界面为强冶金结合的不锈钢/碳钢复合材料的制备方法
阅读说明：本技术 界面为强冶金结合的不锈钢/碳钢复合材料的制备方法 (Preparation method of stainless steel/carbon steel composite material with strong metallurgical bonding interface ) 是由 刘雪峰 孙继鸿 杨耀华 王文静 于 2021-07-26 设计创作，主要内容包括：本发明公开一种界面为强冶金结合的不锈钢/碳钢复合材料的制备方法,属于金属层状复合材料制备技术领域。该方法通过对待复合的碳钢基材事先进行冷却,协同控制复合连铸前不锈钢液温度和碳钢基材待复合表面温度,结合复合后的控温冷却,开发一种界面为强冶金结合的不锈钢/碳钢复合材料制备方法。本发明的优点是,工艺流程短、效率高、成本低,比现有方法制备的不锈钢/碳钢复合材料界面结合性能显著提高,获得应用范围更加广泛的高性能不锈钢/碳钢复合材料。(The invention discloses a preparation method of a stainless steel/carbon steel composite material with a strong metallurgical bonding interface, belonging to the technical field of preparation of metal layered composite materials. The method develops a preparation method of the stainless steel/carbon steel composite material with a strong metallurgical bonding interface by cooling a carbon steel base material to be composited in advance, cooperatively controlling the temperature of stainless steel liquid before composite continuous casting and the temperature of the surface of the carbon steel base material to be composited, and combining temperature control cooling after compositing. The method has the advantages of short process flow, high efficiency and low cost, obviously improves the interface bonding performance of the stainless steel/carbon steel composite material prepared by the prior method, and obtains the high-performance stainless steel/carbon steel composite material with wider application range.)
技术领域
本发明属于金属层状复合材料制备技术领域，具体涉及一种界面为强冶金结合的不锈钢/碳钢复合材料的制备方法。
背景技术
不锈钢/碳钢复合材料既具有不锈钢耐腐蚀、耐热、耐磨和美观的特点，又具有碳钢的高强度、高韧性且成本低等优点，广泛应用于核工业、造船、石化、装甲和海水淡化等领域，市场需求量较大，是金属层状复合材料的一个重要发展方向。复合界面是连接不锈钢覆层和碳钢基材的纽带，能够起到载荷传递的作用。不锈钢/碳钢复合材料制备过程中，复合界面两侧铬、镍、铁、碳等原子的互扩散使界面形成冶金结合，界面冶金结合越牢固，其性能越优异，后续成形加工性能越好。
目前，不锈钢/碳钢复合材料的制备方法主要有爆炸复合法、冷轧复合法、热轧复合法、反向凝固复合法、固-液铸轧复合法、定量浇注复合法和电磁连铸复合法等。
爆炸复合过程中，由于碳钢基材和不锈钢覆层塑性变形及物理性能的差异会导致复合界面处形成应力集中或孔洞等缺陷，降低不锈钢/碳钢复合材料的界面结合强度；冷轧复合时界面在大变形条件下形成机械结合，界面结合强度较低且存在较大的残余应力，后续扩散退火会导致界面形成大量碳化物等脆性相，降低界面结合强度；热轧复合过程中复合界面在高温条件下易形成氧化物，且界面碳原子过度扩散会形成脱碳层和渗碳层而降低复合界面结合强度，并且热轧复合的抽真空和焊接等前处理工序复杂。由于上述复合方法中不锈钢覆层和碳钢基材均为固态，复合过程中界面两侧铬、镍、铁等原子的扩散距离短，界面冶金结合程度较低；此外，碳钢基材和不锈钢覆层的塑性变形及物理性能的差异会导致复合界面处形成应力集中或孔洞等缺陷，将显著降低不锈钢/碳钢复合材料的界面结合强度。
反向凝固复合法和固-液铸轧复合法是利用不锈钢液与碳钢基材复合制备不锈钢/碳钢复合材料。由于碳钢基材的温度以及复合后的冷却过程难以合理控制，通常导致制备的不锈钢/碳钢复合材料的界面会出现未复合或熔穿等情况，使得界面结合强度不高。定量浇注复合法和电磁连铸复合法无法精确控制复合过程中复合界面处温度，复合界面易发生氧化、未复合、过度复合甚至熔穿等情况，界面结合强度波动较大。
因此，开发一种界面为强冶金结合的不锈钢/碳钢复合材料的制备方法，加快高性能不锈钢/碳钢复合材料的研制开发和应用推广，具有非常重要的意义。
发明内容
本发明利用不锈钢液与固态碳钢基材连铸复合的原理，通过对待复合的碳钢基材进行冷却，协同控制连铸复合前不锈钢液温度和碳钢基材待复合表面温度，结合复合后的控温冷却，实现不锈钢/碳钢复合材料界面的强冶金结合，利用液-固复合连铸方法制备界面为强冶金结合的不锈钢/碳钢复合材料，解决目前不锈钢/碳钢复合材料界面结合强度低的问题。
根据本发明的一种界面为强冶金结合的不锈钢/碳钢复合材料的制备方法，具体方案如下：
利用熔炼炉熔炼不锈钢液并于1450～1700℃下保温30～120分钟；启动牵引机构，使经机械打磨处理后的碳钢基材朝引锭方向移动，同时利用冷却装置对即将进入复合铸型的碳钢基材进行冷却控温，使碳钢基材待复合表面在进入复合铸型时温度为100～700℃；随后不锈钢液经导流管进入复合铸型并与碳钢基材待复合表面接触，通过协同控制复合前不锈钢液温度和碳钢基材待复合表面温度，凝固获得不锈钢/碳钢预复合材料；调节拉坯速度、水冷结晶器与二次冷却装置的冷却强度，控制不锈钢/碳钢预复合材料以1～100℃/s的冷却速度降温，最终连铸获得界面为强冶金结合的不锈钢/碳钢复合材料。
进一步的，不锈钢是奥氏体不锈钢、铁素体不锈钢、马氏体不锈钢或双相不锈钢中的任何一种。
进一步的，碳钢是普碳钢、容器钢、桥梁钢、管线钢、船板钢或高强钢中的任何一种。
进一步的，碳钢基材的规格为线材、棒材、管材、板材、带材或型材中的至少一种。
进一步的，不锈钢/碳钢复合材料的类型为叠层复合结构型、侧面复合结构型、包覆复合结构型或镶嵌复合结构型中的至少一种。
进一步的，不锈钢/碳钢复合材料的规格为线材、棒材、管材、板材、带材或型材中的至少一种。
进一步的，碳钢基材进入复合铸型前的冷却控温方式为液体冷却或气体冷却中的任何一种。
进一步的，适用于上引式、下引式或水平式中的任何一种液-固复合连铸方法。
本发明的优点在于：
与现有的不锈钢/碳钢复合材料制备方法相比，本发明通过对待复合的碳钢基材事先进行冷却，不需要进行特殊保护即可避免碳钢基材的待复合表面发生严重氧化；通过协同控制连铸复合前不锈钢液温度和碳钢基材待复合表面温度，结合复合后的控温冷却，促进了复合界面两侧铬、镍、铁原子互扩散，抑制了碳原子扩散，避免了界面氧化、孔洞和脆性相的形成，实现了不锈钢/碳钢复合材料界面的强冶金结合，比现有方法制备的不锈钢/碳钢复合材料界面结合强度显著提高，获得应用范围更加广泛的高性能不锈钢/碳钢复合材料；此外，利用液-固复合连铸方法制备不锈钢/碳钢复合材料工艺流程短、生产效率高、成本低。
具体实施方式
以下结合实施例对本发明进行具体描述，有必要在此指出的是本实施例只用于对本发明进行进一步说明，不能理解为对本发明保护范围的限制，该领域的熟练技术人员可以根据上述本发明的内容做出一些非本质的改进和调整。
实施例1：304L不锈钢包覆Q235碳钢复合板
利用熔炼炉熔炼304L不锈钢液并于1550℃下保温30分钟；启动牵引机构，使经机械打磨处理后的Q235碳钢芯板以0.5m/min的速度朝引锭方向移动，同时启动冷却装置对即将进入复合铸型的Q235碳钢芯板进行冷却控温，使Q235碳钢芯板待复合表面在进入复合铸型时温度为300℃；随后使304L不锈钢液经导流管进入复合铸型并与Q235碳钢芯板待复合表面接触，凝固获得304L不锈钢包覆Q235碳钢预复合板，未完全凝固的304L不锈钢包覆Q235碳钢预复合板连续进入水冷结晶器，在冷却水流量800L/h、冷却水温度25℃的水冷结晶器的强制冷却作用下完全凝固，随后经过冷却水流量1000L/h、冷却水温度25℃的二次冷却装置时被进一步冷却，使304L不锈钢包覆Q235碳钢预复合板以30～50℃/s的冷却速度降温，连铸获得界面为强冶金结合的304L不锈钢包覆Q235碳钢复合板。
实施例2：316L不锈钢/Q345碳钢复合板
利用熔炼炉熔炼316L不锈钢液并于1650℃下保温60分钟；启动牵引机构，使经机械打磨处理后的Q345碳钢板以1m/min的速度朝引锭方向移动，同时启动冷却装置对即将进入复合铸型的Q345碳钢板进行冷却控温，使Q345碳钢板待复合表面在进入复合铸型时温度为200℃；随后使316L不锈钢液经导流管进入复合铸型并与Q345碳钢板待复合表面接触，凝固获得316L不锈钢/Q345碳钢预复合板，未完全凝固的316L不锈钢/Q345碳钢预复合板连续进入水冷结晶器，在冷却水流量1000L/h、冷却水温度25℃的水冷结晶器的强制冷却作用下完全凝固，随后经过冷却水流量1200L/h、冷却水温度25℃的二次冷却装置时被进一步冷却，使316L不锈钢/Q345碳钢预复合板以40～60℃/s的冷却速度降温，连铸获得界面为强冶金结合的316L不锈钢/Q345碳钢复合板。
实施例3：316L不锈钢包覆X60钢复合管
利用熔炼炉熔炼316L不锈钢液并于1600℃下保温90分钟；启动牵引机构，使经机械打磨处理后的X60钢管以0.8m/min的速度朝引锭方向移动，同时启动冷却装置对即将进入复合铸型的X60钢管进行冷却控温，使X60钢管待复合表面在进入复合铸型时温度为500℃；随后使316L不锈钢液经导流管进入复合铸型并与X60钢管待复合表面接触，凝固获得316L不锈钢包覆X60钢预复合管，未完全凝固的316L不锈钢包覆X60钢预复合管连续进入水冷结晶器，在冷却水流量1200L/h、冷却水温度25℃的水冷结晶器的强制冷却作用下完全凝固，随后经过冷却水流量1500L/h、冷却水温度25℃的二次冷却装置时被进一步冷却，使316L不锈钢包覆X60钢预复合管以50～70℃/s的冷却速度降温，连铸获得界面为强冶金结合的316L不锈钢包覆X60钢复合管。
实施例4：304L不锈钢包覆45#钢复合棒
利用熔炼炉熔炼304L不锈钢液并于1500℃下保温30分钟；启动牵引机构，使经机械打磨处理后的45#钢芯棒以0.3m/min的速度朝引锭方向移动，同时启动冷却装置对即将进入复合铸型的45#钢芯棒进行冷却控温，使45#钢芯棒待复合表面在进入复合铸型时温度为350℃；随后使304L不锈钢液经导流管进入复合铸型并与45#钢芯棒待复合表面接触，凝固获得304L不锈钢包覆45#钢预复合棒，未完全凝固的304L不锈钢包覆45#钢预复合棒连续进入水冷结晶器，在冷却水流量400L/h、冷却水温度25℃的水冷结晶器的强制冷却作用下完全凝固，随后经过冷却水流量600L/h、冷却水温度25℃的二次冷却装置时被进一步冷却，使304L不锈钢包覆45#钢预复合棒以20～30℃/s的冷却速度降温，连铸获得界面为强冶金结合的304L不锈钢包覆45#钢复合棒。
实施例5：3Cr13马氏体不锈钢包覆Q235碳钢复合线
利用熔炼炉熔炼3Cr13马氏体不锈钢液并于1550℃保温60分钟；启动牵引机构，使经机械打磨处理后的Q235碳钢芯线以0.5m/min的速度朝引锭方向移动，同时启动冷却装置对即将进入复合铸型的Q235碳钢芯线进行冷却控温，使Q235碳钢芯线待复合表面在进入复合铸型时温度为200℃；随后使304L不锈钢液经导流管进入复合铸型并与Q235碳钢芯线待复合表面接触，凝固获得3Cr13马氏体不锈钢包覆Q235碳钢预复合线，未完全凝固的3Cr13马氏体不锈钢包覆Q235碳钢预复合线连续进入水冷结晶器，在冷却水流量1000L/h、冷却水温度25℃的水冷结晶器的强制冷却作用下完全凝固，随后经过冷却水流量1200L/h、冷却水温度25℃的二次冷却装置时被进一步冷却，使3Cr13马氏体不锈钢包覆Q235碳钢预复合线以60～80℃/s的冷却速度降温，连铸获得界面为强冶金结合的3Cr13马氏体不锈钢包覆Q235碳钢复合线。
对比实施例：316L不锈钢/Q345碳钢复合板
利用熔炼炉熔炼316L不锈钢液并于1360℃下保温20分钟；启动牵引机构，使经机械打磨处理后的Q345碳钢板以1m/min的速度朝引锭方向移动，同时启动冷却装置对即将进入复合铸型的Q345碳钢板进行冷却控温，使Q345碳钢板待复合表面在进入复合铸型时温度为50℃；随后使316L不锈钢液经导流管进入复合铸型并与Q345碳钢板待复合表面接触，凝固获得316L不锈钢/Q345碳钢预复合板，未完全凝固的316L不锈钢/Q345碳钢预复合板连续进入水冷结晶器，在冷却水流量1200L/h、冷却水温度25℃的水冷结晶器的强制冷却作用下完全凝固，随后经过冷却水流量1500L/h、冷却水温度25℃的二次冷却装置时被进一步冷却，使316L不锈钢/Q345碳钢预复合板以120～150℃/s的冷却速度降温，连铸获得316L不锈钢/Q345碳钢复合板，复合界面存在氧化物、孔洞等缺陷，界面结合以机械结合为主，界面结合强度低。
上面对本发明的实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可做出很多形式，这些均属于本发明的保护之内。