试验与研究

Q235B/304双金属热轧复合卷板结合强度测试分析

冯雪楠 1 ,周 勇 1 ,田 磊 2,3 ,王 雷 1

(1.西安石油大学 材料科学与工程学院,西安710065;2.宝鸡石油钢管有限责任公司 钢管研究院,陕西 宝鸡721008;3.国家石油天然气管材工程技术研究中心,陕西 宝鸡721008)

摘 要: 为了分析Q235B/304热轧复合钢卷板的结合强度,采用OM、SEM、EDS和剪切试验研究了Q235B/304双金属复合钢卷板中部和尾部界面区微观组织结构和合金元素分布,并测试了界面剪切强度。结果表明,同一复合钢卷板,中部位置界面剪切强度值较高,平均值达350 MPa,尾部位置界面剪切强度较低,平均值仅为194 MPa。中部位置复合界面主要合金元素Cr、Ni扩散距离约为尾部位置的2~3倍,两部位结合界面处均存在Fe的高温氧化物,且尾部位置复合界面处大量存在尺寸约为1~2 μm的空隙,对界面剪切强度有一定影响。

关键词: Q235B/304双金属复合板;复合界面;剪切强度;扩散距离;空隙

石油工业领域中,传输用管道多为金属材料碳钢制成,而在高温、高压和含有腐蚀介质的极端环境下,这类管道的腐蚀现象非常严重,极大地影响了其使用性能,降低了使用寿命,同时增加了使用成本,甚至因为腐蚀而导致管道结构的破坏,引起不必要的生命和财产损失。

不锈钢复合板是由覆层和基层两部分组成,覆层一般采用不锈钢材料来确保复合板具有良好的耐腐蚀、耐热等性能。基层通常以其他钢种或黑色金属做基材,来满足不锈钢复合板的力学性能。复合板综合了不锈钢和碳钢的众多优点,具有性能优异、绿色环保的特点 [1] ,在石油化工领域通常将其制成输送管道或储罐,用于腐蚀性油气资源的储运 [2]

在生产实践中,制备复合板的方法主要包括冷成型法、热成型法、离心铸造法 [3] 、离心铝热剂法 [4] 、爆炸焊成型法和电磁成型法等。其中热成型法又分为热轧制法和热挤压法。热轧制不锈钢复合板不仅力学性能可满足特殊行业要求,同时可大幅降低企业成本 [5-7] 。热轧制法实质属于压力焊 [8] ,即在高温下通过轧辊施加的压力破坏金属表面的氧化膜,使金属表面达到原子接触,从而使两个金属表面焊在一起 [9] ,然后将轧制得到的复合钢板/卷材在专门制管设备上通过JCOE成型或螺旋成型制备成直缝复合管或螺旋复合管。热轧制的优点是生产效率高、质量好、成本低,并可大大降低金属材料的损耗 [10] ,因此是目前应用极为广泛的复合材料生产技术。

当前我国复合板的制造与国外仍然存在较大差距,主要表现在板材结合率和力学性能两个方面 [11-12] 。由于不锈钢和碳钢之间存在较大的性能差异 [13] ,因此在使用热轧法制备复合板时,碳钢和不锈钢不同的体积变化和形变程度将对复合板性能产生一定影响。在复合板螺旋成型时,碳钢和不锈钢的协同变形能力较差,致使在碳钢和不锈钢层间产生剪切应力,降低了管材的使用性能,严重时可导致覆层和基层分离,使结构失效。因此,复合界面的结合强度成为衡量复合管材性能好坏的一个重要指标。

本研究基于Q235B低碳钢和304不锈钢具有不同力学性能的特点,对Q235B/304双金属复合卷板剪切强度进行了测试,并对复合界面进行了微观分析,为复合板的制备与加工提供理论基础。

1 复合界面剪切试验

不锈钢复合板采用Q235B碳钢作基材,304不锈钢作为覆材,通过热轧制工艺制备,碳钢层厚度6 mm,不锈钢层厚度1 mm。依据标准GB/T 6396—2008《复合钢板力学及工艺性能试验方法》 [14] ,采用剪切试验检测复合卷板界面结合强度。从复合卷板的中部和尾部分别切取规格为300 mm×30 mm×7 mm的毛坯试样并加工成图1所示的剪切试样,为保证试验结果准确,每个部位制取3个试样。

图1 拉剪试样

以复合界面为观察面,打磨后对试样进行抛光。使用4%硝酸酒精溶液对板中试样进行腐蚀,王水溶液(浓盐酸与浓硝酸按3∶1混合而成,且放置时间<24 h)对板尾试样进行腐蚀。本试验使用Olympus GX71光学显微镜和日立S-3700N扫描电镜(scanning electron microscope,SEM)分别观察试样的显微组织,并结合EDS能谱仪对试样进行扫描分析。

2 试验结果与分析

2.1 剪切强度

Q235B/304复合卷板板中和板尾不同位置的剪切强度见表1。从表1可以看出,板中部的试样剪切强度平均值为350 MPa,最高值为392 MPa,而板尾处的剪切强度平均值为194 MPa,仅为板中部剪切强度的55%,最低值为173 MPa。可见,从板中和板尾位置分别取样所得到的剪切强度值差距较大,最大差值为219 MPa。

表1 复合板各部位剪切强度

2.2 复合界面微观组织分析

图2和图3分别为板中、板尾试样的金相显微组织OM与SEM照片。从图2(a)可以看出,只有碳钢侧发生了明显的腐蚀现象;复合界面中心部位呈波浪状,过渡区域较宽;从图2(b)可以进一步看出双金属界面形貌不规整,呈明显波浪状,有粗大锯齿状形貌;可发现复合界面呈细小的锯齿状。从图3(a)可以观察到不锈钢侧发生了腐蚀现象,碳钢侧组织呈现不正常的暗黑颜色,这是由于碳钢在王水中浓硝酸的作用下,使其表面迅速钝化,形成细小致密的钝化组织。板尾处复合界面明显,形貌平整。

图2 板中试样显微组织照片

图3 板尾试样显微组织照片

为了分析元素扩散情况,本试验对板中、板尾试样复合界面进行EDS线扫描分析,如图4、图5所示。从图4和图5可以看出,复合界面附近发生了合金元素的相互扩散,碳钢侧的铁原子向不锈钢侧扩散,不锈钢侧的铬、镍原子向碳钢侧扩散;板中界面处原子扩散距离可达8 μm,板尾界面处原子扩散距离只有3 μm,板中界面处原子扩散距离为板尾界面处的2~3倍,板中界面处原子扩散的程度大于板尾界面处,因此板中界面处的冶金结合更加充分,这也是板中界面处剪切强度高于板尾界面处的原因。

图4 板中试样复合界面SEM照片和EDS线扫描结果

图5 板尾试样复合界面SEM照片和EDS线扫描结果

本试验对复合钢卷板板中和板尾的界面处进行了EDS扫描分析,扫描点位置如图6所示,扫描点位置元素的原子百分比扫描结果见表2。从表2可以看出,1~4位置的界面处均有氧元素存在,可以判断出在这4个位置处均存在高温氧化缺陷,并且主要以铁的氧化物为主。

图6 复合卷板试样界面EDS扫描点位置

表2 复合卷板试样EDS扫描点元素的原子百分比

由于在复合界面处存在脆性铁的氧化物杂质,降低了界面的结合程度,因此导致界面的剪切强度值下降。

对板尾试样界面进一步观察发现(如图7所示),当放大到3 000倍时,在界面处有空隙存在,空隙的尺寸约为1~2 μm,且位置分布不均匀。空隙的存在降低了界面处元素扩散距离,影响了界面处冶金结合程度,从而降低了界面的剪切强度,并且空隙存在的位置即是剪切强度最低的点。

图7 板尾试样界面SEM照片 3 000×

由于在板中与板尾界面处有脆性的氧化物杂质存在,致使界面的剪切强度值降低,氧化物杂质分布不均匀,导致了板中与板尾剪切强度值产生波动,而板尾界面处分布不均匀的空隙降低了界面处元素扩散距离,使得界面处结合强度降低,剪切强度值进一步下降。

3 结 论

(1)Q235B/304复合钢卷板中部剪切强度高于尾部,中部处剪切强度平均值为350 MPa,而板尾处剪切强度平均值为194 MPa。

(2)板中部处复合界面的元素扩散距离为8 μm,板尾处为3 μm,复合界面处元素扩散距离越长,复合卷板的剪切强度值越高,相反扩散距离越短,其剪切强度值越低。

(3)板中和板尾界面处存在高温氧化缺陷,分布不均匀的脆性氧化物杂质降低了界面结合强度,导致了板中与板尾处剪切强度值的波动。

(4)板尾处复合界面存在尺寸约为1~2 μm且位置分布不均匀的空隙,缩短了界面处元素的扩散距离,影响了界面的冶金结合,导致了板尾部试样剪切强度值小于板中部。

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[14]GB/T6396—2008,复合钢板力学及工艺性能试验方法[S].

FENG Xuenan 1 , ZHOU Yong 1 , TIAN Lei 2,3 , WANG Lei 1
(1.School of Material Science and Engineering,Xi’an Shiyou University,Xi’an 710065,China;2.Steel Pipe Research Insitute of Baoji Petroleum Steel Pipe Co., Ltd.,Baoji 721008,Shaanxi,China;3.Chinese National Engineering Technology Research Center for Petroleum and Natural Gas Tubular Goods,Baoji 721008,Shaanxi,China)

Abstract: For the development of Q235B/304 bimetal composite pipe for corrosive medium transportation,the microstructure,alloy element distribution and shear strength in the interfacial position of the middle and tail of the Q235B/304 bimetallic composite steel coil were analyzed by OM,SEM,EDS and shear test.Experimental results show that in the given composite coil,the highest shear strength appears at middle position of the coil and the average value is 350 MPa,the lowest shear strength appears at tail of the coil and the average value is 194 MPa.The diffusion distances of the main alloying elements Cr and Ni in the composite interface at the middle position are about 2~3 times higher than those at the tail.The high-temperature oxides of Fe are present at the joint interface of the two sites,and the tail joints have a large number of interspace about 1~2 μm at the composite interface.The interspace has a certain influence on the shear strength of the interface.

Key words: Q235B/304 bimetallic composite coil;composite interface;shear strength;diffusion distances;interspace

Test Analysis of Bonding Strength of Q235B/304 Hot Rolled Composite Steel Coils

DOI: 10.19291/j.cnki.1001-3938.2018.08.005

文献标识码: A

作者简介: 冯雪楠(1992—),男,陕西扶风人,硕士研究生,主要研究方向为焊接金属材料的表征。

中图分类号: TG142.1

收稿日期: 2018-06-26

编辑:李红丽