合金元素对发蓝处理捆带钢组织与性能的影响

杨冀　吴广宇　刘新华　冉铁力　黄旭　何万定　孙贵磊

摘要：采用中碳硅锰（C-Si-Mn）、低碳加铌（Nb-alloyed）和中碳加钛（Ti-alloyed）三种不同成分生产的发蓝处理捆带钢，分别对其进行力学性能检测和显微组织分析。实验结果发现，三种成分捆带钢发蓝处理后拉伸性能相近，且都随着发蓝温度提高，而拉伸性能下降；C-Si-Mn成分的捆带钢发蓝处理后氧化层性能最为稳定，且当发蓝温度为550℃时，氧化层中Fe3O4质量分数最大，达到98.1%；在相同发蓝温度处理后，Ti-alloyed和Nb-alloyed成分的捆带钢氧化层厚度较小。

关键词：捆带钢；合金元素；显微组织；力学性能

0 前言

捆带钢是一种工业包装材料，广泛应用于有色金属、钢铁、建材等领域的包装捆扎，其应用领域决定了捆带钢应具有良好的力学性能和耐环境腐蚀性能［1，2］。化学成分对捆带钢的强韧性和发蓝处理后的表面质量有着非常重要的影响，捆带钢中的主要元素及作用如下：

碳（C）：是钢中的强化元素，C含量增加会使强度增加，但塑性下降。对于冷轧冲压用钢来说，需要较低的屈服强度、较高的断后伸长率，且当碳含量过高时，钢的焊接性能变差，因而捆带钢中的碳含量一般控制在0.07%～0.25%左右。

锰（Mn）：在炼钢过程中，锰是良好的脱氧剂和脱硫剂，提高Mn含量能提高钢的强度和硬度，也能提高钢的淬透性，改善钢的热加工性能，但提高Mn含量也会减弱钢的抗腐蚀能力，降低焊接性能。

钛（Ti）：钛是钢中主要添加的微合金元素之一，Ti能与钢中的C、N间隙原子形成碳/氮化合物，得到纯净的铁素体基体，从而降低间隙原子的不利影响。Ti是强的碳、氮和硫化物形成元素，它与三者结合的析出顺序主要取决于生成的吉布斯自由能的高低，在奥氏体区析出基本上按TiN→TiS→Ti4C2S2→TiC顺序进行，TiN、TiC是常见的细化晶粒和析出强化粒子，能有效地提高强度。

铌（Nb）：铌也是钢中主要添加的微合金元素之一，具有较强的细化晶粒和析出强化作用。Nb能降低钢的过热敏感性及回火脆性，提高强度，但塑性和韧性会有所下降。在常规低合金钢中加铌，可提高钢的抗大气腐蚀及高温下抗氢、氮、氨腐蚀能力，并可改善焊接性能。

合金元素种类及含量不仅影响捆带钢的力学性能，而且对发蓝处理后捆带钢氧化层的组成也有重要的影响。本文选取三种合金成分体系的捆带钢，采用相同的生产工艺参数，分别对其显微组织和力学性能进行研究，以探究合金元素对捆带钢力学性能和发蓝处理的影响。

1 实验材料与实验方法

实验材料采用三种不同成分（中碳硅锰C-Si-Mn、低碳加铌Nb-alloyed和中碳加钛Ti-alloyed）捆带钢，其化学成分如表1所示。捆带钢加工工艺参数如表2所示，其中出钢温度在1 220℃和1 270℃之间，终轧温度为880℃，卷曲温度为620℃，冷轧变形率为70%。

2 实验结果与分析

不同发蓝温度处理后，试验钢的力学性能如表3所示。可见，在相同工艺下，三种成分捆带钢的强度性能均能满足标准要求（抗拉大于980MPa），但Nb-alloyed成分的捆带钢抗拉强度要明显高于Ti-alloyed成分捆带钢的抗拉强度，Ti-alloyed成分捆带钢的抗拉强度又要高于C-Si-Mn成分捆带钢的抗拉强度。三种成分的捆带钢延伸率性能则与对应的强度性能相反，C-Si-Mn成分捆带钢的延伸率最高，其次是Ti-alloyed成分捆带钢，再次为Nb-alloyed成分捆带钢，且在强度等级相同的情况下，C-Si-Mn成分捆带钢的延伸率明显高于Ti-alloyed成分捆带钢和Nb-alloyed成分捆带钢。另外，随着发蓝温度的提高的，三种成分的捆带钢的抗拉强度均有所下降，但延伸性能均有所提高。

发蓝热处理工艺是捆带生产的重要工序，一般是将带钢加热到500～600℃，保温约10～20 s钟，之后进行冷却到室温。经过发蓝热处理后，捆带表面生成了一层较为致密的氧化膜，这层氧化膜可以延缓捆带服役使用中的锈蚀。发蓝工艺一方面决定了产品的表面性能，另一方面，捆带钢通过发蓝工艺调整了最终产品的综合力学性能。发生回复的冷变形金属继续加热时，在原来的变形组织中回复再结晶，位错密度显著降低，性能也发生显著变化。对三种成分捆带钢分别进行500℃、550℃和600℃发蓝处理，分别对其进行显微组织分析，其组织形貌如图1所示，可见，在500～600℃的温度范围内发蓝处理，钢材内部组均为拉长的纤维状，为不完全再结晶组织。

三种捆带钢在500～600℃之间进行发蓝处理后，其表面氧化膜组织形貌如图2所示，其对应的氧化膜厚度为表4所示。可见，三种成分捆带钢的氧化膜厚度在200～1 000 nm之间，不同成分捆帶钢发蓝后氧化膜厚度有一定差异，其中C-Si-Mn成分捆带钢发蓝处理后的氧化层厚度最大，其次是Ti-alloyed成分捆带钢和Nb-alloyed成分捆带钢。另外，随着发蓝温度升高，捆带钢的氧化程度增加，氧化膜厚度增加，且C-Si-Mn成分捆带钢氧化膜厚度随温度升高增长最大。此外，三种钢在500～600℃发蓝的组织均由Fe3O4和Fe2O3组成，而没有FeO，这应该与600℃发蓝时间较短、原子无法扩散达到平衡状态有关。

由于服役过程中疏松的FeO层会引起CO-CO2等氧化还原气体的渗透，对钢带的抗氧化性有害，因此发蓝工艺的目的是使带钢表面形成一层蓝黑色致密氧化物（Fe3O4）层，以延缓捆带服役过程中的锈蚀。从氧化膜组织结构分析，如表5所示，C-Si-Mn成分捆带钢在500～600℃发蓝的组织构成最为稳定，包含95.7～98.1% 的Fe3O4，仅含微量Fe2O3；Ti-alloyed成分捆带钢在500～600℃发蓝的组织构成较稳定，包含84～95% 的Fe3O4；Nb-alloyed成分捆带钢在500～600℃发蓝的组织构成稳定性不良，仅包含81～90% 的Fe3O4。因此，从发蓝处理的目的来看，C-Si-Mn成分捆带钢具有最稳定的氧化膜组织结构。

3 小结

1、三种成分捆带钢发蓝处理后拉伸性能相近，并且都有随着发蓝温度提高，拉伸性能下降的趋势；

2、C-Si-Mn成分捆带钢发蓝处理后氧化层性能最为稳定，并且当发蓝温度为550℃时，氧化层中Fe3O4质量分数最大，为98.1%；

3、发蓝温度对不同合金成分捆带钢氧化层影响规律相同，即温度越高氧化层厚度越大，并且在相同发蓝温度处理后，Ti-alloyed和Nb-alloyed成分捆带钢氧化层厚度较小。

参考文献

［1］ 黄菲，陶军晖，吴远东，等.超高强度发蓝捆带钢的研制［J］.武汉工程职业技术学院学报，2011，23（03）：4-7.

［2］ 李锋，杨洪刚，吕家舜，等.超高强捆带钢试验研究［J］.钢铁钒钛，2013，34（05）：75-78.