韓 鵬 宋廣龍 李文斌 陳 華 隋松巖 黃 松 王明林

近年來，伴隨著國家鐵路高鐵戰(zhàn)略實施，特大型鋼結(jié)構(gòu)橋梁建設(shè)項目逐年增多。為了保證鋼結(jié)構(gòu)橋梁的使用壽命達到100年的設(shè)計目標，須提高鋼材耐腐蝕能力。目前，業(yè)界普遍采取定期涂漆的方式解決材料的腐蝕問題。由于橋梁橋面系結(jié)構(gòu)的特殊性，橋面板與瀝青、混凝土等接觸的部分無法實現(xiàn)定期涂漆養(yǎng)護，易發(fā)生酸性介質(zhì)造成的橋面板表面腐蝕、氧化鐵皮剝落現(xiàn)象，直接影響了整體橋梁結(jié)構(gòu)安全。開發(fā)Q370qE+S31603不銹鋼復(fù)合橋面板可有效解決此問題。該材料既具有不銹鋼的耐腐蝕能力，又有橋梁鋼的強度，可全生命周期保證結(jié)構(gòu)安全。

金屬復(fù)合材料是利用復(fù)合技術(shù)使同種或者不同種類的金屬，在界面上實現(xiàn)牢固結(jié)合而制成的一種新型復(fù)合材料。金屬復(fù)合材料在保持母材金屬特性的同時與復(fù)層材料形成“相補效應(yīng)”，而彌補各自的不足，經(jīng)過恰當(dāng)?shù)慕M合獲得優(yōu)異的綜合性能，被廣泛地應(yīng)用于汽車、橋梁、飛機、環(huán)保設(shè)備和化工設(shè)備、制造等方面。盡管組元金屬仍保持各自原有的特性，但復(fù)合金屬材料的物理、化學(xué)、力學(xué)性能比單一金屬優(yōu)越得多。制備金屬復(fù)合材料的主要方法有：鑄造復(fù)合法、爆炸復(fù)合法、軋制復(fù)合法、擠壓復(fù)合法和擴散焊接法等。本文主要研究采用軋制法生產(chǎn)Q370qE+S31603不銹鋼復(fù)合板，并對相關(guān)性能和組織展開綜合研究、評價。

1.實驗材料與方法

1.1 實驗材料

實驗材料為橋梁用鋼Q370qE和奧氏體不銹鋼S31603，其化學(xué)成分見表1。

表1 Q370qE和S31603的化學(xué)成分 wt，%

1.2 復(fù)合組坯方案

軋制法不銹鋼復(fù)合板的生產(chǎn)流程主要包含以下步驟：表面處理、組坯、焊接、真空處理、軋制復(fù)合、機械性能檢驗。在組坯時首先要對加工后的坯料進行表面處理以去除表面氧化層，在此基礎(chǔ)上采取橋梁鋼-不銹鋼-隔離劑-不銹鋼-橋梁鋼的順序?qū)⑴髁洗龔?fù)合面重疊組合，然后進行埋弧焊接，焊接后對腔體內(nèi)側(cè)抽真空處理。需要注意的是，采用埋弧焊焊接封邊的技術(shù)制備不銹鋼復(fù)合板，需在埋弧焊焊接前用邊條將中間不銹鋼圍起來，一是可防止復(fù)合坯料在吊裝時中間不銹鋼錯位，影響后續(xù)的埋弧焊接；二是可防止埋弧焊時焊劑進入復(fù)合界面，影響復(fù)合效果。

1.3 復(fù)合坯軋制

將Q370qE+S31603不銹鋼復(fù)合坯在連續(xù)式加熱爐內(nèi)加熱，加熱段控制在 1200℃±15℃，均熱段控制在1150℃±15℃，在爐時間3～5小時，出爐溫度在1135℃以上。在軋制之前用高壓水充分除鱗，除鱗水壓力≥18MPa，板坯開軋溫度控制在1100℃±15℃，粗軋階段軋輥采用低轉(zhuǎn)速，各道次壓下率控制在20%以上，精軋階段累計壓下率不小于75%；二階段開軋溫度880℃±20℃，終軋溫度820℃±20℃，入水溫度720℃±20℃，返紅溫度≤300℃。軋制后進行回火處理，回火溫度550℃±10℃，回火速度為2.5min/mm。

2.實驗結(jié)果與討論

采用上述橋梁用鋼Q370qE和奧氏體不銹鋼S31603做不銹鋼復(fù)合板的基材和覆材，利用上述復(fù)合坯組坯工藝和不銹鋼復(fù)合板軋制工藝，成功制備了厚度規(guī)格為16+3mm的Q370qE+S31603不銹鋼復(fù)合板。產(chǎn)品板形平直，按照GB/T 2970進行超聲波探傷，判定結(jié)果顯示I級合格；按照GB/T 8165的規(guī)定進行超聲波探傷及判定，結(jié)果顯示界面結(jié)合率達到100%。

2.1 復(fù)合板力學(xué)性能

為驗證軋制后的不銹鋼復(fù)合板力學(xué)性能，按照復(fù)合鋼板力學(xué)及工藝性能試驗方法（GB/T 6396）進行取樣，并檢驗拉伸、冷彎和沖擊性能，典型規(guī)格性能見表2。可以看出，復(fù)合板的常規(guī)拉伸檢驗結(jié)果為屈服強度494MPa，抗拉強度600MPa，延伸率27%，完全滿足基材Q370qE的標準指標要求，符合GB/T 8165-2008《不銹鋼復(fù)合鋼板和鋼帶》標準中復(fù)合板強度不小于基層對應(yīng)厚度鋼板標準值的規(guī)定，并由于屈強比為0.82，小于0.85的標準值要求，保證了橋梁結(jié)構(gòu)的服役安全性。冷彎性能檢驗進行180度內(nèi)彎和外彎檢驗，從彎后試樣上看，基材和覆材的界面結(jié)合良好，未見肉眼可見明顯裂紋及分層，冷彎結(jié)果合格，同時按照10×10×55mm的試樣尺寸取樣進行-40℃夏比沖擊性能檢驗，沖擊值分別為208J、222J和219J，完全滿足鐵路橋梁項目要求的沖擊功大于等于120J的規(guī)定，表明復(fù)合板具有良好的低溫韌性。

表2 Q370qE+S31603的機械性能

2.2 晶間腐蝕性能檢驗分析

根據(jù)不銹鋼S31603通常使用環(huán)境，本試驗采用硫酸-硫酸銅試驗方法進行Q370qE+S31603不銹鋼復(fù)合板的晶間腐蝕性能評價。按照標準GB/T 4334-2008《金屬和合金的腐蝕-不銹鋼晶間腐蝕試驗方法》中，方法E-不銹鋼硫酸-硫酸銅腐蝕試驗方法的規(guī)定：取不銹鋼復(fù)合板試樣400×400mm，并加工成h×20×100mm的腐蝕片，對比試樣方案見表3。

表3 晶間腐蝕試驗方案

GB/T 4334標準規(guī)定加工后的試樣表面粗糙度Ra值不大于0.8um，本試驗的晶間腐蝕試樣經(jīng)檢測，粗糙度Ra均在0.60um以下。

將100g復(fù)合標準要求的分析純硫酸銅溶于700mL去離子水，再加入100mL純硫酸，用去離子水稀釋至1000mL，最終配置成硫酸-硫酸銅溶液；在燒瓶底部鋪上一層純銅粒，將加工好的晶間腐蝕試樣放置在銅粒上，并保證每個試樣與銅粒接觸但每個試樣之間不相互接觸，然后在試樣裝置上加熱并保持16小時微沸。試驗完成后將試樣洗凈、擦干，在WB-1000彎曲試驗機上進行彎曲。

晶間腐蝕試樣在10X放大鏡下進行觀察，結(jié)果發(fā)現(xiàn)1#、2#試樣沒有任何裂紋，將試樣旋轉(zhuǎn)180度后觀察1#、2#試樣也沒有任何裂紋，晶間腐蝕結(jié)果合格。

2.3 316L/Q370qE 不銹鋼復(fù)合板的剪切性能

界面結(jié)合質(zhì)量是評價不銹鋼復(fù)合板綜合性能的核心指標。評價界面結(jié)合質(zhì)量的力學(xué)測試方法主要有彎曲試驗、剪切試驗等，其中彎曲試驗無法定量評價性能結(jié)果，而剪切試驗因試樣加工簡單，測試便捷，已經(jīng)成為常用的可定量測量不銹鋼復(fù)合板界面結(jié)合強度的試驗方法。

按GB/T 6396-2008《復(fù)合鋼板力學(xué)及工藝性能試驗方法》取兩個剪切試樣，剪切面寬度為1.5mm。在剪切試樣加工制備過程中，需將復(fù)合界面與加工平臺一齊或低于加工平臺的方法加工剪切試樣，便于得到穩(wěn)定并趨于真實的剪切強度。在油壓壓下設(shè)備上檢測剪切強度分別為336MPa和350MPa，完全滿足橋梁用不銹鋼復(fù)合板剪切強度大于等于300MPa的規(guī)定，也遠高于國家標準規(guī)定的大于等于210MPa的標準規(guī)定，說明復(fù)合界面結(jié)合良好，已實現(xiàn)完全冶金結(jié)合。

2.4 組坯過程控制不當(dāng)對不銹鋼復(fù)合板界面性能的影響

2.4.1表面處理不當(dāng)對復(fù)合板界面組織性能的影響

不銹鋼復(fù)合板的碳鋼基材需先經(jīng)表面銑削，去除表面較厚的氧化鐵皮，不銹鋼復(fù)板則使用手推式砂帶機將表面清理干凈，同時使用丙酮或酒精將表面殘留的油跡去除干凈。但是，基材的表面在銑削處理后的儲存過程中會產(chǎn)生較薄的氧化膜，局部位置會產(chǎn)生較為嚴重的銹層。

通過對界面含有顆粒狀夾雜物的不銹鋼復(fù)合板剪切性能分析，平均剪切強度大于300MPa，且不同測試位置存在較大的波動，這是由于界面夾雜物分布不均勻引起的剪切性能差異。當(dāng)復(fù)合坯料的表面殘留部分氧化薄膜時，復(fù)合板的性能可以達到項目指標要求，但是當(dāng)界面聚集較多的夾雜物時會嚴重惡化界面結(jié)合強度，導(dǎo)致復(fù)合板界面探傷不合格。

2.4.2涂覆不當(dāng)對復(fù)合板界面組織性能的影響

本方案采用對稱組坯的方式可保證不銹鋼與碳鋼基材在軋制過程協(xié)調(diào)變形。為使不銹鋼之間只能在熱軋后順利分離，且不影響不銹鋼的表面質(zhì)量，不銹鋼之間要涂覆合適的隔離劑。涂覆隔離劑時需添加一定量的水，使其均勻噴涂在不銹鋼表面，之后要充分烘干。由于復(fù)合板坯料較大，若烘干時間不足會導(dǎo)致隔離劑中含有水分，在后續(xù)的加熱過程，水蒸氣會進入待復(fù)合界面，導(dǎo)致界面氧化，產(chǎn)生明顯的界面夾雜物，降低了結(jié)合強度；由于本方案所采用的特殊組坯方式，內(nèi)部不銹鋼并未進行封焊，在吊裝翻轉(zhuǎn)過程隔離劑會發(fā)生相對運動，易導(dǎo)致脫落，細小的隔離劑會沿邊部縫隙進入到待復(fù)合界面，導(dǎo)致邊部復(fù)合界面嚴重分離，降低復(fù)合板成材率，嚴重時將導(dǎo)致整個復(fù)合板報廢。

3.結(jié)論

(1)采用真空焊接組坯-控軋控冷+回火工藝路線可生產(chǎn)橋梁用不銹鋼復(fù)合板Q370qE+S31603，復(fù)合板的結(jié)合界面未發(fā)現(xiàn)孔洞、裂紋等未結(jié)合區(qū)域，同時也沒有發(fā)現(xiàn)大顆粒的析出物及氧化物夾雜等，復(fù)合板界面實現(xiàn)了良好的冶金結(jié)合。

(2)橋梁用不銹鋼復(fù)合板Q370qE+S31603的屈服強度為494MPa，抗拉強度為600MPa，伸長率為27.0%，-40℃縱向沖擊吸收能量平均值為216J，剪切強度平均值為343MPa，180度內(nèi)彎曲和外彎曲合格，復(fù)材S31603的晶間腐蝕合格，復(fù)合板各項力學(xué)性能均滿足GB/T 8165標準要求。

(3)嚴格組坯過程質(zhì)量管理，做好界面處理、隔離劑涂覆工作，可以有效減少氧化物、夾雜物等對復(fù)合界面的污染，提高界面結(jié)合力。

參考文獻略