合金元素對發(fā)藍(lán)處理捆帶鋼組織與性能的影響

楊冀　吳廣宇　劉新華　冉鐵力　黃旭　何萬定　孫貴磊

摘要：采用中碳硅錳（C-Si-Mn）、低碳加鈮（Nb-alloyed）和中碳加鈦（Ti-alloyed）三種不同成分生產(chǎn)的發(fā)藍(lán)處理捆帶鋼，分別對其進(jìn)行力學(xué)性能檢測和顯微組織分析。實(shí)驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)，三種成分捆帶鋼發(fā)藍(lán)處理后拉伸性能相近，且都隨著發(fā)藍(lán)溫度提高，而拉伸性能下降；C-Si-Mn成分的捆帶鋼發(fā)藍(lán)處理后氧化層性能最為穩(wěn)定，且當(dāng)發(fā)藍(lán)溫度為550℃時(shí)，氧化層中Fe3O4質(zhì)量分?jǐn)?shù)最大，達(dá)到98.1%；在相同發(fā)藍(lán)溫度處理后，Ti-alloyed和Nb-alloyed成分的捆帶鋼氧化層厚度較小。

關(guān)鍵詞：捆帶鋼；合金元素；顯微組織；力學(xué)性能

0 前言

捆帶鋼是一種工業(yè)包裝材料，廣泛應(yīng)用于有色金屬、鋼鐵、建材等領(lǐng)域的包裝捆扎，其應(yīng)用領(lǐng)域決定了捆帶鋼應(yīng)具有良好的力學(xué)性能和耐環(huán)境腐蝕性能［1，2］?；瘜W(xué)成分對捆帶鋼的強(qiáng)韌性和發(fā)藍(lán)處理后的表面質(zhì)量有著非常重要的影響，捆帶鋼中的主要元素及作用如下：

碳（C）：是鋼中的強(qiáng)化元素，C含量增加會(huì)使強(qiáng)度增加，但塑性下降。對于冷軋沖壓用鋼來說，需要較低的屈服強(qiáng)度、較高的斷后伸長率，且當(dāng)碳含量過高時(shí)，鋼的焊接性能變差，因而捆帶鋼中的碳含量一般控制在0.07%～0.25%左右。

錳（Mn）：在煉鋼過程中，錳是良好的脫氧劑和脫硫劑，提高M(jìn)n含量能提高鋼的強(qiáng)度和硬度，也能提高鋼的淬透性，改善鋼的熱加工性能，但提高M(jìn)n含量也會(huì)減弱鋼的抗腐蝕能力，降低焊接性能。

鈦（Ti）：鈦是鋼中主要添加的微合金元素之一，Ti能與鋼中的C、N間隙原子形成碳/氮化合物，得到純凈的鐵素體基體，從而降低間隙原子的不利影響。Ti是強(qiáng)的碳、氮和硫化物形成元素，它與三者結(jié)合的析出順序主要取決于生成的吉布斯自由能的高低，在奧氏體區(qū)析出基本上按TiN→TiS→Ti4C2S2→TiC順序進(jìn)行，TiN、TiC是常見的細(xì)化晶粒和析出強(qiáng)化粒子，能有效地提高強(qiáng)度。

鈮（Nb）：鈮也是鋼中主要添加的微合金元素之一，具有較強(qiáng)的細(xì)化晶粒和析出強(qiáng)化作用。Nb能降低鋼的過熱敏感性及回火脆性，提高強(qiáng)度，但塑性和韌性會(huì)有所下降。在常規(guī)低合金鋼中加鈮，可提高鋼的抗大氣腐蝕及高溫下抗氫、氮、氨腐蝕能力，并可改善焊接性能。

合金元素種類及含量不僅影響捆帶鋼的力學(xué)性能，而且對發(fā)藍(lán)處理后捆帶鋼氧化層的組成也有重要的影響。本文選取三種合金成分體系的捆帶鋼，采用相同的生產(chǎn)工藝參數(shù)，分別對其顯微組織和力學(xué)性能進(jìn)行研究，以探究合金元素對捆帶鋼力學(xué)性能和發(fā)藍(lán)處理的影響。

1 實(shí)驗(yàn)材料與實(shí)驗(yàn)方法

實(shí)驗(yàn)材料采用三種不同成分（中碳硅錳C-Si-Mn、低碳加鈮Nb-alloyed和中碳加鈦Ti-alloyed）捆帶鋼，其化學(xué)成分如表1所示。捆帶鋼加工工藝參數(shù)如表2所示，其中出鋼溫度在1 220℃和1 270℃之間，終軋溫度為880℃，卷曲溫度為620℃，冷軋變形率為70%。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

不同發(fā)藍(lán)溫度處理后，試驗(yàn)鋼的力學(xué)性能如表3所示?？梢?，在相同工藝下，三種成分捆帶鋼的強(qiáng)度性能均能滿足標(biāo)準(zhǔn)要求（抗拉大于980MPa），但Nb-alloyed成分的捆帶鋼抗拉強(qiáng)度要明顯高于Ti-alloyed成分捆帶鋼的抗拉強(qiáng)度，Ti-alloyed成分捆帶鋼的抗拉強(qiáng)度又要高于C-Si-Mn成分捆帶鋼的抗拉強(qiáng)度。三種成分的捆帶鋼延伸率性能則與對應(yīng)的強(qiáng)度性能相反，C-Si-Mn成分捆帶鋼的延伸率最高，其次是Ti-alloyed成分捆帶鋼，再次為Nb-alloyed成分捆帶鋼，且在強(qiáng)度等級相同的情況下，C-Si-Mn成分捆帶鋼的延伸率明顯高于Ti-alloyed成分捆帶鋼和Nb-alloyed成分捆帶鋼。另外，隨著發(fā)藍(lán)溫度的提高的，三種成分的捆帶鋼的抗拉強(qiáng)度均有所下降，但延伸性能均有所提高。

發(fā)藍(lán)熱處理工藝是捆帶生產(chǎn)的重要工序，一般是將帶鋼加熱到500～600℃，保溫約10～20 s鐘，之后進(jìn)行冷卻到室溫。經(jīng)過發(fā)藍(lán)熱處理后，捆帶表面生成了一層較為致密的氧化膜，這層氧化膜可以延緩捆帶服役使用中的銹蝕。發(fā)藍(lán)工藝一方面決定了產(chǎn)品的表面性能，另一方面，捆帶鋼通過發(fā)藍(lán)工藝調(diào)整了最終產(chǎn)品的綜合力學(xué)性能。發(fā)生回復(fù)的冷變形金屬繼續(xù)加熱時(shí)，在原來的變形組織中回復(fù)再結(jié)晶，位錯(cuò)密度顯著降低，性能也發(fā)生顯著變化。對三種成分捆帶鋼分別進(jìn)行500℃、550℃和600℃發(fā)藍(lán)處理，分別對其進(jìn)行顯微組織分析，其組織形貌如圖1所示，可見，在500～600℃的溫度范圍內(nèi)發(fā)藍(lán)處理，鋼材內(nèi)部組均為拉長的纖維狀，為不完全再結(jié)晶組織。

三種捆帶鋼在500～600℃之間進(jìn)行發(fā)藍(lán)處理后，其表面氧化膜組織形貌如圖2所示，其對應(yīng)的氧化膜厚度為表4所示?？梢姡N成分捆帶鋼的氧化膜厚度在200～1 000 nm之間，不同成分捆帶鋼發(fā)藍(lán)后氧化膜厚度有一定差異，其中C-Si-Mn成分捆帶鋼發(fā)藍(lán)處理后的氧化層厚度最大，其次是Ti-alloyed成分捆帶鋼和Nb-alloyed成分捆帶鋼。另外，隨著發(fā)藍(lán)溫度升高，捆帶鋼的氧化程度增加，氧化膜厚度增加，且C-Si-Mn成分捆帶鋼氧化膜厚度隨溫度升高增長最大。此外，三種鋼在500～600℃發(fā)藍(lán)的組織均由Fe3O4和Fe2O3組成，而沒有FeO，這應(yīng)該與600℃發(fā)藍(lán)時(shí)間較短、原子無法擴(kuò)散達(dá)到平衡狀態(tài)有關(guān)。

由于服役過程中疏松的FeO層會(huì)引起CO-CO2等氧化還原氣體的滲透，對鋼帶的抗氧化性有害，因此發(fā)藍(lán)工藝的目的是使帶鋼表面形成一層藍(lán)黑色致密氧化物（Fe3O4）層，以延緩捆帶服役過程中的銹蝕。從氧化膜組織結(jié)構(gòu)分析，如表5所示，C-Si-Mn成分捆帶鋼在500～600℃發(fā)藍(lán)的組織構(gòu)成最為穩(wěn)定，包含95.7～98.1% 的Fe3O4，僅含微量Fe2O3；Ti-alloyed成分捆帶鋼在500～600℃發(fā)藍(lán)的組織構(gòu)成較穩(wěn)定，包含84～95% 的Fe3O4；Nb-alloyed成分捆帶鋼在500～600℃發(fā)藍(lán)的組織構(gòu)成穩(wěn)定性不良，僅包含81～90% 的Fe3O4。因此，從發(fā)藍(lán)處理的目的來看，C-Si-Mn成分捆帶鋼具有最穩(wěn)定的氧化膜組織結(jié)構(gòu)。

3 小結(jié)

1、三種成分捆帶鋼發(fā)藍(lán)處理后拉伸性能相近，并且都有隨著發(fā)藍(lán)溫度提高，拉伸性能下降的趨勢；

2、C-Si-Mn成分捆帶鋼發(fā)藍(lán)處理后氧化層性能最為穩(wěn)定，并且當(dāng)發(fā)藍(lán)溫度為550℃時(shí)，氧化層中Fe3O4質(zhì)量分?jǐn)?shù)最大，為98.1%；

3、發(fā)藍(lán)溫度對不同合金成分捆帶鋼氧化層影響規(guī)律相同，即溫度越高氧化層厚度越大，并且在相同發(fā)藍(lán)溫度處理后，Ti-alloyed和Nb-alloyed成分捆帶鋼氧化層厚度較小。

參考文獻(xiàn)

［1］ 黃菲，陶軍暉，吳遠(yuǎn)東，等.超高強(qiáng)度發(fā)藍(lán)捆帶鋼的研制［J］.武漢工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報(bào)，2011，23（03）：4-7.

［2］ 李鋒，楊洪剛，呂家舜，等.超高強(qiáng)捆帶鋼試驗(yàn)研究［J］.鋼鐵釩鈦，2013，34（05）：75-78.