超高强度捆带原料钢种的筛选试验

黄 菲，陶军晖，熊 飞，张彦文

（武汉钢铁公司 武钢研究院， 武汉 430080）

超高强度捆带是一种高附加值和高性能的钢材深加工产品，广泛用于大卷重钢卷的打捆包装。[1]据初步测算，国内大型钢铁企业的年需求量一般都在2 000～3 000吨，由于其吨钢利润不低于1 000元，因而市场前景极为广阔。不过，该类产品因性能指标要求高，生产难度大，国内外目前仅有韩国信诺公司、宝钢、鞍山发蓝带钢有限责任公司、无锡方正金属捆带有限公司等极少数厂家能够稳定批量供货。出于市场竞争的需要，某客户迫切希望开发出高品质的超高强度捆带。受该客户委托，我们在实验室设计了几个原料钢种，通过模拟实际生产，对其进行了初步的研究和筛选，确认最优钢种。

一、实验部分

（一）实验试样

试样由实验室制备，实验前对其进行裁剪，产品厚度一般为0.9 mm，并清洁表面。

（二）实验设备

化学元素分析在ULTIMA 2C等离子发射光谱仪(法国JOBIN-YVON公司)和EMIA-820V碳硫分析仪(日本HORIBA公司)上完成，力学性能分析在GALDABINI SUN10电子拉伸试验机 (意大利GALDABINI公司)和WJJ-6C机动式弯折试验机(宁夏青山试验机有限公司)上完成，断口形貌分析在QUANTA 400扫描电镜(荷兰FET公司)上完成。

（三）试验工艺

原料钢种的制备全部在实验室进行，模拟实际生产。冶炼工序在50 kg真空感应炉中完成。热轧工序在800轧机上完成，铸坯加热温度为1 200～1 250°C，开轧温度为 950～1 100 °C，终轧温度为 800～950 °C，层流冷却温度为400～600°C，所得热轧原料厚度为3.0 mm。冷轧工序在400轧机上完成，进行7道次轧制，总压下率为70%，所得冷轧原料厚度为0.9 mm。热处理工序在箱式电阻炉中进行，热处理温度为550～700 °C，时间为 80～180 s。

二、结果与讨论

（一）试验过程

为确保大卷重钢卷在打捆包装时不发生断带，超高强度捆带一般应具有“抗拉强度不低于980 MPa，延伸率不低于10%，反复弯曲次数不少于4次（R=2.5 mm）”等特点，属于典型的“高强度、高塑性、高韧性”的高性能产品。[2]因此，无论后续采用何种轧制或热处理工艺，其对原料性能的要求都很高。从已公开的技术文献来看，业内目前所采用的原料钢种主要是碳素钢和低合金钢。[3]因此，我们也针对性地设计了几个钢种成分，具体情况见表1。

表1 设计的超高强度捆带原料钢种

一般来说，普通元素C、Si、Mn、P及合金元素Nb、V、Ti、Cr、Ni、Mo 等都能提高产品强度。在设计钢种时，我们也针对性地调整了上述元素的含量。碳素钢主要是采取Si、Mn、P强化，而低合金钢主要是采取C、Cr强化。当然，至于何种方式强化效果较好，则要通过原料力学性能来反映。我们模拟客户需求采用控轧控冷及冷连轧工艺，按照上述的轧制工艺进行试验，所得冷轧原料的力学性能见表2。

表2 不同钢种冷轧原料的力学性能（平均值）

从表2可以看到，如果采用碳素钢，A、B、C三个钢种经轧制后，其冷轧原料断口均存在严重的开裂现象，无法使用。这是因为A、B钢种中Si含量较高，导致钢带脆性显著增加。而C钢种虽然降低了C和Si的含量，却同时提高了P含量，由于存在明显的P偏析，同样致使钢的韧性较差，反弯次数不合格。由此可见，高含量的Si或P元素虽然可以显著提高钢的强度，但对塑性，特别是韧性有着非常不利的影响。相对而言，D钢种将C含量控制在一定范围，把Si含量降至痕量，主要是通过Mn的强化作用来提高强度，因而塑性和韧性较好。不过，D钢种冷轧原料的强度略显不足，难以保证热处理后产品的力学性能。与Si或P相比，Mn的强化效果有限。[4]

另一方面，如果采用低合金钢，E钢种由于C、Mn和Cr含量均较高，强化效果最显著，因而其冷轧原料的韧性也最差，断口存在严重的开裂现象，无法使用。而F、G、H三个钢种冷轧原料的力学性能较好。不过，相对于G钢种，F和H钢种的强度偏低，难以满足产品性能要求。这是因为，与G钢种相比，C钢种虽然Mn含量是前者的2倍，但Cr含量却只有前者的1/40，Mn含量的增加无法弥补因Cr含量降低所导致的强度损失。H钢种虽然Cr含量与G相同，Mn含量也是后者的2倍，但C含量却只有后者的1/2，Mn含量的增加同样无法弥补因C含量降低所导致的强度损失。从这里可以看到，对强度而言，C和Cr元素的强化效果更为显著。虽然C含量的提高也会导致增加钢的脆性，但适量的Cr元素的加入，有助于细化晶粒，提高钢的强韧性。[4]

图1 不同钢种相关冷轧原料的低倍形貌(A→D)和高倍形貌(E→F)分析图

为了验证原料钢种的有效性，我们模拟客户采用的去应力退火工艺，按照上述的热处理工艺进行试验，所得产品力学性能见表3。

从表3可以看到，无论是碳素钢的C、D钢种，还是低合金钢的H钢种，产品的抗拉强度、延伸率和反弯次数不能同时达标，力学性能不合格。C钢种产品的塑性和韧性较差，这和其具有高含量的Si和P有关。即使通过后续的去应力退火，仍然无法从根本上消除开裂现象。D钢种和H钢种产品的强度不足，主要源于冷轧原料性能富余量有限。其根本原因是前者与仅采用Mn强化相关，而后者则因为C含量不够。相对而言，G钢种由于C、Mn、Si等常规元素含量合理，添加的Cr细化了晶粒，提高了产品的强度，并且最大限度除去了有害元素P和S，保证了产品的塑性和韧性，因而产品的综合力学性能最好。因此，就本次试验结果来看，G钢种无疑是最合适的原料钢种。另一方面，考虑到超高强度捆带往往应用于高温或潮湿的工作环境，适量的Cr也可以显著提高产品的耐热及抗蚀性能。

表3 不同钢种相关产品的力学性能（平均值）

（二）试验总结

第一，与碳素钢相比，低合金钢作为原料钢种，在保证产品力学性能方面具有一定的优势。这是由于其添加了微量的合金元素，通过细化晶粒来提高产品的强韧性，效果显著。并且其易于增加原料性能的富余量，也有利于后续的热处理。虽然成本略高，但考虑到产品性能，其仍具有较为合理的性价比。另一方面，采用碳素钢作为原料钢种，通过去应力退火工艺进行生产，在性能富余量不足的情况下，难以保证产品的力学性能，但这并不意味碳素钢就完全无用武之地。事实上，如后续采用等温淬火或两相区淬火+回火热处理，仍有可能生产出性能合格的产品。通过淬火提高强度，通过回火提高塑性和韧性。只是在此方面，低合金钢也有一些优势，因为其添加的合金元素往往能提高钢的淬透性和回火稳定性，改善性能的效果十分明显。[5]

第二，在进行原料钢种设计时，仅就力学性能而言，一定要同时兼顾原料和产品的强度、塑性和韧性，不可偏废。尤其要重视韧性，产品一旦出现开裂，将完全无法使用，直接导致断带，这会严重影响打包安全。一般来说，通过轧制和热处理改变强度和塑性相对比较简单。但是，原料的韧性一旦定型，无论后续采用何种热处理工艺，都很难从根本上再改善产品的韧性。此外，考虑到产品特殊的使用环境，在设计原料钢种，特别是低合金钢时往往还必须要顾及其表面质量、板型、耐热性能、抗蚀性能、焊接性能及后续热处理工艺等因素。此时，要仔细判别需要添加何种合金元素，并严格控制其含量。

三、结论

针对某客户开发超高强度捆带的需要，在实验室设计了几个原料钢种，通过模拟实际生产，反复试验比较，确认某低合金钢具有一定优势。当然，要想大批量生产相关产品，原料钢种及生产工艺可能还需进一步的优化。

［1］黄菲，陶军晖，吴远东，张兆丽．超高强发蓝捆带性能分析[J]．热加工工艺，2012（4）：172-174．

［2］黄菲．进口高强捆带性能研究及生产工艺浅析[J]．荆楚理工学院学报，2012（7）：16-19．

［3］黄菲，陶军晖．捆带原料研发进展评析[J]．襄阳职业技术学院学报，2014（4）：4-8．

［4］艾星辉，宋海武，王燕，甄维静，王伟．金属学[M]．北京：冶金工业出版社，2009.

［5］黄菲，陶军晖．捆带热处理工艺述评[J]．湖北理工学院学报，2013（6）：1-6．