高性能預(yù)應(yīng)力鋼絲鋼鉸線穩(wěn)定化處理工藝研究

李琳濤 周偉東

摘要：對(duì)高強(qiáng)度預(yù)應(yīng)力鋼絲穩(wěn)定化處理的生產(chǎn)工藝進(jìn)行研究，探索穩(wěn)定化處理鋼絲的特性，為實(shí)現(xiàn)溫度自動(dòng)控制提供一定的理論依據(jù)。研究了穩(wěn)定化處理工藝對(duì)產(chǎn)品的力學(xué)性能尤其是抗應(yīng)力松弛性能的影響。結(jié)果表明：制定的生產(chǎn)方法和工藝制度完全能滿足高強(qiáng)度低松弛預(yù)應(yīng)力鋼絲的質(zhì)量要求。

關(guān)鍵詞：低松弛；預(yù)應(yīng)力鋼絲；穩(wěn)定化處理；力學(xué)性能

中圖分類號(hào)：F2文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：16723198（2014）19019002

1前言

預(yù)應(yīng)力鋼絲鋼鉸線屬于新一代先進(jìn)結(jié)構(gòu)材料，與傳統(tǒng)的鋼材相比，具有強(qiáng)度高、抗松馳性能好、節(jié)省鋼材、提高結(jié)構(gòu)剛度及穩(wěn)定性等優(yōu)點(diǎn)，在建筑、現(xiàn)代裝備、軌道車輛、汽車、制造、水利水電工程、核電和風(fēng)電設(shè)備等領(lǐng)域應(yīng)用十分廣闊。然而，隨著各應(yīng)用領(lǐng)域的發(fā)展，其對(duì)預(yù)應(yīng)力鋼絲鋼鉸線的強(qiáng)度、抗松馳穩(wěn)定性和耐腐蝕性等綜合性能的要求也越來(lái)越高，特別是在一些高端應(yīng)用領(lǐng)域，例如高速鐵路、核電工業(yè)等，我國(guó)現(xiàn)行業(yè)所提供的預(yù)應(yīng)力鋼材已不能滿足市場(chǎng)需求。因此，為滿足我國(guó)高鐵、核電等尖端領(lǐng)域的重大需求和關(guān)鍵材料國(guó)產(chǎn)化問(wèn)題，有必要制定合理的工藝，從而獲得穩(wěn)定的符合要求的預(yù)應(yīng)力鋼絲鋼絞線。

2實(shí)驗(yàn)方法及生產(chǎn)工藝

目前，我司生產(chǎn)的預(yù)應(yīng)力鋼絲鋼絞線主要是：將常溫拉拔生產(chǎn)7684鋼絲鋼絞線，在公司改進(jìn)的拉拔機(jī)組上完成一定量的拉拔變形（根據(jù)公司產(chǎn)品需要制定的工藝）的同時(shí)，采用中頻感應(yīng)加熱對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行在線回火處理（穩(wěn)定化處理）。

材料的力學(xué)性能參照國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)“GB/T228.1-2010金屬材料室溫拉伸試驗(yàn)方法”進(jìn)行拉伸試驗(yàn)。產(chǎn)品組織結(jié)構(gòu)由掃描電鏡（SEM）進(jìn)行檢測(cè)。松弛試驗(yàn)在YJR-300型拉伸應(yīng)力松弛試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行。

2.1原料

所用原料82B（Φ13mm盤(pán)條），成品鋼絲公稱直徑為Φ9.00mm。原料的化學(xué)成分、力學(xué)性能等符合國(guó)標(biāo)及客戶需求以。

2.2穩(wěn)定化處理工藝流程

與其他公司大體相同，工藝主要是：鋼絲鋼絞線拉拔開(kāi)卷→多輥拉拔→中頻感應(yīng)加熱回火→水冷、吹干→拉拔→分剪→取樣檢驗(yàn)→卷取→包裝→入庫(kù)。

3穩(wěn)定化處理的工藝特性

鋼絲鋼絞線整體溫度與中頻感應(yīng)爐加熱功率以及加熱時(shí)間有關(guān)。根據(jù)公司針對(duì)各個(gè)產(chǎn)品所制定的工藝，感應(yīng)加熱時(shí)間約在1.2～2s之間，回火溫度選擇為350～400℃。因?yàn)殇摻z鋼絞線是在拉拔生產(chǎn)過(guò)程中且在相對(duì)較大的張力狀態(tài)下進(jìn)行穩(wěn)定化處理，為了防止鋼絲鋼絞線因過(guò)熱造成拉斷，本公司穩(wěn)定化處理功率密度為0.15～0.25kW/cm2。

3.1穩(wěn)定化處理溫度與功率

在生產(chǎn)過(guò)程中，為了實(shí)現(xiàn)鋼絲鋼絞線穩(wěn)定化處理溫度的準(zhǔn)確性，而且實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化處理及檢測(cè)，采用紅外測(cè)溫儀（測(cè)溫范圍300～600℃，測(cè)溫精度±1%）在線測(cè)溫。根據(jù)感應(yīng)加熱爐的加熱原理，當(dāng)外部電壓不穩(wěn)定，或者生產(chǎn)中鋼絲鋼絞線拉拔速度發(fā)生變化，均會(huì)導(dǎo)致鋼絲穩(wěn)定化處理溫度產(chǎn)生波動(dòng)和變化。因此，在制定生產(chǎn)工藝時(shí)，根據(jù)各種規(guī)格的產(chǎn)品計(jì)算出加熱功率與溫度之間的關(guān)系，制定合適的穩(wěn)定化處理溫度。圖1為Φ9.0mm鋼絲鋼絞線在拉拔線速度為60m/min時(shí)的功率與溫度特性曲線。根據(jù)圖1，我們可看出，隨穩(wěn)定化處理溫度升高，所需的功率相對(duì)增加值在逐漸減小，功率與穩(wěn)定化處理溫度屬于單調(diào)遞增但非線性的關(guān)系。

3.2穩(wěn)定化處理速度與功率

在制定加工工藝的過(guò)程中，根據(jù)鋼絲鋼絞線的品種和規(guī)格的多樣性，采取不同的加工速度，據(jù)此，就需要了解鋼絲鋼絞線拉拔速度與中頻加熱爐的加熱功率的關(guān)系。圖2為Φ9.0mm鋼絲鋼絞線加工速度與功率特性曲線。根據(jù)圖2，我們可以看出，當(dāng)穩(wěn)定化處理溫度一定，鋼絲鋼絞線回火時(shí)的功率隨著鋼絲的拉拔加工線速度增加而增加，幾乎是線性關(guān)系。本司不斷優(yōu)化生產(chǎn)工藝，在生產(chǎn)優(yōu)質(zhì)產(chǎn)品的同時(shí)也能達(dá)到節(jié)能降耗的目的。

4穩(wěn)定化處理工藝對(duì)力學(xué)性能的影響

4.1穩(wěn)定化處理工藝對(duì)強(qiáng)度及彎曲性能的影響

根據(jù)用戶的需求以及目前市場(chǎng)需要，鋼絲鋼絞線要具有較高的屈服強(qiáng)度、較高的抗拉強(qiáng)度以及良好的塑性。產(chǎn)品性能主要滿足：屈服強(qiáng)度RL≥1330MPa，抗拉強(qiáng)度Rm≥1570Mpa，斷后延伸率A≥3.0%，1000h應(yīng)力松弛率≤25%。經(jīng)過(guò)拉拔成形為Φ9.0mm的鋼絲鋼絞線，經(jīng)過(guò)不同的穩(wěn)定化處理工藝，再經(jīng)過(guò)水冷并吹干，根據(jù)國(guó)標(biāo)要求截取試樣（每種工藝取3個(gè)樣，數(shù)據(jù)取平均值），在拉伸試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行拉伸試驗(yàn)以及180°反復(fù)彎曲試驗(yàn)（反彎R=20mm），試驗(yàn)結(jié)果如表1所示。由表1可知，屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度隨回火溫度提高而下降，延伸率和反復(fù)彎曲次數(shù)均隨回火溫度提高而增加。根據(jù)樣品試驗(yàn)及計(jì)算結(jié)果，穩(wěn)定化處理溫度由350℃增加到390℃，其σ0.2下降了約48MPa（3.07%），σb下降了59.9MPa（3.4%）。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果可知，鋼絲鋼絞線經(jīng)穩(wěn)定化處理工藝后綜合性能都得到明顯的改善，而且每種規(guī)格的鋼絲鋼絞線抗拉強(qiáng)度均增加100MPa以上。分析其原因，主要是因?yàn)轭A(yù)應(yīng)力鋼絲鋼絞線經(jīng)過(guò)高于70%的冷變形后，鋼絲鋼絞線組織發(fā)生變化，特別是位錯(cuò)密度急劇增加。而且根據(jù)掃描電鏡分析其組織結(jié)構(gòu)以及晶粒尺寸，發(fā)現(xiàn)鋼絲鋼絞線經(jīng)過(guò)拉拔后出現(xiàn)了加工織構(gòu)，其晶粒取向改變并沿加工方向拉長(zhǎng)。鋼絲鋼絞線經(jīng)過(guò)穩(wěn)定化處理后，位錯(cuò)密度及存在形式、滲碳體的組織狀態(tài)發(fā)生了明顯的變化。根據(jù)理論分析可知，由于微觀結(jié)構(gòu)內(nèi)柯氏氣團(tuán)的形成，位錯(cuò)被釘扎，導(dǎo)致晶體內(nèi)可動(dòng)位錯(cuò)數(shù)量顯著降低，位錯(cuò)從溶質(zhì)氣團(tuán)中脫釘出來(lái)所需應(yīng)力大大增加，因此大大提高了鋼絲鋼絞線的強(qiáng)度。

4.2穩(wěn)定化處理回火溫度對(duì)應(yīng)力松弛率的影響

經(jīng)過(guò)成形拉拔的鋼絲，穩(wěn)定化處理的張力可從自動(dòng)化生產(chǎn)設(shè)備的控制PC機(jī)獲取。表2為生產(chǎn)Φ9.0mm鋼絲在不同溫度穩(wěn)定化處理10h的應(yīng)力松弛結(jié)果。根據(jù)表2，我們發(fā)現(xiàn)，隨回火溫度升高，應(yīng)力松弛率開(kāi)始有所下降后又慢慢增加。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果數(shù)據(jù)顯示，本試驗(yàn)條件下所取規(guī)格的鋼絲鋼絞線在380℃溫度穩(wěn)定化處理工藝條件下具有最好的應(yīng)力松弛結(jié)果：在380℃穩(wěn)定化處理時(shí)，Φ9.0mm鋼絲10h應(yīng)力松弛率R為0.78。表2Φ9.0mm鋼絲在不同回火溫度下的應(yīng)力松弛率

序號(hào)回火溫度（℃）應(yīng)力松弛率/%（10h試驗(yàn)值）13601.0823700.933800.7843900.78554000.788根據(jù)本試驗(yàn)制定的穩(wěn)定化處理工藝，各試驗(yàn)數(shù)據(jù)結(jié)果顯示鋼絲鋼絞線的力學(xué)性能（小量塑性變形抗力、松弛穩(wěn)定性、疲勞強(qiáng)度等）可大大提高。經(jīng)過(guò)各個(gè)試驗(yàn)數(shù)據(jù)比對(duì)后，制定出合適的穩(wěn)定化處理工藝，得到合格的產(chǎn)品，特別是經(jīng)過(guò)穩(wěn)定化處理后的鋼絲鋼絞線在短時(shí)、長(zhǎng)時(shí)（松弛穩(wěn)定性）以及循環(huán)載荷作用條件下，小量塑性變形抗力都增加。根據(jù)理論分析，對(duì)于含高碳鋼，冷拉后經(jīng)過(guò)穩(wěn)定化處理，因?yàn)殇撝泻袠O少量的氮元素，使得鋼絲鋼絞線在經(jīng)過(guò)穩(wěn)定化處理時(shí)，缺陷密度和分布發(fā)生了改變，最細(xì)密的有缺陷的Fe3C片發(fā)生局部溶解，位錯(cuò)被碳氮原子釘扎，析出物從不穩(wěn)定狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榉€(wěn)定的狀態(tài)（相當(dāng)于形變時(shí)效）。拉拔時(shí)受到拉伸應(yīng)力，造成很強(qiáng)的溶質(zhì)定向溶解，從而提高了組織的穩(wěn)定性，鋼絲抗應(yīng)力松弛的能力顯著提高，松弛穩(wěn)定性相應(yīng)也增加。

5結(jié)論

（1）在一定勻速拉拔工藝條件下，鋼絲鋼絞線穩(wěn)定化處理溫度與中頻加熱功率緊密相關(guān)，其關(guān)系呈非線性關(guān)系；穩(wěn)定化處理溫度一定，鋼絲的拉拔速度與中頻加熱功率呈近線性關(guān)系。

（2）鋼絲經(jīng)過(guò)穩(wěn)定化處理后，隨加熱溫度增加，強(qiáng)度有所下降，但塑性增加。與未回火相比，經(jīng)過(guò)穩(wěn)定化處理后的鋼絲鋼絞線綜合性能得到明顯改善。

（3）經(jīng)過(guò)穩(wěn)定化處理，鋼絲鋼絞線的抗應(yīng)力松弛能力得到提高，而且滿足低松弛要求。本試驗(yàn)在380℃左右穩(wěn)定化處理效果最佳。

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