D01:10.13374.isml00103x.2009.2.014 第31卷第2期 北京科技大学学报 Vol.31 No.2 2009年2月 Journal of University of Science and Technology Beijing Fb.2009 25C5MoA钢/微合金钢/Q235钢的复合轧制 佟建国1,2)陈 蓉引包卫平)严 凯任学平) 1)北京科技大学材料科学与工程学院.，北京1000832)北京科技大学期刊中心，北京100083 3)中国兵工物资总公司，北京1000894)中治京诚工程技术有限公司，北京100176 摘要将25C5MoA钢/微合金钢/Q235钢板复合板坯加热到轧制温度950一1100℃，经保温后轧制1道次，压下量为 50%~65%,制成25C5MoA钢微合金钢/Q235钢热轧复合板试样.利用剪切实验方法测定了复合板材的界面结合强度，通 过光学显微镜观察结合界面的组织.结果表明：当轧制温度为1000~1100℃时，25C5MoA钢/微合金钢/Q235钢能有效复 合：压下量对25C5MoA钢/Q235钢复合板界面结合强度有一定的影响，当压下量达到一定程度后，随着压下量的增加，复合 板的结合强度逐渐降低：轧制温度对25C5MoA钢/微合金钢Q235钢复合板界面结合强度影响很大，在道次压下量一定的情 况下，随着轧制温度的升高，复合板的结合强度逐渐升高.在1100℃的轧制温度和50%压下量的轧制条件下结合强度达到最 大值。 关键词复合板：复合轧制：结合强度：结合界面；轧制温度：道次压下量 分类号TG335.81 Composite rolling of three-layer iron-based metals of 25Cr5MoA steel/micro-al- loyed steel/Q235 steel TONGJian-guo2.CHEN Rong.BAO We-ping.Y AN Kai.REN Xueping 1)School of Materials Science and Engineering.University of Science and Technology Beijing.Beijing 100083,China 2)Jourmals Pubishing Centre,University of Science and Techmology Beiing,Beijing 100083.China 3)China Ondins Corporation.Beijing 100089.China 4)MCC Capital Engineering Research Incorporation Limited,Beijing 100176,China ABSTRACT Clad plates of 25Cr5MoA steel/microralloy ed steel Q235 steel were prepared with composite slabs heated to the rolling temperature betw een 950C and 1100C.held at each temperature for some time,and then rolled one pass under the reduction be- tw een 50%and 65%.The interfacial bonding strength was measured by shearing testing and the interfacial metallographic mi- crostructures were observed by optical microscope.The results show that the rolling temperature between 950Cand 1100 C is favor- able to the bonding of the steels.Pass reduction has effect on the bonding strength,and after the pass reduction reaches some value the bonding strength degrades with increasing pass reduction.Rolling temperature is crucial to the bonding strength,and as the tem- perature rising,the bonding strength increases gradually under the same reduction.The bonding strength reaches the maximum value at a rolling temperature of 1100C and a pass reduction of 50%. KEY WORDS clad plates;composite rolling:bonding strength;bonding interface;rolling temperature;pass reduction 随着现代工业技术的发展和新兴产业的出现， 中一个重要的发展方向.层状金属复合板是由 人们对材料性能的要求日益苛刻，在很多情况下单 两层及两层以上性能各异的金属板经过特殊的加工 一的材料已经无法满足特殊性能的需要，于是研制 方法复合而成：与单一组元相比，经过设计后的层状 各种新型复合材料已经成为了材料科学与工程领域 复合板结合了多种金属组元各自的优点，可以获得 收稿日期：200809-14 基金项目：国家自然科学基金资助项目(N。.50675020) 作者简介：佟建国(1969一），男，编审，博士研究生；任学平(1957一)，男，教授，博士生导师.E-mail:rxp33@mater ustb.血.m
25Cr5MoA 钢/微合金钢/Q235 钢的复合轧制 佟建国1, 2) 陈 蓉3) 包卫平1) 严 凯4) 任学平1) 1) 北京科技大学材料科学与工程学院, 北京 100083 2) 北京科技大学期刊中心, 北京 100083 3) 中国兵工物资总公司, 北京 100089 4) 中冶京诚工程技术有限公司, 北京 100176 摘 要 将 25Cr5MoA 钢/微合金钢/ Q235 钢板复合板坯加热到轧制温度 950 ～ 1 100 ℃, 经保温后轧制 1 道次, 压下量为 50 %～ 65%, 制成 25Cr5MoA 钢/ 微合金钢/ Q235 钢热轧复合板试样.利用剪切实验方法测定了复合板材的界面结合强度, 通 过光学显微镜观察结合界面的组织.结果表明:当轧制温度为 1 000～ 1 100 ℃时, 25Cr5MoA 钢/微合金钢/ Q235 钢能有效复 合;压下量对 25Cr5MoA 钢/Q235 钢复合板界面结合强度有一定的影响, 当压下量达到一定程度后, 随着压下量的增加, 复合 板的结合强度逐渐降低;轧制温度对 25Cr5MoA 钢/微合金钢/ Q235 钢复合板界面结合强度影响很大, 在道次压下量一定的情 况下, 随着轧制温度的升高, 复合板的结合强度逐渐升高.在 1 100 ℃的轧制温度和 50%压下量的轧制条件下结合强度达到最 大值. 关键词 复合板;复合轧制;结合强度;结合界面;轧制温度;道次压下量 分类号 TG335.81 Composite rolling of three-layer iron-based metals of 25Cr5MoA steel/micro-alloyed steel/Q235 steel TONG Jian-guo 1, 2) , CHEN Rong 3) , B AO Wei-ping 1) , Y AN Kai 4) , REN X ue-ping 1) 1) School of Mat erials Science and Engineering, University of S cience and Technology Beijing, Beijing 100083, China 2) Journals Publishing Centre, Uni versit y of Science and Tech nology Beijing, Beijing 100083, C hina 3) China Ordins Corporation, Beijing 100089, China 4) MCC C apital Engineering &Research Incorporation Limited, Beijing 100176, China ABSTRACT Clad plates of 25Cr5MoA steel/micro-alloy ed steel/ Q235 steel were prepared with composite slabs heated to the rolling temperature betw een 950 ℃ and 1 100 ℃, held at each temperature for some time, and then rolled one pass under the reductio n betw een 50 % and 65 %.The interfacial bonding streng th w as measured by shearing testing and the interfacial metallographic microstructures were observed by o ptical microscope.The resultsshow that the rolling temperature between 950 ℃and 1100 ℃is favorable to the bonding of the steels.Pass reductio n has effect on the bonding strength, and after the pass reduction reaches some value the bonding streng th deg rades with increasing pass reduction .Rolling temperature is crucial to the bonding streng th, and as the tempera ture rising , the bonding streng th increases g radually under the same reduction.The bonding streng th reaches the maximum value a t a rolling temperature of 1100 ℃ and a pass reduction of 50%. KEY WORDS clad plates ;composite rolling ;bo nding streng th ;bonding interface;rolling tempera ture;pass reduction 收稿日期:2008-09-14 基金项目:国家自然科学基金资助项目( No .50675020) 作者简介:佟建国( 1969—) , 男, 编审, 博士研究生;任学平( 1957—) ,男, 教授, 博士生导师, E-mail:rxp33@mater.ustb.edu.cn 随着现代工业技术的发展和新兴产业的出现, 人们对材料性能的要求日益苛刻, 在很多情况下单 一的材料已经无法满足特殊性能的需要, 于是研制 各种新型复合材料已经成为了材料科学与工程领域 中一个重要的发展方向 [ 1-4] .层状金属复合板是由 两层及两层以上性能各异的金属板经过特殊的加工 方法复合而成;与单一组元相比, 经过设计后的层状 复合板结合了多种金属组元各自的优点, 可以获得 第 31 卷 第 2 期 2009 年 2 月 北 京 科 技 大 学 学 报 Journal of University of Science and Technology Beijing Vol .31 No.2 Feb.2009 DOI :10.13374/j .issn1001 -053x.2009.02.014
第2期 佟建国等：25C5M0A钢/微合金钢/Q235钢的复合轧制 187。 单一金属所不具有的物理和化学性能) 25Cr5MoA钢/微合金钢Q235钢金属复合板. 25Cr5MoA钢不仅具有较高的强度和韧性，而 且还具有良好的氮化性能：但是，由于材料价格较 1实验材料和方法 高，使其应用受到一定的限制.本文对25C5MoA 1.1实验材料 钢微合金钢/Q235钢轧制复合板进行了实验研究， 实验材料为工业用Q235钢、微合金钢和自行 其目的是充分利用25C5MoA钢的高强度、高韧性 研制的25Cr5MoA氮化钢.各实验用钢的化学成分 和良好的氨化性能，Q235钢的低成本特点以及用微 见表1. 合金作为过渡层，开发出满足不同领域需求的 表1实验材料的化学成分（质量分数） Table I Chemical composition of experimental materials % 材料 C Mn Si C Cu Nb Mo Q235钢 016 061 020 00230 0.019 0.30 <0300 030 微合金钢 0.07 1.15 019 00014 0.090 0.41 0.260 035 0049 25Cr5MaA钢 0.24 033 00015 0.010 463 0055 039 1.2 实验方法 2实验结果与分析 (1)将三种实验材料制成60mm×50mm× 10mm的板材试样，对板材试样的表面进行酸洗、脱 2.1界面的结合强度 脂和打磨等处理后叠合，并用手工电弧焊将 对于复合板材，界面的结合强度是其最重要的 25Cr5MoA钢、微合金钢和Q235钢板材的四周焊合 性能，其大小将决定复合板材的主要性能.本文采 在一起，制成25C5MoA钢微合金钢/Q235钢复合 用剪切实验方法测定了25Cr5MoA钢/微合金钢/ 坯 Q235钢界面的结合强度，实验结果如图2和图3所 (2)将25Cr5MoA钢/微合金钢/Q235钢复合坯 示. 分别加热到950,1000,1050和1100℃，经保温后 320 轧制，在每个温度条件下，对复合坯试样各轧制1道 -一50%压下量 -55%压下量 次，压下量分别为50%，55%，60%和65%. 300 -4-60%压下量 -65%压下量 (3)复合板材结合性能的评价方法通常采用剪 切实验、剥离实验以及弯曲实验法$9；剪切实验试 样加工容易，操作简单，是目前应用最普遍的一种方 法.将轧制复合板加工成如图1所示的剪切试样， 240 使用CMT4105微电子万能试验机测量25C5MoA 220 钢微合金钢/Q235钢轧制复合板试样结合界面的 940 1000 1060 剪切强度以评价界面结合强度 1120 加热温度/℃ 25Cr5MoA 微合金钢 图2热轧复合板结合界面的剪切强度与轧制温度的关系 Fig.2 Relation of interfacial shear strength to rolling temperature of Q235 clad plate specimens 图125Cr5MoA钢/微合金钢0235钢轧制复合板剪切强度测 图2为轧制温度对25Cr5MoA钢/微合金钢/ 试用试样 Q235钢热轧复合板结合界面剪切强度的影响.可 Fig.I 25Cr5M oA steel micm-alloyed steeVQ235 clad sample for 以看出：在本实验温度范围内，在相同的道次压下量 shear strength measurement 下，25Cr5MoA钢/微合金钢/Q235钢结合面剪切强 (4)对剪切后的试样进行磨样、抛光和侵蚀，使 度表现出随着轧制温度的升高而增大的趋势，结合 用NEOPHOT21大型光学显微镜观察复合板的结 界面剪切强度值接近或高于Q235基体的强度. 合界面的微观组织，并用显微硬度仪测定其硬度. 当轧制温度为950℃时，压下量的变化对剪切强度的
单一金属所不具有的物理和化学性能 [ 5-7] . 25Cr5MoA 钢不仅具有较高的强度和韧性, 而 且还具有良好的氮化性能 ;但是, 由于材料价格较 高, 使其应用受到一定的限制 .本文对 25Cr5MoA 钢/微合金钢/Q235 钢轧制复合板进行了实验研究, 其目的是充分利用 25C r5M oA 钢的高强度、高韧性 和良好的氮化性能, Q235 钢的低成本特点以及用微 合金作为过渡层, 开发出满足不同领域需求的 25Cr5M oA 钢/微合金钢/Q235 钢金属复合板. 1 实验材料和方法 1.1 实验材料 实验材料为工业用 Q235 钢、微合金钢和自行 研制的 25Cr5MoA 氮化钢 .各实验用钢的化学成分 见表 1 . 表 1 实验材料的化学成分( 质量分数) Table 1 Chemical composition of experimental mat erials % 材料 C Mn Si S P Cr Ni Cu Nb Mo Q235 钢 0.16 0.61 0.20 0.023 0 0.019 <0.30 <0.300 <0.30 — — 微合金钢 0.07 1.15 0.19 0.001 4 0.090 0.41 0.260 0.35 0.049 — 25Cr5MoA 钢 0.24 — 0.33 0.001 5 0.010 4.63 0.055 — — 0.39 1.2 实验方法 ( 1 ) 将三种实 验材料制成 60 mm ×50 mm × 10 mm的板材试样, 对板材试样的表面进行酸洗、脱 脂和打 磨等 处 理后 叠合, 并 用手 工 电弧 焊 将 25Cr5MoA 钢、微合金钢和 Q235 钢板材的四周焊合 在一起, 制成25Cr5M oA 钢/微合金钢/Q235 钢复合 坯. ( 2) 将 25Cr5MoA 钢/微合金钢/Q235 钢复合坯 分别加热到 950, 1 000, 1 050 和 1 100 ℃, 经保温后 轧制, 在每个温度条件下, 对复合坯试样各轧制 1 道 次, 压下量分别为 50 %, 55 %, 60 %和 65 %. ( 3) 复合板材结合性能的评价方法通常采用剪 切实验 、剥离实验以及弯曲实验法[ 8-9] ;剪切实验试 样加工容易, 操作简单, 是目前应用最普遍的一种方 法.将轧制复合板加工成如图 1 所示的剪切试样, 使用 CM T4105 微电子万能试验机测量 25Cr5MoA 钢/微合金钢/Q235 钢轧制复合板试样结合界面的 剪切强度以评价界面结合强度 . 图 1 25Cr5MoA 钢/ 微合金钢/ Q235 钢轧制复合板剪切强度测 试用试样 Fig.1 25Cr5M oA st eel/ micro-alloyed steel/ Q235 clad sample for shear strength measurement ( 4) 对剪切后的试样进行磨样、抛光和侵蚀, 使 用NEOPHOT21 大型光学显微镜观察复合板的结 合界面的微观组织, 并用显微硬度仪测定其硬度. 2 实验结果与分析 2.1 界面的结合强度 对于复合板材, 界面的结合强度是其最重要的 性能, 其大小将决定复合板材的主要性能 .本文采 用剪切实验方法测定了 25Cr5MoA 钢/微合金钢/ Q235 钢界面的结合强度, 实验结果如图 2 和图 3 所 示 . 图 2 热轧复合板结合界面的剪切强度与轧制温度的关系 Fig.2 Relation of int erf acial shear strength to rolling t emperature of clad plat e specimens 图 2 为轧制温度对 25Cr5MoA 钢/微合金钢/ Q235 钢热轧复合板结合界面剪切强度的影响 .可 以看出 :在本实验温度范围内, 在相同的道次压下量 下, 25Cr5MoA 钢/微合金钢/Q235 钢结合面剪切强 度表现出随着轧制温度的升高而增大的趋势, 结合 界面剪切强度值接近或高于 Q235 基体的强度. 当轧制温度为950 ℃时, 压下量的变化对剪切强度的 第 2 期 佟建国等:25Cr5MoA 钢/ 微合金钢/Q235 钢的复合轧制 · 187 ·
188 北京科技大学学报 第31卷 320 热轧复合时，轧制温度主要从以下两个方面影响轧 -。-950℃ 制复合过程：一是温度对裂口作用机制的影响.因 ·1000℃ 300 4-1050℃ 为温度升高，金属的屈服极限及变形抗力降低，新鲜 1100℃ 是280 金属更易于从覆盖层的裂缝中挤出而实现相互结 合.二是温度引发了再结晶机制.因为较高的温度 增加了原子的能量，界面原子的运动更活跃，有利于 界面上新晶核的生长和再结晶的进行，从而使界面 240 两侧本来不一致的结晶取向得以重新排列，形成共 晶面而结合在一起.上述两方面作用是提高轧制温 220L 50 55 60 65 压下量% 度导致最大压下量减小、结合强度增加的主要原因. 25Cr5MoA钢、微合金钢和Q235钢这三种材料 图3复合板结合界面的剪切强度与压下量的关系 在性能上差异较大.在轧制变形过程中，金属的屈 Fig.3 Relation of interfacial shear strength to pass reduction of clad 服强度上的差异导致各层金属的塑性流动速度上的 phate specimens 差异，这种不均匀的塑性变形在各层金属间的结合 影响不明显，剪切强度值较小，说明在950℃轧制不 界面上形成了残余应力，残余应力随着复合轧制变 利于25Cr5MoA钢/微合金钢/Q235钢的复合.轧 形量的增加而增加1，对界面结合强度造成不良影 制温度为1000~1100℃时，界面的剪切强度均高 响.这可以解释25C5MoA钢/微合金钢/Q235钢 于Q235基体的强度；在不同的压下量条件下，轧制 热轧复合板的界面结合强度随着压下量增加而降低 温度为1100℃时，界面的剪切强度值均达到最大 的原因. 值，其中压下量为50%时剪切强度达到313MPa. 2.2界面的微观组织 图3为剪切强度与首道次压下量关系曲线.由 对于复合板，界面的显微组织也是衡量结合性 图3中可以看出：在相同的轧制温度条件下，随着压 能好坏的一个重要的标准，界面是否干净，界面周 下量的增大，复合板的结合界面剪切强度总体呈逐 围的组织形态等都是观察的重点， 渐减小的趋势.此结果说明：在本实验中50%的压 图4和图5显示了在压下量为50%时.轧制温 下量是25Cr5MoA钢/微合金钢/Q235钢热轧复合 度对界面结构的影响：图6和图7显示了轧制温度 的最大变形量；相同的轧制温度下，当道次压下量大 为1100Q时，道次压下量对界面结构的影响. 于50%时，随着压下量的增大复合板的界面结合强 由图4和图5可以看出：结合界面上的微合金 度减小 钢侧和Q235钢侧主要由铁素体等轴晶和少量的碳 上述分析表明，轧制温度和压下量是影响 化物组成，25C5MoA钢侧的组织不明显，结合界面 25Cr5MoA钢/微合金钢/Q235钢复合的重要因素， 呈细条状，随着轧制温度的升高，结合界面上由金属 提高轧制温度可以降低道次压下量，使界面得到较 间化合物形成的带状组织逐渐减少并且变得不连 好的结合，从而在工艺上有效降低轧制负荷.在本 续.由图4a)和图5(a)发现结合界面两侧的组织 实验中，在轧制温度1100℃和压下量50%的工艺 与界面尚未形成明显的界面组织过渡区，说明在 条件下界面的结合强度最高 950℃轧制时，由于温度过低，复合金属界面上的塑 轧制复合时金属界面结合作用机制主要是裂口 性变形、两侧元素的扩散以及界面上的再结晶进行 作用机制10.该机制认为，复合金属表面在表面 得不充分，未能形成良好的结合界面组织.随着温 处理过程中会形成一层加工硬化层，轧制复合时在 度的升高，合金元素在界面上的扩散增加（元素在结 整个金属截面内产生塑性变形，比基体金属塑性差 合界面上的扩散情况如图6所示)，促进了界面上新 的界面硬化层将破裂，并导致底层新鲜金属暴露，界 晶核的生长和再结晶的进行，界面结合得更充分， 面两侧的新鲜金属在正压力作用下通过硬化层的裂 1100℃时，界面上由金属间化合物形成的连续的带 缝挤出并互相接触使复合金属表面间距在轧制复合 状组织变薄或者变得不连续甚至消失，界面两侧的 时达到原子间距尺寸，产生足够的结合力克服金属 组织在再结晶的作用下形成共晶面和间隙固溶体结 间的界面势能，从而形成牢固的治金结合 合在一起刀，在界面上可观察到再结晶组织的存 在本实验中，25C5MoA钢/微合金钢Q235钢 在，这使得界面结合强度大大提高
图 3 复合板结合界面的剪切强度与压下量的关系 Fig.3 Relation of interfaci al shear strength to pass reduction of clad plate specimens 影响不明显, 剪切强度值较小, 说明在 950 ℃轧制不 利于 25Cr5MoA 钢/微合金钢/Q235 钢的复合.轧 制温度为 1 000 ～ 1 100 ℃时, 界面的剪切强度均高 于 Q235 基体的强度;在不同的压下量条件下, 轧制 温度为 1 100 ℃时, 界面的剪切强度值均达到最大 值, 其中压下量为 50 %时剪切强度达到 313 M Pa. 图 3 为剪切强度与首道次压下量关系曲线 .由 图 3 中可以看出 :在相同的轧制温度条件下, 随着压 下量的增大, 复合板的结合界面剪切强度总体呈逐 渐减小的趋势.此结果说明 :在本实验中 50 %的压 下量是 25Cr5MoA 钢/微合金钢/Q235 钢热轧复合 的最大变形量;相同的轧制温度下, 当道次压下量大 于 50 %时, 随着压下量的增大复合板的界面结合强 度减小. 上述分析表明, 轧 制温度和 压下量是影 响 25Cr5MoA 钢/微合金钢/Q235 钢复合的重要因素, 提高轧制温度可以降低道次压下量, 使界面得到较 好的结合, 从而在工艺上有效降低轧制负荷.在本 实验中, 在轧制温度 1 100 ℃和压下量 50 %的工艺 条件下界面的结合强度最高. 轧制复合时金属界面结合作用机制主要是裂口 作用机制 [ 10-11] .该机制认为, 复合金属表面在表面 处理过程中会形成一层加工硬化层, 轧制复合时在 整个金属截面内产生塑性变形, 比基体金属塑性差 的界面硬化层将破裂, 并导致底层新鲜金属暴露, 界 面两侧的新鲜金属在正压力作用下通过硬化层的裂 缝挤出并互相接触使复合金属表面间距在轧制复合 时达到原子间距尺寸, 产生足够的结合力克服金属 间的界面势能, 从而形成牢固的冶金结合. 在本实验中, 25C r5M oA 钢/微合金钢/Q235 钢 热轧复合时, 轧制温度主要从以下两个方面影响轧 制复合过程:一是温度对裂口作用机制的影响 .因 为温度升高, 金属的屈服极限及变形抗力降低, 新鲜 金属更易于从覆盖层的裂缝中挤出而实现相互结 合 .二是温度引发了再结晶机制.因为较高的温度 增加了原子的能量, 界面原子的运动更活跃, 有利于 界面上新晶核的生长和再结晶的进行, 从而使界面 两侧本来不一致的结晶取向得以重新排列, 形成共 晶面而结合在一起 .上述两方面作用是提高轧制温 度导致最大压下量减小 、结合强度增加的主要原因. 25Cr5MoA 钢 、微合金钢和Q235 钢这三种材料 在性能上差异较大 .在轧制变形过程中, 金属的屈 服强度上的差异导致各层金属的塑性流动速度上的 差异, 这种不均匀的塑性变形在各层金属间的结合 界面上形成了残余应力, 残余应力随着复合轧制变 形量的增加而增加[ 12] , 对界面结合强度造成不良影 响 .这可以解释 25Cr5MoA 钢/微合金钢/Q235 钢 热轧复合板的界面结合强度随着压下量增加而降低 的原因 . 2.2 界面的微观组织 对于复合板, 界面的显微组织也是衡量结合性 能好坏的一个重要的标准 .界面是否干净, 界面周 围的组织形态等都是观察的重点 . 图 4 和图 5 显示了在压下量为 50 %时, 轧制温 度对界面结构的影响 ;图 6 和图 7 显示了轧制温度 为 1 100 ℃时, 道次压下量对界面结构的影响. 由图 4 和图 5 可以看出:结合界面上的微合金 钢侧和 Q235 钢侧主要由铁素体等轴晶和少量的碳 化物组成, 25Cr5M oA 钢侧的组织不明显, 结合界面 呈细条状, 随着轧制温度的升高, 结合界面上由金属 间化合物形成的带状组织逐渐减少并且变得不连 续 .由图 4( a) 和图 5( a) 发现结合界面两侧的组织 与界面尚未形成明显的界面组织过渡区, 说明在 950 ℃轧制时, 由于温度过低, 复合金属界面上的塑 性变形、两侧元素的扩散以及界面上的再结晶进行 得不充分, 未能形成良好的结合界面组织 .随着温 度的升高, 合金元素在界面上的扩散增加( 元素在结 合界面上的扩散情况如图 6 所示) , 促进了界面上新 晶核的生长和再结晶的进行, 界面结合得更充分. 1 100 ℃时, 界面上由金属间化合物形成的连续的带 状组织变薄或者变得不连续甚至消失, 界面两侧的 组织在再结晶的作用下形成共晶面和间隙固溶体结 合在一起[ 7] , 在界面上可观察到再结晶组织的存 在, 这使得界面结合强度大大提高. · 188 · 北 京 科 技 大 学 学 报 第 31 卷
第2期 佟建国等：25C5M0A钢/微合金钢/Q235钢的复合轧制 189。 (a) 微合金钢 (b) 微合金钢 25Cr5MoA 10 um 25Cr5MoA 10m (c) 做合金钢 (d) 微合金钢 25Cr5MoA 10m 25Cr5MoA 10 Hm 图4压下量为50%时25C5MoA钢/微合金钢界面结构.(a)950C:(b)1000C:(c1050℃：(d)1100℃ Fig 4 Stnctures of the 25Cr5M oA steel/micm-alloyed steel interface under a reduction of 50%:a)950 C:b)1 000 C:(c)1 050 C: (d)1100℃ 0235 Q235 微合金钢美 10m 微合金钢 (c) 0235 (d Q235 微合金钢 10 um 微合金钢 10 Hm 图5压下量为50%时微合金钢/Q235钢界面结构.(a950℃：(b)1000℃：(g1050℃，(d山1100℃ Fig5 Structures of the micralloyed ste/Q235 steelinterface under a reduction of50%:(a)950℃，(b)1000℃，(g1050℃，(d1100℃ 在结合界面上可以观察到带状组织特别是微合 着压下量增大结合界面变得不平直，结合界面处的 金钢/Q235钢结合界面上的黑色带状组织随着压下 硬度随压下量的增加而增大（如图9所示，使结合 量的增大有加宽的趋势（如图7和图8所示），这种 强度降低.25Cr5MoA钢和微合金钢的高温变形抗 带状组织由硬而脆的金属间化合物组成)，并且随 力差别不大，但高于Q235钢的高温变形抗力，即在
图 4 压下量为 50%时 25Cr5MoA 钢/ 微合金钢界面结构.( a) 950 ℃;( b) 1 000 ℃;( c) 1 050 ℃;( d) 1 100 ℃ Fig.4 S tructures of the 25Cr5M oA st eel/ micro-alloyed steel int erface under a reduction of 50%:( a) 950 ℃;( b) 1 000 ℃;( c) 1 050 ℃; ( d) 1 100 ℃ 图5 压下量为 50%时微合金钢/ Q235钢界面结构.( a) 950 ℃;( b) 1 000 ℃;( c) 1 050 ℃;( d) 1 100 ℃ Fig.5 S tructures of the micro-alloyed st eel/ Q235 st eelinterf ace under a reduction of 50%:( a) 950 ℃;( b) 1 000 ℃;( c) 1 050 ℃;( d) 1 100 ℃ 在结合界面上可以观察到带状组织特别是微合 金钢/Q235 钢结合界面上的黑色带状组织随着压下 量的增大有加宽的趋势( 如图 7 和图 8 所示) , 这种 带状组织由硬而脆的金属间化合物组成[ 13] , 并且随 着压下量增大结合界面变得不平直, 结合界面处的 硬度随压下量的增加而增大( 如图 9 所示) , 使结合 强度降低 .25Cr5MoA 钢和微合金钢的高温变形抗 力差别不大, 但高于 Q235 钢的高温变形抗力, 即在 第 2 期 佟建国等:25Cr5MoA 钢/ 微合金钢/Q235 钢的复合轧制 · 189 ·
。190 北京科技大学学报 第31卷 微合金钢 23 合金钢 Fe(K.):6260-6544eV FeKa:6260-6544eV rywllivww 150 80 bwu-ubhryw 50 10 30 50 70 90 110 10 30 50 70 90110 CrK5271-5557eV 4 rK.)5271-5557cV 30 50 70 90 10 30 50 70 90 MaL.2147-2433eV 6 MoL.i2147-2433eV WwWm-1山 2 110 10 30 5070 90 110 距离μm 距离Hm (a) (b) 图6道次压下量为50%、轧制温度为1100C时结合界面上的元素扩散.(a)25C5MoA钢/微合金钢：(b)微合金钢/Q235钢 Fig 6 Diffusion of elements at the bonding interface under a reduction of 50%at a roling temperature of 1100C:(a)25Cr5MoA steel/micm-al- loved stedl;(b)microaloyed steel/0235 steel (a) 微合金钢 (b) 微合金钢 25Cr5MoA 10 um 25Cr5MoA (c) 微合金钢 (d) 微合金钢 25Cr5MoA 10m 25Cr5MoA 10m 图7轧制温度为1100℃时，道次压下量对25C5MoA钢/微合金钢界面结构的影响.(a)50%:(b)55%:(d60%:(d)65% Fig 7 Effect of pass wduction on the st nucture of the 25C5MoA steel/microalloyed steel interface at a mlling temperature of 1 100 C:(a)50%; (b)55%:(c60%:(d65% 相同的热力学条件下，25C5MoA钢和微合金钢的 钢在结合界面上的金属流动速度差较大，产生较大 塑性变形小于Q235钢的变形.在热轧复合过程中 的搓力，或者称为剪切力，随着压下量的增大，搓力 会在25Cr5MoA钢和微合金钢的结合界面上产生两 增大，使界面上的脆性金属间化合物增多，影响结 种金属流动的速度差相对较小：但微合金钢和Q235 合：而且随着压下量增大结合界面上Q235钢侧晶
图 6 道次压下量为 50%、轧制温度为 1 100 ℃时结合界面上的元素扩散.( a) 25C r5MoA 钢/ 微合金钢;( b) 微合金钢/ Q235 钢 Fig.6 Diffusion of elements at the bonding int erf ace under a reduction of 50%at a rolling t emperature of 1 100 ℃:( a) 25Cr5MoA st eel/micro-alloyed steel;(b) micro-alloyed steel/ Q235 steel 图 7 轧制温度为 1 100 ℃时, 道次压下量对 25Cr5MoA 钢/ 微合金钢界面结构的影响.( a) 50%;( b) 55%;( c) 60%;( d) 65% Fig.7 Effect of pass reduction on the structure of the 25C r5MoA steel/ mi cro-alloyed steel interface at a rolling temperature of 1 100 ℃:( a) 50%; ( b) 55%;( c) 60%;( d) 65% 相同的热力学条件下, 25Cr5M oA 钢和微合金钢的 塑性变形小于 Q235 钢的变形.在热轧复合过程中 会在 25Cr5MoA 钢和微合金钢的结合界面上产生两 种金属流动的速度差相对较小 ;但微合金钢和 Q235 钢在结合界面上的金属流动速度差较大, 产生较大 的搓力, 或者称为剪切力, 随着压下量的增大, 搓力 增大, 使界面上的脆性金属间化合物增多, 影响结 合 ;而且随着压下量增大结合界面上 Q235 钢侧晶 · 190 · 北 京 科 技 大 学 学 报 第 31 卷
第2期 佟建国等：25C5M0A钢/微合金钢/Q235钢的复合轧制 191。 235 Q235 微合金钢 10 um 微合金钢 10m Q235 (d) 微合金钢 10μm 微合金钢 0 um 图8轧制温度为1100℃时微合金钢/Q235钢界面结构.(a)50%:(b)55%:(d60%:(d65% Fig 8 Structure of the micro-alloyed steeQ235 steel interface at a molling temperature of 1100 C:(a)50%:(b)55%:(c)60%:(d)65% 360 190 (a) (b) 180 320 品 280 160 240 50 55 60 65 50 55 60 65 道次压下量% 道次压下量% 图9轧制温度为1100℃时结合界面上的维氏硬度变化.(a)25Cr5MoAV微合金钢：(b)微合金钢/Q235钢 Fig 9 Charge in Vicker hardness of the bonding interfaces at aroling temperature of 1 100 C:(a)25C5MoA steel micro-alloyed stee (b)mi- cro-alloyed steeVQ235 steel 粒有粗化趋势，导致材料的结合性能下降.这可以 低：随着轧制温度的升高，25Cr5MoA钢和Q235钢 解释为什么随着压下量的增大，结合性能降低的现 复合板界面的结合强度增大，轧制温度增大有利于 象. 降低压下量，使不同金属得到较好的复合.本实验 3结论 中，在轧制温度1100℃和压下量50%的工艺条件 下界面的结合强度最高. (1)当轧制温度为1000~1100℃压下量为 50%~65%时，25C5MoA钢/微合金钢Q235钢都 参考文献 能实现良好的结合，而且结合强度都能达到基体 I]Sun D Q,Xie J X.Wu C J.The forming techndlogy and develop ing trend of clad plate.Met Form Technol,2003.21(2):19 Q235的强度以上. (孙德勤，谢建新，吴春京.复合板的成形技术与发展趋势.金 (2)随着道次压下量的增大，25C5MoA钢/微 属成形工艺，2003.21(2)：19) 合金钢Q235钢三层复合金属间的结合强度逐渐降 [2 Liu X T,Zhang T A.Cui JZ.Technology of clad metal produc-
图 8 轧制温度为 1 100 ℃时微合金钢/ Q235 钢界面结构.( a) 50%;( b) 55%;( c) 60%;( d) 65% Fig.8 Structu re of the mi cro-alloyed st eel/ Q235 steel int erf ace at a rolling t emperature of 1 100 ℃:( a) 50%;( b) 55%;( c) 60%;( d) 65% 图 9 轧制温度为 1 100 ℃时结合界面上的维氏硬度变化.( a) 25Cr5MoA/ 微合金钢;( b) 微合金钢/ Q235 钢 Fig.9 Change in Vi ckers-hardness of the bonding in terf aces at a rolling t emperature of 1 100 ℃:( a) 25C r5MoA steel/ micro-alloyed steel;( b) micro-alloyed st eel/Q235 steel 粒有粗化趋势, 导致材料的结合性能下降.这可以 解释为什么随着压下量的增大, 结合性能降低的现 象. 3 结论 ( 1) 当轧制温度为 1 000 ～ 1 100 ℃、压下量为 50 %～ 65 %时, 25Cr5M oA 钢/微合金钢/Q235 钢都 能实现良好的结合, 而且结合强度都能达到基体 Q235 的强度以上. ( 2) 随着道次压下量的增大, 25C r5M oA 钢/微 合金钢/Q235 钢三层复合金属间的结合强度逐渐降 低 ;随着轧制温度的升高, 25Cr5MoA 钢和 Q235 钢 复合板界面的结合强度增大, 轧制温度增大有利于 降低压下量, 使不同金属得到较好的复合 .本实验 中, 在轧制温度 1 100 ℃和压下量 50 %的工艺条件 下界面的结合强度最高 . 参 考 文 献 [ 1] Sun D Q, Xie J X, Wu C J.The forming technology and developing trend of clad plat e.Met Form Technol, 2003, 21( 2) :19 ( 孙德勤, 谢建新,吴春京.复合板的成形技术与发展趋势.金 属成形工艺, 2003, 21( 2) :19) [ 2] Liu X T , Zhang T A, Cui J Z .Technology of clad metal produc- 第 2 期 佟建国等:25Cr5MoA 钢/ 微合金钢/Q235 钢的复合轧制 · 191 ·
。192 北京科技大学学报 第31卷 tion and its latest progres.Mater Rev.2002.16(7):41 能.北京科技大学学报，2007.29(10)：985) (刘晓涛，张廷安，崔建忠.层状金属复合材料生产工艺及其新 [8 Zheng Z M.Yang Z S.Explosiwe Working.Beijing:National 进展.材料导报，2002.16(7)：41) Defense Industry Press 1981 [3]Wang JM.Zhu X,Liu RQ.Infhencing factors of wave parme- (郑哲敏，赵震声.爆炸加工.北京：国防工业出版社，1981) ters for the explosive welded bonding interface.JUniv Sci Tech- [9Fan X M.The micmostnucture and pmperties of moll cladding sheet l Beijing,2008.30(6:6 of high peed stedl and Q235 steel.Mater Sci Technol,2004.12 (王建民，朱锡，刘润泉。爆炸焊接界面波形参数的影响因素. (5):521 北京科技大学学报，2008.30(6：636 (樊新民.高速钢一0235钢轧制复合板的组织与性能.材料科 [4]Dong C W,Li Y F,Ren X P.Joint interface characteristics of 学与工艺，2004.12(5)：521) TAl/Q235 dad plates manufactured by accumulative roll-bond- 10 Pan D.Gao K.Yu J.Cold roll bonding of bimetallic sheets and ing.J Un iv Sci Technol Beijing.2008.30(3):249 strips.Mater Sci Technol,1989.5(9):934 (董成文，李艳芳，任学平.TA1/Q235钢复合板累积叠轧焊界 [11]Cave JA,Wili ams J D.The mechanism of cold pressure weld 面特性.北京科技大学学报，2008.30(3)：249， ing by roling J Inst Met,1973.101:203 [5]Yu J M,Xiao YZ.Wang Q J.et al.New development of tech- 12]Zhu XX,Peng D S.LiZ J.Research on the residual stress of nology of clad metal.Ch inJ Mater Res,2000.141):12 stainess steel alminum(alminum alby)/stainless sted multi (于九明，孝云桢，王群骄，等。金属层状复合技术及其新进展。 layer com posite.Met Form Ted nol.2003.21(1):37 材料研究学报，2000,14(1)：12) (朱旭霞，彭大暑，黎祚坚.不锈钢/铝（铝合金）/不锈钢多层 [6]Montmitonnet P.Hot and cold strip rolling proceses.Comput 复合板残余应力研究金属成形工艺，2003.21(1)：37) Methods Appl Med Eng.2006.19(5):6604 13]Wang X D.Zhang Y H.Xu G L.Research and application of [7]Chen J.Tong JG,Ren X P.Bonding behavior of 25Cr5MoA/ roll bonded metal m aterials laminates.A/um Fabr,2008(3): Q235 hot mlled dad plates.J Un iv Sci Techrol Beijing,2007. 22 2910):985 (王旭东，张迎辉，徐高磊.轧制法制备金属层状复合材料的 (陈靖，佟建国，任学平.25C5MoWQ235钢复合板的结合性 研究与应用.铝加工，2008(3)：22)
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