不锈钢复合板的生产工艺及用途

不锈钢复合板的生产工艺及用途为了更好地能使不同性能的钢材充分发挥其特性，早在 8世纪印度发明了大马士革钢，用于制造锋利无比的刀具， 使其在具有较好的韧性和较高的硬度， 刀上可以具有非常锋利的刀锋 . 而且也非常坚韧而不会折断尖锐而不脆断，这就是两种不同钢材复合而成的大马士革钢， 也是人类历史上最早浇注复合法生产的复合钢。我国 50年代中期用浇注复合法生产复合钢锭再经热轧是， 轧制成窄幅钢板制造农用犁刀和民用厨用刀具。近几年不锈钢因具有良好的不锈和耐蚀特性而得到广泛应用, 但由于不锈钢中含有高比例的镍铬等稀贵金属而使其价格居高不下。但由于镍价飙升 , 导致含镍较高的 300系不锈钢价格波动较大 , 使得不锈钢生产企业不得不加大开发低镍和无镍不锈钢。即便如此 , 不锈钢的价格仍然很高 , 如200系和 400系不锈钢的价格均在每吨价格也在普碳的两倍以上。因此 , 开发不锈钢的替代产品已经成为世界各国材料研究人员关注的重要课题。不锈钢复合板材通常是以不锈钢做面材 , 以普通低合金钢或其它合金材料为基材 , 通过一定连接方式结合成一体的复合板材 , 兼具不锈钢和其它合金材料的优点 , 在价格上具有同规格纯不锈钢无法比拟的优势。 因此 , 不锈钢复合板材自诞生以来就一直受到人们的高度重视。 金属复合板的研究最早是美国于 1860年开始的 , 工业性生产始于 20世纪 30年代。当时美国为了降低成本 , 提高强度 , 开始了镍复合钢板的生产。 20世纪 30年代 , 苏联也对铝、锡、钢等金属与合金的复合材料进行了初步研究 , 所采用的生产工艺主要有轧制法、铸造法、爆炸法、扩散焊接法等。其中 , 对冷轧复合法的工艺及力学性能研究较为深入 , 试生产了 08F钢基体上复合 1828型不锈钢的三层耐蚀复合板。 20世纪 50-60 年代 , 英国伯明翰大学等单位对固相复合进行了较为系统的研究 , 取得了很大成就。日本在复合材料方面的研究虽较晚 , 但进步迅速 , 近年来成为从事金属复合材料研究最多的国家之一。我国的复合板研制始于 20世纪 60年代初 , 主要方法有爆炸焊接、爆炸焊接 + 轧制、热轧、冷轧等 , 主要研究单位有上海钢铁研究所、东北大学、北京科技大学、武汉科技大学等。目前 , 太钢、昆钢、柳钢等已实现不锈钢的复合生产。经过一个多世纪的发展 , 不锈钢复合生产技术不断提高 , 生产方法也日益增多 , 目前大致可归结为固 +固相复合法、液 +固相复合法以及液 +液相复合法三大类。图1 给出了金属复合板材的生产方法。图 1金属复合板生产方法1 固+固相复合法固+固相复合法相对比较成熟 , 种类也比较多。主要包括焊接复合法、直接轧制复合法、焊接 + 轧制法、涂层复合法等。 其中 , 在焊接复合法中 , 根据焊接方式的不同 , 又包括爆炸焊接、钎焊法、扩散焊接法等。同时 , 在焊接成形以后 , 一般都需要进行压力加工 , 最终获得大幅面的复合板材 , 故焊接法通常与轧制法相结合 , 形成焊接 + 轧制复合法。在涂层复合法中 , 根据获得涂层方法的不同 , 又可分为热喷涂层法、喷射沉积法、感应熔涂法、自蔓延涂层法等多种方法。这些方法通常也会与轧制相结合 , 以获得表面光洁、结合强度高的复合材料。图2爆炸复合工艺1 1 爆炸焊接复合法利用炸药爆炸产生的爆轰波的冲击作用, 使被复合的金属和基体金属产生相互撞击, 极短时间内 , 在两者表面形成一层很薄的塑性变形区, 结合面之间发生机械及冶金结合, 实现两种金属的焊接, 如图 2 所示。该方法是集压力焊、熔化焊和扩散焊三位一体的焊接方法。爆炸焊接复合法有以下几方面优点:(1) 可使熔点、 强度、热膨胀系数等性能差异极为悬殊的金属实现复合, 如 : 铝 +铜、铅 + 钢等 ；(2) 该法是在瞬间完成 , 其复合界面几乎没有扩散或者仅有程度很小的扩散 , 因而可避免脆性金属化合物的生成 , 可实现诸如钛 +钢、铝 +钢、钽 +钢等金属的复合 ；(3) 可实现异形件的复合 , 可对金属管材进行外包与内包复合, 还可以进行一次多层复合等 ；(4) 复合材料的结合强度高于其它方法, 而且速度快。其缺点是由于射流的作用使复合界面呈波浪形, 同时由于炸药的存放、爆破地点的选择、噪音的处理、人身安全的保障及污染严重等一系列问题而使得该法不易被推广使用。目前,爆炸复合技术在国内外多学科学者的努力下, 已经取得了比较完备的发展, 成为一门广泛应用于宇航、石油、化工、机械、原子能等工业工程领域的比较成熟的复合技术。我国太钢、 四川宜宾、 辽宁大连等很多生产厂家就是采用爆炸复合方法生产不锈钢复合板的。1 2爆炸焊接 + 热轧法该方法将经爆炸焊合的复合板作为原料来进行热轧, 最终获得大幅面的复合板、带的方法, 兼有爆炸焊接法和热轧法生产的优点。增加了生产的灵活性, 便于推广 , 缺点是产量、生产率及成材率都比较低, 产品质量差 , 尺寸精度低。爆炸焊接和传统压力加工技术( 轧制、冲压、锻压、拉拔等)的联合是爆炸焊接技术的延伸和发展, 它使复合板的性能有很大改善,特别是以前很难达到技术要求的界间剪切强度得到明显的提高。在复合板的开发研制中, 许多单位不仅研究了生产工艺, 对复合界面成分、组织结构的变化及对性能的影响也进行了研究。太钢、重钢五厂、北京矿务局爆炸加工厂、营口中板厂、宝鸡钛业等已采用该法生产出不锈钢复合板7 。1 3直接轧制复合法热轧复合的基本原理是将两种表面洁净的金属相互贴合在一起, 有时也将边缘焊接封严 ,在一定的温度和轧制压力作用下实现异种材料的冶金结合。热轧复合时界面容易结合, 但必须注意加热温度和保温时间的控制, 以防有害金属化合物的生成。热轧复合对轧机的要求不高, 生产效率也较爆炸复合等要高, 可进行热轧复合的材料种类也很多。但也有其局限性, 工艺复杂 , 界面结合强度不高, 复合材料的厚度沿轧制方向可能不均匀, 每对板坯的厚度比的差异有可能造成最终产品性能的不稳定等。冷轧复合法是凭借大压下量的冷轧将重迭的二层或多层金属轧制贴合在一起,使其产生原子结合 , 并随后通过扩散退火, 使之强化。与热轧复合法相比, 冷轧复合时的首道次变形量更大 , 一般要达到60%-70% , 甚至更高。冷轧复合的优点在于省去了其它各法的精整工序,从冷轧带坯开始生产, 能够成卷轧制 , 并且组元层间的厚度比均匀, 尺寸精确 , 层间也不会出现热轧复合时普碳钢中的碳向不锈钢一侧扩散的情况, 产品性能稳定 , 可以实现多种组元的结合。但冷轧复合轧机的投资大 , 冷轧复合无法生产厚度较大的产品, 使其应用受到一定程度的限制。1 4钎焊热轧法钎焊是采用比母材熔点低的金属材料作钎料, 将工件和钎料加热到高于钎料熔点但低于母材熔点的温度 , 利用液态钎料润湿母材、填充接头间隙并与母材相互扩散实现连接的焊接方法。与传统的熔焊比较 , 钎焊的最大特点是母材不熔化, 焊接温度低 , 焊接变形小 , 焊件尺寸精度高 , 可进行封闭焊接。钎焊 +热轧法生产不锈钢复合板投资少、成本低、工艺独特、规格多样齐全 , 克服了爆炸法生产工艺无法解决的工艺特性, 有效的解决复合层接口处的分体现象 , 可提高复合界面的结合强度, 从而提高复合成功率。 该方法在经过表面处理的复材与基体之间置放一种助焊合金, 将组合件放入真空或气氛炉内进行钎焊, 焊接牢固后再进行热轧或冷轧至成品厚度。 焊接时 , 钎料的主要作用是提高两层之间的润湿性, 使两表层间达到原子间结合 , 从而提高复合材料的结合强度。因此, 所用钎料的熔点必须低于母材熔点, 同时必须具有较高的连接强度。目前, 昆钢和柳钢均采用该法生产不锈钢复合板。1 5喷射沉积轧制法利用喷射沉积技术将一种合金熔体喷涂在另一种基体金属表面, 使基体金属表面具有较高的耐酸碱腐蚀、耐磨损和装饰性等功能,如图 3所示。人们已经利用该技术开发出制备复合钢板的实验装置 , 取得对实际生产有重大参考价值的实验结果和分析结论, 为进一步大批量生产高质量的复合钢板新工艺提供理论和实验依据。该方法的主要的研究内容有: 利用喷射沉积法制备高结合率复合钢板工艺的可行性分析;利用喷射沉积法制备复合钢板的实验装置设计; 选用不锈钢作为涂层材料 , 进行复合钢板的喷涂实验 ; 以不锈钢材料为前提 , 进行最佳涂层厚度的评判; 开发纳米材料喷涂新技术 , 用于局部损坏构件的再生修复等。图3多层喷射沉积复合工艺1 6感应熔涂轧制法感应熔涂是将不锈钢合金粉涂敷在基体钢材表面 , 在真空或保护性气氛下进行感应熔化 , 使得覆层与基材之间形成牢固的冶金结合。感应加热可使涂层熔制热源得到有效利用 , 降低对基体金属的热影响 , 同时 , 接合效率高。该法也存在一定缺点 , 例如 , 感应加热温度不均匀 , 熔涂界面质量不稳定等。该方法目前仍处于试验研究阶段。2 液+固复合法液 +固相复合法包括浇铸复合法、反向凝固法、喷镀复合法、铸轧法等。2 1浇铸复合法浇铸复合法是将两块不锈钢板叠合, 中间涂上剥离剂, 四周焊合后放在铸模进行组合, 将碳素钢液注人铸模内 , 在铸模内完成不锈钢和碳素钢的复合。为防止浇铸时不锈钢板氧化 , 形成表面夹杂 , 不锈钢外表面涂上防氧化剂。 待碳素钢液完全凝固后再进行轧制 , 轧后将焊合的边部切掉 , 即可得到两块单面不锈钢复合板。 为了避免复合层板被钢水熔化 , 钢板需要有一定的厚度 , 因而板厚受到限制。2 2反向凝固复合法反向凝固工艺是由德国冶金工作者于1989 年开发的一种薄带连铸工艺。该方法是将一定厚度的母带从反向凝固器内的钢液中通过, 使母带表面附近的钢水迅速降温, 在母带表面凝固形成新生相, 并在新生相处于半凝固状态时进行轧制, 得到表面平整、 厚度均匀的热轧薄带, 如图 4 所示。该技术是一种生产双金属复合材料的新型熔合技术,具有工艺简单、效率高、能耗低、产品质量高等优点, 可生产不锈钢覆层小于 l mm 的复合板材 , 能够实现生产过程的连续化和短流程化,但操作难度较大。图 4反向凝固法制备不锈钢复合板工艺2 3铸轧复合法此方法是将铸造法与轧制法结合起来, 固态金属热浸镀技术与液态金属铸轧技术的有机结合,将液态金属在半凝固状态与固态基体金属同时进入轧机实现复合。 为了有效地解决金属表面氧化问题 , 提高固、液相金属之间的润滑能力 , 在液 2固相复合过程中采用了钢板表面浸涂助焊剂的工艺。同时 , 为解决超薄复合层问题 , 采用了异步液 2固相轧制复合技术和反向凝固轧制复合技术。该方法主要适用于低熔点与高熔点金属的复合 , 可以连续生产、效率高、成本低。但目前该法的工艺条件还不成熟 , 有待于进一步完善。3 液+液相复合法液 +液相复合法主要是电磁连铸生产复合板法。其基本原理是借助于安装在结晶器下部的水平电磁场 , 将两种化学成分不同的钢液通过不同的浸入式水口同时注入结晶器进行结晶生产复合钢坯的连铸工艺, 如图 5 所示。由于在结晶器的下部安装了水平磁场, 作用在钢流上的洛仑兹力垂直穿过水平磁场, 抑制了两种钢液的混合, 而且水平磁场成为一个分界线, 依靠磁流体力的作用把结晶器熔池分为上、下两部分。通过结晶器冷却作用, 上部熔池的钢液凝固成复合钢坯的外层, 下部熔池的钢液在外壳的里边凝固形成钢坯的内芯。该法的主要优点:由于在结晶器内直接实现不锈钢和其它钢铁材料的复合 , 可避免出现结合界面的氧化、夹渣等情况 ; 由于是液 +液相结合 , 生产的不锈钢复合板界面结合强度更高, 也无需对基板表面进行活化处理; 可以根据用户的要求灵活地调整复合板的尺寸和复合层的厚度, 可用于大批量连续生产双面不锈钢复合板。该生产工艺操作容易 , 无污染 , 材料复合强度高, 适于大批量生产 , 而且可通过计算机模拟来实现工艺的最佳控制 ， 这是其它方法无法比拟的, 必会日益受到人们的重视。图 5电磁连铸复合工艺4综 述上述分析表明, 各种不锈钢复合板的制备方法各有优缺点, 难以完全互相替代。某些制备方法尽管流程短、成本低、 具有较强的竞争力, 如反向凝固法和电磁连铸法, 但工艺、 设备等还不够完善 , 需要进一步深入研究论证。某些方法尽管已经实现批量生产, 如爆炸复合轧制及钎焊轧制复合技术, 但在产品规格和生产成本等方面都具有很大的局限性。因此 , 不锈钢复合板材的研究需要不锈钢生产企业与冶金工作者继续共同努力, 进一步完善现有生产技术, 不断开发新的制备方法。5 不锈钢复合板的主要应用领域不锈钢复合板由于它可节约镍铬合金，可降低成本，价格低廉，因而被广泛用于石油、化工、 制盐制碱等行业， 用于取代全不锈钢， 甚至取代 B30 铜和蒙及尔合金，具有巨大的社会经济效益。 1988 年以后开始有批量商品进入国内市场。 2006 年以前中国各种不锈钢复合板的产量很少， 2008 年我国的不锈钢复合板产量仍徘徊在 10 万吨 / 年。但不锈钢复合钢板是我国国民经济不可缺少的钢材品种， 目前市场总需求已超过 100 万吨，不锈钢复合板市场缺口大。51不锈钢复合中板产品品种规格单面复合：不锈钢 +碳钢或普碳钢 +特殊钢双面复合：不锈钢 +碳钢 +不锈钢或不锈钢 +特殊钢 +不锈钢规格： (2-5mm)+(8-50mm)不锈钢：奥氏体钢，铁素体钢，奥氏体+铁素体钢，铁素体 +马氏体钢、马氏体钢碳钢或特殊钢：根据客户需求主要用途和用量不锈复合中板是我国国民经济不可缺少的钢材品种，其应用前景十分广阔，国内需求量近期为3 万吨，中期为 10 万吨 / 年。炼油和石化工业高硫、高盐、高酸度值原油的炼制， 其主要炼制设备如： 常减压塔、吸收塔、分馏塔、稳定塔均需用不锈复合钢板取代普通容器钢板来制造， 才能保证必要的寿命。为了满足高硫原油的高腐蚀性的挑战。 铁素体不锈钢复合钢是该行业首选的复合钢板仅此一项每年约需用 5000 吨以上。此外，随着对石油、天然气的开发和对高 H2S、SO2及含氮离子气田的开发，国内外采用不锈复合钢板作为输油、 输气管线，我国设计部门已经在考虑采用不锈复合的焊管。 此外石油化工如合成橡胶、 乙烯等石化产也将大量使用不锈钢复合钢板，保守估计仅大口径复合焊管一项每年约需 2000 吨。制盐制碱工业及其它化工工业我国基础化工产品名列世界前茅，普通制盐的母液蒸罐、真空制卤的蒸发室已普遍采用复合钢板取代塞焊板：化学工业的高压釜、 结晶器，贮藏槽等都已用上了不锈钢复合钢板， 只不过是大多是推焊制造的。 随着对不锈复合钢板的破坏机理的深入研究，在强腐蚀介质条件下采用复合钢板取代100%不锈钢的可能性愈来愈大。 70 年代引进的 13 套大化肥和自制的上百套小化肥设备的改造中，对不锈复合钢板的需求正在提上议事日程，仅化学工业一项每年需求量约1 万吨。电力工业水电工业中用于排沙底孔，导流底空的钢衬，以及船闸廊道、闸坂的衬板等，其基本要求是高耐磨性、 抗冲击性和适当的耐蚀性。每座大型水电厂大约需200 吨复合钢板，主要用于料仓、料斗、溜槽、脱水器等部位，不过近年来由于对环保要求的提高， 降底空气中的 SO2的烟气脱硫工程的出现， 不锈钢复合钢板将成为火电厂的首选材料， 每座火电厂特别是大城市的火电厂需另增双相不锈钢复合板 300-400 吨。建筑结构管用不锈复合钢管建设大型体育场馆的屋顶是集美观与经济于一体的永久型建筑设计。用爆炸法是难以生产出这种大复基比的复合材料的， 该项任务就自然地落到了轧制法的肩上，如果再铺之以抛光表面，则可抢到先机。金属镁精炼炉金属镁是重要的战物资源又是国民经济的基础资源， 精密铸造，及铝合金的制造等领域，我国生产 40 多万吨，其 90%以上是利用皮江法生产的。用该法生产出来的粗镁要在精炼炉中经过再熔和脱除杂质的精炼过程， 才能达到合格的产品。采用复合钢板制做的精炼炉可提高精炼炉的使用寿命。 2002 年全国金属镁产量已突破 40 万吨大关，产地集中在山西省和以山西为中心的周边省、河南省、内蒙、宁夏按现行的精炼炉寿命期产量计算每年需 2000 只精炼炉。需专用不锈钢复合钢板 2000 吨 / 年。贮运行业乙二醇、橄榄油、啤酒等液体的贮罐和专用槽车的制造现已逐渐采用不锈钢复合材料，年需求量不断增长，抛光复合板愈来愈受青睐。预计每年约 2000 吨。大口径工业焊管主要用于各种腐蚀介质的输送，高硫原油的输送等。此外，随着城市建设的飞速发展，煤气已成为居民燃料结构的主要组成部分，错综复杂的煤气管的防腐问题已成为城市安全防范目标之一，复合焊管的应用前景是乐观的。大型照明灯杆、路灯杆、旗杆随着城市建设的发展， 对耐腐蚀、美观典雅的匀变截面灯杆的需求已经提到议事日程上，目前市场上出现的包敷式的复合直管已无法满足各种造型的要求，而用轧制法生产出来的抛光复合钢板可制成各种变截面灯杆，效果十分理想。大中城市每条街约需这种材料200500 吨，前景十分看好。建筑用结构管抛光不锈钢复合中板是各种体育馆、展览馆球结点管结构的首选材料，不锈复合冷轧钢板和钢带产品说明不锈复合钢冷轧薄钢板是以深冲钢或用户指定的其它碳钢为层基，在两面整体地连续包覆一定厚度的不锈钢，然后施以热轧和冷轧而成和特种钢板。可广泛应用于建筑门窗、幕墙、轻工、食品医药卫生、环境保护等部门。近几年来在建筑门窗、幕墙、焊管方面的应用正在探索中前进。产品品种规格复合板总厚度： 3.0mm复合钢板宽度： 250 1200mm复合钢板长度：单张或卷复层厚度：双面对称型复合钢板复层厚1.0mm双面非对称型复合钢板复层厚1.0mm用于焊接工艺的复合钢板复层厚0.15mm基层钢号： 05AI08AI ，Q235B、201 等复层钢： 304、316L建筑行业的应用随着在建筑和高档建筑中对门窗材料的功能性、装饰性、工艺性诸项要求的提高，不锈钢冷轧钢板将是今后高层建筑、沿海建筑的首选最佳材料。 不锈钢门窗比铝合金门窗具有高得多的抗风载强度、保温性和抗腐蚀性等优点， 因而是当今最具有发展潜力的新型高档门窗用材，已经受到建筑行业选觉者的青睐。 近期需求量 2 万吨 / 年，中期需求量 10 万吨 / 年。此外，高层高档建筑中的幕墙是提高建筑物外装饰、 丰富城市景观的关键部位， 复合钢板在其保持全不锈钢功能的基础上，令成本大大降低， 因而将会是幕墙骨架的最佳首选材料。 近期需求量 2000 吨 / 年，中期需求量 1 万吨 / 年塑钢门窗有着材料自身难以克服的四大问题： 一是着火后放出有害的二恶英，二是所有的 PVC都含有铅盐，三是老化发黄，四是塑料变形系数大，冬天缩缝夏天伸撑变形。 有鉴于此，塑钢门窗热正在退潮。 由于不锈复合钢门窗型料的开发速度迟缓，因而铝门窗得到了回潮的机会。建设部已于 2000 年 3 月 1 日起正式执行“推拉不锈钢窗”和“不锈钢建筑型材”两项标准。 解决了设计部门无标准可循的问题， 为推广不锈钢窗开了绿灯。 建设部门窗委员会曾多次表示， 期待着该产品大量供应，已指定了四家好品牌的门窗厂进行试用和联合开发。在自来水管上的应用由于自来水中氯化物含量一般在68PPm，专家认为今后20 年氯化物含量还将保持这一水平。 毫无疑问碳钢管的抗氯离子腐蚀的能力是不能与不锈钢相比的。与不锈钢等效而成本更低的不锈钢复合钢焊管应用在自来水系统还有以下好处：a、b、c、d、饮用水中腐蚀速度小于0.025mm/年；对水质污染最少，保证饮水质量；比铝塑管更具抗地震性；比铝塑管强度高，耐温性好，寿命长；国内不锈钢焊管已应用在工厂、商贸大楼、民用建筑的供水管道系统。值得一提的是，目前已有一些厂家针对不锈钢复合水管应用与管接头相连的螺丝部分不锈钢被车削的问题研制出来了与之相匹配的卡压式管接头，为不锈钢复合自来水管的推广应用铺平了道路。在家俱管中的应用家俱用管通常要求不锈、光亮、可弯曲和有足够的强度和刚度。若采用薄壁纯不锈钢焊管则风度不足； 若采用包敷式的复合管则因基层间结合力为零而不能承受弯曲加工， 因基单面复合而内壁生锈； 轧制法生产的多层复合钢板解决了上述各难题，在家俱行业将会大显伸手，预计该行业的用量每年在 10000 吨以上。印染导布管印染布管不仅要求不锈钢层1mm，而且对尺寸精度和径向跳动值要求 0.25mm+包敷难以达到要求径差和径向差，而且难以抵抗印染液渗入复合界面的化学腐蚀。必须要抗剪强度高的复合板制作。年需3000 吨。在厨房用具中的应用洗碗机、厨柜等是非对称型复合冷轧钢的潜在用户，优良的深拉延性能和良好的表面状态。可完全满足该行业的使用需求。关于刀具用不锈复合窄带的情况福建、重庆大足和广东阳江素有刀乡之称，在千奇百怪的刀具中复合厨刀是用量用大的一种。因为纯2Crl3 、 3Crl3 刀的淬硬性足够但脆性很大，稍不小心就崩个豁子， 碳工钢、合工钢刀却容易锈， 把工具钢和不锈钢复合起来则可产生出完美的效果来， 这种刀具在台湾及东南亚是十分时尚的，过去复合钢的原料全部由日本出口。