超高強(qiáng)度捆帶原料鋼種的篩選試驗(yàn)

黃 菲，陶軍暉，熊 飛，張彥文

（武漢鋼鐵公司 武鋼研究院， 武漢 430080）

超高強(qiáng)度捆帶是一種高附加值和高性能的鋼材深加工產(chǎn)品，廣泛用于大卷重鋼卷的打捆包裝。[1]據(jù)初步測(cè)算，國(guó)內(nèi)大型鋼鐵企業(yè)的年需求量一般都在2 000～3 000噸，由于其噸鋼利潤(rùn)不低于1 000元，因而市場(chǎng)前景極為廣闊。不過，該類產(chǎn)品因性能指標(biāo)要求高，生產(chǎn)難度大，國(guó)內(nèi)外目前僅有韓國(guó)信諾公司、寶鋼、鞍山發(fā)藍(lán)帶鋼有限責(zé)任公司、無錫方正金屬捆帶有限公司等極少數(shù)廠家能夠穩(wěn)定批量供貨。出于市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)的需要，某客戶迫切希望開發(fā)出高品質(zhì)的超高強(qiáng)度捆帶。受該客戶委托，我們?cè)趯?shí)驗(yàn)室設(shè)計(jì)了幾個(gè)原料鋼種，通過模擬實(shí)際生產(chǎn)，對(duì)其進(jìn)行了初步的研究和篩選，確認(rèn)最優(yōu)鋼種。

一、實(shí)驗(yàn)部分

（一）實(shí)驗(yàn)試樣

試樣由實(shí)驗(yàn)室制備，實(shí)驗(yàn)前對(duì)其進(jìn)行裁剪，產(chǎn)品厚度一般為0.9 mm，并清潔表面。

（二）實(shí)驗(yàn)設(shè)備

化學(xué)元素分析在ULTIMA 2C等離子發(fā)射光譜儀(法國(guó)JOBIN-YVON公司)和EMIA-820V碳硫分析儀(日本HORIBA公司)上完成，力學(xué)性能分析在GALDABINI SUN10電子拉伸試驗(yàn)機(jī) (意大利GALDABINI公司)和WJJ-6C機(jī)動(dòng)式彎折試驗(yàn)機(jī)(寧夏青山試驗(yàn)機(jī)有限公司)上完成，斷口形貌分析在QUANTA 400掃描電鏡(荷蘭FET公司)上完成。

（三）試驗(yàn)工藝

原料鋼種的制備全部在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行，模擬實(shí)際生產(chǎn)。冶煉工序在50 kg真空感應(yīng)爐中完成。熱軋工序在800軋機(jī)上完成，鑄坯加熱溫度為1 200～1 250°C，開軋溫度為 950～1 100 °C，終軋溫度為 800～950 °C，層流冷卻溫度為400～600°C，所得熱軋?jiān)虾穸葹?.0 mm。冷軋工序在400軋機(jī)上完成，進(jìn)行7道次軋制，總壓下率為70%，所得冷軋?jiān)虾穸葹?.9 mm。熱處理工序在箱式電阻爐中進(jìn)行，熱處理溫度為550～700 °C，時(shí)間為 80～180 s。

二、結(jié)果與討論

（一）試驗(yàn)過程

為確保大卷重鋼卷在打捆包裝時(shí)不發(fā)生斷帶，超高強(qiáng)度捆帶一般應(yīng)具有“抗拉強(qiáng)度不低于980 MPa，延伸率不低于10%，反復(fù)彎曲次數(shù)不少于4次（R=2.5 mm）”等特點(diǎn)，屬于典型的“高強(qiáng)度、高塑性、高韌性”的高性能產(chǎn)品。[2]因此，無論后續(xù)采用何種軋制或熱處理工藝，其對(duì)原料性能的要求都很高。從已公開的技術(shù)文獻(xiàn)來看，業(yè)內(nèi)目前所采用的原料鋼種主要是碳素鋼和低合金鋼。[3]因此，我們也針對(duì)性地設(shè)計(jì)了幾個(gè)鋼種成分，具體情況見表1。

表1 設(shè)計(jì)的超高強(qiáng)度捆帶原料鋼種

一般來說，普通元素C、Si、Mn、P及合金元素Nb、V、Ti、Cr、Ni、Mo 等都能提高產(chǎn)品強(qiáng)度。在設(shè)計(jì)鋼種時(shí)，我們也針對(duì)性地調(diào)整了上述元素的含量。碳素鋼主要是采取Si、Mn、P強(qiáng)化，而低合金鋼主要是采取C、Cr強(qiáng)化。當(dāng)然，至于何種方式強(qiáng)化效果較好，則要通過原料力學(xué)性能來反映。我們模擬客戶需求采用控軋控冷及冷連軋工藝，按照上述的軋制工藝進(jìn)行試驗(yàn)，所得冷軋?jiān)系牧W(xué)性能見表2。

表2 不同鋼種冷軋?jiān)系牧W(xué)性能（平均值）

從表2可以看到，如果采用碳素鋼，A、B、C三個(gè)鋼種經(jīng)軋制后，其冷軋?jiān)蠑嗫诰嬖趪?yán)重的開裂現(xiàn)象，無法使用。這是因?yàn)锳、B鋼種中Si含量較高，導(dǎo)致鋼帶脆性顯著增加。而C鋼種雖然降低了C和Si的含量，卻同時(shí)提高了P含量，由于存在明顯的P偏析，同樣致使鋼的韌性較差，反彎次數(shù)不合格。由此可見，高含量的Si或P元素雖然可以顯著提高鋼的強(qiáng)度，但對(duì)塑性，特別是韌性有著非常不利的影響。相對(duì)而言，D鋼種將C含量控制在一定范圍，把Si含量降至痕量，主要是通過Mn的強(qiáng)化作用來提高強(qiáng)度，因而塑性和韌性較好。不過，D鋼種冷軋?jiān)系膹?qiáng)度略顯不足，難以保證熱處理后產(chǎn)品的力學(xué)性能。與Si或P相比，Mn的強(qiáng)化效果有限。[4]

另一方面，如果采用低合金鋼，E鋼種由于C、Mn和Cr含量均較高，強(qiáng)化效果最顯著，因而其冷軋?jiān)系捻g性也最差，斷口存在嚴(yán)重的開裂現(xiàn)象，無法使用。而F、G、H三個(gè)鋼種冷軋?jiān)系牧W(xué)性能較好。不過，相對(duì)于G鋼種，F(xiàn)和H鋼種的強(qiáng)度偏低，難以滿足產(chǎn)品性能要求。這是因?yàn)?，與G鋼種相比，C鋼種雖然Mn含量是前者的2倍，但Cr含量卻只有前者的1/40，Mn含量的增加無法彌補(bǔ)因Cr含量降低所導(dǎo)致的強(qiáng)度損失。H鋼種雖然Cr含量與G相同，Mn含量也是后者的2倍，但C含量卻只有后者的1/2，Mn含量的增加同樣無法彌補(bǔ)因C含量降低所導(dǎo)致的強(qiáng)度損失。從這里可以看到，對(duì)強(qiáng)度而言，C和Cr元素的強(qiáng)化效果更為顯著。雖然C含量的提高也會(huì)導(dǎo)致增加鋼的脆性，但適量的Cr元素的加入，有助于細(xì)化晶粒，提高鋼的強(qiáng)韌性。[4]

圖1 不同鋼種相關(guān)冷軋?jiān)系牡捅缎蚊?A→D)和高倍形貌(E→F)分析圖

為了驗(yàn)證原料鋼種的有效性，我們模擬客戶采用的去應(yīng)力退火工藝，按照上述的熱處理工藝進(jìn)行試驗(yàn)，所得產(chǎn)品力學(xué)性能見表3。

從表3可以看到，無論是碳素鋼的C、D鋼種，還是低合金鋼的H鋼種，產(chǎn)品的抗拉強(qiáng)度、延伸率和反彎次數(shù)不能同時(shí)達(dá)標(biāo)，力學(xué)性能不合格。C鋼種產(chǎn)品的塑性和韌性較差，這和其具有高含量的Si和P有關(guān)。即使通過后續(xù)的去應(yīng)力退火，仍然無法從根本上消除開裂現(xiàn)象。D鋼種和H鋼種產(chǎn)品的強(qiáng)度不足，主要源于冷軋?jiān)闲阅芨挥嗔坑邢?。其根本原因是前者與僅采用Mn強(qiáng)化相關(guān)，而后者則因?yàn)镃含量不夠。相對(duì)而言，G鋼種由于C、Mn、Si等常規(guī)元素含量合理，添加的Cr細(xì)化了晶粒，提高了產(chǎn)品的強(qiáng)度，并且最大限度除去了有害元素P和S，保證了產(chǎn)品的塑性和韌性，因而產(chǎn)品的綜合力學(xué)性能最好。因此，就本次試驗(yàn)結(jié)果來看，G鋼種無疑是最合適的原料鋼種。另一方面，考慮到超高強(qiáng)度捆帶往往應(yīng)用于高溫或潮濕的工作環(huán)境，適量的Cr也可以顯著提高產(chǎn)品的耐熱及抗蝕性能。

表3 不同鋼種相關(guān)產(chǎn)品的力學(xué)性能（平均值）

（二）試驗(yàn)總結(jié)

第一，與碳素鋼相比，低合金鋼作為原料鋼種，在保證產(chǎn)品力學(xué)性能方面具有一定的優(yōu)勢(shì)。這是由于其添加了微量的合金元素，通過細(xì)化晶粒來提高產(chǎn)品的強(qiáng)韌性，效果顯著。并且其易于增加原料性能的富余量，也有利于后續(xù)的熱處理。雖然成本略高，但考慮到產(chǎn)品性能，其仍具有較為合理的性價(jià)比。另一方面，采用碳素鋼作為原料鋼種，通過去應(yīng)力退火工藝進(jìn)行生產(chǎn)，在性能富余量不足的情況下，難以保證產(chǎn)品的力學(xué)性能，但這并不意味碳素鋼就完全無用武之地。事實(shí)上，如后續(xù)采用等溫淬火或兩相區(qū)淬火+回火熱處理，仍有可能生產(chǎn)出性能合格的產(chǎn)品。通過淬火提高強(qiáng)度，通過回火提高塑性和韌性。只是在此方面，低合金鋼也有一些優(yōu)勢(shì)，因?yàn)槠涮砑拥暮辖鹪赝芴岣咪摰拇阃感院突鼗鸱€(wěn)定性，改善性能的效果十分明顯。[5]

第二，在進(jìn)行原料鋼種設(shè)計(jì)時(shí)，僅就力學(xué)性能而言，一定要同時(shí)兼顧原料和產(chǎn)品的強(qiáng)度、塑性和韌性，不可偏廢。尤其要重視韌性，產(chǎn)品一旦出現(xiàn)開裂，將完全無法使用，直接導(dǎo)致斷帶，這會(huì)嚴(yán)重影響打包安全。一般來說，通過軋制和熱處理改變強(qiáng)度和塑性相對(duì)比較簡(jiǎn)單。但是，原料的韌性一旦定型，無論后續(xù)采用何種熱處理工藝，都很難從根本上再改善產(chǎn)品的韌性。此外，考慮到產(chǎn)品特殊的使用環(huán)境，在設(shè)計(jì)原料鋼種，特別是低合金鋼時(shí)往往還必須要顧及其表面質(zhì)量、板型、耐熱性能、抗蝕性能、焊接性能及后續(xù)熱處理工藝等因素。此時(shí)，要仔細(xì)判別需要添加何種合金元素，并嚴(yán)格控制其含量。

三、結(jié)論

針對(duì)某客戶開發(fā)超高強(qiáng)度捆帶的需要，在實(shí)驗(yàn)室設(shè)計(jì)了幾個(gè)原料鋼種，通過模擬實(shí)際生產(chǎn)，反復(fù)試驗(yàn)比較，確認(rèn)某低合金鋼具有一定優(yōu)勢(shì)。當(dāng)然，要想大批量生產(chǎn)相關(guān)產(chǎn)品，原料鋼種及生產(chǎn)工藝可能還需進(jìn)一步的優(yōu)化。

［1］黃菲，陶軍暉，吳遠(yuǎn)東，張兆麗．超高強(qiáng)發(fā)藍(lán)捆帶性能分析[J]．熱加工工藝，2012（4）：172-174．

［2］黃菲．進(jìn)口高強(qiáng)捆帶性能研究及生產(chǎn)工藝淺析[J]．荊楚理工學(xué)院學(xué)報(bào)，2012（7）：16-19．

［3］黃菲，陶軍暉．捆帶原料研發(fā)進(jìn)展評(píng)析[J]．襄陽(yáng)職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報(bào)，2014（4）：4-8．

［4］艾星輝，宋海武，王燕，甄維靜，王偉．金屬學(xué)[M]．北京：冶金工業(yè)出版社，2009.

［5］黃菲，陶軍暉．捆帶熱處理工藝述評(píng)[J]．湖北理工學(xué)院學(xué)報(bào)，2013（6）：1-6．