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2007年全国塑性加工理论与新技术学术研讨会2007年5月沈阳81热轧304/440/304不锈钢复合板工艺研究李亮,刘靖,韩静涛(北京科技大学,北京)摘要：本文介绍了金属层状复合技术的发展现状，开发出一种用于制造日用刀具用的304/440/304不锈钢复合板的热轧生产工艺，通过对板坯组元、加热温度、力学性能的分析，取得了一些具有价值的工艺参数，对这种不锈钢复合板的工业化生产具有参考价值。关键词：不锈钢；复合板；轧制复合；刀具材料StudyontheProcessofHotRolling304/440/304StainlessSteelCompositePlatesLILiang，LIUJing，HANJingtao(UniversityofScienceandTechnologyBeijing)Abstract:Thisarticlepresentsthedevelopingstatusquoofthemetallayercompositetechnology.Oneoftheheated-rollingproducingtechnicswhichisusedtoproduce304/440/304stainlesssteelcompositeplatesthatcanbeusedtomakedaily-usedcutisexploited.Severalvaluabletechnicsparameterswhichcanprovidereferencevaluetotheindustrializationproducingofthisstainlesssteelcompositeplatesisacquiredthroughtheanalysisofbilletcomponent、heatingtemperatureandmechanicsproperty.Keywords:stainlesssteel；compositeplate；rollingcomposite；cuttingmaterial1前言我国国内刀具制造的原材料经历了锻打夹钢、普通碳素钢热铸复合、整体不锈钢三个发展阶段，但均存在使用性能上的缺陷和不足。如：锻打夹钢菜刀、热铸复合普通碳素钢菜刀，虽然刃口锋利，但仍生锈，不锈钢菜刀虽然刀面不易生锈，但难以磨快、不锋利，人们一直期望能生产一种集上述三种材料的优点于一体的刀具产品，但要想合成一种新的单一材料使之满足各种高要求的综合指标是非常困难的[1]。不锈钢复合板是不锈钢与其它钢种通过一定方式结合成一体而生产的具有不同材质的复合板，是一种同时具备不锈钢及与其复合材料各自优点的材料，它可以充分发挥两种材料的特性优势，是一种多功能材料。在国内外被广泛应用于石油、化工、海水淡化、制盐、食品行业、水利设施建设等行业，与同规格的纯不锈钢相比，不锈钢复合板可节约镍铬合金70～80%，降低生产成本30～50%。由于其具有这些优于单一材料的特性，所以它的应用范围在不断扩大，因此有必要对用于刀剪产品的复合钢材料的设计问题加以深入研究，掌握其规律，以便能更好地推广应用[3]。2金属复合板生产方法介绍目前金属复合板的制备方法有3大类,即固-固相复合法、液-固相复合法和液-液相复合法。2.1固-固相复合法2007年全国塑性加工理论与新技术学术研讨会2007年5月沈阳82固-固相复合法应用较为广泛,其中包括爆炸复合法、挤压复合法、爆炸焊接+热轧法、轧制复合法、扩散焊接法等。2.1.1爆炸复合该法是利用炸药的高速引爆和冲击作用,在十分短暂的过程中使被焊接金属表面形成一层薄的塑性变形区,并熔化和微扩散,从而实现两金属的焊接,是集压力焊、熔化焊和扩散焊三位一体的焊接方法[2]。爆炸复合的优点是复合界面上看不到明显的扩散层，不会生成脆性的金属间化合物，产品性能稳定。目前采用爆炸复合可以实现300多种金属的复合。2.1.2挤压复合法挤压复合法是先把界面清洁的组元金属组装成挤压坯，选定合适的挤压比和温度等参数挤压成型，使清洁金属表面在压力的作用下实现界面的冶金结合。挤压复合法主要用于生产双金属管，棒、线材。2.1.3轧制复合法轧制复合法可分为热轧复合法和冷轧复合法，是让两种表面洁净的金属相互接触，通过加热和塑性变形，使原子间高度扩散作用达到连续的冶金结合的复合方法[4]。其基本原理是：在轧机的强大压力条件下，有时伴以热作用，使组元层表面氧化皮破碎，并在整个金属截面内产生塑性变形，在破碎后露出的新鲜金属表面处形成组元层间的原子键合和榫扣结合。复合轧制与单金属轧制的根本区别在于其首道次变形量必须很大，这样才能促进组元层间物理结合[5][6]。2.2液-固相复合法液-固相复合法包括浇铸复合法、反向凝固法、喷镀复合法、铸轧法等。2.2.1浇铸复合法用该法制备不锈钢复合板时，将两块不锈钢板叠合，中间涂上剥离剂，四周焊合后放在铸模中，为防止浇铸时不锈钢板氧化，形成表面夹杂，不锈钢外表面涂上防氧化剂。将碳素钢液注人铸模内，在铸模内完成不锈钢和碳素钢的复合。因此，在开坯轧制时，界面结合就已经完成。将复合的钢板进行轧制，并将焊合的边部切掉，可得到两块单面不锈钢复合板。2.2.2逆向凝固复合法逆向凝固制备复合带的基本原理是将一定厚度的冷轧带或热轧带作为母带，将低温母带以一定速度由上而下穿过凝固器中一定高度的钢液，母带使附近的钢水降温，钢液在低温母带的两个表面凝固生长，形成新生相凝固层（简称新相层），形成数倍于母带厚度的铸态薄带。因为凝固面是自内向外推进的，与传统的凝固方向相反，故称为逆向凝固。2.3液-液相复合法目前液-液相复合法主要是电磁连铸生产复合板法。电磁连铸生产复合板方法尚处于研究阶段。其他的轧制方法还包括喷射沉积法、钎焊热轧法、烧结合成轧制法等，这里不一一介绍了。3复合工艺及参数确定由于热轧复合法相对于其他复合工艺，具有热变形，轧制力较小，对轧机的要求不高；工艺简单，成本低，界面结合牢固等特点，因而拟采用热轧复合法试制刀具用304/440/304不锈钢复合板。工艺路线：表面处理→组坯焊接→加热→复合轧制→热处理→性能检测。3.1实验材料及表面处理表面处理是将基复板修磨平整干净。主要目的是为复合提供一个平整、洁净的复合面，利于在热轧过程中两种金属原子间的相互扩散，实现冶金结合[7]。2007年全国塑性加工理论与新技术学术研讨会2007年5月沈阳83本试验中，中加夹层材料采用的是440A(7Cr17)不锈钢板，两边的材料是304（0Cr18Ni9）不锈钢板，两种材料的各项性能见表2.1，表2.2。表2.1基、复板化学成分（质量分数）（%）元素材料CSiMnCrNiSP304≤0.08≤1.0≤2.017.0-19.08.0-11.0≤0.03≤0.035440A0.6-0.75≤1.0≤1.016.0-18.0—≤0.03≤0.040表2.2基、复板的物理性能物理性能材料屈服强度(σs)≥MPa抗拉强度(σb)≥MPa延伸率（δ5）≥%硬态≤HRC软态≤HRB304289.6579.255-80440A1654.4600556-（304是在退火状态下测得的室温性能，440A是在1038℃下淬火状态下测得的性能）3.2组坯焊接由于在巨大的压力下，复、基板很容易发生错动，会降低复合强度，并且为了防止加热和轧制过程中发生氧化，所以要将他们焊接起来。在焊接周边时要在轧制方向的一端（尾部）预留排气孔，以便在轧制复合进行时残存在复合板夹层中间的空气排出，焊接周边后的待复合钢板，其中基板厚度为20mm，夹芯板厚度为3.5mm，如图2.1所示。图2.1板坯组装图3.3加热温度304钢板高温下的变形抗力大，若加热不良，就不能保证轧制塑。304钢板坯的加热温度一般在1260℃左右，控制范围较窄；440是马氏体不锈钢，在一定温度范围内，处于奥氏体状态，因此加工没有什么特殊困难。但是如果钢转变为两相状态，其可轧性会下降。因而加热温度不能超过钢开始转变为两相组织的温度。最终选定加热温度为1260℃。3.4轧制工艺加热到1260°C，开轧温度为1180°C，道次变形量：45mm→12mm，四道次平均分配，轧后板坯厚度为12mm，经过空冷后再加热到1250°C，经两火轧至2.5mm。轧后炉内冷却。工艺参数如表2.3所示。304焊缝4403042007年全国塑性加工理论与新技术学术研讨会2007年5月沈阳84表2.3热轧试验工艺参数mm试验方案第一次轧制第二次轧制压缩比3.754.8145→36.7512→4236.75→28.54→2.5328.5→20.25道次420.25→124结果与分析4.1板坯的厚度与配置根据产品性能和技术要求及加工工艺，所选择基板和复板的材质以及复合钢各层比例和厚度比较合理，轧制生产出的复合板能够满足用户要求。但如何生产既能满足产品的性能要求，又能满足加工条件的需要，并且没有造成浪费资源的复合板，以及制定合理的加热温度、时间、轧制量等，都还需要进一步研究。4.2组织性能复合板材的质量最主要取决于界面的结合情况，因而深入研究界面的组织、结构与性能变化对揭示复合机理是极有意义的。复合板的金相组织电镜照片如图3.1所示，由图(a)-(d)可以看出结合界面均为细线状，且组织均匀，结合良好。(a)(b)(c)(d)图3.1金相组织电镜照片4.3力学性能对不锈钢板做力学性能测试。扭转试验结果证明，复合层结合良好，没有分层现象出现，平整度以及结合强度都非常好，能满足用户的技术要求。如图3.2，3.3所示2007年全国塑性加工理论与新技术学术研讨会2007年5月沈阳85图3.2弯曲式样图3.3扭转式样4.4存在的问题将实验轧制出的304/440/304不锈钢复合板送到刀具生产厂家进行刀具生产，在刀具生产中出现了锈蚀及硬度不均匀等问题，如图3.4：图3.4成品刀具锈蚀刀具在生产过程中，只有刀刃部分采用了304/440/304不锈钢复合材料，刀身采用的是304不锈钢，产生锈蚀现象的原因有可能是在刀身与刀刃焊接连接过程中产生了晶间腐蚀，造成了复合板的锈蚀。也有可能是复合板在生产过程中，由于轧制温度难于控制以及热处理不当造成不锈钢的腐蚀。对于硬度等问题，也可能与热处理等因素有关系。在今后的试验过程中我们将采用固溶处理的方来进行处理，以求不断地完善不锈钢复合板的生产技术工艺。5结论(1)由于爆炸复合成本高，环境污染问题严重，并且实验环境受到限制，故本实验采用轧制复合的方法来制备复合钢板。(2)制定出一套比较可行的热轧生产304/440/304不锈钢复合板的技术路线。(3)生产中还存在一些问题，有待于在以后的研究中解决。参考文献[1]常万祯.2004年全国刀剪行业信息中心工作总结及2005年工作重点.五金科技,2005,8.[2]RRChang.Optimaldesignoflaminatedcompositetorquewrench.ComputersandStructures,2001(79)703-713.[3]孙浩,王克鲁.不锈钢复合板生产方法和制备技术的探讨.上海金属,2005,27(1).[4]周俊杰,庞玉华,苏晓莉.金属层状复合技术的研究现状和发展.材料导报,2005,(19)11.[5]李河宗,李玉刚,于九明,黄素霞.不锈钢和铝固相轧制复合的结合机理.北理工学院学报,2002,(24)2.[6]邓华，姚若浩，杨建武.铜—铝轧制复合工艺研究.江西冶金,1997,17(1).[7]陈天玉.不锈钢表面处理技术.化学工业出版社,2004.