Φ7.0 mm 2000 MPa級橋梁纜索用熱鍍鋅鋁合金鋼絲的研制

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，大型橋梁的建設蓬勃發展，大跨度橋梁設計、土木工程施工技術、鋼箱梁和橋梁纜索用鋼絲等關鍵技術日益成熟，懸索橋、斜拉橋均已突破千米級跨度；其中高強度橋梁纜索用鋼絲的發展較為突出，從2014年到2017年，橋梁纜索用鋼絲強度突飛猛進，典型的工程應用有：虎門二橋Φ5.0 mm 1960 MPa級熱鍍鋅鋁鋼絲[1]，武漢楊泗港長江大橋Φ6.2 mm 1960 MPa級熱鍍鋅鋁鋼絲[2]，正在建設的商合杭鐵路大橋、滬通長江大橋等，均采用Φ7.0 mm 2000 MPa級熱鍍鋅鋁鋼絲[3]，而且，上述幾座世界級大橋所用的超高強度熱鍍鋅鋁合金鋼絲均已完全國產化。

為契合更大跨越能力的橋梁設計需要，研發新一代(2000 MPa以上級)橋梁纜索用熱鍍鋅鋁鋼絲已成為橋梁鋼絲企業的重要工作和挑戰。目前，開發試制中的兩大關鍵點是：一、有限的冷拉拔形變量下，實現鋼絲超高強度。以斜拉橋為例，鋼絲直徑一般是7 mm，以現有鋼廠裝備水平，若生產SWRS87B以上的高碳鋼盤條，最大直徑在14 mm或15 mm左右，鋼絲的拉拔總壓縮率低于80%，繼續增大冷拉拔形變量以獲得更高強度的方案受到制約，因此，必須通過提高盤條母材的初始強度，其方式主要有以下三種：1)提高盤條的碳含量；2)成分合金化，主要包括Si，Cr，V等[4-5]；3)盤條鹽浴熱處理，獲得組織均勻和高索氏體化率的盤條[6]。二、鋼絲強度提升的同時，必須保持良好的材料韌性，扭轉性能是評價指標之一，而該指標似乎是眾多企業一個久攻不克的難點，儼然成為一個技術門檻。在盤條合金化設計、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上[7-10]，確定了新一代橋梁纜索用鍍鋅鋁鋼絲用盤條的成分設計及組織控制參數、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級橋梁纜索用熱鍍鋅鋁鋼絲。

1 鋼絲的制備

1.1 盤條的化學成分

Φ7.0 mm 2000 MPa級橋梁纜索用熱鍍鋅鋁鋼絲采用的SWRS92Si盤條成分設計，是在Φ5.0 mm 1960 MPa級鋼絲用SWRS87B盤條的基礎上，繼續成分合金化而來。具體成分設計對照如表1所示，其設計原則如下：

1)適量提高C含量，減少冶金制造難度，提高鋼絲的起始強度；

2)提高Si含量，可以提高原始盤條的強度，還可以減少鋼絲熱鍍鋅鋁時強度的損失[11]；

3)Cr含量控制在0.30%以下，保證熱鍍鋅鋁后鋼絲的扭轉性能[4]。

表1 高碳鋼盤條的化學成分/%

1.2 盤條工藝路線

盤條生產采用常規的冶金工藝路線，盤條規格為Φ14.0 mm。由大方坯生產線生產的高碳鋼方坯，經二次開坯，最終熱軋成Φ14 mm高碳鋼線材，采用斯太爾摩線風冷冷卻，完成索氏體組織轉變。由于風冷的冷卻方式和冷卻介質的局限性，盤條在相變區的溫度波動范圍略寬，形成的珠光體片層組織片層厚度也有不均勻的情況。當對風冷盤條進行離線鹽浴熱處理后，可使盤條從內到外的片層厚度相對均勻、并進一步細化。

高碳鋼盤條的具體生產流程如下：

1)冶金加工流程：

轉爐→LF爐精煉→VD爐精煉→連鑄大方坯→開坯→表面精整→軋制→斯太爾摩線控冷→集卷。

2)離線鹽浴熱處理：

解卷、放線 →加熱奧氏體化→鹽浴熱處理→空冷→水清洗 →收卷→打包。

如圖1所示是高碳鋼盤條經鹽浴熱處理后的金相組織照片。

圖1 鹽浴后高碳鋼盤條的金相組織

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

圖2 高碳鋼盤條的組織形貌

如表2所示是風冷、鹽浴處理后的力學性能和組織情況，盤條鹽浴處理后，強度和韌性均有提高；索氏體化率達到95%以上，抗拉強度提升10%以上，且強度波動減小到50 MPa以內，斷面收縮率也有提升。

表2 不同工序下SWRS92Si盤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，影響因素眾多，工序流程如下：

盤條酸洗除銹→盤條表面磷化→連續多道次冷拉拔形變→熱鍍鋅鋁合金鍍層→單線穩定化。

由于高碳鋼盤條的碳含量和強度較高，缺口敏感性較強，在運輸搬運和生產工序中因操作不當產生的擦傷、劃傷往往會影響鋼絲的扭轉性能。因此，各個作業環節均應受控，避免產生表面缺陷；同時，還需要結合高碳鋼盤條的性能，有針對性地設計拉拔工藝參數(拉拔形變量的分配、拉絲模具角度、定徑帶長度等)，盡可能降低鋼絲在拉拔過程中形成的內部損傷。

在大形變量的冷拉拔時，鋼絲中有很高的形變儲存能，這使得鋼絲對熱效應非常敏感[11-12]，而熱浸鍍鋅鋁合金必須在450 ℃左右的溫度下進行，熱浸鍍溫度過高、時間過長會使鋼絲內滲碳體出現明顯球化[8]，導致其強度降低、扭轉性能嚴重惡化[9,13-15]。熱浸鍍鋅鋁合金鍍層采用雙鍍工藝，嚴格控制熱浸鍍的溫度和時間，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左右的鐵素體片內有著極高密度的位錯。冷拔珠光體鋼絲的高強度主要來源于細化的層片，以及鐵素體內高密度的位錯。

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構，僅有少量且輕微的球化，與冷拉鋼絲組織相比，無明顯差異。從圖4可見鍍鋅后鐵素體內位錯發生明顯的恢復，這表明鋼絲形變儲能已顯著釋放，重新獲得了進一步塑性變形的能力；同時，滲碳體保持了片狀結構。盡管在熱鍍鋅鋁以后，鐵素體中的位錯發生回復，會導致抗拉強度的部分下降，但由于鋼絲中組織保持了層片狀的結構，這令鋼絲仍可以保持高強度。

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級橋梁纜索用熱鍍鋅鋁鋼絲的力學性能。經整卷測試后，鋼絲直徑約為7.01 mm，鋼絲的抗拉強度平均為2050 MPa，滿足要求。如圖5所示是熱鍍鋅鋁鋼絲的拉伸應力-應變曲線。

表3 典型Φ7.0 mm 2000 MPa級熱鍍鋅鋁合金鋼絲的拉伸力學性能

圖5 典型Φ7.0 mm 2000 MPa級熱鍍鋅鋁鋼絲的拉伸應力-應變曲線

2.3 扭轉性能

連續截取30根熱鍍鋅鋁鋼絲樣品，進行扭轉性能測試，具體結果如圖6所示，其中圖6(a)是鋼絲的扭轉圈數分布，圖6(b)是經扭轉測試后的鋼絲斷口照片。可以看到，鋼絲扭轉次數16～28次，平均值為21次，符合鋼絲扭轉12次以上的要求。鋼絲扭轉斷口平整，為典型的扭轉平斷口。

圖6 Φ7.0 mm 2000 MPa級熱鍍鋅鋁合金鋼絲的扭轉次數分布與扭轉后斷口

當鋼絲內有粗化的珠光體層片、明顯球化的滲碳體顆粒時，容易導致扭轉變形集中在局部，發生局部劇烈變形，從而萌生裂紋，誘發“分層斷裂”[9,16]。得益于鹽浴熱處理，使鋼絲內組織均勻，不會存在明顯粗化的珠光體層片，同時熱鍍鋅鋁過程中，形變儲能均勻釋放，不會出現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應力-應變曲線。可以看到，鋼絲扭轉曲線平滑，隨著扭轉應變量的增加，剪切應力平緩上升，直至最終的斷裂。平緩的曲線表明，鍍鋅鋁鋼絲可以進行均勻的塑性變形，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應力-應變曲線

2.4 其他性能測試

除抗拉強度、扭轉性能等關鍵指標外，同時測試了Φ7.0 mm 2000 MPa熱鍍鋅鋁鋼絲要求的其它性能指標，結果如表4所示，均符合標準要求。

表4 Φ7.0 mm 2000 MPa級熱鍍鋅鋁合金鋼絲的其他性能

3 結束語

通過對高碳高硅盤條的合金化成分設計、離線索氏體化處理、低損傷拉拔技術和熱浸鍍鋅鋁等工藝過程的優化，成功試制出Φ7.0 mm 2000 MPa級熱鍍鋅鋁合金鋼絲，各項性能指標均滿足2000 MPa級橋梁纜索用熱鍍鋅鋁鋼絲的要求。

試制結果表明，完全國產化的Φ14 mm SWRS92Si盤條經鹽浴熱處理后，抗拉強度提升10%以上，達到1470 MPa以上，珠光體片層顯著細化，厚度均值為90 nm；研制的Φ7.0 mm 2000 MPa級橋梁纜索用熱鍍鋅鋁鋼絲，平均抗拉強度為2050 MPa，平均斷后延伸率為5.4 %，鋼絲扭轉次數平均值為21 次(16～28次)，斷口為平斷口；其它性能指標均達到Φ7.0 mm 2000 MPa橋梁用熱鍍鋅鋁合金鋼絲的要求。