合金元素對發藍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）三種不同成分生產的發藍處理捆帶鋼，分別對其進行力學性能檢測和顯微組織分析。實驗結果發現，三種成分捆帶鋼發藍處理后拉伸性能相近，且都隨著發藍溫度提高，而拉伸性能下降；C-Si-Mn成分的捆帶鋼發藍處理后氧化層性能最為穩定，且當發藍溫度為550℃時，氧化層中Fe3O4質量分數最大，達到98.1%；在相同發藍溫度處理后，Ti-alloyed和Nb-alloyed成分的捆帶鋼氧化層厚度較小。

關鍵詞：捆帶鋼；合金元素；顯微組織；力學性能

0 前言

捆帶鋼是一種工業包裝材料，廣泛應用于有色金屬、鋼鐵、建材等領域的包裝捆扎，其應用領域決定了捆帶鋼應具有良好的力學性能和耐環境腐蝕性能［1，2］。化學成分對捆帶鋼的強韌性和發藍處理后的表面質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）：是鋼中的強化元素，C含量增加會使強度增加，但塑性下降。對于冷軋沖壓用鋼來說，需要較低的屈服強度、較高的斷后伸長率，且當碳含量過高時，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Mn含量能提高鋼的強度和硬度，也能提高鋼的淬透性，改善鋼的熱加工性能，但提高Mn含量也會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是強的碳、氮和硫化物形成元素，它與三者結合的析出順序主要取決于生成的吉布斯自由能的高低，在奧氏體區析出基本上按TiN→TiS→Ti4C2S2→TiC順序進行，TiN、TiC是常見的細化晶粒和析出強化粒子，能有效地提高強度。

鈮（Nb）：鈮也是鋼中主要添加的微合金元素之一，具有較強的細化晶粒和析出強化作用。Nb能降低鋼的過熱敏感性及回火脆性，提高強度，但塑性和韌性會有所下降。在常規低合金鋼中加鈮，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性能，而且對發藍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，采用相同的生產工藝參數，分別對其顯微組織和力學性能進行研究，以探究合金元素對捆帶鋼力學性能和發藍處理的影響。

1 實驗材料與實驗方法

實驗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，其化學成分如表1所示。捆帶鋼加工工藝參數如表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 實驗結果與分析

不同發藍溫度處理后，試驗鋼的力學性能如表3所示。可見，在相同工藝下，三種成分捆帶鋼的強度性能均能滿足標準要求（抗拉大于980MPa），但Nb-alloyed成分的捆帶鋼抗拉強度要明顯高于Ti-alloyed成分捆帶鋼的抗拉強度，Ti-alloyed成分捆帶鋼的抗拉強度又要高于C-Si-Mn成分捆帶鋼的抗拉強度。三種成分的捆帶鋼延伸率性能則與對應的強度性能相反，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，隨著發藍溫度的提高的，三種成分的捆帶鋼的抗拉強度均有所下降，但延伸性能均有所提高。

發藍熱處理工藝是捆帶生產的重要工序，一般是將帶鋼加熱到500～600℃，保溫約10～20 s鐘，之后進行冷卻到室溫。經過發藍熱處理后，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。發藍工藝一方面決定了產品的表面性能，另一方面，捆帶鋼通過發藍工藝調整了最終產品的綜合力學性能。發生回復的冷變形金屬繼續加熱時，在原來的變形組織中回復再結晶，位錯密度顯著降低，性能也發生顯著變化。對三種成分捆帶鋼分別進行500℃、550℃和600℃發藍處理，分別對其進行顯微組織分析，其組織形貌如圖1所示，可見，在500～600℃的溫度范圍內發藍處理，鋼材內部組均為拉長的纖維狀，為不完全再結晶組織。

三種捆帶鋼在500～600℃之間進行發藍處理后，其表面氧化膜組織形貌如圖2所示，其對應的氧化膜厚度為表4所示。可見，三種成分捆帶鋼的氧化膜厚度在200～1 000 nm之間，不同成分捆帶鋼發藍后氧化膜厚度有一定差異，其中C-Si-Mn成分捆帶鋼發藍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，隨著發藍溫度升高，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℃發藍的組織均由Fe3O4和Fe2O3組成，而沒有FeO，這應該與600℃發藍時間較短、原子無法擴散達到平衡狀態有關。

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

3 小結

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

2、C-Si-Mn成分捆帶鋼發藍處理后氧化層性能最為穩定，并且當發藍溫度為550℃時，氧化層中Fe3O4質量分數最大，為98.1%；

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

參考文獻

［1］ 黃菲，陶軍暉，吳遠東，等.超高強度發藍捆帶鋼的研制［J］.武漢工程職業技術學院學報，2011，23（03）：4-7.

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