CN109692884B - 一种以if钢为过渡层的钛钢复合板及其高温制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种以IF钢为过渡层的钛钢复合板及其高温制备方法。制备复合板的复合坯包括基材、IF钢和钛复材。基材为C≤0.22％的普碳钢或低合金钢；钛复材为工业纯钛TA2，基材与钛复材厚度比为5～10；将真空焊接后的复合坯加热至1040～1060℃保温，保温时间按照1min/mm×复合坯总厚度计算，开轧温度为1020～1040℃，单道次压下率≥15％，且头三道次压下率≥20％，总压下率≥80％，终轧温度为850℃以上，空冷至室温，分板后得到厚度为10～50mm的钛钢复合板，其板幅可达3m，IF钢过渡层厚度为280～320μm，该复合板具有优良的耐腐蚀性和力学性能。

Description

一种以IF钢为过渡层的钛钢复合板及其高温制备方法

技术领域

本发明属于复合板制备技术领域，特别涉及到一种应用真空复合+轧制技术生产钛钢复合板的高温制备方法。

背景技术

钛钢复合板既具有钛复层优良的耐腐蚀性能，又具有基层结构钢的强度和塑性，与钛板相比其经济成本大幅度下降，是耐腐蚀环境设备制造的理想材料，在石油化工、制盐、电力、海水淡化、海洋工程等领域得到推广应用。

目前，生产钛钢复合板的方法主要有4种：爆炸复合法、扩散复合法、爆炸复合-轧制法以及轧制复合法。前两种工艺生产的复合板，尺寸较小，有时难以满足用户要求，由于大能力轧机的投产运营，只在某些特殊领域被采用，在国外出现了被淘汰的趋势。后两种方法能够生产大尺寸的钛钢复合板，但是爆炸焊接-轧制法的工序复杂，影响复合板结合强度的因素多，而且能量消耗大、污染环境、成材率相对低，有被直接轧制法取代的趋势。近年来，众多学者针对轧制法制备钛钢复合板技术进行了研究。

CN105080997A公开了一种无中间层钛钢复合板的制备方法、CN104624644A公开了钛钢复合板的生产方法、CN105107841A公开了钛钢复合板的制备方法，上述三个专利文件中均采用钛钢直接复合轧制技术进行钛钢复合板的制备，制备工艺简单，不添加中间层，通过较高的终轧温度，使界面化合物破碎后产生微孔洞的可能性减小，从而使界面上的孔洞对结合性能的负面影响降低到最小。

CN104907332A公开了以镍为中间层的钛钢复合板的生产方法、CN104907333A公开了以镍为中间层的钛钢复合板的高温制备方法、CN104826866A公开了以镍为中间层的钛钢复合板的高温轧制方法，上述三个专利文件中均通过在钛钢复合界面之间插入适当的金属镍做过渡层，进而阻止钛、铁等元素的相互扩散，改善界面的结合效果，提高产品质量。

王敬忠，颜学柏，阎静亚在《有色金属》2009年61卷第4期39-42页中发表的论文“钛-钢复合板生产中的过渡层材料”、CN104998903A公开的以铜为中间层钛钢复合板的制备方法、CN104874636A公开的以铜为中间层钛钢复合板的高温制备方法以及CN104874635A公开的以铜为中间层高结合强度钛钢复合板的制备方法中，均采用以铜为过渡层，防止钛钢复合板在制备过程中界面上钛铁化合物的生成，同时利用轧制过程将结合面液相挤出，获得洁净的新生面，从而实现钛钢界面的良好结合。

综上说述，若钛钢直接复合进行轧制，由于碳在β钛中的扩散速度极具增大，进而影响其组织与性能，导致钛钢复合板的轧制温度一般控制在钛β相转变温度920℃以下，不仅对坯料的规格尺寸形成了极大的限制，而且对轧机的轧制能力也提出了更高的要求；若在钛钢之间加入铜、镍等纯金属作为过渡层，不仅得到的复合性能较低，经济成本也较高。

面对大板幅、大厚度钛钢复合板的市场需求，迫切需要开发一种低成本、高性能的钛钢复合板的高温制备技术。

发明内容

针对现有钛钢复合板制备技术存在的问题，本发明的目的是提供一种以IF钢为过渡层的低成本、高性能的钛钢复合板及其高温制备方法。通过以IF钢为过渡层的真空复合+高温轧制技术生产方法，改善钛钢复合板界面的组织状态，防止和控制钛钢复合板制备过程中界面上生成大量的钛碳脆性化合物，并提高轧制温度。采用该方法生产的钛钢复合板界面结合性能明显提高，质量稳定性显著提升，经济成本低，产品规格、板幅大且工艺简单。

一种以IF钢为过渡层的钛钢复合板，复合板由上至下由3层材料构成，分别为钛复层、IF钢过渡层、普碳钢或低合金钢基层，钛复层为工业纯钛TA2；IF钢过渡层为冷轧薄板，其中C、N、Ti含量按质量百分比计为：C≤0.007％、N 0.002％～0.003％、Ti 0.05％～0.07％；普碳钢或低合金钢基层中C含量按质量百分比计为C≤0.22％；成品复合板板幅≤3m，厚度为10～50mm，其中IF钢过渡层厚度为280～320μm。

一种以IF钢为过渡层的钛钢复合板的高温制备方法，复合板由复合坯轧制而成，复合坯包括基材、IF钢和钛复材，基材为连铸坯、中间坯、板材，长度为2～4m，宽度为1～3m，厚度为50～225mm；所述钛复材长度为1.7～3.8m，宽度为0.7～2.8m，厚度为10～45mm；基材与钛复材厚度比为5～10；所述IF钢为冷轧薄板，长、宽与钛复材相同，厚度为1.5～3.2mm；钛复材长、宽小于基材且与其四条边的边距为100～150mm。具体步骤如下：

(1)选取基材、IF钢和钛复材作为组坯原料，其中，基材为C≤0.22％(质量百分比)的普碳钢或低合金钢；IF钢为化学成分按质量百分比满足C≤0.007％、N：0.002％～0.003％、Ti：0.05％～0.07％的IF钢；钛复材为工业纯钛TA2。

(2)分别采用铣削和磨削方式对基材和钛复材待接触表面进行机加工，去除待接触面的锈层和氧化层，IF钢采用400#砂纸去除表面氧化层；

(3)对加工后的基材、IF钢和钛复材表面进行去油污和吹扫处理。

(4)将钛复材、IF钢、基材以上、中、下的位置顺序依次居中叠放，且在钛复材上表面喷涂隔离剂，静置干燥。喷涂厚度为1～2mm。

(5)将两组经过打磨处理后的坯料对正叠放在一起，钛复材位于复合坯中间位置。

(6)将两基材之间的间隙用与基材相同材质的长方形夹条进行完全填充，形成复合坯。

(7)将复合坯送入真空室抽取真空后对其四周缝隙进行真空电子束密封焊接，使钛复材处于密闭真空环境，真空度为1.0×10^-2～4.5×10^-2Pa；真空电子束密封焊接的有效熔深为40～50mm；

(8)将真空电子束密封焊接处理后的复合坯加热至1040～1060℃保温，保温时间按照1min/mm×复合坯总厚度计算，开轧温度为1020～1040℃，单道次压下率≥15％，且头三道次压下率≥20％，总压下率≥80％，终轧温度为850℃以上，空冷至室温。经过轧制后，IF钢过渡层厚度为280～320μm，板宽≤3m。

(9)将轧制后复合板进行切边、分板、表面修磨后得到两块钛钢复合板。

在组坯之前对坯料待复合表面进行铣削或磨削处理，去除锈层和氧化物层，使其在轧制的过程中均以新鲜金属相互接触，保证两者之间形成冶金结合，提高结合质量，避免夹杂、气孔和未结合等缺陷。

选择IF钢为钛、钢之间的过渡金属层可以有效改善和提高复合界面的结合质量和性能。在高温直接轧制复合时，钛、钢之间易产生大量的钛铁或钛碳化合物，而钛碳化合物的大量生成和不均匀分布导致了复合性能和质量的严重下降。本发明在钛、钢之间加入IF钢金属层并添加N、Ti固碳元素，一方面通过隔离钛、钢之间的直接接触，防止在复合界面生成大量的钛碳化合物；另一方面，通过添加IF钢过渡层，改善钛碳化合物在复合界面的分布状态，由不均匀分布转变为均匀分布。采用该方法可以在较高的温度下进行轧制，有效控制钛、钢复合界面钛碳化合物的生成和分布，提高复合质量。

基材和钛复材由于材质不同，在轧制复合过程中彼此间的应力应变不一致，冷却过程中会形成较大的应力集中和形变，降低复合界面的结合率和结合质量，甚至完全撕裂。本发明采用基材与钛复材厚度比为5～10，钛复材长、宽小于基材且组坯时与基材的四条边的边距为100～150mm，一方面通过限定钛复材所占的厚度比例，降低基材和钛复材之间的应力差，另一方面通过加大四周封边焊接的有效熔深以及同质间的轧制结合力达到控制其形变的作用。

隔离剂在1250℃以下时，不与基材、IF钢和钛复材发生反应且保证隔离效果。为了防止两层钛复材发生轧制结合，本发明进行了隔离剂喷涂，喷涂厚度在1～2mm，一方面可以防止隔离两层钛复材的直接接触，另一方面控制两层钛复材之间的间隙，防止间隙过大引起钛板串动。

采用对称组坯的方式，不仅起到了真空密封钛复材的效果，还提高了复合坯的整体厚度和目标厚度，提高了板形控制效果。其中，钛在高于400℃时会与氧、氮、氢发生反应，且复合界面也会产生剧烈氧化，采用对称组坯方式，将钛复材置于中心焊接真空密封，防止了钛和原料与大气发生反应。同时，由于在轧制较薄规格板材时板形不易控制，易发生翘曲、波浪等缺陷，本发明采用对称组坯轧制后分板的技术，提高了轧制厚度，有效的控制了薄板的板形问题。

为了保证复合坯的封边效果，本发明采用真空电子束焊机进行了封边焊接，焊接有效熔深为40～50mm，一方面可以保证复合界面的真空度，另一方面可以保证钛钢复合坯在轧制过程中不开裂。

由于碳在β钛中的扩散速度极具增大，进而影响其组织与性能，导致钛钢复合板的轧制温度一般控制在钛β相转变温度920℃以下，不仅对坯料的规格尺寸形成了极大的限制，而且对轧机的轧制能力也提出了更高的要求。本发明加入IF钢金属过渡层，而且使轧制后IF钢过渡层的厚度为280～320μm，可以在高温轧制条件下有效的控制钛、钢之间的反应程度，改善钛碳化合物的分布状态，若过渡层厚度低于此范围则钛、钢之间在高温轧制过程中会发生剧烈反应，生成大量钛碳化合物降低复合质量；若过渡层厚度高于此范围则复合界面强度主要体现为IF钢的强度，复合界面强度也不高。本发明提出了最佳过渡层厚度范围，可有效提高钛钢复合坯的开轧温度并保证复合质量，是一种可生产大板幅、大规格的钛钢复合板的高温制备方法。

为了提高钛、钢之间的复合性能，降低钛铁、钛碳化合物的不均匀生成对复合性能的影响，本发明采用单道次压下率≥15％，且头三道次压下率≥20％，总压下率≥80％，终轧温度在850℃以上，进一步控制复合坯的高温停留时间，并使复合界面生成的钛铁、钛碳化合物破碎、细化，弥散分布在复合界面，改善化合物的分布状态，可改善轧制法制备钛钢复合板对基材碳含量的敏感性，提高基材碳含量，从而达到提高钛钢复合板力学性能的目的。

钛、铁、碳在轧制过程中会持续发生反应且与温度高低成正比，在钛钢复合轧制中其反应程度越大则复合性能越低。因此，本发明在控制单道次压下率和总压下率的同时，限定钛钢复合板的厚度为10～50mm，控制复合板的冷却速度，调节界面反应程度，达到优化钛钢复合性能的作用。

有益效果：

按上述方案生产的复合板具有以下有益效果：

(1)本发明制备的钛钢复合板，既保证了板材单面的高抗腐蚀性能，其TA2侧为工业纯钛，同时整体又具有较高的结构强度，复合板抗拉强度可达531MPa以上，且屈服强度可达362MPa以上，达到了Q345级别碳钢的国家标准要求。分板后得到厚度为10～50mm的钛钢复合板，其板幅可达3m，该复合板具有优良的耐腐蚀性和力学性能，适用于酞酸制备设备、压力容器、锅炉、火电站烟囱、核反应堆、贮存器、海洋土木结构等。

(2)本发明的组坯和轧制工艺轧制效果好，可保证TA2和碳钢之间形成冶金结合，轧制板形好，无需矫直，成材率可达85％以上。

(3)本发明提高了轧制温度，制备的钛钢复合板，板幅大，可达3m，厚度最大可达50mm，且基层和复层的组织和性能稳定，复合面结合率为100％。

(4)添加IF钢过渡金属即可实现钛、钢之间的良好结合，复合界面力学性能优异，其剪切强度均达到275MPa以上。

附图说明

图1为采用本发明方法得到的TA2/Q345B钛钢复合板复合界面微观组织，复合界面连续、平滑，无气孔、夹杂、微裂纹和未结合缺陷，且无大块TiC脆性相存在。

具体实施方式

以下实施例用于具体说明本发明内容，这些实施例仅为本发明内容的一般描述，并不对本发明内容进行限制。

表1为本发明实施例基材的实际材质及原料规格；表2为本发明实施例钛复材的实际材质及原料规格；表3为本发明实施例复合坯的相关信息；表4为本发明实施例IF钢过渡层的相关信息；表5为实施例轧制工艺参数；表6为实施例轧制制度；表7本发明实施例复合板实物的性能检验结果。

表1实施例基材坯料的实际材质及原料规格

实施例	钢种	C/wt％	来源	长度/m	宽度/m	厚度/mm
							1	Q345B	0.22	连铸坯	4	3	150mm
2	Q345E	0.18	中间坯	3.6	2.8	120mm
							3	Q345D	0.16	板材	3.6	2.8	80mm
4	S355JR	0.15	连铸坯	4	3	200mm

表2实施例钛复材信息

实施例	钢种	来源	长度/m	宽度/m	厚度/mm
						1	TA2	板材	3.72	2.72	30
2	TA2	板材	3.36	2.56	20
						3	TA2	板材	3.36	2.56	10
4	TA2	板材	3.7	2.7	40

表3实施例复合坯相关信息

表4实施例IF钢过渡层信息

实施例	钢种	C/wt％	N/wt％	Ti/wt％	厚度/mm
						1	IF钢	0.0061	0.0020	0.060	3.1
2	IF钢	0.0063	0.0026	0.066	1.8
						3	IF钢	0.0054	0.0025	0.050	2
4	IF钢	0.0070	0.0030	0.070	1.6

表5实施例轧制工艺参数

表6实施例轧制制度

表7实施例实物力学性能检验结果

由实施例可见，采用IF钢为过渡层，钛钢复合板的轧制温度提高到1020～1040℃，生产出的钛钢复合板，板幅大，可达3m，厚度最大可达50mm，且抗拉强度＞530MPa，屈服强度＞360MPa，伸长率≥31％，复合界面抗剪切强度≥277MPa，弯曲检验合格。不仅可制备大板幅、大厚度钛钢复合板，还实现了钛和较高碳含量碳钢之间的良好结合，相关力学性能均满足国家钛钢复合板R1级标准。

Claims (2)

1.一种以IF钢为过渡层的钛钢复合板的高温制备方法，其特征在于，复合板由上至下由3层材料构成，分别为钛复层、IF钢过渡层、普碳钢或低合金钢基层，钛复层为工业纯钛TA2；IF钢过渡层为冷轧薄板，其中C、N、Ti含量按质量百分比计为：C≤0.007％、N 0.002％～0.003％、Ti 0.05％～0.07％；普碳钢或低合金钢基层中C含量按质量百分比计为C≤0.22％；成品复合板板幅≤3m，厚度为10～50mm，其中IF钢过渡层厚度为280～320μm；

复合板生产工艺包括表面清理、复合坯组坯、真空焊接、轧制、分板和表面修磨，其中：

(1)选取钛复材、IF钢、基材作为复合坯用原料；其中，所述基材为碳含量按质量百分比计为C≤0.22％的普碳钢或低合金钢连铸坯或中间坯或板材，长度为2～4m，宽度为1～3m，厚度为50～225mm；所述钛复材为工业纯钛TA2板材，长度为1.7～3.8m，宽度为0.7～2.8m，厚度为10～45mm；基材与钛复材厚度比为5～10；所述IF钢为冷轧薄板，长、宽与钛复材相同，厚度为1.5～3.2mm；钛复材的长、宽小于基材且组坯时与基材四条边的边距为100～150mm；

(2)对基材、钛复材以及IF钢待接触表面进行清理；

(3)对加工后的基材、IF钢和钛复材表面进行去油污和吹扫处理；

(4)将钛复材、IF钢和基材以上、中、下的位置依次居中叠放，且在钛复材上表面喷涂隔离剂，静置干燥，所述隔离剂的喷涂厚度为1～2mm；

(5)采用对称组坯的方式，将两组经过上述(2)～(4)处理后的原料对正叠放在一起，钛复材居正中心部；

(6)将两基材之间的间缝隙用与基材相同成分长方形夹条进行完全填充，形成复合坯；

(7)将复合坯送入真空室抽取真空后对其四周缝隙进行真空电子束密封焊接，使钛复材处于密闭真空环境；所述真空环境的真空度为1.0×10^-2～4.5×10^-2Pa；所述真空电子束密封焊接的有效熔深为40～50mm；

(8)将真空电子束密封焊接处理后的复合坯加热至1040～1060℃保温，保温时间按照1min/mm×复合坯总厚度计算，开轧温度为1020～1040℃，单道次压下率为15％～25％，且头三道次压下率为21％～25％，总压下率≥85％，终轧温度为850℃以上，空冷至室温；

(9)将轧制后复合板进行切边、分板、表面修磨后得到两块钛钢复合板。

2.如权利要求1所述的一种以IF钢为过渡层的钛钢复合板的高温制备方法，其特征在于：对基材和钛复材表面采用铣削和磨削的机加工方式清理；对IF钢表面采用砂纸去除表面氧化层。

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