熊 鑫,余 超,侯興輝

(江蘇永鋼集團(tuán)有限公司產(chǎn)品研發(fā)中心,江蘇 蘇州215628)

引 言

日標(biāo)牌號SWRH82B高碳鋼盤條具有較高的強(qiáng)度和良好的拉拔性能,主要應(yīng)用于高架、高鐵和橋梁等領(lǐng)域的預(yù)應(yīng)力鋼絞線的生產(chǎn)和加工,隨著中國電力基建的發(fā)展,該材料也廣泛用作高壓電纜中的支撐線,將盤條經(jīng)過干拉或濕拉等方式加工成強(qiáng)度更高的鋼絲線,鍍鋅后再成股制成絞線。高壓電纜支撐用鍍鋅鋼絞線對其中心鋼絲的扭轉(zhuǎn)性能提出了較高的要求,對原始盤條的質(zhì)量要求高于普通預(yù)應(yīng)力鋼絞線。

某公司使用SWRH82B生產(chǎn)電纜用鍍鋅鋼絞線,加工工藝為:Φ8 mm盤條→酸洗→磷化→拉拔至Φ3.5 mm→鍍鋅→捻股(7根絲成股,邊絲6根,中間絲1根)→檢驗(yàn)→包裝。其中鍍鋅鋼絞線的中心絲扭轉(zhuǎn)性能需達(dá)到14圈以上,某一批次盤條經(jīng)上述工藝加工后,扭轉(zhuǎn)圈數(shù)多低于10圈,無法滿足標(biāo)準(zhǔn)要求,達(dá)標(biāo)比例只有33%。本文通過對不合格斷口樣品的檢測,以及對比合格批次盤條,找尋出現(xiàn)脆斷的原因并提出改進(jìn)建議。

1 試驗(yàn)材料及方法

1.1 試驗(yàn)方法

在10卷鍍鋅后中間絲各截取Φ3.5 mm扭轉(zhuǎn)試樣1根,根據(jù)GB/T 239.1《金屬材料 線材第1部分:單向扭轉(zhuǎn)試驗(yàn)方法》要求實(shí)施檢測,試樣繞自身軸線向一個方向均勻旋轉(zhuǎn)360°作為一次扭轉(zhuǎn)直至試樣斷裂。扭轉(zhuǎn)次數(shù)超過14圈的為合格樣品,根據(jù)扭轉(zhuǎn)次數(shù)和斷口形貌選取代表樣品進(jìn)行對比分析。

1.2 樣品描述

在ZEISS Stemi2000-C型號體式顯微鏡下觀察合格與不合格斷裂樣品的斷口形貌:

合格斷口形貌:斷口平齊,心部有一點(diǎn)狀凸起,表面無明顯缺陷(如圖1所示)。

圖1 平齊狀斷口(合格)

不合格斷口形貌:①斜劈狀:斷口呈斜45°劈裂,斷口根部沿扭轉(zhuǎn)方向縱向分布裂紋,扭轉(zhuǎn)試驗(yàn)結(jié)果一般在5圈以內(nèi)(如圖2所示)。②臺階狀:斷口一半平齊狀,一半有一個臺階,沿臺階處縱向分布裂紋,扭轉(zhuǎn)試驗(yàn)結(jié)果在5-10圈之間(如圖3所示)。

圖2 斜45°劈裂斷口(不合格)

圖3 臺階狀斷口(不合格)

2 樣品分析

2.1 化學(xué)成分

利用ARL4460直讀光譜儀分析上述三類斷口樣品化學(xué)成分,結(jié)果如表1所示(質(zhì)量分?jǐn)?shù)),從結(jié)果中可以看出,合格與不合格樣品成分并無明顯差異。

表1 樣品化學(xué)成分

2.2 斷口掃描

使用ZEISS Supra55掃描電鏡對不合格樣品斷口位置進(jìn)行檢測:

劈裂狀斷口:斷口附近鋼絲表面有螺旋裂紋,斷裂面與軸線約呈45°,扭轉(zhuǎn)時(shí)沿螺旋裂紋開裂,斷面上有小臺階,并存在由邊部延伸至心部的裂紋,裂紋邊部開口大,斷面微觀形貌呈解理特征,臺階面局部出現(xiàn)韌窩(如圖4所示)。

圖4 斜劈狀斷口形貌

臺階狀斷口:整個斷裂面較平整,局部平滑且存在韌窩。斷面上存在邊部延伸至心部的裂口,裂口上下錯開呈臺階狀,裂口延伸至斷裂鋼絲表面呈螺旋狀裂紋(如圖5所示)。

圖5 臺階狀斷口形貌

2.3 夾雜物檢測

取三類形貌樣品檢測夾雜物級別,具體如表2所示。

表2 夾雜物評級結(jié)果

夾雜物檢測結(jié)果顯示,三類樣品均未發(fā)現(xiàn)大級別的夾雜物,可以排除該因素的影響。

2.4 金相分析

將斜劈狀斷裂樣品使用鹽酸溶液將表面鍍鋅層除去,在體式顯微鏡下觀察樣品表面,樣品表面可見斷續(xù)分布的裂紋缺陷,與斷口處裂紋縱向分布于同一軸線上(如圖6所示),在該處截取橫截面制成金相試樣,經(jīng)磨拋后借助ZEISS imager M2m金相顯微鏡下觀察,裂紋深度為51.72μm,使用4%硝酸酒精腐蝕后可見裂紋兩側(cè)存在明顯脫碳現(xiàn)象(如圖7所示)。

圖6 樣品表面裂紋缺陷

圖7 裂紋微觀形貌(500×)

取臺階狀樣品縱截面制成金相試樣,腐蝕后在ZEISS imager M2m金相顯微鏡下觀察組織形貌,樣品基體以索氏體為主,但心部區(qū)域內(nèi)呈纖維狀形貌,邊部組織呈細(xì)密粒狀分布,扭轉(zhuǎn)形成的裂紋深度與邊部細(xì)密粒狀組織深度相對應(yīng)(如圖8-9所示);使用掃描電鏡放大至1000倍對比觀察邊部和心部組織形貌,鍍鋅鋼絲邊部滲碳體已多成短棒和顆粒狀(如圖10所示),而心部仍保持原始片狀形貌(如圖11所示)。

圖8 臺階斷口處縱截面組織形貌(25×)

圖9 臺階斷口后3 cm處縱截面形貌(25×)

圖10 邊部短棒和顆粒狀滲碳體形貌(1000×)

圖11 心部片狀滲碳體形貌(1000×)

2.5 盤條組織對比

截取合格與不合格樣品對應(yīng)批次的原始盤條橫截面制成金相試樣,使用4%硝酸酒精腐蝕后使用ZEISS Supra55掃描電鏡觀察基體組織形貌,對比分析發(fā)現(xiàn),不合格批次索氏體片層相對較大,平均為0.14μm,而合格批次索氏體平均片層間距為0.11 μm,相關(guān)測量結(jié)果如表3所示,代表片層間距如圖12和13所示。

表3 合格與不合格批次母材片層間距測量結(jié)果(每10個片層為1組數(shù)據(jù))

圖12 不合格批次索氏體片層間距(21000×)

圖13 合格批次索氏體片層間距(21000×)

3 討 論

3.1 表面缺陷的影響

使用鹽酸將斷口樣品表面鍍鋅層去除后,可以觀察到縱向分布的裂紋缺陷,經(jīng)過金相分析,表面裂紋兩側(cè)可見脫碳現(xiàn)象,脫碳的實(shí)質(zhì)是鋼中的碳在高溫下與氧與氫等發(fā)生作用,生產(chǎn)碳的氧化物或甲烷,逸出鋼件表面,使鋼件表面碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)降低[1],而鍍鋅的溫度一般在450℃,時(shí)間為3 min,不具備高溫脫碳的條件,故可以判斷是盤條自帶表面缺陷。盤條表面缺陷有裂紋、斑疤、折疊等不同類型,經(jīng)過拉拔之后隨著材料直徑的減少,其危害程度顯著提高,對扭轉(zhuǎn)性能的影響是致命的[2],從扭轉(zhuǎn)性能檢驗(yàn)的結(jié)果也可知,該種形式的斷裂往往扭轉(zhuǎn)的圈數(shù)不超過5次。

3.2 邊部滲碳體球化程度影響

截取拉拔后未鍍鋅的鋼絲進(jìn)行扭轉(zhuǎn)試驗(yàn),其斷裂的圈數(shù)一般在30圈以上,經(jīng)過鍍鋅后明顯下降,這與熱鍍鋅過程中鋼絲組織轉(zhuǎn)變有直接關(guān)系。通過對樣品的組織分析,鋼絲經(jīng)過熱鍍鋅處理后,邊部的滲碳體發(fā)生球化,形成短棒狀或顆粒狀形貌。該種轉(zhuǎn)變使鋼絲基體組織形成了兩種不均勻的滲碳體組織,降低了鋼絲的抗拉強(qiáng)度,有研究表明纖維狀的組織形態(tài)有利于鋼絲扭轉(zhuǎn)性能的提高[3];另從理論上分析,片狀的滲碳體位錯在鐵素體中進(jìn)行,短棒狀或顆粒狀滲碳體使得變形過程中的位錯不能在鐵素體中順利進(jìn)行,阻礙變形的發(fā)生,最終表現(xiàn)為韌性的下降。而滲碳體球化的程度與熱鍍鋅的溫度和時(shí)間的控制直接相關(guān),熱鍍鋅的溫度越高,保溫時(shí)間越長,滲碳體的球化率越高,而韌性下降得更為明顯[4]。

3.3 盤條滲碳體片層間距的影響

通過對比合格與不合格批次母材的索氏體片層間距可知,不合格批次索氏體片層相對較大,平均為0.14μm,而合格批次索氏體平均片層間距為0.11 μm。索氏體或細(xì)片狀珠光體的片層與材料塑性和韌性直接相關(guān),索氏體片層間距越小,說明滲碳體在鐵素體基體相分布的越分散,越能提高滲碳體和鐵素體之間的相界面強(qiáng)化作用。滲碳體片越厚,越不容易變形,在變形過程中更易產(chǎn)生微觀裂紋,容易脆裂,故索氏體片層間距對扭轉(zhuǎn)性能有較大影響[5]。

4 應(yīng)對措施

(1)通過優(yōu)化保護(hù)渣性能、優(yōu)化二冷強(qiáng)度、優(yōu)化結(jié)晶器銅管鍍層質(zhì)量等提高鋼坯表面質(zhì)量;通過優(yōu)化孔型設(shè)計(jì),合理安裝導(dǎo)衛(wèi),并加強(qiáng)設(shè)備的管理,及時(shí)調(diào)整各道次的料型,減少刮絲、黏鋼的現(xiàn)象,防止軋制形成的表面缺陷。

(2)對熱鍍鋅工藝進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整,溫度設(shè)定為450±5℃,時(shí)間由3 min縮短為2.5 min,降低鍍鋅后邊部滲碳體的球化程度。

(3)對SWRH82B熱軋盤條軋后斯太爾摩控冷線工藝進(jìn)行優(yōu)化,調(diào)整輥道速度和風(fēng)機(jī)開啟風(fēng)量,加大軋后的冷卻強(qiáng)度,提高珠光體轉(zhuǎn)變的過冷度,細(xì)化索氏體片層間距。

5 結(jié) 論

使用SWRH82B生產(chǎn)鋼絲經(jīng)鍍鋅后邊部滲碳體球化,熱軋盤條自帶的表面裂紋缺陷以及索氏體片層間距大小對鋼絲扭轉(zhuǎn)性能均有直接的影響。通過改善原始盤條表面質(zhì)量及索氏體片層間距提高原始盤條的塑性和韌性;同時(shí)適當(dāng)調(diào)整熱鍍鋅的時(shí)間,有效提高鍍鋅鋼絞線的扭轉(zhuǎn)合格率。