扩散复合不锈钢／碳钢双金属管界面组织与性能

第25卷 第4期 2004年3月 大 连 铁 道 学 院 学 报 J0URNAL OF DALIAN RAILWAY INSTITUTE V01．25 No．4 Mar．2004 文章编号：1000—1670(2004)O1—0065一o4 扩散复合不锈钢／碳钢双金属管界面组织与性能 晋军辉，刘世程，陈汝淑，刘德义，戴雅康 (大连铁道学院 科学与工程系，辽宁 大连 116028) 摘 要：对不锈钢内管和2O钢外管进行面清理、套装拉拔、端头密封，然后在内管中气体压力作用下在 1050~C进行扩散退火．用扫描电镜观察了界面形貌、界面附近的组织，测定了界面显微硬度和剪切强度 结果 得到，内压扩散复合法可使内外管界面实现冶金结合，其剪切强度可达400 MPa以上． 关键词：双金属管；不锈钢；扩散复合；剪切强度 中图分类号：TC,406 文献标识码：A 复合金属管是应用先进的金属复合技术，将物理、化学、力学性能不同的基层管和覆层管在界面实现 牢固冶金结合而制备的一种新型复合材料．基层管多为碳钢或低合金钢，强度和刚度较高、价格便宜；覆层 管为价格昂贵的铜合金、不锈钢、镍合金等，具有耐蚀、耐磨、导热性好等优点．复合金属管的物理、化学、力 学性能优于单一金属管，可提高传统材料的性能和使用寿命并扩大其应用领域，且价格便宜、节省资源．其 中内复合双金属管是覆层在基层钢管内壁的双金属复合管，可代替价格昂贵的单体金属管用作耐腐蚀物 流输送用管道材料等，在机械、化工、石油化工、能源、环保、海水淡化、制药、食品加工等领域有广阔应用前 景．食用油冷却器用铜／钢复合管，海水淡化装置取水管用铜合金／钢复合管，石油、天然气管道用不锈钢／ 钢复合管、镍合金／钢复合管等结构与功能复合的双金属管，在国外已经得到广泛应用 ’¨引，但国内复合金 属管的研究开发还很少． 国外研究较多的复合金属管制作技术有爆炸复合法川、离心铸造法 、热加工法 J、复合板焊接法L4 等．与其它相比，冷拔一热扩散法是一种比较简单的复合管制作方法．文献[5]对双层管的冷拔过程 进行了，文献[6]采用内压扩散法对内包覆铜／钢双金属管的复合进行了研究．本文对内复合金属管 中应用最广泛的不锈钢／钢双金属管的内压扩散复合进行了研究． 1 试验材料与方法 试验用内管为0Crl8Ni9奥氏体不锈钢薄壁焊管，外径为 19．8 mm，壁厚为0．5 mill，主要合金元素含 量为：0．06C，l8．12Cr，8．12Ni(质量百分数)．外管为20钢无缝钢管，外径为25ram，壁厚为2．5 InlT1． 对不锈钢管的外表面进行去油脂处理和刷洗清理．对20钢管的内表面进行去油脂、酸洗后，再进行刷 洗清理．将不锈钢管装人 20钢管，经过模具拉拔，在不锈钢管内腔中装入碳氮有机化合物，两端密封．碳氮 有机化合物加热时气化产生约为 7MPa的压力，使内、外管界面问互相产生压力作用．在上述内压力及 1050~C ¨ 下对试样进行不同时问的扩散退火，然后空冷． 用扫描电镜(SEM)观察内外管界面及两侧的金相组织，浸蚀液为王水(加人少量甘油)．用 FM一700 型显微硬度计测定界面两侧的显微硬度，所加载荷为0．98 N． 用线切割方法，从图1(a)所示位置切取图 1(b)所示的剪切试样，在 LDS一500型拉伸试验机上进行 剪切试验以测定界面结合强度 J，试验时的加载方向如图1(b)所示(由于管子有弧度，剪切试样为圆弧 形．但由于试样宽度很小，可将其近似看成为平板试样)． 收稿日期：2003—05—20 作者简介：晋军辉(1976一)，男，硕士在读 维普资讯 http://www.cqvip.com 大 连 铁 道 学 院 学 报 第25卷 (a) 取样位置示意图 2 试验结果 ， 不 钢 、、、、、、 、、、‘ ．、、 ～ ／／／ 剪切 ／／／／ ／／。J 截面 Y／l／／．’ 图 1 剪切试样示意图 碳钢 (b) 剪切试样及加载方向 2．1 界面及组织的 SEM 观察 拉拔后但未进行扩散退火的双层管的界面形貌及两侧组织的SEM照片示于图2(a)．除局部接触外， 在显微观察下界面(如图2中箭头所指)为一条宽度为 5～lO m的缝隙，碳钢侧为均匀的铁素体和珠光 体组织，不锈钢侧为单相奥氏体组织． 1 050℃不同时间扩散退火后界面附近区域的SEM照片见图2(b)～2(d)．经扩散退火后，内外管界 面产生结合．随扩散时间延长，结合面积逐步增大而缝隙面积逐渐减小．1 h扩散退火后，已有较大面积的 界面发生结合，但未结合的缝隙较多．2 h扩散退火后，结合面积大大增加．4 h扩散退：尺舌整个界面基本全部结合． (a)未退火 (c)2 h扩散退火 (b)1 h扩散退火 (d)4 h扩散退火 图2 不同时间扩散退火后界面附近区域的SEM照片 高温扩散退火后界面两侧晶粒均有明显长大．除此之外，在界面附近数十微米范围内的碳钢中，珠光 体组织明显有所减少．与此同时，在界面附近不锈钢侧，观察到基体中分布有大量细小的第二相组织．随扩 散时间延长，出现第二相的区域变宽．在高温下，C、Fe、Cr、Ni等原子将越过界面进行扩散．由于 C原子尺 寸很小，且 C与 Cr的亲和力远大于C与 Fe的亲和力，因此在高温下 C原子从碳钢一侧越过界面向不锈 维普资讯 http://www.cqvip.com 第l期 晋军辉等：扩散复台不锈钢／磺钢双金属管界面组织与性能 67 钢中扩散的距离较远，且在一定条件下可能形成cr的碳化物．c原子从碳钢侧向不锈钢侧的扩散将使界 面附近碳钢中的珠光体组织减少，而不锈钢侧的第二相则可能是cr的碳化物．文献 [10]报导了碳钢与 不锈钢热轧复合界面附近碳钢侧碳含量降低、不锈钢侧碳含量增加．对于不锈钢侧的组织，根据 C,bmez X 等 的报导，也可能为马氏体，因此有待进一步研究． 2．2 界面附近的显微硬度 碳钢与不锈钢结合界面附近的显微硬度分布如图3所示．距界面100 m以外的碳钢和不锈钢的显微 硬度与扩散退火时间无关，为一定值．随扩散时间的延长，界面处显微硬度提高，这与上述组织变化基本 一 致． ＼ 图3 界面附近的显微硬度 700 600 500 蔓 400 毫 300 蜜 200 100 0 一 - 一 — — ／ ‘ 0 l 2 3 4 扩散时间／h 图4 结合界面剪切强度与扩散时间的关系 2．3 界面结合强度 对1 050℃温度下1 h、2 h、4 h扩散退火试样，进行了界面剪切强度试验，结果见图4．作为对比，图4 中同时示出了日本工业标准 JIs规定的不锈钢／碳钢复合板材剪切强度值 “ ．由图4可以看出，本研究中 不锈钢／碳钢复合管的界面剪切强度，在 1 050℃一1 h扩散退火后，约为420 MPa，1 050 oC一4 h扩散退火 后，约为520 MPa，均大大超过 JIS规定的200 MPa的剪切强度值． 3 界面复合过程分析 在异种金属固相扩散复合中，在压力和温度的共同作用下，界面将经历不同的变化阶段，每个阶段对 界面的结合强度都有很大的影响．文献[12]认为，固相扩散复合过程大致可以分为三个阶段．第一阶段是 物理接触的形成阶段，也就是被复合材料的原子依靠塑性变形，在整个界面上相互接近到能够引起物理作 用的距离．这时，位错消失而使塑性材料的接触表面激活，形成弱化学键的条件．第二阶段使接触表面激 活，形成激活中心，然后在界面两侧之间产生物理和化学的相互作用，最后形成化学键，所以也称化学相互 作用阶段．已经使物理接触面实现化学结合后，金属材料通过结合面向四周扩散的阶段叫第三阶段．在国 外文献中，通常也称为“体”的相互作用阶段．在这一阶段，既要在接触面上形成牢固的化学键(结合)，又 要从接触的“面”发展到“体”，并最终实现牢固的冶金结合． 在本研究的双层管的扩散复合中，界面变化阶段可用图5表示．最初，在直接套装而未拉拔的情况下， 由于内管外径比外管内径小，内外管表面互不接触，且两者间有很大间隙(图5(a))．经过拉拔塑性变形 后，宏观上看，内外管表面已经紧密接触，但在微观上，接触面积仍很小，且有一定间隙(图 5(b)，图2 (a))．在 1 050℃退火时，如果不加压力，界面很难结合．对于本试验中的管状材料，用机械方法施加压力 有一定困难，而通过内管中的气体介质施加压力则十分方便．如上所述，本试验在内管中填充碳氮有机化 合物，加热后将气化、分解，产生约 7 MPa的压力，均匀作用于内管所有部位．在这一压力作用下，内外管界 面在高温下产生微观塑性变形，使物理接触面积增大(图5(C)，图2(b))，并形成化学结合面．如果温度 足够高、时间足够长，则通过原子的晶界扩散、表面扩散和体扩散等过程，使缝隙渐渐消失，直到最后完全 结合(图5(d)，图2(c)、2(d))． 维普资讯 http://www.cqvip.com 68 大 连 铁 道 学 院 学 报 第25卷 (a)套装后的表面状况 (b)经过拉拔冷变形后的界面状况 (c)加压加热后的界面状况 (d)高温扩散后界面状况 图5 双金属管界面复合过程示意图 4 结 语 (1)采用表面清理、套装拉拔、在内压力作用下扩散退火的方法，可以使不锈钢内管与低碳钢外管之 间实现牢固冶金结合，其界面剪切强度可达400 MPa以上． (2)在 1 050 oC进行 1 h～4 h的扩散退火时，由于 C原子等的扩散，界面附近微观区域中有第二相形 成．随扩散时间延长，第二相分布带变宽，界面硬度提高，界面剪切强度也提高． 参考文献： [1] 顾建忠．国外双金属钢管的用途及生产方法[J]．上海金属，2000，22(4)：88-92 [2] 凌星中．内复合双金属管制造技术[J]．焊管，2001，24(2)：43． [3] C~mez X，Echeberria J．Microstructure and mechanical properties of low alloy steel T1 1一austenitic stainless steel 347H bi． metallic tubes[J]．Materials science and technology，2000，16：187． [4] TSUJI M，KOBAYASHI Y，KITADA T．High Nickel alloy clad pipe by UOE process for H2S—CO2一C1 environment[J]． presemed at the Seventh International Conference on Offshore Mechanics and Arctic Engineering，Houston，Texas—Februar- Y，1988．7—12． 杨贵平，王智祥 ．双金属管衬拉复合拉拔力的计算[J]．中国有色金属．1998，8(3)：447—452． 孟 杰，刘世程，刘德义，陈汝淑，戴雅康．内包覆铜钢双金属管内压扩散复合工艺研究[J]．大连铁道学院学报，2002， 23(4)：79—81． 席正海．国外双金属复合管生产工艺[J]．四川冶金，1989，4：52—58． 黄 伟，周世平，杨富陶，孟 亮．我国层状复合电触头材料的研究现状及进展[J]．材料导报，2001，15(8)：26—28． 赵红亮，楼琅洪，胡壮麒，温景林 ，齐克敏．反向凝固高温轧制带坯及冷轧带的界面结合与力学性能[J]．金属学报， 2001，37(11)：27—33． 平野贤一．冈田健 ．技术者 掂散入门[M]．束京：共立出版株式合社，1984．102—104． 迎 静雄 ，西尾一政，加藤光昭．真空庄延接合法 异种金属 接合[J]．熟虞理，1992，32(3)：120—123． 何康生，曹雄夫．异种金属焊接[M]．北京：机械工业出版社，1986． Interface M icrostructures and Properties of Stainless Steel Carbon Steel Bimetallic Composite Tube by Diffusion Bonding JIN Jun—hui，LIU Shi—cheng，ChEN Ru—shu，LIU De—yi，DAI Ya—kang (Dept．of Materials Science and En~neefing Dalian Railway Institute，Dalian 116028，China) Abstract：After cleauingg，nesting，drawing and end sealing，an assembw of stainless steel and 20 carbon steel tubes Was annealed at 1 050~C with carbamide atomosphere．The morphology and microstructure near the interface were examined by scanning electronic microscope (SEM)，and the microhardness and shear strength of the interface were also tested．The results show that inner tube and outer one Can be metallurgical bonded with inner pressure diffusion annealing．The shear strength ofthe interface is over400MPa． Key words：bimetallic tube；stainless steel clad；diffusion composition；shear strength ¨ I= 维普资讯 http://www.cqvip.com