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高碳钢丝的研究、生产及应用

来源:任丘市嘉华电讯器材有限公司 点击量: 日期:2012-06-04
    I、前言
    在批量生产的钢种中,强度最高的钢铁材料是用高含碳(C)量的珠光体巧钢拉丝加工进行强化的高C钢丝,并己被广泛用作弹簧、预应力(PC)钢丝、桥梁用钢丝、钢(丝)绳、轮胎加固钢丝等;近年还在钢丝的高强度化方而取得了极大进展,从而在追求钢铁材料的极限强度中走在最前而:如轮胎用钢丝己由原2. 7GPa级提高至4GPa,桥梁用钢丝己由原1. 6 GPa级提高至I. 8GPa级,PC钢丝也由原1. 8GPa级提高至2. 3GPae下而概要介绍高C钢丝在制造过程中的组织变化和强度的关系以及高强度化的方案;
还介绍了近期高碳钢丝的开发实例。
    2、制造中的组织变化和强度
    2. I、铅浴淬火处理中的组织变化和强度
    高碳钢是将轧制线材进行铅浴淬火Patent in目热处理后,再冷拉加工制造的,即将线材加热到1223K而进行奥氏体(A)化,然后在823K附近进行等温P相变的热处理,使钢变成均匀细小的铁素体F(a)和渗碳体(Q)构成的P组织,从而具有高的强度和延伸加工性。P的强度,受到组织为最小单位的层状(lamel-
lar)间隔即4间的间隔影响大与霍尔一佩奇Hall- Peteh)的关系一样,和层状间隔的平方根成正比地增加。钢在铅浴淬火处理阶段的强度己达1. 2一1. SGPa,这是因为层状间隔非常细小而达到了1Q0nm级的缘故。共析温度和P相变度的过冷度越大,则层状间隔越细;在实用的合金元素中,Gr细化层状结构的效果最
好。由于提高铅浴淬火材料强度有利于同时提高高碳钢丝的强度用延性,I因此,为了满足实用位错产生的粘附强化在高碳钢丝的强化中也占有重要比率;并且,铅浴淬火处理时是单晶0,而拉丝加工变成了毫微(1[}(一g))级多晶。这表明可有条件地非晶化,0的强度也改变了。
    2.3,拉丝加工热处理后的组织变化和强度
    钢丝绳可在拉丝加工状态下使用;而对于弹簧,PC钢丝,为了提高其在拉丝加工后的延伸率、疲劳特性、松驰特性,须进行被称作发兰处理的低温退火。并且,为了确保桥梁用钢丝的耐蚀性,可在723K左右镀锌(Zn)。即使是层状间隔相同,钢丝的强度会因发兰处理的温度不同而显著变化在523K左右出现了大的时效硬化;当温度超过673K,则其强度比拉丝加工的更低。
    虽然拉丝加工对组织变化也有影响,但使用623K以内温度的发兰处理却未观察到大的组织变化。因此可以认为在523K左右的时效硬化是由固溶碳或部分0分解而产生的碳位错强化。然而,与前述拉丝加工时一样,即使是低温发兰处理.也有多量的0分解。对在拉丝加工穿洲牛一卜和在523K, 723K进行发兰处理的钢丝屈服强度及a((相)中碳浓度变化的研究表明:在拉丝加工后的阶段a((抑中的碳浓度变
为百分之0.5个原子左右;但在523K,0进一步分照碳浓度超过了百分之1个原子。因此,523K左右的显著时效硬化,起因于多量0分解而造成的碳位错粘附强化。另夕卜若发兰温度超过623K,随着位错的回复和再结晶的进行,被强制加工的0部分也产生了球化从而使强度下降。而且位错密度下降的结果,也减少了
碳位错粘附强化的影响。
    3、高弓曼度化方案及实例
    提高高碳钢丝强度的手段有铅浴淬火、增大拉丝加工应变及硬化率,抑制熔融镀锌和发生处理时的强度下降等,但无论采用哪种方法均须防止钢丝延性的下降。一般用钢丝扭转试验评价其延性:若延性下降在钢丝的扭转变形之初,就会产生被称作“层离”(Delamination)的、沿拉伸方向的纵裂。此种纵裂是阻碍钢丝
高强度化的木质原因。为了既提高钢丝强度丝强度为4. 1GPa, 0. 06mm的为5. 2GPa, 0.04mm的为5. 7GP氏远远超过了A1材和碳纤维的强度值。
    在高强度钢丝的制造过程中,最大的问题是影响生产率和收得率有关的断丝事故。其主要原因是钢基体上存在的非金属夹杂物。因此应在拉丝,绞线中将断丝频率控制在数次t以下;充分提高钢的纯净度,严格控制钢中夹杂物含量以确保高强度下的低断丝频率。并且,因轮胎用钢丝加工硬化强度量特别多,故在开发高强度化钢材吐也须重视对铅浴淬火、镀锌处理、拉雄加工等二次加工技术开发。
    3.3,桥梁用钢丝,PC钢丝的高强度化
    这类钢丝的特点是在拉丝加工后,以熔融镀锌、发兰处理等手段进行高强度化,这样既可防止层离缺陷,又可抑制镀层、发兰时的强度卜降。对在拉丝加工条件下,钢丝强度和熔融镀锌时强度下降量关系的研究表明,钢强度越高,则其下降量也越大:在含硅较高的钢上即使同一强度的钢丝,强度下降量也达IOOGPa;若往钢中加入Cr,则能减少卜降量。在镀层及发兰处理中引起强度下降的原因,是强制加工时部分0组织的断裂•球化、a和0层状组织崩溃的结果。用APF IM(显微镜)对钢丝中硅的分布状态进行了解析,结果表明:因硅向0的固溶度低,在P的相变过程中,由界而扩散引起需求,除层状间隔的微细化强化夕卜还利用了Si对试相)的固溶强化和VC的沉淀强化;并且,提高钢的含碳2,增加强度高的0((相)比率也可提高钢的强度。
    2-2,拉丝加工的组织变化和强度
    试验研究表明:共析P钢的特点是其加工硬化率明显高于F钢和F" M(铁素体•马氏体)双相钢,如在实际应变4.3条件下,共析P钢的强度达4G甄明显高于双相钢的3 GPa和F钢的1GPae采用微细P组织的高碳钢线的独特优点之一就是加工硬化率高,即使在较小的拉加工应变条件下,也可实现材料的高强度化,
这是工业生产的重要条件。
    在铅浴淬火处理阶段,即使层状组织的方向是无规则的,在进行实际应变约为I的拉丝加工时,也会引起晶体茄阵专,使之变成大致与拉丝方向一致的层状组织。层状间隔与钢丝直径成正比地变小:即使开始的层状间隔为100nm,在进行实际应变为4以上的拉丝加工,也会将间隔缩小到1。。m;并且进行强制加工的高碳钢丝的at 相),位错密度达1D(16) ml m3.这样一来,从层状间隔的细化强化,Q((相)位错强度的观点,对高碳钢丝的强化机理进行,提出了多个相关模型。
    另一方面,分解原拉丝加工中的0,也能查明由碳位错造成的粘附强化的影响。根据最近在原子水平上的解析,从拉丝加工初期对0进行的解析,在进行强击咖工的钢丝上ac((抑中的碳浓度也可达数个原子%,这超过固溶极限的试相)中碳的存在状态虽然尚未查明,但若因位借和碳的弹性相互作用而形成(位错附近
,的)CotterII〔科特雷耳)气氛、则与M一样由碳又防止层离的发生,避免因拉丝加工应变而造成的高强度化,增加铅浴淬火材强度和拉丝加工硬化率是有效的。
    如上所述,作为P钢强化方法的铅浴淬火,可添加合金元素的方法以充分利用层状间隔细化强化、固溶强化和沉淀强化。如添加多量的Cr等元素,就会减慢P的相变速度。因发兰处理生产率较低,故应采用适应目标的强化方法。另一方面,就加工硬化率而言,层状间隔的影响占支配地位。铅浴淬火处理后的初始层状间隔越细小,加习切口呵圈圈的领域有明显效果。即使是利用a((相)的固溶强化、沉淀强化而增加铅浴淬火材的强度,其加工硬化率也基木无变化并且,在拉丝加工应变高的区域固溶强化和沉淀强化的作用是不能相加的。从以上情况可知,将以钢丝绳为代表的高应变拉丝加工作为必要的钢丝强化手段,细化层状结构,能有效提高铅浴淬火材料的强度并提高加工硬化率。在桥梁用大直径镀锌钢丝上,因拉丝加工应变小,不能用层
状间隔的细微化来提高加工硬化率。因此用a(相)的固溶•沉淀强化和提高钢的a含2以增大0比来是实现可行的方法。
    3一2,钢丝绳的高强度化
      现在主要的轮胎加固材还是钢丝,因其具有比有机纤维(尼龙、聚脂等)更高的刚性、强度、耐热性更能减少轮胎转动阻力从而降低燃料消耗等优点。将钢丝高强度化是实现轮胎轻量化和减少渊阵专动阻力的关键。
    原来的最终钢丝直径为0-2一0. 3mm,是采用0.71%一0.8% C的高碳线材,以实际应变量为3以上的拉丝加工制造的,其强度水平过3- 3一5GPae因在共析钢上,强度达到了极限,故开发了大幅度提高碳含量的过共析钢0.%C一0. 2%n Cr,其铅浴淬火强度为1.5G甄比0. 8% C钢高出0. 15GPa以上,此时
可将其层状间隔控制到60rin的细小程度。研究了在不发生层离(裂匆条件下钢丝强度与直径的关系,结果表明,由于层状间隔的细化大。幅度提高了共析钢的强度:直径为0.2mm的钢a10界而硅的浓化,硅含量越高,则界而硅的浓度就越高。因0的球化,界面硅的扩散是必要的,越是提高硅含量0的球化速度就越低,从而抑制了钢丝强度的下降;为了提高铅浴淬火材强度,硅和铬元素对于抑制钢丝层离(裂纹)的发生是有利的。
    在以上研究成果基础上,将1.8GPa级桥梁用钢丝的硅含量从原来的0-201o提高到高硅钢中的0.90/0,还开发了2. O GPa级I.2%n S i一0.201o一0.3%a Cr钢丝;并且又以相同思路开发了2. 3GPa级强度的PC钢丝。一般若提高钢材强度,则其延伸性、韧性、延迟断裂等特性就会变差。然而,上述开发钢丝既提高了强度,又能将其延性、疲劳、延迟断裂等特性控制在与原来钢丝相同甚至更高的水平。如I. 8GPa和
2. OGPa级镀锌钢丝己先后用于日本的明石海峡大桥,来岛大桥的钢绳,大幅度缩短了工期,降低了造价。
    4、结语
    现正进行强度为SGPa级钢丝绳的开发,并计戈U将之用于规模超过明石海峡大桥的东京湾口、伊势湾口以及海外的大型吊桥。
    今底为了使高碳钢的高强度化取得更多进展,进一步查明阻碍高强度化的层离《裂纹)产生机理及拉丝过程中渗C体的变形机理.加工硬化机理等基耐姗究都十分重要。
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