退火工藝對2 000 MPa 級冷拉鋼絲組織和性能的影響

蘇紅艷

（鶴壁職業技術學院建筑設計與工程學院,河南 鶴壁 458030）

0 引言

鍍鋅鋼絲是制造橋梁纜索的主要材料，是現代大型橋梁的核心材料，也廣泛應用于建筑工程領域。隨著橋梁跨度的增加，對鍍鋅鋼絲的強度要求也越來越高[1-3]。目前全球矚目的滬通長江大橋橋索鋼絲尺寸及強度要求為?6.9 mm-2 000 MPa，是目前世界上最高強度的橋梁纜索，同時，鍍鋅鋼絲要求具有極優的扭轉性能（≥12 次）。為提高鋼絲的耐蝕性能，必須對鋼絲在鋅池中進行熱鍍鋅處理[4]，典型的熱鍍鋅工藝為450 ℃ -50 s，熱鍍鋅后鋼絲直徑增加約0.1 mm。冷拔鋼絲經熱鍍鋅后出現扭轉分層一直是科研人員關注的重點[3-6]，且鋼絲強度越高，其扭轉性能在熱鍍過程中的惡化趨勢越大，2 000 MPa 級冷拔鋼絲熱鍍鋅后的扭轉合格率普遍低于20%，研究熱鍍鋅過程中鋼絲組織和性能的變化從而抑制其扭轉性能的惡化，進而提高材料的扭轉合格率，對于保證橋梁整體結構安全是非常必要的。

對鋼絲進行退火處理是模擬鋼絲熱鍍鋅過程中組織和性能變化的一種常用手段。涂益友[7]等人通過對鋼絲進行不同時間的退火處理，研究了加熱過程中鋼絲的組織和性能變化；有人研究了不同退火時間對鋼絲扭轉過程中出現分層現象的影響[8]，并對剪切拉伸雙向應力條件下退火溫度對中碳鋼滲碳體球化的影響也進行了研究；王雷[9]等人研究了200 ℃以下低溫回火時冷拔鋼絲組織及性能的變化。但目前對冷拔鋼絲在熱鍍鋅過程中扭轉性能惡化的原因尚無統一定論，對高強鋼絲扭轉性能提高和穩定方法的探索相當匱乏。

筆者在實驗室中對鋼絲樣進行了不同溫度、不同時間的鍍鋅加熱模擬，全面研究了加熱過程中鋼絲的性能及組織變化，分析了冷拉鋼絲熱鍍過程中扭轉性能惡化的原因，并探究了穩定并提高鋼絲扭轉性能的方法，以期為鋼絲生產提供參考。

1 試驗材料及方法

試驗材料選用某鋼廠生產的一種?14.0 mm 熱軋盤條拉拔成的直徑為?6.9 mm 的鋼絲，拉拔整體壓縮率為75.7 %，采用8 個道次進行連續冷拉拔，最大單道次壓下率不超過19.7 %，鋼絲主要化學成分見表1。

表1 試驗材料的主要化學成分Table 1 Main chemical compositions of tested material %

典型熱鍍鋅工藝約為450 ℃ -50 s，由于熱鍍鋅是在鋅液中進行的，熱傳導效率顯著高于加熱爐，因此為了全面模擬熱鍍鋅過程中的組織和性能變化，模擬退火適當延長時間，分別為0.5、1、2、3、5、15、30、60 和120 min；同時為了研究退火溫度對鋼絲組織和性能的影響，選擇退火溫度為420、450 和480 ℃；退火處理均在MSRA-621 高溫加熱爐中進行。

退火前后鋼絲材料的抗拉強度在室溫下使用CMT 5105 式萬能試驗機進行測試，根據國家標準GB/T 228-2002 進行。鋼絲的扭轉性能通過CTT 500 類型扭轉試驗機測試，扭力測試按照國家標準GB/T 10128-1998 進行。鋼絲的橫截面顯微硬度測試通過Q 60A+型維氏硬度計，按照國家標準GB/T 4340.1-2009 進行。鋼絲的微觀結構使用掃描電子顯微鏡(SEM，FEI Siron-400)和透射電子顯微鏡(TEM，JEM 2000 EX)進行檢測。

2 試驗結果分析及討論

2.1 抗拉強度及扭轉性能變化

鋼絲的扭轉性能和抗拉強度在420～480 ℃、0～3 min 范圍內隨保溫溫度及時間的變化如圖1所示，從圖1 可以看出：保溫溫度對鋼絲的抗拉強度及扭轉性能影響較小，鋼絲性能變化的關鍵因素是熱處理時間。在試驗范圍內，隨著保溫時間的延長，冷拔鋼絲的抗拉強度先下降，然后升高，下降幅度約80 MPa，經3 min 保溫后可回升至之前水平。在1 min 范圍內，鋼絲的扭轉性能可維持在15 次以上，扭轉斷口呈平齊狀，鋼絲表面具有均勻的扭轉變形痕跡，如圖2（a）所示；隨著保溫時間進一步延長，熱處理時間達1 min 以上時，鋼絲扭轉性能劇烈惡化，斷口呈劈裂狀，扭轉表面區域表面有明顯的分層特征，如圖2（b）所示。

圖1 退火溫度對材料力學性能的影響Fig.1 Effect of annealing temperature on the mechanical properties of materials

圖2 扭轉斷口宏觀形貌Fig.2 Macroscopic features of torsion fracture

徐忠良[10]測量了一種光面鋼絲的DSC 曲線，發現在450 ℃附近出現了一個明顯的放熱峰，解釋該現象是鋼絲組織在450 ℃時發生了變化，而且推測450 ℃時的組織變化劇烈惡化了扭轉性能。試驗結果顯示，在420～480 ℃范圍內保溫時間超過1 min 后，鋼絲扭轉性能的惡化與溫度不存在強烈的影響關系。鋅的熔點為419 ℃，過高的鋅溫會導致鋅液的劇烈揮發，污染環境且造成成本增加，因此通過調整鋅液溫度來改善鋼絲扭轉性能不可行。

保持加熱溫度為450 ℃一定，鋼絲的抗拉強度及扭轉性能隨保溫時間的變化如圖3 所示，在3 min 以內鋼絲的強度可維持在2 000 MPa 以上；當保溫時間超過3 min 后，鋼絲的強度出現大幅度降低。鋼絲的扭轉性能隨保溫時間的延長出現先降低后升高的趨勢，在2～5 min 范圍內鋼絲的扭轉性能惡化至5 次以下，而后又逐漸回升，扭轉斷口形態從劈口狀轉變為平口狀。

鍍鋅鋼絲要求為抗拉強度≥2 000 MPa，扭轉≥12 次。根據圖3 中鋼絲性能的變化，僅保溫0.5 min 和1 min 后試樣的綜合性能滿足要求，通過延長保溫時間來達到強度和扭轉性能的匹配是不可能的。在實際生產中，由于要保證鍍鋅層的厚度，鋼絲的鍍鋅時間不能降低，這也是制約高強鍍鋅鋼絲質量的關鍵。

圖3 450 ℃不同退火時間對鋼絲強度及扭轉的影響Fig.3 Effects of different annealing times on strength and torsional ductility of steel wire at 450 ℃

2.2 組織觀察

退火前后試樣心部的典型透射電鏡照片如圖4所示。冷拔鋼絲組織中存在大量的高密度位錯，如圖4 中方形區域所示，其片層珠光體組織中的滲碳體保持連續平直的片狀結構。經過450 ℃-5 min 退火后，試樣組織中的位錯密度降低并形成較穩定的亞晶界，如箭頭所示，片層組織沿亞晶界彎曲錯開，滲碳體平直度下降；隨著退火時間延長至15 min，連續的滲碳體大幅度斷開，片層組織退化嚴重，另形成部分納米級別的滲碳體顆粒，如環形區域所示。

對各試樣橫截面的非片層狀組織進行定量統計，結果如圖5 所示。可以看出，試樣表層組織的退化程度始終高于心部組織，而且表層與心部組織的退化差異隨退火時間的延長出現先增大后降低的趨勢。

圖5 各試樣橫截面表層及心部組織的非片層組織比例Fig.5 The proportion of non-lamellar structures in surface and matrix structures for the cross sections of each specimen

冷拔珠光體鋼絲經450 ℃退火2～5 min 后扭轉性能惡化明顯，而該階段鋼絲的強度和硬度仍處于較高水平，結合前人對冷拔珠光體鋼絲組織和強度的變化規律研究[5，11]，可推理出在該階段的顯微組織變化為碳原子擴散至鐵素體中的位錯附近釘扎位錯和片狀珠光體的部分退化，與圖4 一致。

圖4 退火前后試樣的橫截面中心位置的典型TEM 照片Fig.4 Typical TEM photographs of the samples before and after annealing (the cross-sectional center)

2.3 顯微硬度測量

對450 ℃不同時間保溫后鋼絲試樣的橫截面顯微硬度（HV10）進行測量，測量曲線為通過鋼絲圓心的兩條垂直線，測量點間隔為0.5 mm。鋼絲試樣的表層硬度普遍高于心部硬度，對各試樣的硬度均值、表層和心部的硬度差值進行統計，結果如圖6 所示。

從圖6 可以看出，試樣的硬度均值變化趨勢與強度變化一致：隨著保溫時間的延長，試樣硬度先上升再下降，并在3 min 處達到頂峰。鋼絲表面及內部的顯微硬度差整體上先增大后降低，與鋼絲扭轉性能變化趨勢相反，在2～5 min 范圍內，鋼絲的硬度（HV10）差異處于較高水平，在5 min 處達到最大值49。顯微硬度差說明鋼絲的表層組織和心部組織存在差異，表層組織出現了退化，而心部組織尚未變化。隨著保溫時間的進一步延長，鋼絲的心部和表層發生同樣的球化，強度差異降低。冷拔鋼絲表層與心部組織產生差異的主要原因是拉拔過程中表層組織變形量更大，其中儲存能量更多，位錯密度更高；在加熱過程中表層組織受熱程度更大，因此在加熱過程中鋼絲表層組織變化更為劇烈。

圖6 450 ℃下不同時間保溫后鋼絲的硬度Fig.6 Hardness of steel wires after holding at 450 ℃ for different times

綜合以上檢驗結果可以發現，當試樣橫截面表層與心部組織的退化差異程度超過8%時，其橫截面顯微硬度（HV）極值差超過40，對應的扭轉性能小于3 次，說明鋼絲表層與心部的組織和性能差異是造成其扭轉性能惡化的主要原因。扭轉過程中表層組織變形最大，導致鋼絲在扭轉過程中產生內應力集中[7]，進而造成扭轉分層。前人研究表明[4]：滲碳體表面形成的空洞[8]以及層狀鐵素體中碳濃度的差異[2]均被認為是可能的應力集中來源。

在450 ℃,1 min 以內時，鋼絲珠光體組織保持穩定的片層狀結構，鋼絲的強韌性匹配俱佳。當保溫時間超過1 min 后，鋼絲表層組織中由于碳原子的擴散運動而出現滲碳體部分退化，Watte[12]等人從能量角度進行了解釋，位錯位置的能量狀態較間隙位置更低，當碳原子在受熱后會獲得能量越過能量勢壘聚集于位錯位置。退火過程中鋼絲表層處聚集于位錯的碳原子對位錯產生釘扎作用，起到了強化鋼絲的效果，而鋼絲內部組織未發生改變；扭轉過程中表層組織變形最大，由于表層和心部組織的差異造成了應力集中，鋼絲從表層滲碳體發生退化部位起裂，最終導致鋼絲發生異常斷裂。這與圖3 中檢測到的隨著試樣強度的上升，其扭轉性能顯著惡化的趨勢一致。針對該原因，可以通過兩種方式來提高鋼絲加熱過程中的扭轉性能：強化珠光體組織中的滲碳體強度，維持其片層狀結構，抑制滲碳體在加熱過程中的球化；削弱納米級滲碳體對位錯的釘軋作用，減緩表層組織塑性降低程度，減少應力集中。

3 結論

在實驗室條件下研究了鍍鋅模擬退火過程中鋼絲組織演變與力學性能的關系，并重點討論了其扭轉性能惡化的原因，得出如下結論：

1）退火時間是影響鋼絲微觀組織和力學性能的主要因素，通過調整鋅溫或延長加熱時間來達到強度和扭轉性能的匹配是不可行的。

2）鋼絲表層與心部的片層狀變形珠光體在加熱過程中退化程度不一致是造成其扭轉性能惡化的主要原因，當鋼絲橫截面表層與心部組織的非片層狀組織差異程度超過8%時，其橫截面顯微硬度（HV10）極值差超過40，扭轉性能小于3 次。

3）扭轉過程中表層組織變形最大，表層和心部的組織差異會造成鋼絲在扭轉過程中產生應力集中，進而導致鋼絲發生扭轉分層。冷拔鋼絲表層與心部組織差異的主要原因是拉拔過程中表層組織變形量更大，儲存能量更多，位錯密度更高；而且在加熱過程中表層組織受熱程度更大，因此在加熱過程中鋼絲表層組織變化更為劇烈。