一种双金属复合型钢及其制备方法与流程

本发明涉及金属复合材料领域，具体涉及一种双金属复合型钢及其制备方法。

背景技术：

1、目前，高压输电铁塔的塔身主要采用热镀锌角钢作为材料，热镀锌角钢在内部碳钢表面形成一层热镀锌层，以提供防腐和防锈保护。然而，这种防腐方式存在一些问题，首先，热镀锌层的防护作用属于牺牲阳极保护，需要不断自我牺牲以实现防护效果，因此，热镀锌层的防护寿命有限，通常仅为5到10年左右。在海洋和沿海地区，由于盐雾和潮湿环境的影响，防护寿命更是大大缩短。为了保持输电铁塔的安全运行，需要定期对热镀锌层进行维护和更换，这不仅增加了维护成本和工作量，而且在一些情况下，由于地理位置和结构的限制，维护工作难以进行，导致潜在的事故隐患。此外，热镀锌工艺在实施过程中还存在一些环境问题。首先，热镀锌工艺会产生大量的锌渣，不仅浪费了锌资源，还会对环境造成污染。同时，热镀锌工艺还会释放有害气体，如一氧化碳和酸雾等，对大气环境和周边居民的健康造成威胁。因此，寻找一种新型的结构材料以延长工程结构的使用寿命变得至关重要。

2、不锈钢/碳钢复合钢作为一种新型的冶金结合层状复合材料，具有许多优点，如高强度、良好的耐腐蚀性和耐磨性等。然而，这种材料的制造和应用也带来了一些新的挑战，首先，不锈钢覆层与碳钢芯材之间的冶金结合强度是一个关键问题。由于两种材料的物理和化学性质存在较大差异，实现良好的冶金结合是一项技术难题，如果结合强度不足，可能会导致层间分离或剥离现象，影响材料的整体性能和结构的稳定性。其次，碳钢芯材中的元素（尤其是碳元素）会向不锈钢覆层扩散，这会导致不锈钢覆层的耐蚀性下降，在某些情况下，碳元素的扩散还可能导致不锈钢覆层出现脆化现象，进一步降低材料的性能。最后，碳钢芯材中的碳元素向不锈钢覆层扩散后，会导致碳钢芯材靠近结合界面处出现脱碳层，脱碳层的形成会降低冶金结合强度，并影响材料的力学性能。如授权公告号为cn201916616u的中国专利公开了一种碳钢管与不锈钢管之间直接采用高温高压冶金连接的方式制备了双相金属，提高两者的界面结合强度，但无法解决其两者界面之间碳原子扩散的行为，因此不锈钢存在耐腐蚀性能下降和碳钢脱碳行为导致两者的性能下降的现象。公开号为cn115419758a的中国专利公开了一种不锈钢/碳钢双金属管，其利用铜合金过渡层中的fe、mn增加界面结合强度，但依然无法阻挡碳钢中的碳原子向不锈钢中扩散。因此，目前不锈钢/碳钢双相金属在增加界面结合、阻碍碳元素扩散等方面仍面临许多挑战。为了填补这一技术空白，有必要开发一种双金属复合型钢，同时具有高结合强度、高耐腐蚀等性能，以满足高性能涂料的需求。

技术实现思路

1、(1)解决的技术问题

2、本发明的目的是提供一种双金属复合型钢及制备工艺，解决目前复合钢在结合强度、耐腐蚀性能不足的问题。

3、(2)技术方案

4、为了实现上述目的，本发明提供如下的技术方案：

5、一种双金属复合型钢，所述的复合型钢由外向内由不锈钢、过渡层、碳钢组成；所述的过渡层由硼化物/氮化物复合层、镍合金层以及在两者之间的氮化硼组成；所述的硼化物/氮化物复合层由氮化硼前驱体和不锈钢在高温下热处理原位反应而成，所述的氮化硼层为氮化硼前驱体在高温下热处理制备而成；所述的镍合金层由镍合金膏在高温下热处理形成；所述的硼化物/氮化物复合层与不锈钢接触，镍合金层与碳钢层接触；所述的不锈钢厚度为100~2000μm；所述的硼化物/氮化物复合层的厚度为10~40μm；所述的氮化硼层厚度为0.5~4μm；所述的镍合金层厚度为50~300μm；所述的碳钢厚度为1~3cm；所述的碳钢层表面含有弥散碳化物；所述的碳化物为碳钢中的碳原子和表面改性处理注入的金属离子在高温下原位反应而成。

6、本发明还提供了一种双金属复合型钢的制备方法：

7、s1:不锈钢管和碳钢棒的表面处理：将不锈钢管表面和碳钢棒表面经过酸洗除锈和乙醇去除杂处理后备用。

8、s2:碳钢棒表面纳米化：将s1处理后的碳钢棒表面进行干滑动处理实现表面纳米层状结构，干滑动后碳钢棒表面粗糙度控制在2~6μm。

9、s3:碳钢棒表面改性处理：对s2处理后的碳钢棒表面进行金属离子注入表面改性处理。

10、s4:不锈钢管表面制备硼化物/氮化物复合层和氮化硼层：将s1处理后的不锈钢管内表面涂覆氮化硼前驱体溶液，干燥后在氮气氛围下热处理制备硼化物/氮化物复合层和氮化硼层。

11、s5:镍合金膏的制备：将含镍金属粉末经过高能球磨后混合成镍合金粉末，接着加入去离子水混合成含镍合金膏，然后均匀的涂覆在s3表面改性处理后的碳钢棒表面。

12、s6:复合钢复合坯料的制备：将s5处理好的碳钢棒套入s4处理好的不锈钢管内，将不锈钢管和碳钢棒两端端面上的间隙处焊接一周焊缝，将其连接为一体，形成复合坯料。

13、s7:复合钢轧制成形：将复合坯料升温至1200∼1350℃进行热处理，保温为2~4h，然后将复合坯料经预选定的轧机孔型内，经过八道粗轧和两道精轧，由轧机的轧辊轧制成型后送到冷床。

14、s8:复合钢轧矫直切断：将冷床冷却后的型材送入悬臂式型材矫直机内矫直后，切割至所需尺寸。

15、进一步，所述的步骤s2中碳钢棒表面进行表面纳米化，干滑动处理具体步骤为：干滑动施加载荷为200~300n，转速为150~250rpm，摩擦过程温度控制在70~120℃，摩擦时间为1.5~4h。

16、进一步，所述的步骤s3中碳钢棒表面进行等离子注入金属表面改性处理的步骤为：在二氧化碳气氛下，对s2处理后的碳钢棒进行金属离子注入处理，其中所述的金属为：ti、zr、v、nb或cr，金属离子注入剂量为：5×1017~5×1018离子/cm2，离子能量为：100~400kev，注入束流密度为：20~50μa/cm2。

17、作为本发明的一个构思，对碳钢棒表面先进行表面纳米化和金属离子注入表面改性处理的目的在于：首先，通过表面纳米化处理，可以增加碳钢棒表面的硬度和耐磨性。同时，纳米化还能提高表面的活性和可溶性，为后续金属离子的注入提供了良好的基础。纳米化处理为金属离子的注入提供了更大的表面积和更多的活性位点，有利于金属离子的吸附和反应。其次，金属离子的注入有利于在高温下与碳钢发生反应，生成弥散碳化物。这些碳化物能够固定碳元素，阻碍碳元素向不锈钢扩散，从而增加了碳钢和不锈钢的结合力。这种结合力的增强，有效地提高了不锈钢的耐腐蚀性能，减少了腐蚀问题的发生。此外，金属离子注入还可以形成均匀的表面合金层，有效地阻止了外界的氧气、水分和其他腐蚀介质的侵蚀。这种合金层能够提供额外的保护层，增加了碳钢棒的耐腐蚀性能，延长了使用寿命。综上所述，通过表面纳米化和金属离子注入表面改性处理，可以增加碳钢棒的硬度、耐磨性和耐腐蚀性能，延长其使用寿命，并有效地解决碳钢棒在高温和腐蚀环境下容易腐蚀的问题。

18、进一步，所述的步骤s4中氮化硼前驱体溶液的制备方法为：以重量分数计，将50~70份硼源、50~140份氮源和100份乙醇混合均匀；其中硼源为硼酸，氮源为三聚氰胺或尿素。

19、进一步，所述的步骤s4中硼源和氮源的质量比为1:（1~2）。

20、本发明设计不锈钢管表面制备硼化物/氮化物复合层和氮化硼层主要有以下多重优势：首先，增加不锈钢和碳钢的结合强度，硼化物/氮化物复合层和氮化硼层能够与不锈钢管表面形成牢固的结合，提高界面结合强度，这样可以有效地增加不锈钢和碳钢之间的结合力，阻止碳元素在高温条件下向不锈钢扩散，从而增强了不锈钢管的结构稳定性和可靠性。其次，提高不锈钢的耐腐蚀能力，硼化物/氮化物复合层和氮化硼层具有良好的耐腐蚀性能，能够有效地抵御酸、碱、盐等腐蚀介质的侵蚀，这种复合层能够形成一层保护膜，有效阻隔外界腐蚀介质的进入，从而提高不锈钢管的耐腐蚀能力，延长其使用寿命。最后，阻碍碳钢中的碳原子向不锈钢中扩散，硼化物/氮化物复合层和氮化硼层能够阻碍碳钢中的碳原子向不锈钢中扩散，在高温条件下，碳原子会向不锈钢扩散，导致不锈钢的耐腐蚀性能下降。通过制备硼化物/氮化物复合层和氮化硼层，可以形成一层屏障，阻止碳原子的扩散，从而保持了不锈钢的耐腐蚀性能。综上所述，通过制备硼化物/氮化物复合层和氮化硼层，可以提高不锈钢管的结合强度，提高耐腐蚀能力，同时阻碍碳钢中的碳原子向不锈钢中扩散。这些优势能够有效地提升不锈钢管的性能，延长其使用寿命。

21、进一步，所述的步骤s5中含镍合金膏的制备方法如下，以重量分数计，将94~98份ni金属粉末、1~4份cu金属粉末和1~2份al金属粉末加入星式球磨罐中，以100~250 rap的速度球磨2~4h得到镍合金粉末，然后向镍合金粉末中加入去离子水搅拌混合均匀后得到镍合金膏，所述镍合金粉末和去离子水的质量比为(5~10):1。

22、本发明设计镍合金膏的目的在于：通过镍合金膏形成镍合金层，以进一步增加不锈钢管的结合强度和阻碍碳钢中碳原子的扩散。具体来说，镍合金膏中含有合金元素能够与不锈钢管表面的金属形成固溶体或化合物，通过在不锈钢管表面涂覆镍合金膏，并在适当的条件下进行加热处理，可以使合金元素与不锈钢管表面发生反应，形成均匀的镍合金层，这样的镍合金层具有高强度和优异的抗腐蚀性能，能够有效地增加不锈钢管的结合强度。同时，镍合金层能够阻止碳钢中的碳原子扩散到不锈钢管中，从而保持不锈钢管的耐腐蚀性能。因此，本发明设计的镍合金膏能够提高不锈钢管的结合强度，阻碍碳钢中的碳原子扩散，从而提高不锈钢管的性能和使用寿命。

23、进一步，所述的步骤s7中八道粗轧和两道精轧的总变形量为400%~600%。

24、本发明采用轧制成形复合钢主要有以下多重目的：首先，通过轧制成形的过程，能够使复合坯料中的不锈钢和碳钢相互结合，形成牢固的界面结合，这种界面结合能够增加复合钢的结合强度，提高其整体力学性能和抗拉强度形成复合钢。其次，控制材料的尺寸和形状：通过预选定的轧机孔型，可以对复合坯料进行精确的轧制成型，使得最终制备的复合钢具有预定的尺寸和形状。这对于满足不同工程需求和加工要求非常重要。最后，优化材料的性能：轧制成形过程中，通过晶粒细化和形变加工，能够优化材料的力学性能和加工性能。复合钢的微观结构和晶粒尺寸得以改善，从而提高其强度、韧性和耐腐蚀性能。综上所述，轧制成形的方式制备出不锈钢/碳钢的复合钢，增加界面结合强度，控制尺寸和形状，并优化材料的性能，以满足不同工程需求和加工要求。

25、(3)有益的技术效果

26、本发明通过表面纳米化和金属离子注入改性处理，提高碳钢棒的硬度、耐磨性和耐腐蚀性能，延长使用寿命，并解决高温和腐蚀环境下的腐蚀问题。同时，在不锈钢/碳钢复合钢中制备硼化物/氮化物复合层和氮化硼层，提高不锈钢管的结合强度和耐腐蚀能力，阻碍碳钢中碳原子的扩散。设计的镍合金膏提高不锈钢管的结合强度，延长使用寿命。最后，通过轧制成形制备复合钢，增加界面结合强度，控制尺寸和形状，优化材料性能，满足不同工程需求和加工要求。综上所述，本发明有效提升不锈钢管的性能，延长使用寿命。