王林烽， 陳華青

(江陰華新鋼纜有限公司， 江蘇 江陰 214443)

引 言

近年來(lái)，大型橋梁的建設(shè)蓬勃發(fā)展，大跨度橋梁設(shè)計(jì)、土木工程施工技術(shù)、鋼箱梁和橋梁纜索用鋼絲等關(guān)鍵技術(shù)日益成熟，懸索橋、斜拉橋均已突破千米級(jí)跨度；其中高強(qiáng)度橋梁纜索用鋼絲的發(fā)展較為突出，從2014年到2017年，橋梁纜索用鋼絲強(qiáng)度突飛猛進(jìn)，典型的工程應(yīng)用有：虎門(mén)二橋Φ5.0 mm 1960 MPa級(jí)熱鍍鋅鋁鋼絲[1]，武漢楊泗港長(zhǎng)江大橋Φ6.2 mm 1960 MPa級(jí)熱鍍鋅鋁鋼絲[2]，正在建設(shè)的商合杭鐵路大橋、滬通長(zhǎng)江大橋等，均采用Φ7.0 mm 2000 MPa級(jí)熱鍍鋅鋁鋼絲[3]，而且，上述幾座世界級(jí)大橋所用的超高強(qiáng)度熱鍍鋅鋁合金鋼絲均已完全國(guó)產(chǎn)化。

為契合更大跨越能力的橋梁設(shè)計(jì)需要，研發(fā)新一代(2000 MPa以上級(jí))橋梁纜索用熱鍍鋅鋁鋼絲已成為橋梁鋼絲企業(yè)的重要工作和挑戰(zhàn)。目前，開(kāi)發(fā)試制中的兩大關(guān)鍵點(diǎn)是：一、有限的冷拉拔形變量下，實(shí)現(xiàn)鋼絲超高強(qiáng)度。以斜拉橋?yàn)槔?，鋼絲直徑一般是7 mm，以現(xiàn)有鋼廠(chǎng)裝備水平，若生產(chǎn)SWRS87B以上的高碳鋼盤(pán)條，最大直徑在14 mm或15 mm左右，鋼絲的拉拔總壓縮率低于80%，繼續(xù)增大冷拉拔形變量以獲得更高強(qiáng)度的方案受到制約，因此，必須通過(guò)提高盤(pán)條母材的初始強(qiáng)度，其方式主要有以下三種：1)提高盤(pán)條的碳含量；2)成分合金化，主要包括Si，Cr，V等[4-5]；3)盤(pán)條鹽浴熱處理，獲得組織均勻和高索氏體化率的盤(pán)條[6]。二、鋼絲強(qiáng)度提升的同時(shí)，必須保持良好的材料韌性，扭轉(zhuǎn)性能是評(píng)價(jià)指標(biāo)之一，而該指標(biāo)似乎是眾多企業(yè)一個(gè)久攻不克的難點(diǎn)，儼然成為一個(gè)技術(shù)門(mén)檻。在盤(pán)條合金化設(shè)計(jì)、連鑄偏析控制、鹽浴熱處理、冷拔組織和形變工藝、熱鍍鋅工藝等研究工作的基礎(chǔ)上[7-10]，確定了新一代橋梁纜索用鍍鋅鋁鋼絲用盤(pán)條的成分設(shè)計(jì)及組織控制參數(shù)、低損傷拉拔形變工藝，及配套的熱鍍鋅鋁合金工藝，成功制備了Φ7 mm 2000 MPa級(jí)橋梁纜索用熱鍍鋅鋁鋼絲。

1 鋼絲的制備

1.1 盤(pán)條的化學(xué)成分

Φ7.0 mm 2000 MPa級(jí)橋梁纜索用熱鍍鋅鋁鋼絲采用的SWRS92Si盤(pán)條成分設(shè)計(jì)，是在Φ5.0 mm 1960 MPa級(jí)鋼絲用SWRS87B盤(pán)條的基礎(chǔ)上，繼續(xù)成分合金化而來(lái)。具體成分設(shè)計(jì)對(duì)照如表1所示，其設(shè)計(jì)原則如下：

1)適量提高C含量，減少冶金制造難度，提高鋼絲的起始強(qiáng)度；

2)提高Si含量，可以提高原始盤(pán)條的強(qiáng)度，還可以減少鋼絲熱鍍鋅鋁時(shí)強(qiáng)度的損失[11]；

3)Cr含量控制在0.30%以下，保證熱鍍鋅鋁后鋼絲的扭轉(zhuǎn)性能[4]。

表1 高碳鋼盤(pán)條的化學(xué)成分/%

1.2 盤(pán)條工藝路線(xiàn)

盤(pán)條生產(chǎn)采用常規(guī)的冶金工藝路線(xiàn)，盤(pán)條規(guī)格為Φ14.0 mm。由大方坯生產(chǎn)線(xiàn)生產(chǎn)的高碳鋼方坯，經(jīng)二次開(kāi)坯，最終熱軋成Φ14 mm高碳鋼線(xiàn)材，采用斯太爾摩線(xiàn)風(fēng)冷冷卻，完成索氏體組織轉(zhuǎn)變。由于風(fēng)冷的冷卻方式和冷卻介質(zhì)的局限性，盤(pán)條在相變區(qū)的溫度波動(dòng)范圍略寬，形成的珠光體片層組織片層厚度也有不均勻的情況。當(dāng)對(duì)風(fēng)冷盤(pán)條進(jìn)行離線(xiàn)鹽浴熱處理后，可使盤(pán)條從內(nèi)到外的片層厚度相對(duì)均勻、并進(jìn)一步細(xì)化。

高碳鋼盤(pán)條的具體生產(chǎn)流程如下：

1)冶金加工流程：

轉(zhuǎn)爐→LF爐精煉→VD爐精煉→連鑄大方坯→開(kāi)坯→表面精整→軋制→斯太爾摩線(xiàn)控冷→集卷。

2)離線(xiàn)鹽浴熱處理：

解卷、放線(xiàn) →加熱奧氏體化→鹽浴熱處理→空冷→水清洗 →收卷→打包。

如圖1所示是高碳鋼盤(pán)條經(jīng)鹽浴熱處理后的金相組織照片。

圖1 鹽浴后高碳鋼盤(pán)條的金相組織

如圖2(a),(b)所示為SWRS92Si盤(pán)條縱截面的組織形貌照片，可以看到，同比例標(biāo)尺下，盤(pán)條經(jīng)鹽浴熱處理后，珠光體團(tuán)尺寸明顯減小，且珠光體層片顯著細(xì)化，片層均勻程度改善。圖2(c)是兩種盤(pán)條中珠光體層片寬度分布，風(fēng)冷盤(pán)條中，片層分布在50～180 nm的范圍內(nèi)，平均值110 nm；鹽浴后，層片寬度分布在60～120 nm的范圍內(nèi)，平均值約90 nm。

圖2 高碳鋼盤(pán)條的組織形貌

如表2所示是風(fēng)冷、鹽浴處理后的力學(xué)性能和組織情況，盤(pán)條鹽浴處理后，強(qiáng)度和韌性均有提高；索氏體化率達(dá)到95%以上，抗拉強(qiáng)度提升10%以上，且強(qiáng)度波動(dòng)減小到50 MPa以?xún)?nèi)，斷面收縮率也有提升。

表2 不同工序下SWRS92Si盤(pán)條的主要性能和組織

1.3 鍍鋅鋁鋼絲的制備

橋梁纜索用熱鍍鋅鋁鋼絲的制備流程長(zhǎng)，影響因素眾多，工序流程如下：

盤(pán)條酸洗除銹→盤(pán)條表面磷化→連續(xù)多道次冷拉拔形變→熱鍍鋅鋁合金鍍層→單線(xiàn)穩(wěn)定化。

由于高碳鋼盤(pán)條的碳含量和強(qiáng)度較高，缺口敏感性較強(qiáng)，在運(yùn)輸搬運(yùn)和生產(chǎn)工序中因操作不當(dāng)產(chǎn)生的擦傷、劃傷往往會(huì)影響鋼絲的扭轉(zhuǎn)性能。因此，各個(gè)作業(yè)環(huán)節(jié)均應(yīng)受控，避免產(chǎn)生表面缺陷；同時(shí)，還需要結(jié)合高碳鋼盤(pán)條的性能，有針對(duì)性地設(shè)計(jì)拉拔工藝參數(shù)(拉拔形變量的分配、拉絲模具角度、定徑帶長(zhǎng)度等)，盡可能降低鋼絲在拉拔過(guò)程中形成的內(nèi)部損傷。

在大形變量的冷拉拔時(shí)，鋼絲中有很高的形變儲(chǔ)存能，這使得鋼絲對(duì)熱效應(yīng)非常敏感[11-12]，而熱浸鍍鋅鋁合金必須在450 ℃左右的溫度下進(jìn)行，熱浸鍍溫度過(guò)高、時(shí)間過(guò)長(zhǎng)會(huì)使鋼絲內(nèi)滲碳體出現(xiàn)明顯球化[8]，導(dǎo)致其強(qiáng)度降低、扭轉(zhuǎn)性能?chē)?yán)重惡化[9,13-15]。熱浸鍍鋅鋁合金鍍層采用雙鍍工藝，嚴(yán)格控制熱浸鍍的溫度和時(shí)間，鍍后采用噴水快速冷卻，保證鍍層厚度與表面光潔度，以及鋼絲的微觀(guān)組織。

2 鋼絲的組織與性能

2.1 鍍鋅鋁合金鋼絲的組織

如圖3(a)所示是冷拔鋼絲縱截面組織形貌照片，可以看到，冷拉拔后鋼絲的珠光體層片基本沿拉拔軸向排列，珠光體層片寬度約30～40 nm，極為細(xì)密。如圖3(b)所示是冷拉拔珠光體鋼絲的TEM照片，可以看到，在寬度40 nm左右的鐵素體片內(nèi)有著極高密度的位錯(cuò)。冷拔珠光體鋼絲的高強(qiáng)度主要來(lái)源于細(xì)化的層片，以及鐵素體內(nèi)高密度的位錯(cuò)。

圖3 冷拔鋼絲的縱截面組織

如圖4所示是熱鍍鋅鋁后鋼絲縱截面組織形貌照片，可以看到，珠光體層片仍保持層片狀結(jié)構(gòu)，僅有少量且輕微的球化，與冷拉鋼絲組織相比，無(wú)明顯差異。從圖4可見(jiàn)鍍鋅后鐵素體內(nèi)位錯(cuò)發(fā)生明顯的恢復(fù)，這表明鋼絲形變儲(chǔ)能已顯著釋放，重新獲得了進(jìn)一步塑性變形的能力；同時(shí)，滲碳體保持了片狀結(jié)構(gòu)。盡管在熱鍍鋅鋁以后，鐵素體中的位錯(cuò)發(fā)生回復(fù)，會(huì)導(dǎo)致抗拉強(qiáng)度的部分下降，但由于鋼絲中組織保持了層片狀的結(jié)構(gòu)，這令鋼絲仍可以保持高強(qiáng)度。

圖4 熱鍍鋅鋁后鋼絲的表面形貌與縱截面組織

2.2 拉伸性能

如表3所示是研制的Φ7.0 mm 2000 MPa級(jí)橋梁纜索用熱鍍鋅鋁鋼絲的力學(xué)性能。經(jīng)整卷測(cè)試后，鋼絲直徑約為7.01 mm，鋼絲的抗拉強(qiáng)度平均為2050 MPa，滿(mǎn)足要求。如圖5所示是熱鍍鋅鋁鋼絲的拉伸應(yīng)力-應(yīng)變曲線(xiàn)。

表3 典型Φ7.0 mm 2000 MPa級(jí)熱鍍鋅鋁合金鋼絲的拉伸力學(xué)性能

圖5 典型Φ7.0 mm 2000 MPa級(jí)熱鍍鋅鋁鋼絲的拉伸應(yīng)力-應(yīng)變曲線(xiàn)

2.3 扭轉(zhuǎn)性能

連續(xù)截取30根熱鍍鋅鋁鋼絲樣品，進(jìn)行扭轉(zhuǎn)性能測(cè)試，具體結(jié)果如圖6所示，其中圖6(a)是鋼絲的扭轉(zhuǎn)圈數(shù)分布，圖6(b)是經(jīng)扭轉(zhuǎn)測(cè)試后的鋼絲斷口照片?？梢钥吹?，鋼絲扭轉(zhuǎn)次數(shù)16～28次，平均值為21次，符合鋼絲扭轉(zhuǎn)12次以上的要求。鋼絲扭轉(zhuǎn)斷口平整，為典型的扭轉(zhuǎn)平斷口。

圖6 Φ7.0 mm 2000 MPa級(jí)熱鍍鋅鋁合金鋼絲的扭轉(zhuǎn)次數(shù)分布與扭轉(zhuǎn)后斷口

當(dāng)鋼絲內(nèi)有粗化的珠光體層片、明顯球化的滲碳體顆粒時(shí)，容易導(dǎo)致扭轉(zhuǎn)變形集中在局部，發(fā)生局部劇烈變形，從而萌生裂紋，誘發(fā)“分層斷裂”[9,16]。得益于鹽浴熱處理，使鋼絲內(nèi)組織均勻，不會(huì)存在明顯粗化的珠光體層片，同時(shí)熱鍍鋅鋁過(guò)程中，形變儲(chǔ)能均勻釋放，不會(huì)出現(xiàn)明顯球化的滲碳體顆粒。

如圖7所示是典型熱鍍鋅鋁鋼絲的扭轉(zhuǎn)應(yīng)力-應(yīng)變曲線(xiàn)?？梢钥吹?，鋼絲扭轉(zhuǎn)曲線(xiàn)平滑，隨著扭轉(zhuǎn)應(yīng)變量的增加，剪切應(yīng)力平緩上升，直至最終的斷裂。平緩的曲線(xiàn)表明，鍍鋅鋁鋼絲可以進(jìn)行均勻的塑性變形，直至最終斷裂。

圖7 典型Φ7.0 mm 2000 MPa熱鍍鋅鋁合金鋼絲的扭轉(zhuǎn)應(yīng)力-應(yīng)變曲線(xiàn)

2.4 其他性能測(cè)試

除抗拉強(qiáng)度、扭轉(zhuǎn)性能等關(guān)鍵指標(biāo)外，同時(shí)測(cè)試了Φ7.0 mm 2000 MPa熱鍍鋅鋁鋼絲要求的其它性能指標(biāo)，結(jié)果如表4所示，均符合標(biāo)準(zhǔn)要求。

表4 Φ7.0 mm 2000 MPa級(jí)熱鍍鋅鋁合金鋼絲的其他性能

3 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)對(duì)高碳高硅盤(pán)條的合金化成分設(shè)計(jì)、離線(xiàn)索氏體化處理、低損傷拉拔技術(shù)和熱浸鍍鋅鋁等工藝過(guò)程的優(yōu)化，成功試制出Φ7.0 mm 2000 MPa級(jí)熱鍍鋅鋁合金鋼絲，各項(xiàng)性能指標(biāo)均滿(mǎn)足2000 MPa級(jí)橋梁纜索用熱鍍鋅鋁鋼絲的要求。

試制結(jié)果表明，完全國(guó)產(chǎn)化的Φ14 mm SWRS92Si盤(pán)條經(jīng)鹽浴熱處理后，抗拉強(qiáng)度提升10%以上，達(dá)到1470 MPa以上，珠光體片層顯著細(xì)化，厚度均值為90 nm；研制的Φ7.0 mm 2000 MPa級(jí)橋梁纜索用熱鍍鋅鋁鋼絲，平均抗拉強(qiáng)度為2050 MPa，平均斷后延伸率為5.4 %，鋼絲扭轉(zhuǎn)次數(shù)平均值為21 次(16～28次)，斷口為平斷口；其它性能指標(biāo)均達(dá)到Φ7.0 mm 2000 MPa橋梁用熱鍍鋅鋁合金鋼絲的要求。