超高強(qiáng)度鋼絲及其熱處理

■ 孫寧，馮偉年

在相同荷載條件下，提高鋼絲強(qiáng)度，可以減少鋼絲的用量，20世紀(jì)末強(qiáng)度達(dá)4000MPa的鋼簾線就已經(jīng)在工業(yè)中得到應(yīng)用，其后5000MPa的超高強(qiáng)度鋼絲也在研制。鋼絲的強(qiáng)度主要是由其化學(xué)成分、熱處理后的組織和拉拔的變形率三個(gè)參數(shù)共同決定的，鋼的純凈度則是其必需的條件。

1. 鋼的化學(xué)成分

眾所周知，高碳鋼絲的強(qiáng)度大于低碳鋼絲。碳對(duì)鋼絲強(qiáng)度的影響最明顯，鋼絲的強(qiáng)度隨著含碳量增加而提高，伸長(zhǎng)率和面縮率則下降；冷塑性變形的加工性隨之降低。高強(qiáng)度鋼絲中的含碳一般在共析點(diǎn)附近，或略高過(guò)共析成分。

高強(qiáng)度鋼絲中，碳之外較少有合金成分（彈簧鋼絲、軸承鋼絲等特殊用途的除外）。 高強(qiáng)度鋼絲在冷拔前都要進(jìn)行等溫處理索氏體化，大部分合金元素會(huì)使奧氏體等溫轉(zhuǎn)變的C曲線右移，使得等溫分解的孕育期和分解的完成時(shí)間都會(huì)增加，現(xiàn)在鋼絲行業(yè)中仍主要以鉛槽作為等溫分解設(shè)備，由此鉛浴爐將要成倍地加長(zhǎng)，一般是無(wú)法實(shí)現(xiàn)的。

超高強(qiáng)度鋼簾線中一般加入0.3%左右的Cr（質(zhì)量分?jǐn)?shù)），使得在提高強(qiáng)度的同時(shí)，較少地降低減面率。這是因?yàn)殂t可以阻滯片狀滲碳體向球狀滲碳體轉(zhuǎn)化，減緩滲碳體的長(zhǎng)大，增強(qiáng)冷態(tài)變形的強(qiáng)化作用，有較高硬化率，在相同的變形量條件下，可以提高強(qiáng)度。鉻對(duì)變形強(qiáng)化的影響如圖1所示，鉻對(duì)面縮率的影響如圖2所示。由于鉻也會(huì)使C曲線向右移，因此在索氏體處理過(guò)程中要比碳鋼的等溫時(shí)間長(zhǎng)。

圖2 鉻對(duì)面縮率的影響（0.82%碳鋼）

2. 熱處理

鋼絲熱處理的目的是為后續(xù)進(jìn)一步拉撥提供冷變形的組織準(zhǔn)備。在獲得高塑性的同時(shí)具有適當(dāng)?shù)膹?qiáng)度，并在此基礎(chǔ)上經(jīng)變形強(qiáng)化達(dá)到最終的強(qiáng)度。據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)可知：強(qiáng)度4000MPa的鋼簾線，其熱處理強(qiáng)化的貢獻(xiàn)率為35%（1400MPa），拉拔強(qiáng)化為65%（2600MPa）。索橋用鋼絲的熱處理強(qiáng)化貢獻(xiàn)率為68%，拉伸強(qiáng)化為32%，其最終強(qiáng)度為2000MPa，如圖3所示。由此可見(jiàn)，熱處理是高強(qiáng)度鋼絲生產(chǎn)中的重要環(huán)節(jié)。

（1）索氏體化 高強(qiáng)度鋼絲的預(yù)備熱處理一般是索氏體化。索氏體是細(xì)小片狀鐵素體和彌散滲碳體的混合物，在變形過(guò)程中，鐵索體伸長(zhǎng)，片間距減小。

圖1 鉻對(duì)強(qiáng)度的影響

圖3 不同直徑、不同強(qiáng)度鋼絲的鉛浴淬火與鋼絲拉拔的強(qiáng)化率1—直徑0.2mm，強(qiáng)度2800MPa2—直徑0.2mm，強(qiáng)度4000MPa3—直徑5mm，強(qiáng)度2000MPa

由索氏體的片間距與過(guò)冷度的關(guān)系可知，索氏體等溫分解的過(guò)冷度越大，則片間距越小，強(qiáng)度相應(yīng)提高。目前鋼絲生產(chǎn)中的索氏體化，主要是將鋼絲加熱到900℃左右，然后浸入500～560℃的鉛浴中等溫分解。隨著高溫鋼絲的不斷進(jìn)入，鉛浴溫度逐漸升高，其入口處溫度最高，過(guò)冷度也是不斷變化的，由此導(dǎo)致熱處理后鋼絲的通條性不好，性能不均勻。

（2）晶粒度 晶粒細(xì)化是強(qiáng)化的手段之一，快速加熱在熱處理過(guò)程中可得到超細(xì)晶粒。接觸電加熱和感應(yīng)加熱都是適用于鋼絲熱處理的快速加熱方式。低碳鋼的晶粒尺寸與面縮率的關(guān)系曲線如圖4所示，從中可看出，細(xì)晶粒的面縮率明顯大于粗晶粒的面縮率，說(shuō)明細(xì)晶粒組織可經(jīng)受更大的變形率，變形量越大，則強(qiáng)度越高。

（3）設(shè)備與工藝 鋼絲快速感應(yīng)加熱索氏體化成套設(shè)備，將f2.19mm的82B鋼絲進(jìn)行索氏體化處理，加熱速度800℃/s左右，保溫2s，加熱溫度860℃左右；水霧冷卻索氏體化，冷卻溫度600℃，冷卻時(shí)間0.8s。晶粒度為12～14級(jí)，索氏體的片間距100～200 nm，索氏體化率大于95%，抗拉強(qiáng)度σb= 1199 MPa，伸長(zhǎng)率δ=13.5%， 面縮率55%，然后拉拔至f0.55mm，減面率為93.7%，抗拉強(qiáng)度σb=2520MPa，進(jìn)一步拉拔至f0.42mm，減面率為96.3%，抗拉強(qiáng)度σb=3030MPa。其中熱處理強(qiáng)化占39.2%，拉拔變形的強(qiáng)化為60.8%。由于缺乏模具未做進(jìn)一步的拉拔，因快速加熱導(dǎo)致晶粒的細(xì)化，使拉拔的變形率達(dá)96.3%。

（4）下貝氏體化 鋼絲索氏體化后，可以獲得良好的塑性，適應(yīng)于進(jìn)一步拉拔變形，但是索氏體的強(qiáng)度很少能超過(guò)1300MPa，對(duì)于超高強(qiáng)度鋼絲，顯然無(wú)法滿(mǎn)足需要。

下貝氏體化的強(qiáng)度比索氏體化高20%～40%，可達(dá)1400～1800 MPa，仍然有良好的塑性，按熱處理強(qiáng)化占35%的比例，則下貝氏體經(jīng)拉拔強(qiáng)化后的強(qiáng)度可達(dá)4500～5000MPa，是超高強(qiáng)度鋼絲最有可選擇前景的熱處理方法。

高碳鋼絲加熱至奧氏體化后，在350℃至Ms之間等溫分解為下貝氏體。

提高下貝氏體的塑性，以適應(yīng)進(jìn)一步的拉拔變形，是獲得超高強(qiáng)度的重要步驟。

等溫分解后的下貝氏體進(jìn)行快速加熱回火，采用感應(yīng)加熱快速回火，加熱時(shí)間0.5～1s，加熱速度大于500℃/s，可避免碳化物的積聚、粗大，導(dǎo)致塑性下降。索氏體與下貝氏體熱處理和拉拔后的性能對(duì)比見(jiàn)附表。

圖5 0.9%碳鋼壓縮比對(duì)強(qiáng)度的影響

3. 加工強(qiáng)化

鋼絲的強(qiáng)度是由最終的拉拔強(qiáng)化決定的，變形率與強(qiáng)化之間在壓縮比為ε=90%左右時(shí)，近似地呈線性關(guān)系。當(dāng)ε＞90%后，強(qiáng)化作用陡然上升。要獲得3500 MPa以上，壓縮比應(yīng)大于95%（見(jiàn)圖5）。

進(jìn)行大變形量的拉拔，有如下的條件：

（1）高的治金質(zhì)量，高的鋼材純潔度。雜質(zhì)、氣體特別是非金屬夾雜物要控制在規(guī)定的范圍內(nèi)，要用Ca-Si脫氧，最好采用電磁攪拌，減少偏析。

（2）當(dāng)總變形量的壓縮比95%以上時(shí)，應(yīng)采用多次小變形量拉拔，每次拉拔的減面率為13%～17%。

（3）最后拉拔前的熱處理，應(yīng)當(dāng)是超細(xì)晶粒的，或經(jīng)快速回火的下貝氏體，其中沒(méi)有殘留奧氏體。

圖4

索氏體與下貝氏體熱處理和拉拔后的性能對(duì)比

（4）鋼絲的表面應(yīng)有良好的潤(rùn)滑及合理的拉絲模結(jié)構(gòu)。

4. 結(jié)語(yǔ)

超高強(qiáng)度鋼絲是在充分發(fā)揮熱處理和拉拔加工的基礎(chǔ)上得到的，熱處理是為鋼絲拉拔前具有高塑性和較高強(qiáng)度提供預(yù)備組織，為鋼絲進(jìn)行高變形率的加工拉拔增加變形強(qiáng)化創(chuàng)造條件。

（1）采用快速加熱奧氏體化，加熱速度為500℃/s以上，獲得晶粒度為12～14級(jí)的超細(xì)晶粒組織。

（2）等溫?zé)崽幚頃r(shí)應(yīng)采用快速冷卻，從奧氏體冷卻到等溫區(qū)的時(shí)間為0.5～1s，獲得間距小的層狀索氏體，避免出現(xiàn)先析滲碳體。

（3）在等溫轉(zhuǎn)變區(qū)應(yīng)有足夠的等溫轉(zhuǎn)變時(shí)間，使過(guò)冷奧氏體得以充分轉(zhuǎn)變。

（4）由于下貝氏體的強(qiáng)度比索氏體高20%～40%，塑性接近，采用下貝氏體作為拉拔前的預(yù)備組織，是生產(chǎn)超高強(qiáng)度鋼絲的新方向。

當(dāng)下貝氏體處理后的強(qiáng)度σb=1600MPa時(shí)，拉拔強(qiáng)化的貢獻(xiàn)為65%，則最終強(qiáng)度可達(dá)4500MPa。有文獻(xiàn)報(bào)道： 80鋼絲經(jīng)240～250℃等溫處理后的強(qiáng)度可達(dá)2100～2200MPa，在此基礎(chǔ)上拉拔變形，則鋼絲強(qiáng)度可望達(dá)到或超過(guò)5000MPa。