D0L:10.13374f.issn1001-053x.2011.11.012 第33卷第11期 北京科技大学学报 Vol.33 No.11 2011年11月 Journal of University of Science and Technology Beijing Now.2011 轧制复合生产特厚板工艺 余伟回张烨铭何春雨 徐立善蔡庆伍 北京科技大学高效轧制国家工程研究中心，北京100083 ☒通信作者，E-mail:yuwei(@nerear..usth.edu.cn 摘要采用Q345连铸坯料，经过表面清理、焊接组坯和抽真空至1×10~3P后密封，分别采用两阶段控轧和再结晶型控轧 两种轧制工艺进行轧制.用剪切、拉伸和冷弯试验检验复合板的力学性能，利用扫描电镜观察分析复合板的组织与结合面. 结果表明：两种轧制工艺生产出的钢板各项力学性都能达标：再结晶控轧工艺比两阶段控轧工艺复合效果更好，并生产出的 钢板厚向性能更加均匀.试验条件下的轧制复合包含机械啮合与再结晶两种机制. 关键词钢板：轧制复合：力学性能：组织：超声波探伤 分类号TG335.1 Production of heavy-gauge steel plates by clad rolling process YU Wei,ZHANG Ye-ming,HE Chun-yu,XU Li-shan,CAl Qing-ou National Engineering Research Center for Advanced Rolling Technology,University of Science and Technology Beijing 100083,China Corresponding author,E-mail:yuwei@nercar.ustb.edu.cn ABSTRACT After surface cleaning,weld combining and vacuumizing to 1 x 103Pa,Q345 continuous casting slabs were processed by conventional control rolling (CCR)and recrystallization control rolling (RCR).The mechanical properties of the clad rolling plates were tested by shear,tensile and cold bending tests,and the microstructures and combining boundaries were observed by scanning electron microscope (SEM).The results show that the mechanical properties of the clad rolling plates produced by the two rolling processes are all qualified.Compared with CCR process,RCR process provides a better bonding effect and the plate has better property homogeneity in the thickness direction.The clad rolling process in the experimental condition involves the mechanical meshing mecha- nism and the recrystallization mechanism. KEY WORDS plates:clad rolling:mechanical properties:microstructure:ultrasonic testing 随着国民经济的快速发展，特厚板的应用场合 种新的途径.日本JFE钢铁公司利用真空电子束 越来越广，如高强船板、海洋石油平台、原子能发电 焊接技术(VEBW)开发了一种生产特厚板的新工 站、压力容器以及闸门设备等.特别是厚度在100 艺回：但该工艺是在真空条件下采用电子束焊接， mm以上的高性能特厚板，有着很高的附加值.国内 生产成本较高.因此，探索一种更经济、可行的轧 外的特厚板多数通过铸锭轧制生产，但是利用铸锭 制复合方法十分必要. 生产厚板不仅工艺繁琐而且成材率低.连铸与模 1试验材料及方法 铸相比，虽然有工艺流程短、生产效率高及成品质 量高等优点，但是生产特厚板需要厚度更大的连1.1试验材料 铸板坯，普通连铸板坯厚度一般为250~300mm 选用Q345B连铸坯料，其成分与GB/T1591一 (厚度≥400mm的连铸坯的生产还存在一定的困 2008《低合金高强度结构钢》对比如表1所示，切取 难)，并且传统轧制压缩比通常都要大于3-，所 的试验钢坯尺寸为160mm×100mm×30mm. 以要生产100mm以上的特厚板还是比较困难的. 1.2试验方法 复合轧制为利用普通连铸坯生产特厚板提供了一 本试验采用的轧制复合工艺流程如图1所示. 收稿日期：201009-29
第 33 卷 第 11 期 2011 年 11 月 北京科技大学学报 Journal of University of Science and Technology Beijing Vol． 33 No． 11 Nov． 2011 轧制复合生产特厚板工艺 余 伟 张烨铭 何春雨 徐立善 蔡庆伍 北京科技大学高效轧制国家工程研究中心，北京 100083 通信作者，E-mail: yuwei@ nercar． ustb． edu． cn 摘 要 采用 Q345 连铸坯料，经过表面清理、焊接组坯和抽真空至 1 × 10 － 3 Pa 后密封，分别采用两阶段控轧和再结晶型控轧 两种轧制工艺进行轧制． 用剪切、拉伸和冷弯试验检验复合板的力学性能，利用扫描电镜观察分析复合板的组织与结合面． 结果表明: 两种轧制工艺生产出的钢板各项力学性都能达标; 再结晶控轧工艺比两阶段控轧工艺复合效果更好，并生产出的 钢板厚向性能更加均匀． 试验条件下的轧制复合包含机械啮合与再结晶两种机制． 关键词 钢板; 轧制复合; 力学性能; 组织; 超声波探伤 分类号 TG335. 1 Production of heavy-gauge steel plates by clad rolling process YU Wei ，ZHANG Ye-ming，HE Chun-yu，XU Li-shan，CAI Qing-wu National Engineering Research Center for Advanced Rolling Technology，University of Science and Technology Beijing 100083，China Corresponding author，E-mail: yuwei@ nercar． ustb． edu． cn ABSTRACT After surface cleaning，weld combining and vacuumizing to 1 × 10 － 3 Pa，Q345 continuous casting slabs were processed by conventional control rolling ( CCR) and recrystallization control rolling ( RCR) ． The mechanical properties of the clad rolling plates were tested by shear，tensile and cold bending tests，and the microstructures and combining boundaries were observed by scanning electron microscope ( SEM) ． The results show that the mechanical properties of the clad rolling plates produced by the two rolling processes are all qualified． Compared with CCR process，RCR process provides a better bonding effect and the plate has better property homogeneity in the thickness direction． The clad rolling process in the experimental condition involves the mechanical meshing mechanism and the recrystallization mechanism． KEY WORDS plates; clad rolling; mechanical properties; microstructure; ultrasonic testing 收稿日期: 2010--09--29 随着国民经济的快速发展，特厚板的应用场合 越来越广，如高强船板、海洋石油平台、原子能发电 站、压力容器以及闸门设备等． 特别是厚度在 100 mm 以上的高性能特厚板，有着很高的附加值． 国内 外的特厚板多数通过铸锭轧制生产，但是利用铸锭 生产厚板不仅工艺繁琐而且成材率低． 连铸与模 铸相比，虽然有工艺流程短、生产效率高及成品质 量高等优点，但是生产特厚板需要厚度更大的连 铸板坯，普通连铸板坯厚度一般为 250 ～ 300 mm ( 厚度≥400 mm 的连铸坯的生产还存在一定的困 难) ，并且传统轧制压缩比通常都要大于 3 ［1--2］，所 以要生产 100 mm 以上的特厚板还是比较困难的． 复合轧制为利用普通连铸坯生产特厚板提供了一 种新的途径． 日本 JFE 钢铁公司利用真空电子束 焊接技术( VEBW) 开发了一种生产特厚板的新工 艺［3］; 但该工艺是在真空条件下采用电子束焊接， 生产成本较高． 因此，探索一种更经济、可行的轧 制复合方法十分必要． 1 试验材料及方法 1. 1 试验材料 选用 Q345B 连铸坯料，其成分与 GB /T 1591— 2008《低合金高强度结构钢》对比如表 1 所示，切取 的试验钢坯尺寸为 160 mm × 100 mm × 30 mm． 1. 2 试验方法 本试验采用的轧制复合工艺流程如图 1 所示． DOI:10.13374/j.issn1001-053x.2011.11.012
·1392· 北京科技大学学报 第33卷 表1Q345B钢化学成分（质量分数） 经表面处理使两块钢板的待复合表面变得清洁无氧 Table 1 Chemical composition of experimental Q345B steel 化：两块板坯叠置后将其四周焊合，同时焊上钢管 类别 C Mn Si 焊接先采用氩弧焊打底，然后采取多层多道焊。焊 Q345B 0.171.290.300.020.03 后将复合板坯的间隙抽真空至1×10-3Pa,并将管 GB/T159-2008≤0.20≤1.70≤0.50≤0.035≤0.035 口压合密封：加热保温后进行轧制复合 表面处理 焊与真空 轧制复合 图1轧制复合工艺 Fig.1 Clad rolling process 轧制复合采用两阶段传统控轧(CCR)和再结 见表2.两种工艺使用的组合板坯厚度为60mm,累 晶型控轧(RCR)两种轧制工艺.将真空处理后的板 积压下量为30mm.各道次厚度h、压下量△h和道 坯加热至1150℃，保温1~1.5h,出炉温度在1150~ 次压下率e见表3. 1130℃，接着进行热轧复合，试验的轧制工艺参数 表2轧制工艺参数 Table 2 Rolling process parameters I阶段 Ⅱ阶段 冷阶段 工艺 开轧温度/℃ 终轧温度/℃ 开轧温度/℃ 终轧温度/℃ 终冷温度/℃ 冷却速度/（℃s1) 1CCR 1150-1130 11001050 880-860 830-820 650~600 汤 2RCR 1130-1120 1100~1050 一 一 650-600 20 表3道次压下规程 Table 3 Reduction schedule for the rolling 2试验结果 道次 工艺 2.1结合度 参数 2 3 4 按照GB/T7734一2004《复合钢板超声波检测 h/mm 48 40 34 30 方法》进行复合钢板的超声波探伤.经超声波探伤 1CCR △h/mm 12 8 6 4 发现：如图2所示，工艺1生产的钢板头尾局部存在 E/% 20.0016.6715.0011.76 未结合缺陷，其他部位都达到I级标准；而工艺2生 h/mm 48 39 33 30 产的钢板不存在图2中深色区域所示的未结合缺 2RCR △h/mm 12 9 6 陷，全部达到1级标准.由于层状复合板在轧制过 E/% 20.00 18.75 15.38 9.09 程中上下板咬入可能不同步，沿复合面就会产生一 注：工艺1中1、2道次在再结品区进行，3、4道次在未再结品区 定的滑动，因此会影响板坯两端的复合效果.但是， 进行：工艺2中四个道次都在再结晶区完成 在本试验中，相同的轧制条件下只有工艺1生产的 1.3组织性能的测试与设备的选用 钢板出现钢板头尾部的未结合现象，因此说明工艺 试样经过研磨、抛光和侵蚀后，使用Zeiss Axio-- vet40MAT显微镜和LE0-1450型扫描电镜对复合 面的微观组织与夹杂物进行观察；在CMT-4105型 万能试验机和B-30B试验机上进行各项力学性能 图2工艺1超声波探伤示意图（深色区域为未结合部分） 测试；使用CUD2080超声波探伤仪对钢板进行无损 Fig.2 Sketch of the ultrasonic testing of Process 1 (the dark area is 探伤. unbound parts)
北 京 科 技 大 学 学 报 第 33 卷 表 1 Q345B 钢化学成分( 质量分数) Table 1 Chemical composition of experimental Q345B steel % 类别 C Mn Si P S Q345B 0. 17 1. 29 0. 30 0. 02 0. 03 GB /T159—2008 ≤0. 20 ≤1. 70 ≤0. 50 ≤0. 035 ≤0. 035 经表面处理使两块钢板的待复合表面变得清洁无氧 化; 两块板坯叠置后将其四周焊合，同时焊上钢管． 焊接先采用氩弧焊打底，然后采取多层多道焊． 焊 后将复合板坯的间隙抽真空至 1 × 10 － 3 Pa，并将管 口压合密封; 加热保温后进行轧制复合． 图 1 轧制复合工艺 Fig． 1 Clad rolling process 轧制复合采用两阶段传统控轧( CCR) 和再结 晶型控轧( RCR) 两种轧制工艺． 将真空处理后的板 坯加热至1 150 ℃，保温 1 ～ 1. 5 h，出炉温度在 1 150 ～ 1 130 ℃，接着进行热轧复合，试验的轧制工艺参数 见表 2． 两种工艺使用的组合板坯厚度为 60 mm，累 积压下量为 30 mm． 各道次厚度 h、压下量 Δh 和道 次压下率 ε 见表 3． 表 2 轧制工艺参数 Table 2 Rolling process parameters 工艺 Ⅰ阶段 Ⅱ阶段 冷阶段 开轧温度/℃ 终轧温度/℃ 开轧温度/℃ 终轧温度/℃ 终冷温度/℃ 冷却速度/( ℃·s － 1 ) 1CCR 1 150 ～ 1 130 1 100 ～ 1 050 880 ～ 860 830 ～ 820 650 ～ 600 20 2RCR 1 130 ～ 1 120 1 100 ～ 1 050 — — 650 ～ 600 20 表 3 道次压下规程 Table 3 Reduction schedule for the rolling 工艺 参数 道次 1 2 3 4 h /mm 48 40 34 30 1CCR Δh /mm 12 8 6 4 ε /% 20. 00 16. 67 15. 00 11. 76 h /mm 48 39 33 30 2RCR Δh /mm 12 9 6 3 ε /% 20. 00 18. 75 15. 38 9. 09 注: 工艺 1 中 1、2 道次在再结晶区进行，3、4 道次在未再结晶区 进行; 工艺 2 中四个道次都在再结晶区完成． 1. 3 组织性能的测试与设备的选用 试样经过研磨、抛光和侵蚀后，使用 Zeiss Axiovert 40MAT 显微镜和 LEO--1450 型扫描电镜对复合 面的微观组织与夹杂物进行观察; 在 CMT--4105 型 万能试验机和 JB--30B 试验机上进行各项力学性能 测试; 使用 CUD2080 超声波探伤仪对钢板进行无损 探伤． 2 试验结果 图 2 工艺 1 超声波探伤示意图( 深色区域为未结合部分) Fig． 2 Sketch of the ultrasonic testing of Process 1 ( the dark area is unbound parts) 2. 1 结合度 按照 GB /T 7734—2004《复合钢板超声波检测 方法》进行复合钢板的超声波探伤． 经超声波探伤 发现: 如图 2 所示，工艺 1 生产的钢板头尾局部存在 未结合缺陷，其他部位都达到 I 级标准; 而工艺 2 生 产的钢板不存在图 2 中深色区域所示的未结合缺 陷，全部达到 I 级标准． 由于层状复合板在轧制过 程中上下板咬入可能不同步，沿复合面就会产生一 定的滑动，因此会影响板坯两端的复合效果． 但是， 在本试验中，相同的轧制条件下只有工艺 1 生产的 钢板出现钢板头尾部的未结合现象，因此说明工艺 ·1392·
第11期 余伟等：轧制复合生产特厚板工艺 ·1393· 2的结合度要好于工艺1. 2.2力学性能 按照GB/T6369一2008《复合钢板力学及工艺 由于厚板在冷却时各部位的冷却速度不同，很 性能试验方法》对复合后的钢板进行结合度试验. 容易导致厚向组织及厚向性能的不均匀，因而不同 试验结果如图3所示，两种工艺下生产的钢板经过 的取样位置对试验结果有着很大的影响.为了分析 冷弯试验后两侧结合面处均未出现分离，冷弯结合 钢板的结合性能以及厚向性能，在试验过程中分别 度都达到100%.因此累积压下率在50%时，两种 对厚度1/4、1/2两处进行力学性能检验，试验钢板 工艺复合后的钢板都能保证一定的结合度. 不同位置的力学性能见表4. (a) b 图3冷弯结合度试验结果图.(a)工艺1：(b)工艺2 Fig.3 Results of the cold bending test:(a)Process 1:(b)Process 2 表4试验钢板的力学性能 Table 4 Mechanical properties of the experimental steel 工艺 厚向位置 屈服强度/MPa 抗拉伸强度/MPa 伸长率/% 室温冲击功小 剪切强度/MPa 1/4 597 832 18.02 103 413 1CCR 1/2 531 716 17.53 97 348 1/4 445 551 28.98 154 366 2RCR 1/2 437 540 27.69 148 364 由表4可知，工艺1、2生产的钢板所测各项力 RCR工艺在保证钢板的韧塑性的同时也能获得较 学性能分别达到了GB/T1591一2008《低合金高强 高的强度.图4比较了钢板1/4、1/2处的屈服强 度结构钢》中Q420和Q550的要求.工艺1生产 度、抗拉强度以及剪切强度.工艺1所生产的钢板 钢板的强度要比工艺2的高，但冲击韧性与断后 在厚度方向上的强度差异都在60MPa以上；而工 延伸率却较低.可见在累计压下量相同的情况下， 艺2的厚向性能较为均匀，最大的差异也不超过 采用CCR工艺能较大的提高钢板强度；而采用 10 MPa. 900 600 800 ✉14 ✉1/4 1/2 500 1/2 700 600 400 500 300 400 300 200 200 100 屈服强度 抗拉强度 剪切强度 届服强度 抗拉强度 剪切强度 图4钢板厚度方向1/4处与12处力学性能的对比.(a)工艺1：(b)工艺2 Fig.4 Comparison of the mechanical properties at the 1/4 and 1/2 positions along the thickness direction:(a)Process 1:(b)Process 2 复合板结合强度一般是通过剪切试验评价，较 66%,而采用工艺1轧制钢板的复合面剪切强度却 好的层状复合材料板间的剪切强度都在其抗拉强度 低于其对应位置抗拉强度的50%.因此从复合面的 的60%以上同.经压剪试验测得：采用工艺2轧制 剪切试验结果可知，工艺2生产的钢板结合性能 钢板的复合面剪切强度达到其对应位置抗拉强度的 更好
第 11 期 余 伟等: 轧制复合生产特厚板工艺 2 的结合度要好于工艺 1． 按照 GB /T 6369—2008《复合钢板力学及工艺 性能试验方法》对复合后的钢板进行结合度试验． 试验结果如图 3 所示，两种工艺下生产的钢板经过 冷弯试验后两侧结合面处均未出现分离，冷弯结合 度都达到 100% ． 因此累积压下率在 50% 时，两种 工艺复合后的钢板都能保证一定的结合度． 2. 2 力学性能 由于厚板在冷却时各部位的冷却速度不同，很 容易导致厚向组织及厚向性能的不均匀，因而不同 的取样位置对试验结果有着很大的影响． 为了分析 钢板的结合性能以及厚向性能，在试验过程中分别 对厚度 1 /4、1 /2 两处进行力学性能检验，试验钢板 不同位置的力学性能见表 4． 图 3 冷弯结合度试验结果图 . ( a) 工艺 1; ( b) 工艺 2 Fig． 3 Results of the cold bending test: ( a) Process 1; ( b) Process 2 表 4 试验钢板的力学性能 Table 4 Mechanical properties of the experimental steel 工艺 厚向位置 屈服强度/MPa 抗拉伸强度/ MPa 伸长率/% 室温冲击功/J 剪切强度/MPa 1CCR 1 /4 597 832 18. 02 103 413 1 /2 531 716 17. 53 97 348 2RCR 1 /4 445 551 28. 98 154 366 1 /2 437 540 27. 69 148 364 由表 4 可知，工艺 1、2 生产的钢板所测各项力 学性能分别达到了 GB /T 1591—2008《低合金高强 度结构钢》中 Q420 和 Q550 的要求． 工艺 1 生产 钢板的强度要比工艺 2 的高，但冲击韧性与断后 延伸率却较低． 可见在累计压下量相同的情况下， 采用 CCR 工艺能较大的提高钢板强度; 而 采 用 RCR 工艺在保证钢板的韧塑性的同时也能获得较 高的强度． 图 4 比较了钢板 1 /4、1 /2 处的屈服强 度、抗拉强度以及剪切强度． 工艺 1 所生产的钢板 在厚度方向上的强度差异都在 60 MPa 以上; 而工 艺 2 的厚向性能较为均匀，最大的差异也不超过 10 MPa． 图 4 钢板厚度方向 1 /4 处与 1 /2 处力学性能的对比 . ( a) 工艺 1; ( b) 工艺 2 Fig． 4 Comparison of the mechanical properties at the 1 /4 and 1 /2 positions along the thickness direction: ( a) Process 1; ( b) Process 2 复合板结合强度一般是通过剪切试验评价，较 好的层状复合材料板间的剪切强度都在其抗拉强度 的 60% 以上［3］． 经压剪试验测得: 采用工艺 2 轧制 钢板的复合面剪切强度达到其对应位置抗拉强度的 66% ，而采用工艺 1 轧制钢板的复合面剪切强度却 低于其对应位置抗拉强度的 50% ． 因此从复合面的 剪切试验结果可知，工艺 2 生产的钢板结合性能 更好． ·1393·
·1394 北京科技大学学报 第33卷 2.3显微组织 及随后的焊接，经过处理的表面总会存在一层氧化 通过光学显微镜对包含复合界面的复合板心部 膜.但是，当热轧变形时氧化膜破碎，新的金属表面 组织观察发现：工艺1的钢板存在如图5(a)所示中 在轧制压力的作用下相互接触直至建立金属键，界 箭头所指的连续带状夹杂，夹杂长度在100um以 面处复合，复合后晶粒发生再结晶使空位等缺陷迁 上：而如图5(b)所示中箭头所指，工艺2的钢板夹 移，进一步改善结合面附近组织与性能。高温度、大 杂带是短小断续的，最大长度在20um左右.两种 轧制压力有利于复合面金属键的建立，而变形程度 工艺下夹杂带的EDS分析结果显示夹杂均为OSi一 加大会有利于新表面形成和比例增加.因此，从组 S-Mn-Fe的化合物，即来自复合面上的氧化膜.在 织控制角度讲，工艺2轧制复合面的组织会更均匀、 制前的处理过程中，因为在空气中长时间搁置以 连续. 160 FeKal 140 SiKal 100 MnKal 80 O Kal 60 40 FeKbl 20 SKal 102030405060708090100 E/keV a 160 SiKal 140 MnKal 120 FeKal 100 80 0 Kal 40 FeKbl 102030405060708090100 EAeV 图5复合界面夹杂物的形状与成分.(a)工艺1：(b)工艺2 Fig.5 SEM images and EDS spectra of inclusions at the cladding interface:(a)Process 1:(b)Process 2 相变后铁素体晶粒也更加细小：另外，未再结晶区变 3分析与讨论 形产生的加工硬化不能经过再结晶软化，奥氏体组 按上述轧制复合生产特厚板工艺，利用Q345B 织具有更高的位错密度，即使经过相变这些位错仍 钢连铸坯料在实验室条件下生产出的钢板各项力学 得以保留.因此，工艺1钢板的强度要大于工艺2 性能都达到了相关标准的要求.虽然CCR与RCR 钢板的强度.与未再结晶区比，钢在再结晶区的变 工艺都是通过细化品粒来提高性能的，但是其细化 形抗力要比未再结晶区的小，在累计压下量相同的 原理是不同的。前者主要是通过奥氏体再结晶区 情况下，工艺2在再结晶区的反复大变形使得变形 变形以及奥氏体未再结晶区的累积变形来细化晶 能更好地渗透至钢板心部，在厚度方向上晶粒更加 粒：后者是通过奥氏体再结晶区的反复变形多次再 均匀；变形渗透也有利于新表面的形成，增强复合效 结晶来细化奥氏体晶粒，最终达到细化晶粒的目的. 果，最终导致工艺2钢板的厚向性能与工艺1钢板 两阶段控轧过程中奥氏体内部形成高密度的形变 相比更加均匀 带，增加晶粒的有效晶界面积，在相变过程中提供了 金属轧制复合时界面复合机理比较复杂，学术 更多的形核点，其形核率要高于再结晶型控轧因， 界提出的理论有机械啮合理论、再结晶理论、扩散理
北 京 科 技 大 学 学 报 第 33 卷 2. 3 显微组织 通过光学显微镜对包含复合界面的复合板心部 组织观察发现: 工艺 1 的钢板存在如图 5( a) 所示中 箭头所指的连续带状夹杂，夹杂长度在 100 μm 以 上; 而如图 5( b) 所示中箭头所指，工艺 2 的钢板夹 杂带是短小断续的，最大长度在 20 μm 左右． 两种 工艺下夹杂带的 EDS 分析结果显示夹杂均为 O--Si-- S--Mn--Fe 的化合物，即来自复合面上的氧化膜． 在 轧制前的处理过程中，因为在空气中长时间搁置以 及随后的焊接，经过处理的表面总会存在一层氧化 膜． 但是，当热轧变形时氧化膜破碎，新的金属表面 在轧制压力的作用下相互接触直至建立金属键，界 面处复合，复合后晶粒发生再结晶使空位等缺陷迁 移，进一步改善结合面附近组织与性能． 高温度、大 轧制压力有利于复合面金属键的建立，而变形程度 加大会有利于新表面形成和比例增加． 因此，从组 织控制角度讲，工艺 2 轧制复合面的组织会更均匀、 连续． 图 5 复合界面夹杂物的形状与成分 . ( a) 工艺 1; ( b) 工艺 2 Fig． 5 SEM images and EDS spectra of inclusions at the cladding interface: ( a) Process 1; ( b) Process 2 3 分析与讨论 按上述轧制复合生产特厚板工艺，利用 Q345B 钢连铸坯料在实验室条件下生产出的钢板各项力学 性能都达到了相关标准的要求． 虽然 CCR 与 RCR 工艺都是通过细化晶粒来提高性能的，但是其细化 原理是不同的［4］． 前者主要是通过奥氏体再结晶区 变形以及奥氏体未再结晶区的累积变形来细化晶 粒; 后者是通过奥氏体再结晶区的反复变形多次再 结晶来细化奥氏体晶粒，最终达到细化晶粒的目的． 两阶段控轧过程中奥氏体内部形成高密度的形变 带，增加晶粒的有效晶界面积，在相变过程中提供了 更多的形核点，其形核率要高于再结晶型控轧［5］， 相变后铁素体晶粒也更加细小; 另外，未再结晶区变 形产生的加工硬化不能经过再结晶软化，奥氏体组 织具有更高的位错密度，即使经过相变这些位错仍 得以保留． 因此，工艺 1 钢板的强度要大于工艺 2 钢板的强度． 与未再结晶区比，钢在再结晶区的变 形抗力要比未再结晶区的小，在累计压下量相同的 情况下，工艺 2 在再结晶区的反复大变形使得变形 能更好地渗透至钢板心部，在厚度方向上晶粒更加 均匀; 变形渗透也有利于新表面的形成，增强复合效 果，最终导致工艺 2 钢板的厚向性能与工艺 1 钢板 相比更加均匀． 金属轧制复合时界面复合机理比较复杂，学术 界提出的理论有机械啮合理论、再结晶理论、扩散理 ·1394·
第11期 余伟等：轧制复合生产特厚板工艺 ·1395· 论、金属结合的能量理论以及N.Bay机理等，这些 传统的两阶段控轧提供了更好的复合条件 理论从不同侧面、不同角度对轧制复合机理进行了 (2)再结晶型控轧工艺下的钢板超声波探伤达 研究和探讨.机械啮合理论和N.Bay机理认 到I级标准，且钢板心部剪切强度达到对应位置抗 为：固相金属的复合第一步是机械啮合，也称裂口机 拉强度的66%，其厚度方向性能也很均匀.两阶段 制可，即在轧制复合时，金属表面的脆性氧化层在 控轧工艺的钢板在头尾部出现了未结合现象，且钢 压力和剪力的综合作用下发生破裂，接着新鲜金属 板心部剪切强度不到对应位置抗拉强度的50%. 从裂口中挤出，相互接合从而形成结合点。试验中 (3)试验条件下的轧制复合包含有机械啮合与 两种工艺的累计压下量虽然是相同的，但再结晶阶 再结晶两种机制.采用再结晶型控轧更适合轧制复 段材料的变形抗力较小，累积变形能更好地渗透至 合生产特厚板. 钢板心部，有利于氧化层的破裂，从而产生更多的结 合点.因此，图5中工艺2钢板的夹杂带相比于工 参考文献 艺1钢板的更加断续.再结晶理论认为：金属间的 [1]Zang Y,Cao J N,Hu X Z.The analyzed for the processing way to product heavy plate by ingot//2009 CSM Annual Meeting Proceed- 复合过程是结合区的再结晶过程，即通过再结晶品区 ings,2009,3:141 的塑性变形形成同属于两金属的共同晶粒@.再 (臧悦，曹建宁，胡小卓.采用钢锭生产特厚板工艺方案的探 结晶阶段轧制时，复合界面的新鲜金属在轧制力作 讨/第七届中国钢铁年会论文集，2009,3：141) 用下，界面两边的原子逐渐达到晶格常数的距离，即 B] Wang D W.The new progress of the production technology for ul- 达到金属键力的作用范围内，金属原子重新排列形 tra-heavy plate.China Steel Focus,2009,5:56 (王定武.特厚钢板制造技术的新进展.冶金管理，2009,5： 成同属于两块板坯的共同晶粒，于是双板牢固地复 56) 合在一起，并通过再结晶减少界面附近空位、位错等 B] Nishida S,Matsuoka T,Wada T.Technologies and products of 3 缺陷.在图5(b)中，正是由于复合界面附近多次再 steel plate mills in JFE Steel.JFE G/HO,2004,8(5):1 结晶，所以可以发现复合面存在着同属于两块板坯 (西田俊一，松岡俊夫，和田典巳.FE入子一儿厚板3工場 的晶粒；而图5(a)中由于再结晶区累积变形量较少 ⑦技衍商品.FE技报，2004,8(5)：1) 氧化层裂口数量不多，新鲜金属缺少结合点，再结晶 [4] Wang G D,Liu X H,Wu D.Saving type steel products and its re- duced steel rolling technology.Steel Rolling,2006,23(2):1 晶粒形成受到抑制，最终的轧制复合效果也不理想. (王国栋，刘相华，吴迪.节约型钢铁材料及其减量化加工制 在剪切试验中，复合面的夹杂是裂纹源，当没有共有 造.轧钢，2006,23(2)：1) 品粒的阻碍时，裂纹会沿着夹杂以及沿复合面的晶 5] Gu Q,Feng G H,Chang C M,et al.Effects of controlled rolling 界快速扩展，导致剪切强度的减小.因此，采用工艺 on properties of plate steel.Res Iron Steel,2001(1):12 1轧制的钢板超声被探伤存在未结合部位，且剪切 (谷庆，冯光宏，常崇民，等.控制轧制工艺对中厚板性能的 影响.钢铁研究，2001(1)：12) 强度在抗拉强度的50%以下；而采用工艺2轧制的 [6]Lii L H.Rolling Theory.Chongqing:Chongqing University Press, 钢板超声波探伤没有出现未结合部分，剪切强度也 1991 达到对应位置抗拉强度的66%以上.因此，可以认 (吕立华.轧制理论基础.重庆：重庆大学出版社，1991) 为试验条件下工艺2的复合过程同时包含有机械啮 ] Feldman E.Postbuckling analysis of laminated plates made of dis- 合机制与再结晶机制. continuous metal matrix composites.Compos Struct,1995,32(1- 4):89 综上所述，再结晶型控轧相对于两阶段控轧复 [8]Bay N.Mechanisms producing metallic bonds in cold welding. 合条件更好，复合界面的结合强度高，钢板厚向性能 Wed,1983,62(5):137 更均匀，更适合轧制复合生产特厚板 9] Ding X G,Zhang Z L.Solid phase bonding mechanisms and re- search tendency of bimetals.Forging Stamping Technol,1997,24 4结论 (4):32 (丁旭光，张质良.双金属固相结合机理与研究趋势.锻压技 (1)在1×10-3Pa真空度下，利用Q345B钢坯 术，1997,24(4)：32) 在累积压下率仅为50%的情况下实现了热轧复合. [10]Yu J M,Xiao Y Z,Wang Q J,et al.New development of tech- 两阶段控轧与再结晶型控轧两种工艺生产的钢板力 nology of clad material.Chin J Mater Res,2004,14(1):12 学性能都满足了GB/T1591一2008的要求，且冷弯 (于九明，孝云桢，王群骄，等.金属层状复合技术及其新进 界面结合度都达到了100%.再结品区控轧相对于 展.材料研究学报，2000,14(1)：12)
第 11 期 余 伟等: 轧制复合生产特厚板工艺 论、金属结合的能量理论以及 N. Bay 机理等，这些 理论从不同侧面、不同角度对轧制复合机理进行了 研究和探讨［6--9］． 机械啮合理论和 N. Bay 机理认 为: 固相金属的复合第一步是机械啮合，也称裂口机 制［7］，即在轧制复合时，金属表面的脆性氧化层在 压力和剪力的综合作用下发生破裂，接着新鲜金属 从裂口中挤出，相互接合从而形成结合点． 试验中 两种工艺的累计压下量虽然是相同的，但再结晶阶 段材料的变形抗力较小，累积变形能更好地渗透至 钢板心部，有利于氧化层的破裂，从而产生更多的结 合点． 因此，图 5 中工艺 2 钢板的夹杂带相比于工 艺 1 钢板的更加断续． 再结晶理论认为: 金属间的 复合过程是结合区的再结晶过程，即通过再结晶区 的塑性变形形成同属于两金属的共同晶粒［10］． 再 结晶阶段轧制时，复合界面的新鲜金属在轧制力作 用下，界面两边的原子逐渐达到晶格常数的距离，即 达到金属键力的作用范围内，金属原子重新排列形 成同属于两块板坯的共同晶粒，于是双板牢固地复 合在一起，并通过再结晶减少界面附近空位、位错等 缺陷． 在图 5( b) 中，正是由于复合界面附近多次再 结晶，所以可以发现复合面存在着同属于两块板坯 的晶粒; 而图 5( a) 中由于再结晶区累积变形量较少 氧化层裂口数量不多，新鲜金属缺少结合点，再结晶 晶粒形成受到抑制，最终的轧制复合效果也不理想． 在剪切试验中，复合面的夹杂是裂纹源，当没有共有 晶粒的阻碍时，裂纹会沿着夹杂以及沿复合面的晶 界快速扩展，导致剪切强度的减小． 因此，采用工艺 1 轧制的钢板超声波探伤存在未结合部位，且剪切 强度在抗拉强度的 50% 以下; 而采用工艺 2 轧制的 钢板超声波探伤没有出现未结合部分，剪切强度也 达到对应位置抗拉强度的 66% 以上． 因此，可以认 为试验条件下工艺 2 的复合过程同时包含有机械啮 合机制与再结晶机制． 综上所述，再结晶型控轧相对于两阶段控轧复 合条件更好，复合界面的结合强度高，钢板厚向性能 更均匀，更适合轧制复合生产特厚板． 4 结论 ( 1) 在 1 × 10 － 3 Pa 真空度下，利用 Q345B 钢坯 在累积压下率仅为 50% 的情况下实现了热轧复合． 两阶段控轧与再结晶型控轧两种工艺生产的钢板力 学性能都满足了 GB /T 1591—2008 的要求，且冷弯 界面结合度都达到了 100% ． 再结晶区控轧相对于 传统的两阶段控轧提供了更好的复合条件． ( 2) 再结晶型控轧工艺下的钢板超声波探伤达 到 I 级标准，且钢板心部剪切强度达到对应位置抗 拉强度的 66% ，其厚度方向性能也很均匀． 两阶段 控轧工艺的钢板在头尾部出现了未结合现象，且钢 板心部剪切强度不到对应位置抗拉强度的 50% ． ( 3) 试验条件下的轧制复合包含有机械啮合与 再结晶两种机制． 采用再结晶型控轧更适合轧制复 合生产特厚板． 参 考 文 献 ［1］ Zang Y，Cao J N，Hu X Z． The analyzed for the processing way to product heavy plate by ingot / /2009 CSM Annual Meeting Proceedings，2009，3: 141 ( 臧悦，曹建宁，胡小卓． 采用钢锭生产特厚板工艺方案的探 讨/ /第七届中国钢铁年会论文集，2009，3: 141) ［2］ Wang D W． The new progress of the production technology for ultra-heavy plate． China Steel Focus，2009，5: 56 ( 王定武． 特厚钢板制造技术的新进展． 冶金管理，2009，5: 56) ［3］ Nishida S，Matsuoka T，Wada T． Technologies and products of 3 steel plate mills in JFE Steel． JFE GIHO，2004，8( 5) : 1 ( 西田俊一，松岡俊夫，和田典巳． JFE スチ一ル厚板 3 工埸 の技衍と商品． JFE 技报，2004，8( 5) : 1) ［4］ Wang G D，Liu X H，Wu D． Saving type steel products and its reduced steel rolling technology． Steel Rolling，2006，23( 2) : 1 ( 王国栋，刘相华，吴迪． 节约型钢铁材料及其减量化加工制 造． 轧钢，2006，23( 2) : 1) ［5］ Gu Q，Feng G H，Chang C M，et al． Effects of controlled rolling on properties of plate steel． Res Iron Steel，2001( 1) : 12 ( 谷庆，冯光宏，常崇民，等． 控制轧制工艺对中厚板性能的 影响． 钢铁研究，2001( 1) : 12) ［6］ Lü L H． Rolling Theory． Chongqing: Chongqing University Press， 1991 ( 吕立华． 轧制理论基础． 重庆: 重庆大学出版社，1991) ［7］ Feldman E． Postbuckling analysis of laminated plates made of discontinuous metal matrix composites． Compos Struct，1995，32( 1- 4) : 89 ［8］ Bay N． Mechanisms producing metallic bonds in cold welding． Weld J，1983，62( 5) : 137 ［9］ Ding X G，Zhang Z L． Solid phase bonding mechanisms and research tendency of bimetals． Forging Stamping Technol，1997，24 ( 4) : 32 ( 丁旭光，张质良． 双金属固相结合机理与研究趋势． 锻压技 术，1997，24( 4) : 32) ［10］ Yu J M，Xiao Y Z，Wang Q J，et al． New development of technology of clad material． Chin J Mater Res，2004，14( 1) : 12 ( 于九明，孝云祯，王群骄，等． 金属层状复合技术及其新进 展． 材料研究学报，2000，14( 1) : 12) ·1395·