專利名稱：不銹鋼和碳素鋼復(fù)合材料以及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種復(fù)合材料及該復(fù)合材料的生產(chǎn)方法。更具體地是，本發(fā)明涉及一種壓力粘接的不銹鋼和碳素鋼復(fù)合材料及一種生產(chǎn)該復(fù)合材料的方法。
幾層單層鋼的壓力粘接復(fù)合制品被用于多種用途。如美國專利3，693，242中指出的那樣，一種包含含有碳化物形成物的普通碳素鋼芯和另外的不銹鋼層的復(fù)合制品被用于生產(chǎn)諸如炊具之類的金屬產(chǎn)品。該美國專利在本文中引作參考。相關(guān)的美國專利包括US3，795，971;3，862，484;3，944，396及3，956，809，這些專利均在本文中引作參考。該復(fù)合制品的不銹表面層是耐腐蝕的，并具有引人注目的外觀，而該普碳鋼芯層的熱傳導(dǎo)率則比不銹鋼層的熱傳導(dǎo)率大。這類復(fù)合材料的具體例子是A.I.S.I.，Type304DA(“T-304DA”)，它具有常規(guī)的低碳鋼芯材及A.I.S.I.Type304不銹鋼(“T-304”)表層。在熱加工常規(guī)T-304DA鋼時，標(biāo)準(zhǔn)的作法是在打卷之前在熱輸出輥道上將此熱軋帶材冷至900°F以下。若未能將熱軋帶材如此地冷至900°F(482℃)以下，則使該低碳鋼芯材中的碳轉(zhuǎn)移至不銹鋼表層和此低碳鋼芯材間的界面區(qū)中。這種碳轉(zhuǎn)移逆著碳的濃度梯度出現(xiàn)，而且主要取決于總的較低的自由能的水平。這種轉(zhuǎn)移經(jīng)常自普碳鋼向不銹鋼逆著碳濃度出現(xiàn)，因為該不銹鋼含有吸引碳的鉻。
一旦轉(zhuǎn)至界面區(qū)，碳就形成碳化物，并且因而在靠近此界面區(qū)處形成碳化物富集區(qū)。在拉拔時，這些碳化物富集區(qū)在最終產(chǎn)品中引起所謂的“HookCrack”這樣一種不希望有的缺陷。此外，碳轉(zhuǎn)移導(dǎo)致在此低碳芯材中形成粗的鐵素體晶粒層，這會在最終產(chǎn)物中引起已知為“桔皮表面(OrangePeelSurface)”的缺陷。還有，若未冷至900°F以下則會引起金屬分離，從而使一層或多層不銹鋼層從低碳鋼芯層上剝落下來。
在通過將此熱軋帶冷至900°F以下以防止這些問題時，其它的問題又出現(xiàn)了。在熱輸出輥道上迅速冷至900°F以下是不利的。因為，在熱輸出輥道上用，比如水淬，進行的快速冷卻后卷取熱軋帶時會在卷材表面上形成機械缺陷。這些缺陷必須用表面研磨去除，這就需要追加生產(chǎn)成本。卷取溫度越高則形成的機械缺陷越少。
解決上述難題的一種方法是將不銹鋼/碳素鋼復(fù)合材料熱軋帶冷至這樣的程度卷取溫度大于900°F而小于1200°F(649℃)。這種作法將使界面區(qū)中形成碳化物的傾向及在芯材中形成粗的鐵素體的傾向減至最小，同時將卷材表面上的、與快速冷卻相關(guān)的機械缺陷的形成減至最少。在約1200°F以上，這些與碳化物形成相關(guān)的缺陷可能就不再被容忍了。然而，由于這種方法是一種折衷辦法，因而它提供不了完全令人滿意的解決辦法上述的碳化物富集區(qū)及粗的鐵素體晶粒仍在一定程度上形成。
一篇題為“DevelopmentofNewLowCarbonLowAlloySteelSnitedtobeCladwithStainlessSteel”(byHashimotoetal.，ISIJ.Vol.，31(1991)，PP.706-711)公開了含碳小于0.01%，并含鈮和鈦的穩(wěn)定化的鋼。通過控制最終退火溫度及采用較快的冷卻速度而控制了鐵素體晶粒尺寸。
除上述的在熱軋不銹鋼/碳素鋼復(fù)合材料時所產(chǎn)生的缺點之外，在加工過程中也發(fā)現(xiàn)了缺點。不銹鋼/碳素鋼復(fù)合材料可能需要在高于1700°F(927℃)的溫度下退火，以便釋放掉在粘接過程及后序冷成形時積累起來的應(yīng)力，并且溶解該不銹鋼層中的鉻的碳化物。用作復(fù)合物芯材的典型碳素鋼，如1006型鋼，在低于1700°F的溫度下大部分轉(zhuǎn)變?yōu)閵W氏體組織，該溫度是低于典型的不銹鋼的重結(jié)晶溫度的。因此在明顯高于1700°F的溫度下退火會使芯層中的奧氏體晶粒明顯長大，在冷卻時這將轉(zhuǎn)變成同樣粗大的鐵素體晶粒。
因此，本發(fā)明的一個目的是提供一種碳素鋼/不銹鋼壓力粘接的復(fù)合材料，該材料勿需在高于1200°F的卷取溫度下的故意冷卻即可卷取而且減少了兩種傾向(ⅰ)在界面區(qū)形成碳化物富集區(qū);及(ⅱ)在碳素鋼芯材中形成粗大的鐵素體晶粒層。
本發(fā)明的另一目的是提供一種碳素鋼/不銹鋼壓力粘接復(fù)合材料，該材料在大于1200°F，優(yōu)選在大于1400°F至約1450°F(760℃～788℃)的卷取溫度下冷卻后，與具有常規(guī)碳素鋼芯材的T-304DA相比，機械缺陷的產(chǎn)生率大為減少。
本發(fā)明再一目的是提供T-304DA復(fù)合材料，該材料在熱帶材退火過程中可以用高的退火溫度，優(yōu)選為約1850°F至最高為約1950°F的溫度處理，而在奧氏體相中無大量晶粒長大。
本發(fā)明又一目的是提供一種不銹鋼/碳素鋼復(fù)合物，如T-304DA之類的復(fù)合材料，該材料滿足上述目標(biāo)，而且其機械性能可與具有常規(guī)碳素鋼芯料的那些復(fù)合制品相比。
此外，本發(fā)明的一個目的是取消作為最終處理步驟的平整滾軋。
本發(fā)明提供一種壓力粘接的復(fù)合材料，該材料包括至少一層不銹鋼，該層與至少一層穩(wěn)定化碳素鋼沿不銹鋼/碳素鋼界面相粘接。該復(fù)合材料的穩(wěn)定化碳素鋼包含碳、鈮及至少一種其它的碳化物形成元素，其量能有效地防止碳從該穩(wěn)定化碳素鋼向不銹鋼/碳素鋼界面區(qū)轉(zhuǎn)移。因此，該復(fù)合材料的最終形態(tài)是在界面區(qū)基本上沒有碳化物富集區(qū)的。此外，最終復(fù)合材料的鐵素體晶粒尺寸不大于ASTM＃6(較大的數(shù)表示較細的晶粒)。


圖1是作為鋼合金中碳、鈦及鈮含量的函數(shù)的，該合金中固溶態(tài)的碳比例的曲線圖。
圖2是熱軋帶退火的現(xiàn)有技術(shù)的時間-溫度曲線。
圖3是本發(fā)明的較快的退火周期的時間-溫度曲線。
如前面所討論過的，一種解決上述在生產(chǎn)熱軋不銹鋼/碳素鋼復(fù)合材料時所遇到的難題的方法，一直是在卷取之前將該熱軋復(fù)合材料冷至900°F以上而低于1200°F的溫度。然而，如上所指示的，這種方法不能全然令人滿意。本發(fā)明采用了更全面的解決方案本發(fā)明的不銹鋼/碳素鋼復(fù)合材料的芯材是經(jīng)穩(wěn)定化的低碳鋼。本文所述的新的穩(wěn)定化芯材已被壓力粘接于T-304不銹鋼的表層結(jié)果形成了T-304DA復(fù)合材料。然而可以預(yù)料到，通過將本發(fā)明的穩(wěn)定化芯材與一層或多層其它類型的不銹鋼壓力粘合也能得到相同優(yōu)點。
“穩(wěn)定化”的碳素鋼具有一種化學(xué)性質(zhì)，它包含束縛，即“清除”碳和氮原子的元素，所述碳和氮是可在鋼中另行形成不希望有的沉淀的。這種清除元素形成穩(wěn)定的碳化物和氮化物，并借此自固溶體中去除碳和氮。就這樣，清除元素可被歸入本文中所稱的“碳化物形成”元素。由于在重結(jié)晶過程中在鋼中有溶質(zhì)碳存在而產(chǎn)生上述問題，所以期望通過形成其碳化物的形式而使碳穩(wěn)定化。當(dāng)鋼中全部碳和氮的含量均以碳化物和氮化物的形態(tài)存在時，則此碳鋼就是“全穩(wěn)定化”的了。
已發(fā)現(xiàn)采用本發(fā)明的穩(wěn)定化碳素鋼作壓力粘接的不銹鋼/碳素鋼復(fù)合材料中的芯材，可使卷取溫度大大地高于1200°F，如達1400°F至1450°F，而與具有常規(guī)碳素鋼芯材的T-304DA相比，則大大地降低了上述的碳化物沉積及形成粗大鐵素體晶粒層這種難題的發(fā)生率。就這樣，包含本文所述穩(wěn)定化芯材的熱軋復(fù)合材料在卷取之前勿需在熱輸出輥道上冷卻。此外，與常規(guī)的T-304DA相比，本發(fā)明的碳素鋼/不銹鋼壓力粘接復(fù)合材料極大地減少了機械缺陷發(fā)生率。還有，用本文所述的穩(wěn)定化芯材所形成的T-304DA復(fù)合材料，可用高的、自約1850°F直至1950°F的退火溫度，在熱軋帶退火工序中進行處理而不會使奧氏體相中的晶粒明顯長大。最后，具有本文所公開的穩(wěn)定化芯材的T-304DA復(fù)合材料的機械性能，可與具有常規(guī)碳素鋼芯材的T-304DA的性能相匹敵。
在形成本發(fā)明的穩(wěn)定化芯材的化學(xué)特性時，相信滿足上述目標(biāo)的復(fù)合材料必須具備那種在高溫下(約大于1950°F)經(jīng)延伸加工(extensive processing)后仍保持相當(dāng)小的鐵素體晶粒度的碳素鋼芯材。這樣一來，可以相鄰加工前的鐵素體晶粒度必須小于或等于加工后所期望的鐵素體晶粒度。因此可以相信，在加工的每一階段應(yīng)有等于或小于最終退火后鐵素體應(yīng)具有的ASTM＃6級晶粒度的實際晶粒度。為控制這種芯材的處理前和處理后的晶粒度，本發(fā)明采用了兩種方法(1)在該合金中分配碳化物沉積物，(2)通過溶質(zhì)堵塞(solutepinning)來限制晶粒尺寸的邊界。
用來控制本發(fā)明壓力粘接復(fù)合材料的芯材中晶粒尺寸的第一種方法是在該合金中分配其尺寸、分布及體積級別與所望的處理后的晶粒尺寸相當(dāng)沉積物。這種沉積物分配在高溫退火時采用的高溫下必須是穩(wěn)定的，而且還必須在此高溫下抑制奧氏體晶粒長大。
可通過添加上述的碳化物形成“清除元素”，在鋼中產(chǎn)生沉積物，這些元素對碳有很強的親合力，而且當(dāng)其存在于鋼中時則形成碳化物。這類清除元素包括，例如，鈦、鈮、鋯、釩、鉭、鉻、鉬、鎢、鈾、硼和鈷。本發(fā)明采用鈮和至少一種其它清除元素，該清除元素是一種相當(dāng)強的碳化物形成物。更重要的是，除鈮之外所加的一種或多種清除元素也必須形成在高溫下穩(wěn)定的沉積物。最好是在本碳素鋼芯材中加鈦和鈮以產(chǎn)生鈦和鈮的碳化物。這類化合物在直至約2050°F(1121℃)或更高的溫度下在鋼固溶體中仍具有大為降低的溶解度。
最終，所形成的沉積物的量取決于該合金芯材的含碳量。因此，為獲得某種晶粒尺寸，必須為鋼選擇適宜的含碳量。相信約0.01%～約0.025%(重量)，最好是約0.01%～約0.02%(重量)的碳與適量的鈦一起，將在加工的所有階段產(chǎn)生其量足以使該復(fù)合材料的芯材鐵素體的晶粒尺寸至少細至ASTM＃6(高的數(shù)目表示較細的晶粒尺寸)的碳化鈦沉積物。鈦含量則根據(jù)下文所討論的公式調(diào)整。
為使此碳化物沉積物在合金中適宜地分配，必須在再加熱爐中溶解此沉積物，而后在熱軋過程中使之再沉積。碳化鈦和碳化鈮是適于溶解及再沉積的那類碳化物，因為它們可在再加熱爐中于2250°F(1232℃)的溫度下溶解。然而，除非鈦和鈮的氮化物可在更高的再加熱溫度下溶解，則它們將形成粗大的沉積物，這種沉積物是降低鈦和鈮細化晶粒尺寸的效能的。因此，應(yīng)限制鋼中的含氮量不超過0.008%(重量)，最好是不超過0.005%(重量)。
如以上所指出的，本發(fā)明依賴的用于限制晶粒尺寸的第二種方法是“溶質(zhì)堵塞”，在其中，在自奧氏體向鐵素體組織轉(zhuǎn)變時，單個鐵素體晶粒尺寸的長大受到阻礙。鈮可被用來溶質(zhì)堵塞，而且實際上原來將鈮加入該實驗熔體中主要是進行溶質(zhì)堵塞。相信為在重結(jié)晶時適當(dāng)?shù)刈柚咕ЯＩL，應(yīng)以約0.02%～0.04%(重量)，最好是0.03%(重量)的量往該實驗熔體中加鈮。
基于上述的碳、氮及鈮含量，則碳鋼芯材中的鈦含量應(yīng)按下面的公式1調(diào)整，這種關(guān)系已以示于圖1的一種方式繪出。百分比為重量百分比。
式1%鈦＝(24/7×%氮+24/6(%碳-%鈮×4/31))圖1描繪了作為鋼合金中的碳、鈦和鈮含量的函數(shù)的固溶態(tài)碳的比例。溶解態(tài)的碳的負值表示過穩(wěn)定，即在此狀態(tài)中有過量的碳化物形成消除元素。正值表示溶解碳的不穩(wěn)定態(tài)。很明顯，在判斷需要何種程度的碳穩(wěn)定性時就涉及到相反的考慮。當(dāng)通過穩(wěn)定化而形成呈相對大量的沉積物時，需要在這種沉積物從熱軋帶中再沉積出來之前用較高的再加熱溫度使之溶解。然而，穩(wěn)定化程度過小可使溶解碳移至界面區(qū)并形成不希望有的碳化物富集區(qū)。為平衡這種對立的考慮，本發(fā)明的穩(wěn)定化碳素鋼有一種熔體化學(xué)物性，從而使之在組分范圍內(nèi)的某些部分過穩(wěn)定而在該組分范圍的不同部分不穩(wěn)定?；趫D1中提供的信息，相信約0.07%～約0.09%(重量)的含鈦量將使低含碳量的鋼完全穩(wěn)定而使高含碳量的鋼部分穩(wěn)定。
基于上述考慮，制備出穩(wěn)定碳鋼芯材的兩種實驗熔體，具有表1所示的化學(xué)特性。全部百分數(shù)均為合金總重為基的重量百分比示出。
表1實驗熔體的化學(xué)特性(合金總重的重量百分比)爐次A爐次B碳0.0110.019氮0.0030.003鈦0.0640.079鈮0.0230.025可以理解的是除表1所列之外的其它元素也可包括在該合金成分中。這些附加元素既可作為偶存的雜質(zhì)存在，也可作為出于某些次要目的，如為賦予最終芯材或復(fù)合材料以某些所需性能而有目的加入的元素存在。該合金可含，如殘留量的錳、硫、磷和鋁。因此本文所述的實例不應(yīng)不適當(dāng)?shù)乩斫獬上拗屏藱?quán)利要求。此外，表1的實驗熔體旨在代表包含在該實驗合金中的元素的期望范圍和優(yōu)選范圍。可以相信的是，通過在所期望的或優(yōu)選的范圍內(nèi)選擇該熔體的不同配方將可得到足可匹敵的性能。
每一實驗爐次的穩(wěn)定化碳素鋼合金被用于制備壓力粘接復(fù)合材料T-304DA的組件，每一組件包括一層與常規(guī)T-304不銹合金表層粘接的實驗性穩(wěn)定化低碳鋼層。各種生產(chǎn)此類組件及將該組件層粘結(jié)T-304DA復(fù)合材料的方法是為本技術(shù)領(lǐng)域中的普通技術(shù)人員所知的。這些方法的代表性的例子述于上述的美國專利3，693，242和3，862，484中。
采用本領(lǐng)域中已知的方法，用得自每一實驗爐次的芯材制備4種T-304DA組件，總數(shù)為8件組件。在生產(chǎn)每種T-304DA復(fù)合材料時，將完成的組合件熱軋至0.125英寸(3.17mm)的中間尺寸，而后以各種卷取溫度打卷。從8個熱軋態(tài)的卷材中取樣，以確定其中的晶粒尺寸。
將兩個具有得自實驗爐次A的芯材的熱軋組合件及兩件具有得自實驗爐次B的芯材的熱軋組合件，在大于1400°F直至1550°F(843℃)及范圍為1420°F～1500°F(771～816℃)的卷取溫度下不作故意冷卻打卷。其余4件組合件在熱輸出輥道上用水淬快速冷卻，然后在1000°F～1200°F的溫度范圍內(nèi)打卷。觀測此實驗卷材，結(jié)果其具有優(yōu)于常規(guī)芯材的T-304DA卷材的形態(tài)?！拜^優(yōu)的形態(tài)”是一種主觀測定，該測定是觀察了卷材的帶材磨光明顯減少后作出的。
全部4種包含得自實驗爐次A芯材的卷材是經(jīng)退火110秒而達到或高于1850°F至1940°F的最高溫度的帶材溫度的熱軋帶。冷卻速度在60～90°F/秒(33.3～50℃/秒)之間。類似地，兩種具有得自爐次B的芯材的卷材，一種經(jīng)水淬的卷材及一種在卷取之前未特意冷卻的卷材都是用同樣方法退過火的熱軋帶。實驗表明此退火卷材芯中的鐵素體晶粒度在ASTM＃7.0～＃8.0級之間。
經(jīng)熱軋帶退火后，此6卷實驗卷材被冷軋至0.037英寸(0.94mm)的最終盡寸。全部實驗卷材隨后經(jīng)退火和酸洗。最終退火后，對6件實驗卷材的每件的一部分作退火后及平整(temperroll)(“光整冷軋(skinpass)”)后的檢驗。平整是一常規(guī)工序，通常在用常規(guī)低碳芯材時用來消除成品復(fù)合材料中的校直機應(yīng)力。成品實驗性穩(wěn)定化芯T-304DA材料的機械性能和被觀測到的微觀組織已分別示于表2和3。為了比較，表2和3還包括具有常規(guī)低碳鋼芯(即未穩(wěn)定化的)的T-304DA復(fù)合材料的平均的預(yù)期性能。表2還標(biāo)明是用哪一道最終工序來處理此卷材樣品，即在檢測之前是采用了最終退火工序還是采用了“光整冷軋”工序。如本文所用的，術(shù)語“光整冷軋(skinpass)”意指最終退火后再平整。
表2中所列的15T硬度是按ASTME-18計算的。那項實驗程序是用1.588mm(1/16″)直徑的球，以予先限定的測試力或3kg/英尺(“kg°F”)(29N)的夾持力，一種12kg°F(119N)的輔助力，因而總數(shù)為15kg°F(147N)的力進行的。此硬度是這樣表達的當(dāng)去掉此輔加力時，在予限定力作用下穿透深度的恒定了的增加值與100間的差即為硬度。此增加值以0.001mm為單位進行測量。
表2實驗性穩(wěn)定化芯T-304DA的機械性能有得自實驗爐次A芯材的T-304DA具有常規(guī)芯材的尺水淬;卷取寸為0.037"的T-未水淬溫度<1200°F304DA的平均性能最后處理XYXYX屈服強度44.041.549.340.848.1抗拉強度69.771.070.370.570.0延伸率48%50%46%51%48%硬度 15T85.584.685.884.685.7有得自實驗爐次B芯材的T-304DA具有常規(guī)芯材的尺水淬;卷取寸為0.037"的T-未水淬溫度<1200°F304DA的平均性能最后處理XYXYX屈服強度44.046.152.845.051.4抗拉強度69.774.074.372.873.4延伸率48%47%43%46%44%硬度 15T85.585.786.785.686.5最后處理Y＝最終退火最后處理X＝退火后再平整用ASTME-18測定的硬度，15T。
示于表2的拉伸性能，即屈服強度、抗拉強度和延伸率不因測試方向不同而改變。然而，用得自實驗爐次A的芯材而生產(chǎn)的復(fù)合材料的屈服強度和抗拉強度明顯下降，這種芯材的含碳量比爐次B的芯材含碳量低。如在表2中所示，實驗復(fù)合材料的機械性能可與包含常規(guī)的(即未穩(wěn)定化的)低碳鋼芯材的T-304DA的機械性能相匹敵。表2的結(jié)果表明實驗材料的R-bar值在1.1～1.2的范圍內(nèi)，而LDR值為2.06。除良好的機械性能之外，表2的結(jié)果表明此實驗復(fù)合材料的獨特化學(xué)性質(zhì)消除了對最終產(chǎn)品作平整(即“光整冷軋”)的必要。
如本文所用，R-bar值是塑性應(yīng)變化，它是在變形時的材料各向異性的度量。R-bar值是不同方向的抗拉強度的計算平均值?！癓DR”值是由可被拉至標(biāo)準(zhǔn)直徑的最大直徑胚料的比值決定的被限制的拉伸比(LimitedDrawingRatio)。LDR值表示最終產(chǎn)品的拉伸性能。
后面的表3提供了最終實驗復(fù)合材料的晶粒度數(shù)據(jù)，此數(shù)據(jù)是在遍及該復(fù)合結(jié)構(gòu)的許多部位測得的層A的晶粒度測于T-304不銹鋼的一個表層，層B的晶粒度測于T-304表面的一個層和此穩(wěn)定化芯材之間的界面區(qū);層C測于中間芯區(qū);而層D測于其它的T-304表層。表3還記錄了自芯材至芯界面區(qū)的任何的碳轉(zhuǎn)移的發(fā)生。晶粒度以ASTM數(shù)示出。以舉例的方式說明，短語“8S9”意指分布有ASTM9級晶粒的ASTM8級晶粒。短語“9·8”意指主要是ASTM9級晶粒，但包含大量8級晶粒。
表3對實驗性穩(wěn)定化芯T-304DA觀察到的晶粒度(ASTM級)具有常規(guī)低碳鋼芯材,有得自實驗爐次尺寸為0.037"的T-A芯材的T-304DA304DA的平均性能未水淬水淬;卷取溫度<1200°F晶粒度A層(T-304)8.18S98-8B層(界面)7.07-77-7C層(中間層)7.76-76-7D層(T-304)8.18S98-8轉(zhuǎn)移無無具有常規(guī)低碳鋼芯材,有得自實驗爐次尺寸為0.037"的T-A芯材的T-304DA304DA的平均性能未水淬水淬;卷取溫度<1200°F晶粒度A層(T-304)8.19-89-8B層(界面)7.07-77-7C層(中間層)7.77S67S6D層(T-304)8.19-89-8轉(zhuǎn)移無無如表3所示，整個實驗復(fù)合材料上的晶粒度與本發(fā)明的目標(biāo)相一致。在處理此實驗復(fù)合材料時未觀察到粗大鐵素體晶粒層出現(xiàn)。整個實驗最終復(fù)合材料上所有點上的晶粒度足以與具有常規(guī)低碳鋼芯材的T-304DA復(fù)合材料的晶粒度相匹敵。除在C層(中間層芯)外，全部晶粒度都比常規(guī)T-304DA復(fù)合材料的平均晶粒度細。還有，在任何實驗性樣品中未見到有碳轉(zhuǎn)移入界面區(qū)。隨之而來的是，在此實驗樣品內(nèi)的界面區(qū)附近未見到碳化物富集區(qū)。
將某些實驗卷材退火以溶解任何的碳化物沉積，然后使之重沉積。為了確定令人滿足的退火溫度和時間，切下實驗T-304DA復(fù)合材料黑帶樣品，以進行熱軋帶退火研究。與上述所列目標(biāo)一致，該退火研究的目標(biāo)是(ⅰ)加速熱軋帶退火，同時又防止在不銹鋼層中形成碳化物;(ⅱ)在芯材中保持至少ASTM＃7-＃8級的細鐵素體晶粒度。此退火研究采用的溫度范圍為1850°F～2100°F(1010℃～1149℃)。用約122秒的時間將樣品加熱至選定的退火溫度，然后在該退火溫度下保溫0～約70秒。此退火工序之后，則將此經(jīng)退火的樣品用30秒水冷至700°F(371℃)，冷卻速度為38～65°F/秒，然后評價微觀組織。
該退火實驗表明，在1850°F退火30秒，1900°F退火10秒或1950°F退火0秒都足以獲得目標(biāo)微觀組織。這些退火確保不銹鋼中的碳化物被溶解而且這些層中的奧氏體晶粒度處于ASTM＃8.5～＃10級的范圍內(nèi)。將退火溫度提至1950°F以上傾向于在此T-304DA樣品芯中不希望地增加粗大奧氏體(它又轉(zhuǎn)變成魏氏鐵素體)的量。還有采用超過1950°F的退火溫度將使不銹鋼層中的奧氏體晶粒度自以較低退火溫度所達到的ASTM＃8.5～＃10晶粒升高到ASTM＃7～＃8。
按照本發(fā)明，此熱軋退火可以在較短時間內(nèi)完成，溫度范圍為1850°F至1950°F。這些退火實驗證實，1850°F/30秒的溫度-時間及更高的溫度及更少的時間足以保證使不銹鋼層中的碳化物溶解。因此，此熱軋帶退火線的速度可明顯提高。代表性的例子示于圖2和圖3。圖2是現(xiàn)有技術(shù)熱軋帶退火的時間-溫度曲線的代表例。此現(xiàn)有技術(shù)熱軋帶退火采用1950°F區(qū)域溫度，28英尺/分(fpm)的走帶速度。此帶材在大于1850°F的溫度下放置110秒，而最高溫度是1940°F。冷卻速度是45～65°F/秒。圖3說明了本發(fā)明的較快的退火周期。此較快的退火周期在預(yù)熱區(qū)采用2000°F，在加熱區(qū)采用1975°F，而走帶速度為40英尺/分。該帶材在大于1850°F的溫度下處理64秒，而最高溫度為1930°F、冷卻速度為60～90°F/秒。
雖然比較快的退火周期最好隨本發(fā)明的穩(wěn)定化碳素鋼芯一起使用，但現(xiàn)已發(fā)現(xiàn)即使用于常規(guī)的碳素鋼/不銹鋼復(fù)合材料，所述的退火周期也是有效的。
作為本發(fā)明的目的，提供了一種在界面上形成碳化物富集區(qū)有降低傾向和在碳素鋼芯中具有較細晶粒度的改進的碳素鋼/不銹鋼復(fù)合材料。這種改進的芯材的化學(xué)性質(zhì)使得該復(fù)合材料可在熱軋后以較高的溫度、以降低了的機械缺陷發(fā)生率被卷取。該復(fù)合材料還具有無需光整冷軋來消除通常在采用常規(guī)碳素鋼芯材的復(fù)合材料中常有的校直機應(yīng)力的優(yōu)點。
權(quán)利要求
1.一種壓力粘接的復(fù)合材料，它包括至少一層與至少一層穩(wěn)定化碳素鋼層沿界面粘接的不銹鋼層，所述的碳素鋼包括其量足以防止碳自所述穩(wěn)定化碳素鋼轉(zhuǎn)移的鈮和至少一種或多種其它的碳化物形成元素，從而使所述界面上基本上沒有碳富集區(qū)，而且其中的不銹鋼和穩(wěn)定化碳鋼層中具有不大于ASTM#6級的實際晶粒度。
2.權(quán)利要求1的壓力粘接復(fù)合材料，其中所述穩(wěn)定化碳素鋼包含至少一種選自鈦、鉭和鋯組成的物組中的其它的碳化物形成元素。
3.權(quán)利要求1的壓力粘接復(fù)合材料，其中所述復(fù)合材料的屈服強度小于約60ksi而延伸率大于45%。
4.一種壓力粘接復(fù)合材料，具有至少一層穩(wěn)定化碳素鋼，所述的穩(wěn)定化碳素鋼包含以穩(wěn)定化碳素鋼的總量為基的重量百分比計的下列元素約0.01～約0.025%的碳;約0.07～約0.09%的鈦;約0.02～約0.04%的鈮;不大于約0.008%的氮;及余量的鐵及附帶的雜質(zhì)。
5.權(quán)利要求3的壓力粘合復(fù)合材料，其中所述的穩(wěn)定化碳素鋼層包含以穩(wěn)定化碳素鋼的總量為基的重量百分比計的下列元素約0.01～約0.02%的碳;約0.07～約0.09%的鈦;約0.02～約0.04%的鈮;不大于約0.005%的氮;及平衡量的鐵及附帶的雜質(zhì)。
6.一種制備壓力粘接復(fù)合材料的方法，包含的步驟為制備復(fù)合材料的熱軋帶，所述的復(fù)合材料包括至少一層與至少一層穩(wěn)定化碳素鋼相粘接的不銹鋼;在大于約1400°F的溫度下卷取該熱軋帶，所述的穩(wěn)定化碳素鋼包含以穩(wěn)定化碳鋼的總量為基的重量百分比計的下列元素約0.01～約0.025%的碳;約0.07～約0.09%的鈦;約0.02～約0.04%的鈮;不大于約0.008%的氮;及余量的鐵。
7.權(quán)利要求6的方法，其中所述的穩(wěn)定化碳素鋼包含以穩(wěn)定化碳素鋼的總量為基的重量百分比計的下列元素約0.01～約0.02%的碳;約0.07～約0.09%的鈦;約0.02～約0.04%的鈮;不超過0.008%的氮;及平衡量的鐵。
8.權(quán)利要求6的方法，還進一步包括使該熱軋帶在約1850°F和約1950°F的溫度下退火，退火時間在1850°F時少至30秒。
全文摘要
一種壓力粘接的復(fù)合材料包括至少一層穩(wěn)定化低碳鋼芯材及一層在界面處結(jié)合的不銹鋼，其中該穩(wěn)定化碳素鋼包括其量足以防止碳自該碳素鋼向該不銹鋼轉(zhuǎn)移的鈮及至少一種其它的碳化物形成元素，而且該復(fù)合材料的實際晶粒度不大于ASTM
文檔編號C22C38/00GK1095989SQ9410391
公開日1994年12月7日 申請日期1994年3月31日 優(yōu)先權(quán)日1993年3月31日
發(fā)明者托馬斯·R·帕拉伊爾 申請人:阿利金尼·勒德盧姆公司