合物较多。通过1 h 的保温 退火，复合板的抗拉强度也能满足标准要求。 芒 罨 繁 6 0 06 5 07 I o 退火温度／t 图5 退火试样剪切强度对比 F i g ．5 C o n t r a s to fc o m b i n i n gs t r e n g t ho f s a m p l e sa n n e a l e da td i f f e r e n tt e m p e r a t u r e 2 ．3 以紫铜做过渡层的对比 图6 是同一复合板的同一个横断面的不同位置 上的金相。虽然，加工温度高于铜一钛的共晶反应 温度，但仍有铜残留在复合板的中间，钢和钛并没有 直接接触形成冶金结合，并且在横断面的不同位置， 残余铜的量差别较大，并且在轧制过程中钛的变形 速度大于钢的变形速度，而随着钛的快速变形铜有 堆积现象。由于液相在轧制时被挤出，在没有专用 设备的情况下，操作环境恶化，工人操作存在隐患。 8 5 0 ℃铜和钛共晶反应产物为脆性金属间化合物 T i c u ，和T i C u ，o ，使复合板的结合强度难以满足 标准要求。即使找到合适的加工工艺参数，共晶的 液相被完全挤出，那么在随后的退火处理时，还会有 T i C 和T i F e 等脆性化合物生成，也难以保证复合板 的结合强度。 万方数据 4 2有色金属 第6 l 卷 3结论 图6 铜作过渡材料复合板金相照片 F i g ．6O p t i c a lm i c r o s t r u e t u r eo fc o m p o s i t ep l a t eu s i n gc o p p e ra 8i n t e r l a y e r 在钛一钢复合板的生产中。以工业纯铁作过渡层 材料，随着加工温度的升高，结合强度降低，结合质 量的稳定性也降低。随着热加工温度的升高，结合 界面上形成的脆性化合物的数量增多，使裂纹源增 多。8 3 0 ℃温度下加工的复合板，结合质量比较稳 定，但其抗拉强度达不到标准要求，必须加以退火处 参考文献 理。在6 0 0 6 5 0 ℃之间进行退火可以得到比较理 想的结果。 用紫铜作为钛- 钢复合板的过渡层材料，不易使 液相被完全挤出，操作难度大、环境污染严重，加热 时间难以掌握，所得复合板的各层的厚度及各层的 厚度比例难以得到精确控制，总之，以铜作中间材料 难以满足生产过程和复合板结合质量的要求。 [ 1 ] 王敬忠，颜学柏，闫静亚，等．轧制钛一钢复合板工艺综述[ J ] ．材料导报[ 王1 ] ，2 0 0 5 ，1 9 4 6 l 一6 3 ． [ 2 ] B o t r o sKK e t a l ．C h a r a c t e ri so ft h ew a v yi n t e r f a c ea n dt h em e c h a n i s mo fi t sf o r m a t i o ni nh i g h v e l o c i t yi m p a c tw e l d i n g [ J ] ．JA p p l P h y s ，1 9 8 0 ，5 1 7 3 7 1 5 3 7 2 1 ． [ 3 ] 三本章夫．接合I 二液相利用L 允压延夕乡，yF 钢板裂造技衍力朗裴[ J ] ．手少7 ，2 0 0 0 ，4 8 2 1 3 0 1 3 5 ． [ 4 ] 鲍利索娃．钛合金金相学[ M ] ．陈实卿译．北京国防工业出版社，1 9 8 6 1 0 一1 1 ． [ 5 ] 稀有金属材料加工手册编写组．稀有金属材料加工手册[ M ] ．北京冶金工业出版社，1 9 8 4 1 3 ． I n s e r t e rM a t e r i a l si nP r o d u c t i o no fT i s t e e lC o m p o s i t eP l a t e W A N Gr i n g ．z h o n 9 1 ，Y A NX u e ．b a i 2 ，Y A NJ i n g ．y a 2 ，R O N GY a 0 2 ，Y A NP i n 9 2 ，U UY o n 9 2 1 ．X i ’a nU n i v e r s i t yo f A r c h i t e c t u r ea n dT e c h n o l o g y ，X i ’a n7 1 0 0 5 5 ，C h i n a ； 2 ．B a o j iN o n f e r r o u sM e t a l sW o r k s ，B a o j i7 2 1 0 1 4 ，S h a a n x i ，C h i n a A b s t r a c t T h ee f f e c to fc o m m e r c i a lp u r ei r o na si n s e r t e rm a t e r i a li nt h ep r o d u c t i o no fT i 。s t e e lc o m p o s i t ep l a t ea td i f f e r e n t p r o c e s s i n gt e m p e r a t u r e8 3 0 ，8 8 0 ，9 5 0 。Ca sw e l la s1 0 0 0 。C o nt h ec o m b i n i n gs t r e n g t ho ft h ec o m p o s i t ep l a t ei s i n v e s t i g a t e d ．T h er e s u l t so ft h ee x p e r i m e n ts h o wt h a tt h ec o m b i n i n gs t r e n g t ho ft h ec o m p o s i t ep l a t ei sd e c r e a s e dw i t h t h ei n c r e a s eo fp r o c e s s i n gt e m p e r a t u r e ，a n dt h es t a b i l i t yo fc o m b i n i n gs t r e n g t ho ft h ec o m p o s i t ep l a t ei sa l s o d e c r e a s e d ．T h ei n t e r f a c eo fc o m p o s i t ep l a t ew i l lc h a n g ei n t or o u g h n e s sw i t hi n c r e a s eo ft h ep r o c e s s i n gt e m p e r a t u r e ． O w i n gt ow o r kh a r d e n i n g ，i no r d e rt om e e tt h es t a n d a r d i ti sn e c e s s a r yt oa n n e a lt h er o l l e dc o m p o s i t ep l a t ea t s u i t a b l et e m p e r a t u r ew h e nt h et h i c k n e s so ft h ec o m p o s i t ep l a t ei st h i n ．R e l a t i v eh i g hc o m b i n i n gs t r e n g t hc o u l db e a t t a i n e da tt h ea n n e a l i n gt e m p e r a t u r eo f6 5 0 。Ch o l d i n gf o r1h ．S t u d y i n go nt h em e t a l l o g r a p ho f c o m p o s i t ep l a t e s a m p l e ，m i c r o c r a c k si nt h e i n t e r f a c et h a 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