一种钢卷尺尺条用高硬度冷轧钢带及其制造方法

技术领域

本发明涉及钢卷尺尺条用钢，特别涉及一种钢卷尺尺条用高硬度冷轧钢带及其制造方法，属于铁基合金技术领域。

背景技术

钢卷尺是日常生活中常用的工量具，在建筑和装修常用，也是家庭必备工具之一。钢卷尺可分为：自卷式卷尺、制动式卷尺、摇卷式卷尺，主要用于测量较长物体的尺寸或距离，长度有3m、5m、20m、50m等多种。

钢卷尺主要由外壳、尺条、制动、尺钩等部件构成，其中尺条为主要部件，表面涂有环保油漆：色彩鲜艳、刻度清晰。尺条本身要求：韧性强、硬度高、耐磨损。早期的一些尺条采用了高碳、高合金的钢带材料设计，在保证了高硬度高耐磨性的条件下，导致材料韧性、弹性较差，需要多道次退火和冷轧加工来保证，加工成本高，制造周期长。

申请公布号为CN103060696A的专利申请公开了一种耐腐蚀高弹性卷尺带材料，主要是提高强度和耐腐蚀性能，采用的是碳含量0.8％的高碳设计，并添加了0.5％的Cr和0.3％的V等贵重合金成分，材料本身合金成本很高；另外由于高碳和高合金的成分设计，造成材料韧性较差；而卷尺尺带本身厚度很薄，冷轧加工过程整体变形量达到90％以上，冷轧加工过程一般采用三轧两退，甚至三轧三退；冷轧、退火加工成本很高。

公开号为CN107365941A的专利申请公开了一种50钢冷硬卷的生产方法，其材料主化学成份重量百分比为：C 0.5～0.55％，Si 0.2～0.3％，Mn 0.6～0.7％，P≤0.02％，S≤0.01％，Als≤0.035％，其余为Fe和不可避免的杂质。首先从成分、热轧工艺参数设计两者有明显的差别；其次该发明采用的制造工艺是热轧卷先退火再冷轧的方法，而本发明热轧卷可以直接冷轧再退火再二次冷轧，成品材料硬度达到290-330HV0.5，远大于该发明材料硬度为20-23HRC的用户要求。

发明内容

本发明目的是提供一种钢卷尺尺条用高硬度冷轧钢带及其制造方法，解决现有钢卷尺尺条用钢带制造成本高、硬度低的技术问题。

本发明的技术思路是，通过采用降低钢中C元素基体含量，添加微量Cr元素的成分设计方法，结合热轧工艺调控热轧态组织晶粒、降低热轧态材料强度，提高韧性；并最终通过大变形量的冷轧、退火工艺来控制材料的最终硬度，达到降低Cr、V合金含量0.7％，减少1-2道次退火；从而降低材料设计及制造成本，满足钢卷尺尺条高硬度、高韧性的要求。

本发明的技术方案是，一种钢卷尺尺条用高硬度冷轧钢带，其化学成分重量百分比：C：0.48％～0.52％，Si：0.27％～0.37％，Mn：0.60～0.70％，P≤0.015％，S≤0.003％，Cr：0.10％～0.20％，Al：0.01％～0.03％，Ca：0.0015％～0.0030％；其余为Fe和不可避免的杂质。

本发明冷轧钢带的金相组织为珠光体+形变铁素体；0.08～0.20mm厚冷轧钢带的屈服强度R

本发明钢卷尺尺条用高硬度冷轧钢带的化学成分限定在上述范围内的理由如下：

碳：碳是珠光体形成的主要合金元素，同时影响材料热轧、冷轧、退火以及材料淬火后的硬度。C含量过低，不能满足材料高硬度要求；C含量过高则塑性韧性下降明显，钢卷冷轧过程易发生裂边、断带。综合考虑，本发明设定碳含量为0.48-0.52％。

硅：硅作为固溶强化元素，固溶在钢带基体中有一定的强化效果，并且能显著提高材料弹性极限；同时作为冶炼时的一种脱氧剂，对脱氧、脱硫发挥作用。但大量含有时会使铁素体相硬化，加工性能明显降低。综合考虑，本发明设定Si含量为0.27～0.37％。

锰：锰是良好的脱氧剂和脱硫剂。钢中含有一定量的锰，能消除或改善钢的热加工性能，同时能明显提高淬透性。但含量过多时，会引起成分偏析，造成组织不均，材料成型性能急剧下降。经综合考虑，本发明设定Mn含量为0.60～0.70％。

磷：磷为杂质元素，偏析于晶界使加工性能下降，希望尽可能减少其含量，提高成型性能；但考虑到工艺设备控制能力和脱磷成本，本发明限定P≤0.015％。

硫：硫为杂质元素，在钢中形成MnS等夹杂物，影响成形性能。希望尽可能减少其含量；考虑到实际控制能力和脱硫成本，本发明限定S≤0.003％。

铬：铬是碳化物形成元素，能增加钢的淬透性，是耐蚀、耐氧化主要合金元素；同时能抑制热轧后冷却过程中组织晶粒度，提高材料强度和硬度，一般要求含量在0.10％以上，但含量过多会使合金成本增加，同时也降低加工性能。综合考虑，本发明设定Cr含量为0.10～0.20％。

铝：铝在本发明中的作用是起到脱氧以及结合游离态氮的作用，铝是强氧化性形成元素，和钢中氧形成Al

钙：通过钙处理可以有效改善钢中的夹杂物形态，从而有效改善钢板的加工成形性能。本发明限定Ca含量为0.0015％～0.0030％。

一种钢卷尺尺条用高硬度冷轧钢带的制造方法，该方法包括：

通过转炉冶炼得到符合目标成分的钢水；转炉出钢后，将钢水运至LF精炼炉进行钢水温度调控、脱硫、合金成分调控和喂钙线处理；

对经精炼炉处理后的钢水进行板坯连铸得到连铸板坯，连铸板坯化学成分的重量百分比为：C：0.48％～0.52％，Si：0.27％～0.37％，Mn：0.60～0.70％，P≤0.015％，S≤0.003％，Cr：0.10％～0.20％，Al：0.01％～0.03％，Ca：0.0015％～0.0030％；其余为Fe和不可避免的杂质；控制连铸板坯中非金属夹杂物≤1.5级；

连铸板坯经加热炉加热后进行热轧，连铸板坯进加热炉采用热装热送方式，连铸板坯进加热炉的温度为400～700℃，连铸板坯的加热温度为1170～1210℃，加热时间为180～240min；所述热轧为两段式轧制工艺，粗轧为6道次连轧，在奥氏体再结晶温度以上轧制，粗轧结束温度为1010～1050℃；中间坯厚度为34～38mm；精轧为7道次连轧，精轧结束温度为870～910℃；精轧后，控制钢板厚度为2.0～3.0mm；层流冷却采用前段冷却，冷却速度为20～30℃/S；卷取温度为630～670℃时卷取得热轧钢卷；

热轧钢卷重新开卷后经酸洗、一次冷轧、罩式退火炉退火和二次冷轧，得到厚度为0.08～0.20mm成品冷轧钢带；所述一次冷轧压下率为75％～85％，一次冷轧后钢带厚度为0.30～0.60mm；经过一次冷轧后的轧硬状态钢带在罩式退火炉退火的均热段温度为670～680℃，钢带在均热段的退火时间为12～15h；所述二次冷轧压下率为65％～75％。

本发明的技术关键主要通过成分设计、热轧工艺和冷轧退火工艺的合理调控和匹配性技术得以实现。经模拟计算和试验验证，本发明钢带成分体系A

本发明采取的生产工艺制度的理由如下：

1、LF精炼炉+钙处理精炼工艺的设定

钢水中非金属夹杂物控制是实现本发明的关键技术，因为卷尺钢带很薄，只有0.08-0.2mm厚，钢中非金属夹杂物的大小、形状对卷尺钢带加工影响很大，夹杂物过大、外形尖锐会造成冷轧变形困难，卷尺钢带冷变形加工产生裂纹甚至砂眼，导致产品失效。因此本发明在炼钢工序采用LF精炼炉+钙处理精炼，促使脆性夹杂物变性，改善夹杂物形态；同时使小颗粒夹杂物聚集长大，被精炼渣吸附去除；从而保证成品钢卷的钢中非金属夹杂物等级控制在1.5级以下，满足卷尺钢带的冷变形加工要求。

2、连铸板坯加热温度和加热时间的设定

连铸板坯进加热炉采用热装热送方式，连铸板坯进加热炉的温度为400～700℃。因本钢种仍具有较高的碳含量，连铸板坯在低温段冷却过程中，易发生马氏体和低温贝氏体转变，致使材料强度升高、脆性下降，尤其是在板坯表面和角部位置，产生脆性微裂纹，影响后续板坯轧制生产和使用。

连铸板坯加热温度和时间的设定在于保证连铸坯中C、Si、Mn等合金元素充分扩散、固溶，粗大的碳化物颗粒溶解，在钢中均匀分布。温度过低和加热时间过短，都不能达到上述目的。采用较高的板坯加热温度，目标温度1190℃，若温度过高，加热时间过长，板坯表面氧化脱碳严重，不利于钢带最终性能和表面质量，同时也消耗能源。因此，本发明设定连铸板坯加热温度为1170℃～1210℃，加热时间为180～240min。

3、精轧结束温度的设定

本发明的精轧温度设定有两方面的作用，一方面通过材料在奥氏体未再结晶区轧制，得到内部有变形带的扁平状奥氏体晶粒，在随后的层流冷却过程中转变成细小的铁素体晶粒，起到细化晶粒，减轻带状偏析的作用；另一方面，若终轧温度过低，会导致轧制负荷过大，影响轧制稳定性。因此，本发明设定精轧结束温度为870～910℃。

4、层流冷却方式和冷却速度的设定

本发明精轧后层流冷却采用前段冷却工艺，能够促进精轧后材料中奥氏体组织快速发生珠光体转变，且组织均匀适度细化，故冷却速度设定为20～30℃/S。

5、热轧卷取温度的设定

热轧卷取温度主要影响材料的组织、性能及后续的球化退火效果。采取中等的卷取温度，能够使晶粒适度细化、均匀，有利于后续冷轧。若卷取温度过高，则会使晶粒粗大，组织不均，若卷取温度过低，则会使热轧材料强度上升明显，钢卷脆性增加，不利于进一步的开卷和冷轧加工。因此本发明设定热轧卷取温度为630～670℃。

6、一次冷轧压下率的设定

为了使热轧带钢达到目标厚度要进行冷轧，由于材料目标厚度极薄，为0.08-0.20mm；至少需要进行两次冷轧。在材料设计和热轧工艺控制中，前面已经适度降低了热轧原板强度和提升延伸率，但热轧原板屈服强度仍在420MPa以上；随着冷轧变形量的不断增加，使材料内部位错密度大量增加，变形变得困难。根据申请人多年研究和实验，在此成分及热轧工艺条件下，一方面，如果冷轧总压下率低于75％，则需要增加后续冷轧道次，才能达到材料目标厚度和强度要求；另一方面，如果总压下率高于85％，则易使带钢产生边裂甚至断带，影响后续加工。因此本发明优选冷轧压下率为75～85％。

7、退火温度、退火时间和二次冷轧压下率的设定

本发明采用罩式退火炉进行软化退火，考虑到前工序冷轧变形累积效果，可以促进回复和再结晶，一般在明显低于A

二次冷轧主要是使材料达到目标强度和厚度规格精度要求。二次冷轧若变形较小则达到不到较高的硬度；若变形量过大，则材料强度上升过快，韧性下降明显，不能满足材料最终使用要求。综合考虑，本发明二次冷轧压下率设定在65～75％左右。

本发明方法生产的热轧钢板的金相组织为细片状珠光体+铁素体；2.0～3.0mm厚热轧钢板的屈服强度R

本发明方法生产的冷轧钢带的金相组织为珠光体+形变铁素体；0.08～0.20mm厚冷轧钢带的屈服强度R

本发明相比现有技术具有如下积极效果：1、本发明通过采用中碳、微量合金元素的成分设计方法，并结合热轧、退火工艺调控材料微观组织状态，提高材料韧性；以此降低材料合金成本以及冷轧退火道次等工艺制造成本，得到了低成本、高硬度、高韧性的薄规格卷尺尺条钢带；合金含量减少了0.7％，解决了现有采用高碳合金钢热轧态强度高、难以冷轧、退火道次多、生产成本高的问题。2、本发明在炼钢过程采用LF+钙处理精炼控制钢中有害元素和夹杂物含量，热轧过程控制轧制温度及轧后冷却方式，得到晶粒适度细化、强韧性适中的热轧态钢卷；并最终通过大变形量的冷轧、退火工艺来控制材料的最终硬度和韧性，满足了高品质薄规格卷尺钢带的内在要求，设计制造成本最低。

附图说明

图1为本发明实施例3热轧钢板的金相组织照片，其放大倍率为500倍。

图2为本发明实施例3冷轧钢带的金相组织照片，其放大倍率为500倍。

具体实施方式

下面结合实施例1～5对本发明作进一步说明，如表1～5所示。

表1为本发明实施例钢的化学成分(按重量百分比计)，余量为Fe及不可避免杂质。

表1本发明实施例钢的化学成分，单位：重量百分比，％。

通过转炉冶炼初炼钢水，转炉出钢后，将钢包中的钢水运至LF精炼炉进行钢水温度调控、脱硫、合金成分调控和喂钙线处理得到符合目标成分的钢水；对经精炼炉处理后的钢水进行板坯连铸得到连铸板坯；控制连铸板坯中夹杂物等级≤1.5级；连铸板坯厚度为210～230mm，宽度为900～1600mm，长度为8000～11700mm。

炼钢生产的连铸板坯直接送至加热炉进行加热，连铸板坯进加热炉采用热装热送方式；连铸板坯经加热炉加热后进行热轧，所述的热轧为两段式轧制工艺，通过粗轧和精轧连轧机组控制轧制，经层流冷却后进行卷取，层流冷却采取前段冷却，产出合格热轧钢卷。热轧钢板的厚度为2.0～3.0mm；热轧工艺控制参数见表2。

表2本发明实施例热轧工艺参数

利用上述方法得到的热轧钢板，参见图1，热轧钢板的金相组织为细片状珠光体+铁素体；2.0～3.0mm厚热轧钢板的屈服强度R

将本发明得到的热轧钢板按照《GB/T 228.1-2010金属材料拉伸试验第1部分：室温试验方法》进行拉伸试验，钢的显微组织评定方法(GB/T 13299)检测显微组织，热轧钢板的力学性能见表3。

表3本发明实施例热轧钢板的力学性能

上述热轧钢卷重新开卷后经酸洗、一次冷轧、罩式退火炉退火、二次冷轧，卷取得到厚度为0.08～0.20mm成品冷轧钢带；一次冷轧压下率为75～85％，一次冷轧后冷轧钢带厚度为0.30-0.60mm；经过一次冷轧后的轧硬状态钢带经罩式连续退火炉退火，经过一次冷轧后的轧硬状态钢带在罩式连续退火炉退火的均热段温度为670～680℃，钢带在均热段的退火时间为12～15h；所述二次冷轧压下率为65％～75％。冷轧和退火工艺控制参数见表4。

表4本发明实施例冷轧和退火工艺控制参数

利用上述方法得到的冷轧钢带，参见图2，冷轧钢带的金相组织为珠光体+形变铁素体；0.08～0.20mm厚冷轧钢带的屈服强度R

将本发明得到的冷轧钢带按照《GB/T228.1～2010金属材料拉伸试验第1部分：室温试验方法》进行拉伸试验；《GB/T 13299钢的显微组织评定方法》检测显微组织；《GB/T4340.1材料维氏硬度试验方法》检测钢带硬度；按《GB/T 10561钢中非金属夹杂物评定方法》检测非金属夹杂物；冷轧钢带的力学性能见表5。

表5本发明实施例冷轧钢带的力学性能

本发明得到的卷尺用冷轧钢带具有中等的碳含量和微量合金元素，并结合热轧、冷轧、退火等工艺调控材料微观组织状态，降低材料合金成本和冷轧退火道次等工艺成本，得到了高硬度、高韧性的卷尺钢带，满足后续加工和使用要求。

除上述实施例外，本发明还可以有其他实施方式；凡采用等同替换或等效变换形成的技术方案，均落在本发明要求的保护范围内。