熱擴(kuò)散溫度對(duì)電鍍鋅C72D2鋼絲鍍層結(jié)構(gòu)及性能的影響

華 欣，王 威，肖 明，姚利麗

(江蘇興達(dá)鋼簾線股份有限公司，江蘇省結(jié)構(gòu)與功能金屬?gòu)?fù)合材料重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，泰州 225721)

0 引 言

鋼絲繩是電梯、起重機(jī)械等關(guān)系生命及生產(chǎn)安全的重要設(shè)備的關(guān)鍵部件，是提升、牽引、拉緊和承載等過(guò)程中必不可少的部件。近年來(lái)，電梯曳引帶以及微細(xì)同步帶產(chǎn)品的出現(xiàn)[1]，給鋼絲繩的生產(chǎn)帶來(lái)了新的挑戰(zhàn)；隨著鋼絲繩越來(lái)越細(xì)，鍍層面積在鋼絲橫截面面積中占據(jù)的比例越來(lái)越大，鋼絲的強(qiáng)度降低，鋼絲繩產(chǎn)品的使用壽命縮短，如何制備同時(shí)具有高強(qiáng)度和高疲勞壽命的鋼絲成為研究的重點(diǎn)。單絲是組成鋼絲繩的基本組元，預(yù)測(cè)鋼絲繩使用壽命最有價(jià)值的指標(biāo)之一是單絲的疲勞壽命[2-3]。通常金屬材料的疲勞破壞起源于表面或近表面層[4]，在外部載荷的作用下，表面裂紋持續(xù)向內(nèi)擴(kuò)展就會(huì)導(dǎo)致單絲斷裂，因此，單絲的表面質(zhì)量對(duì)其耐疲勞性能有著重要的影響[5]。已有研究表明，鍍鋅對(duì)鋼絲表面微動(dòng)磨損有明顯的抑制作用，有利于提高鋼絲的壽命[6]，并且，鍍鋅層可作為犧牲陽(yáng)極起到較好的防腐作用。目前，鋼絲表面鍍鋅技術(shù)主要有熱浸鍍鋅、電鍍鋅鐵合金、電鍍鋅再熱浸鍍鋅和電鍍鋅熱擴(kuò)散工藝等。熱浸鍍鋅鋼絲的鍍層厚(不低于14 μm)，耐腐蝕性能好，鋼絲繩生產(chǎn)企業(yè)普遍采用該工藝，但較厚的鍍層會(huì)使得鋼絲的抗疲勞能力下降。有研究[7]表明減薄鍍層能提高抗疲勞性能，但減薄鍍層常用的抹拭工藝[8]僅適用于單位面積鍍層質(zhì)量為100～450 g·m-2的熱鍍鋅鋼絲，抹拭精確度為±7.5 g·m-2，對(duì)于生產(chǎn)精細(xì)鋼絲而言起不到良好的抹拭效果。另外，熱浸鍍鋅工藝還存在高能耗、高物耗和高污染等問(wèn)題[9]。電鍍鋅鐵合金工藝鍍液成分簡(jiǎn)單，成本低廉，但電流效率對(duì)電流密度和電解液組成非常敏感[10]，工藝的控制難度限制了其在工業(yè)上的應(yīng)用。電鍍鋅再熱浸鍍鋅工藝鍍層的塑性較好，加工性能好，但工藝流程較繁瑣，鍍層因抹拭工藝易存在漏鍍、毛刺多、鋅瘤多等缺陷，在工業(yè)上未得到推廣應(yīng)用[11]。電鍍鋅熱擴(kuò)散工藝[12]不僅可以較為精確地控制鍍層質(zhì)量，控制鍍層擴(kuò)散的溫度、時(shí)間，將鋼絲表面的純鋅層轉(zhuǎn)化為需要的鋅鐵合金層，使疲勞性能達(dá)到使用要求，還可以保持鋼絲的高強(qiáng)度，但缺點(diǎn)在于電鍍生產(chǎn)線速率慢，效率較低，且不同熱擴(kuò)散溫度下強(qiáng)度和疲勞壽命差異大。為滿足高性能鋼絲繩的市場(chǎng)需要，作者選擇C72D2鋼盤條作為原材料，為解決熱浸鍍鋅工藝生產(chǎn)薄鍍層鋼絲的難題，對(duì)直徑1.20 mm的C72D2鋼絲進(jìn)行電鍍鋅處理，再在不同溫度下進(jìn)行熱擴(kuò)散處理；研究了鍍鋅層的物相組成、微觀結(jié)構(gòu)，鍍鋅鋼絲及其冷拉拔成直徑0.21 mm單絲的抗拉強(qiáng)度,單絲的鍍層損失和旋轉(zhuǎn)彎曲疲勞性能，通過(guò)與熱浸鍍鋅鋼絲性能的對(duì)比找出最佳熱擴(kuò)散溫度，達(dá)到制備出同時(shí)具有高強(qiáng)度和高疲勞性能鋼絲的目的，優(yōu)選出最佳的電鍍鋅熱擴(kuò)散工藝，為電梯曳引帶、同步帶及輸送帶產(chǎn)品的生產(chǎn)提供了參考工藝，對(duì)精細(xì)鋼絲繩強(qiáng)度和疲勞性能的提高具有重要意義。

1 試樣制備與試驗(yàn)方法

1.1 試樣制備

采用C72D2鋼盤條，化學(xué)成分見(jiàn)表1，經(jīng)干拉、索氏體化處理后得到直徑1.20 mm的無(wú)鍍層光面鋼絲。

表1 C72D2鋼盤條的化學(xué)成分

將光面鋼絲通過(guò)直線式電鍍作業(yè)線進(jìn)行鍍鋅處理得到電鍍鋅鋼絲，工藝流程為放線→鹽酸洗→串聯(lián)水洗→硫酸鋅電鍍→串聯(lián)水洗→熱水洗→中頻感應(yīng)熱擴(kuò)散處理→水冷卻→烘干→收線。電鍍時(shí)采用輥式陰極，臥放式陽(yáng)極，陽(yáng)極板為氧化銥涂層鈦板，硫酸鋅質(zhì)量濃度為200～250 g·L-1，pH為3～4，溫度為10～30 ℃，陰極電流密度為20～30 A·dm-2，陰極電流效率不低于95%，設(shè)計(jì)的單位面積鍍層質(zhì)量為45 g·m-2。中頻感應(yīng)熱擴(kuò)散處理的加熱溫度分別為450，480，520，550 ℃，從進(jìn)入中頻感應(yīng)爐到進(jìn)入水冷卻的時(shí)間為10 s。

將光面鋼絲通過(guò)連續(xù)熱浸鍍鋅作業(yè)線進(jìn)行鍍鋅處理得到熱浸鍍鋅鋼絲，工藝流程為放線→鹽酸洗→串聯(lián)水洗→助鍍(氯化鋅銨)→烘干→熱浸鍍鋅→抹拭→水冷卻→收線。鋅鍋溫度為440～470 ℃，鋼絲熱浸鍍鋅時(shí)間為5 s，從出鋅鍋至進(jìn)入水冷卻的時(shí)間為7 s，設(shè)計(jì)的單位面積鍍層質(zhì)量為45 g·m-2，鋼絲從鋅鍋引出后，用油木炭和脫脂棉抹拭鋼絲表面多余鋅液。

將電鍍鋅鋼絲和熱浸鍍鋅鋼絲用TB4型水箱拉絲機(jī)拉拔成直徑為0.21 mm的單絲，濕拉模具采用鎢鋼模具，拉拔速度為5 m·s-1。

1.2 試驗(yàn)方法

采用SIGMA 500型掃描電子顯微鏡(SEM)觀察鍍鋅鋼絲鍍層的截面形貌，并采用附帶的能譜儀(EDS)分析微區(qū)成分。采用Ultima IV組合型多功能X射線衍射儀(XRD)分析鍍層物相，靶材為銅靶，Kα射線，加速電壓為40 kV，電流為40 mA，掃描范圍為3°～90°，掃描速率為1(°)·min-1。

采用ZWICK/Z010型拉力試驗(yàn)機(jī)，按照GB/T 228.1-2010檢測(cè)鍍鋅鋼絲和單絲的抗拉強(qiáng)度，標(biāo)距為100 mm，拉伸速度為100 mm·min-1。

按照GB/T 1839-2008測(cè)得鍍鋅鋼絲和單絲的單位面積鍍層質(zhì)量。拉拔過(guò)程中造成的鍍層損失為單絲實(shí)測(cè)單位面積鍍層質(zhì)量與理論單位面積鍍層質(zhì)量的差值，鋼絲經(jīng)拉拔后的鍍層損失率Z計(jì)算公式[13]為

(1)

(2)

式中：Wa為拉拔前鋼絲的單位面積鍍層質(zhì)量，g·m-2；Wb為拉拔后單絲的理論單位面積鍍層質(zhì)量，g·m-2；Wc為拉拔后單絲的實(shí)測(cè)單位面積鍍層質(zhì)量，g·m-2；Da為拉拔前鋼絲的直徑，mm；Db為單絲的直徑，mm。

按照ASTM E2948-16e1，采用Model100型亨特轉(zhuǎn)桿式疲勞試驗(yàn)機(jī)檢測(cè)單絲旋轉(zhuǎn)彎曲疲勞性能[14]。單絲彎曲成弓形，一端固定在可旋轉(zhuǎn)的夾頭中，另一端插入套管內(nèi)，可以自由旋轉(zhuǎn)，如圖1所示。單絲弓頂點(diǎn)的彎曲應(yīng)力σ滿足如下關(guān)系式：

圖1 亨特疲勞試驗(yàn)示意

(3)

L0=2.19C

(4)

L=L0+S1+S2

(5)

式中：C為單絲兩端的距離；E為彈性模量；L0為單絲兩端間有效長(zhǎng)度；L為單絲總長(zhǎng)度；S1和S2分別為單絲在夾頭中和套管中的長(zhǎng)度。

疲勞試驗(yàn)溫度為室溫，相對(duì)濕度控制在(50±5)%，單絲旋轉(zhuǎn)速度為3 000 r·min-1，記錄單絲斷裂時(shí)的循環(huán)次數(shù)，即疲勞壽命。根據(jù)電梯曳引帶鋼絲繩的使用要求，單絲的條件疲勞極限，即10根單絲的疲勞壽命達(dá)105周次而不發(fā)生斷裂的應(yīng)力水平為1 200 MPa。根據(jù)上述公式使得單絲弓頂點(diǎn)的彎曲應(yīng)力達(dá)到1 200 MPa，檢驗(yàn)10次，計(jì)算疲勞壽命達(dá)105周次的比率(即合格率)。

2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 鍍層物相組成

由圖2可以看出,所有鋼絲中均出現(xiàn)了基體鐵的衍射峰，這應(yīng)是鍍層厚度較薄(在10 μm以內(nèi))，X射線穿透鍍層所致。熱浸鍍層主要含有FeZn7和FeZn13，以及少量的鋅，未檢測(cè)到Fe3Zn10。電鍍鋅鋼絲未進(jìn)行熱擴(kuò)散處理時(shí)，表面XRD譜中僅存在純鋅和基體鐵的衍射峰，經(jīng)熱擴(kuò)散處理后，電鍍層中形成了鋅鐵合金。在450 ℃下進(jìn)行熱擴(kuò)散處理后，電鍍層主要由FeZn13和鋅組成，與未進(jìn)行熱擴(kuò)散處理時(shí)相比，鋅的衍射峰強(qiáng)度降低。當(dāng)熱擴(kuò)散溫度升至480 ℃時(shí)，電鍍層中的鋅衍射峰消失，說(shuō)明此時(shí)電鍍層已完全合金化，電鍍層中除了存在FeZn13外還出現(xiàn)了FeZn7和FeZn8.87。當(dāng)熱擴(kuò)散溫度升高到520 ℃時(shí)，電鍍層中FeZn13的衍射峰強(qiáng)度減弱，即含量減少，而FeZn7的含量增加，并出現(xiàn)了Fe3Zn10的衍射峰。熱擴(kuò)散溫度繼續(xù)升高到550 ℃時(shí)，電鍍層中Fe3Zn10含量增加，F(xiàn)eZn7的含量無(wú)明顯變化。

圖2 熱浸鍍鋅鋼絲和不同溫度熱擴(kuò)散處理前后電鍍鋅鋼絲的表面XRD譜

2.2 鍍層截面形貌及微區(qū)成分

由圖3可以看出：未熱擴(kuò)散處理電鍍鋅鋼絲的表面鍍層平整致密；450 ℃及480 ℃熱擴(kuò)散處理后鍍層因發(fā)生合金化表面出現(xiàn)少許空洞，且鍍層靠近基體的部位明顯比表面處致密；當(dāng)熱擴(kuò)散溫度達(dá)到520 ℃時(shí)，鍍層出現(xiàn)裂紋；當(dāng)熱擴(kuò)散溫度達(dá)到550 ℃時(shí)，鍍層出現(xiàn)較多裂紋，并且裂紋貫穿了整個(gè)鍍層；熱浸鍍鋅鋼絲鍍層主要為呈柵欄狀的鋅鐵合金相，近表面處鋅鐵合金相呈樹(shù)枝狀或小顆粒狀，表面一側(cè)沒(méi)有明顯平整致密的純鋅層，但由XRD分析結(jié)果可知鍍層中存在純鋅，推測(cè)因受鍍層質(zhì)量限制，熱浸鍍鋅后采用抹拭方式抹去表面多余鋅液時(shí)，表層大量純鋅被抹去，使得表面露出鋅鐵合金，但仍殘留少量純鋅存在于疏松的鋅鐵合金相的間隙中。

由表2可知：與未熱擴(kuò)散處理時(shí)相比，電鍍鋅鋼絲經(jīng)熱擴(kuò)散處理后，鍍層近表層部位的氧含量有所上升，說(shuō)明表面存在輕微氧化；隨著熱擴(kuò)散處理溫度升高，鍍層中鐵含量逐漸增高。結(jié)合圖3可知，鐵質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增大標(biāo)志著某些鐵鋅化合物相逐漸生長(zhǎng)至表面，且隨著熱擴(kuò)散溫度的升高，基體中的鐵與鍍層中的鋅相互滲透加劇，導(dǎo)致鍍層中富鐵相增多，富鋅相減少。鍍層質(zhì)量的好壞與鍍層的物相組成密切相關(guān)[15]，當(dāng)熱擴(kuò)散溫度達(dá)到520 ℃以上時(shí)，鍍層中生成Fe3Zn10脆性相[16]，鍍層整體變脆，在熱應(yīng)力和相變應(yīng)力的共同作用下發(fā)生破裂[17]。另外，熱浸鍍鋅鋼絲鍍層近表層部位的氧含量較高，表面同樣存在輕微氧化現(xiàn)象，鍍層中靠近基體部位的鐵質(zhì)量分?jǐn)?shù)明顯多于近表層部位，由鐵和鋅質(zhì)量分?jǐn)?shù)可知，鍍層表面為富鋅相，靠近基體部位為富鐵相。

圖3 不同溫度熱擴(kuò)散處理前后電鍍鋅鋼絲和熱浸鍍鋅鋼絲的鍍層截面形貌

表2 不同鍍鋅工藝制備的鋼絲鍍層在不同位置(如圖3所示)處的EDS分析結(jié)果

2.3 抗拉強(qiáng)度

由表3可以看出：未經(jīng)熱擴(kuò)散處理的電鍍鋅鋼絲與未鍍鋅鋼絲相比抗拉強(qiáng)度無(wú)變化；經(jīng)450 ℃熱擴(kuò)散處理后，電鍍鋅鋼絲的抗拉強(qiáng)度比未鍍鋅鋼絲僅高出4 MPa，在檢測(cè)誤差范圍之內(nèi)，而除450 ℃熱擴(kuò)散處理溫度外，其余熱擴(kuò)散溫度下的電鍍鋅鋼絲抗拉強(qiáng)度較未鍍鋅鋼絲均有一定程度的下降，且隨著熱擴(kuò)散溫度升高，抗拉強(qiáng)度逐漸降低；熱浸鍍鋅鋼絲的抗拉強(qiáng)度低于電鍍鋅鋼絲。鍍鋅單絲的抗拉強(qiáng)度與鍍鋅鋼絲呈現(xiàn)大致相同的變化規(guī)律。試驗(yàn)采用的鋼絲經(jīng)過(guò)索氏體化處理，表面存在一定的組織應(yīng)力，而在電鍍鋅、電鍍鋅熱擴(kuò)散處理以及熱浸鍍鋅過(guò)程中，鋼絲經(jīng)歷的溫度均未達(dá)到其相變溫度。電鍍鋅是一種電化學(xué)沉積過(guò)程，其間無(wú)受熱過(guò)程，不存在組織應(yīng)力的影響，因此未經(jīng)熱擴(kuò)散處理的電鍍鋅鋼絲的抗拉強(qiáng)度幾乎不變。鋼絲在經(jīng)歷熱擴(kuò)散處理或熱浸鍍過(guò)程后，相當(dāng)于經(jīng)歷了一次回火，發(fā)生了較短暫的回復(fù)過(guò)程，組織應(yīng)力有所下降，并隨溫度的上升和時(shí)間的增加，組織應(yīng)力逐漸減小，抗拉強(qiáng)度逐漸降低[18]。

表3 未鍍鋅和不同條件鍍鋅后鋼絲和單絲的抗拉強(qiáng)度

2.4 拉拔的鍍層損失

在拉拔過(guò)程中由于模具的擠壓和摩擦，鋼絲表面鍍層會(huì)發(fā)生損失，在設(shè)計(jì)的單位面積鍍層質(zhì)量下，若鍍層損失嚴(yán)重，單絲產(chǎn)品的耐腐蝕性和耐磨性下降，會(huì)導(dǎo)致產(chǎn)品疲勞性能差，壽命低[19]。鍍層損失率能反映出鍍層的附著強(qiáng)度。由表4可以看出，未熱擴(kuò)散處理電鍍鋅鋼絲與熱浸鍍鋅鋼絲的鍍層損失相當(dāng)，二者表面均存在純鋅，在拉拔過(guò)程中鋼絲發(fā)生了2種不同金屬的塑性變形[20]，而純鋅層較柔軟，其變形速率遠(yuǎn)大于基體的變形速率，因此，鋅層發(fā)生大量脫落。另外，未經(jīng)熱擴(kuò)散處理的電鍍鋅鋼絲相比于熱浸鍍鋅鋼絲，鍍層沒(méi)有鋅鐵合金層，在拉拔過(guò)程中更易出現(xiàn)刮鋅和斷絲。經(jīng)熱擴(kuò)散處理后，電鍍鋅鋼絲的鍍層損失降低，且鍍層損失率隨溫度的升高先降后增，熱擴(kuò)散溫度為480 ℃時(shí)的鍍層損失最小。這是由于經(jīng)熱擴(kuò)散后，鍍層形成了鋅鐵合金，獲得了較高的附著強(qiáng)度[21]，且合金層硬度較純鋅大，在拉拔時(shí)磨損產(chǎn)生的損失有所降低。但當(dāng)熱擴(kuò)散溫度過(guò)高(高于520 ℃)時(shí)，鍍層的塑性降低，脆性增大，拉拔時(shí)更易發(fā)生脫落，鍍層損失率提高。

表4 鍍鋅鋼絲拉拔后的鍍層損失率

2.5 疲勞性能

由圖4可以看出：在107循環(huán)周次內(nèi)，鍍鋅單絲的應(yīng)力幅-疲勞壽命(S-N)曲線呈持續(xù)降低趨勢(shì)，在105循環(huán)周次后，S-N曲線下降趨勢(shì)變緩；未經(jīng)熱擴(kuò)散處理的電鍍鋅單絲在1 100 MPa應(yīng)力下循環(huán)107周次仍未發(fā)生斷裂，其他單絲均未達(dá)到疲勞極限即斷裂；在相對(duì)較低應(yīng)力水平范圍(1 100～1 300 MPa)，相同應(yīng)力下熱浸鍍鋅單絲的疲勞壽命最長(zhǎng)，其次為經(jīng)480 ℃熱擴(kuò)散處理的電鍍鋅單絲，經(jīng)550 ℃熱擴(kuò)散處理的電鍍鋅單絲疲勞壽命最短。由此可推斷，疲勞極限最大的是熱浸鍍鋅單絲，其次為經(jīng)480 ℃熱擴(kuò)散處理的電鍍鋅單絲。480 ℃熱擴(kuò)散電鍍鋅單絲的S-N曲線與熱浸鍍鋅單絲最接近。

圖4 鍍鋅單絲的旋轉(zhuǎn)彎曲疲勞S-N曲線

由表5可知：熱浸鍍鋅單絲的疲勞壽命合格率達(dá)100%；未經(jīng)熱擴(kuò)散處理的電鍍鋅鋼絲疲勞壽命合格率較低，隨著熱擴(kuò)散溫度提高，疲勞壽命合格率先增大后減小，當(dāng)熱擴(kuò)散溫度為480 ℃時(shí)，10根電鍍鋅單絲的疲勞壽命均合格，與熱浸鍍鋅單絲相同。熱擴(kuò)散溫度在450～480 ℃時(shí)，鍍層形成的鋅鐵合金提高了鍍層的附著強(qiáng)度，同時(shí)鍍層中存在的少量空洞有利于在鋼絲彎曲時(shí)鍍層受擠壓處的應(yīng)力釋放[22]，從而使得疲勞壽命提高。熱擴(kuò)散溫度在520～550 ℃時(shí)，鍍層發(fā)生破裂，部分與基體脫落，在受到反復(fù)旋轉(zhuǎn)彎曲載荷作用時(shí)，裂紋迅速擴(kuò)展導(dǎo)致疲勞壽命急劇下降。

表5 不同鍍鋅工藝制備單絲的亨特疲勞試驗(yàn)合格率

3 結(jié) 論

(1) 未經(jīng)熱擴(kuò)散處理的C72D2電鍍鋅鋼絲鍍層為純鋅層，經(jīng)熱擴(kuò)散處理后，鍍層中形成與熱浸鍍鋅鋼絲鍍層中相似的鋅鐵合金相，且隨著熱擴(kuò)散溫度升高，鍍層中富鐵相增多，富鋅相減少；熱擴(kuò)散溫度達(dá)到520 ℃以上時(shí)，鍍層中生成Fe3Zn10脆性相，鍍層中出現(xiàn)裂紋。

(2) 隨著熱擴(kuò)散溫度升高，電鍍鋅鋼絲的抗拉強(qiáng)度逐漸降低，但均高于熱浸鍍鋅鋼絲。

(3) 隨著熱擴(kuò)散溫度升高，電鍍鋅鋼絲在拉拔時(shí)的鍍層損失先降后增，在1 200 MPa應(yīng)力水平下單絲的疲勞壽命先增后降，在熱擴(kuò)散溫度為480 ℃時(shí)鍍層損失最小，疲勞壽命最長(zhǎng)，與熱浸鍍鋅單絲的疲勞壽命接近。

(4)采用電鍍鋅，結(jié)合480 ℃熱擴(kuò)散工藝生產(chǎn)的C72D2單絲同時(shí)具備高強(qiáng)度和高疲勞性能，滿足電梯曳引帶鋼絲繩用單絲的使用要求。