分析用冷拔-液固相扩散复合法制造碳钢/不锈钢复合管

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层状金属复合材料是利用材料复合技术使两种或两种以上物理、化学、力学性能不同的金属在界面实现冶金结合的一种新型复合材料。以不锈钢为覆层、碳钢为基层的双金属复合材料兼有耐腐蚀性良好和力学性能优异的特点，既可降低生产成本，又能满足实际需求。与同规格纯不锈钢相比，明显减少了不锈钢占有比例，节约贵重金属Cr、Ni等可达70%—80%。国外广泛应用在石油、化工、能源、电力、环保等诸多领域。目前国内外制造双金属复合管的方法有很多种，但大多对设备要求严格，生产工艺复杂，且不易控制复合管的性能，而一些简单的机械复合方法又无法使两种金属间实现真正的冶金结合，严重限制了双金属复合管的应用和发展。因此，迫切需要研究、开发一种新的高效、节能、能够实现两种金属牢固结合，适合大规模工业生产的双金属复合管的制备工艺。 1.碳钢/不锈钢液固相扩散复合过程分析 碳钢/不锈钢液固相扩散复合过程，可用以下几个阶段进行描述。 (1)中间层熔化阶段扩散复合开始时，母材和Cu中间层均为固态；当试样温度快速达到铜熔点时，中间层出现液化现象，液化的铜中间层通过毛细作用快速填满碳钢/不锈钢之间间隙，并达到界面润湿。随着加热温度继续升高到复合温度，铜中间层继续熔化直到中间层完全溶解时，中间层熔化阶段结束。 (2)原子互扩散阶段铜中间层熔化后，液一固态金属之间存在着极大的浓度不平衡，在浓度梯度驱动力的作用下，发生母材向铜液的扩散(通常所说的溶解)和铜液向母材的扩散。由于固态金属向液态金属中扩散的激活能小于液态金属向固态金属中扩散的激活能，所以，固态母材向铜液中扩散(溶解)非常容易。而固相母材向液态铜相中的溶解过程是一个多相反应过程。首先，固相母材与液态铜接触表面层发生溶解，这个反应发生在固一液两相界面上，其实质是：液态金属与固态金属接触时，液态金属对固态金属的润湿和原子在相界面处的交换，破坏了固体晶格内的原子结合键，使得液态金属原子与固态金属原子形成新的键，从而发生溶解。也有人认为，液态金属与固态金属接触时，液态的组分首先向固体表面扩散，在表层内达到饱和溶解度，此时固体表面层不需耗费能量即可向液相溶解。然后，界面处被溶解的Fe、Cr、Ni原子从边界扩散层向液态中间层迁移，即液相的均匀化。原子的这种迁移是依靠对流扩散来实现的。由于界面处的Fe、Cr、Ni原子浓度高于中间层中的原子浓度，成分的不均匀引起局部密度的变化，从而导致液体的流动，促使界面处的Fe、Cr、Ni原子向液态Cu中间层扩散，使得液态Cu中Fe、Cr、Ni原子的平均浓度不断升高，当液相与熔化边缘的固相成分达到平衡时，液相层达到了最大宽度，完成液相的均匀化。 (3)等温凝固阶段当液相层达到了最大宽度之后，由于液相和固相之间还存在元素Cu的正的浓度梯度，促使固液边界处Cu原子继续向母材扩散，当液固边界处Cu原子浓度小于固相线浓度时，就发生等温凝固，使液固界面向液相中推进。当液相完全消失时，等温凝固阶段结束。 (4)冷却阶段在本实验扩散复合工艺中，在等温凝固没有充分进行就冷却到室温时发生降温凝固；而在等温凝固结束之后，连接过程已经完成，由于固相中溶质原子的扩散速度较慢，出炉冷却并不发生明显的原子扩散现象。 由上述分析可知，对于以铜箔为中间层碳钢/不锈钢液固相扩散复合过程来说，母材向中间层的扩散(溶解)和中间层向母材的扩散过程对于是否能获得良好的结合性能起着重要的作用。 2.总结 (1)采用冷拔-液固相扩散复合方法可实现碳钢与不锈钢的冶金结合。 (2)在扩散复合的过程中，结合区发生了原子的互扩散，在碳钢/铜界面有连续的岛状富铁相生成，且岛状富铁相向中间层中生长。 (3)结合区抗剪强度随着扩散温度的升高和时间的延长而增加。(图/文www.wxlgjx.cn)

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