2 260 MPa高強(qiáng)度鋼絞線性能研究

侯杰文，王汝成

（甘肅省產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)研究院，甘肅 蘭州 730000）

0 引言

近年來，隨著國內(nèi)交通基礎(chǔ)建設(shè)及“一帶一路”要求的發(fā)展需要，高速公路以及鐵路等公共設(shè)施逐漸向偏遠(yuǎn)山區(qū)不斷擴(kuò)展，部分地區(qū)因地質(zhì)條件復(fù)雜急需架設(shè)更大跨度的橋梁，并且對(duì)橋梁高強(qiáng)度、輕量化也提出更高要求，鋼絞線作為這類大型施工項(xiàng)目建設(shè)中所使用的重要基礎(chǔ)原料，其成本及質(zhì)量的高低直接關(guān)系到建筑的建設(shè)成本和安全性。

目前國內(nèi)橋梁建設(shè)中普遍使用的預(yù)應(yīng)力混凝土用鋼絞線為GB/T 5224-2014《預(yù)應(yīng)力混凝土用鋼絞線》中規(guī)定的15.20 mm強(qiáng)度為1 860 MPa級(jí)別鋼絞線，該標(biāo)準(zhǔn)中最高強(qiáng)度級(jí)別的鋼絞線也僅為1 960 MPa。由于新材料、新技術(shù)的不斷涌現(xiàn)，更大跨度、更輕量化、更高強(qiáng)度、更加安全的橋梁將會(huì)成為未來行業(yè)發(fā)展的必然趨勢(shì)，也是作為橋梁及建筑工程建設(shè)的重點(diǎn)工作，所以原有這些產(chǎn)品性能已不足以滿足工程領(lǐng)域的建設(shè)需求。通過改善新工藝、新技術(shù)研制出高性能預(yù)應(yīng)力鋼絞線產(chǎn)品，促進(jìn)節(jié)能減排以及生產(chǎn)、設(shè)計(jì)、施工的協(xié)同進(jìn)步，以不斷適應(yīng)市場(chǎng)需求的變化。

本次研究就是通過優(yōu)化改進(jìn)生產(chǎn)工藝、改變?cè)牧系幕瘜W(xué)成分配比開發(fā)出強(qiáng)度為2 260 MPa級(jí)別的高性能鋼絞線，主要適用于更大跨度的橋梁，可減少鋼絞線使用數(shù)量、節(jié)約成本并提高強(qiáng)度。

1 工藝簡(jiǎn)述

加工時(shí)首先選擇合適的熱軋圓盤條進(jìn)行酸性、磷化等多項(xiàng)表面處理工序，接著對(duì)處理后的材料進(jìn)行拉拔，拉拔工藝就是利用鋼絲塑性通過拉拔模具對(duì)鋼絲施加外力使其發(fā)生變形，生產(chǎn)出滿足使用尺寸、形狀、物理機(jī)械性能鋼絲的一種方法。根據(jù)鋼絲直徑及潤(rùn)滑條件的不同，先采用固體潤(rùn)滑粉進(jìn)行粗拉和中拉產(chǎn)出直徑較大的鋼絲，再使其經(jīng)過水箱拉絲機(jī)采用液態(tài)拉絲潤(rùn)滑及降溫的濕拉方法獲得較細(xì)直徑的單根絲，最后通過合股機(jī)將直徑相近的7根鋼絲捻制成滿足需要的鋼絞線成品。

2 原材料優(yōu)化

預(yù)應(yīng)力鋼絞線要實(shí)現(xiàn)較高的破斷拉力，通過提高原料強(qiáng)化程度即改變?cè)牧系幕瘜W(xué)成分是增大強(qiáng)度的最佳途徑。研究表明鋼材中主要元素Fe高達(dá)90%以上，其他元素含量較低但對(duì)鋼鐵的強(qiáng)度、塑性及韌性起著至關(guān)重要的作用，如C、Si元素可提高鋼材的強(qiáng)度，而Cr和V元素在進(jìn)一步提高強(qiáng)度的基礎(chǔ)上可降低塑性、提高耐腐蝕性、韌性及耐磨性。此次選用新型87Si材料制造的熱軋圓盤條作為原料，通過調(diào)整圓盤條中碳、錳、硅、硫含量并加入適量的Cr和V，其與傳統(tǒng)82B材料化學(xué)成分比較見表1所列。

表1 盤條化學(xué)成分對(duì)比

通過對(duì)比可以看出新型材料C含量提升0.03%可增加盤條強(qiáng)度，Si含量提升較大在0.9%左右，其增加鐵制品中鐵素體比重進(jìn)一步增大強(qiáng)度，但含量過大又會(huì)降低韌性及塑性，同時(shí)也會(huì)形成更多的硅酸鹽化合物造成拉拔時(shí)更易出現(xiàn)斷絲現(xiàn)象；Mn含量有所降低但不會(huì)對(duì)材料的塑性及韌性有太大影響；P、S含量也略有下降，在0.005%～0.010%之間，S不易與Fe發(fā)生化學(xué)反應(yīng)主要以硫化物雜質(zhì)形式存在，S、P過多均會(huì)使金相組織不均勻形成偏析，影響拉拔時(shí)的壓縮比并出現(xiàn)斷絲現(xiàn)象，所以應(yīng)盡可能降低其含量。Cr和V的加入不僅可細(xì)化組織的晶粒且提高了材料內(nèi)組織索氏體含量，還可減少盤條在拉拔過程中斷絲現(xiàn)象的出現(xiàn)，并且可以增加原材料的初始強(qiáng)度［1］，索氏體是盤條拉拔過程中需要的最佳理想組織，為鐵素體與滲碳體的混合物，取少量的盤條材料試樣在金相顯微鏡下放大1 000倍進(jìn)行組織分析如圖1所示，從圖1中可以看出盤條芯部存在大量的索氏體加少量的珠光體、形態(tài)正常均勻。

圖1 盤條金相組織分析

通過改變盤條化學(xué)成分配比后對(duì)13 mm 87Si材料進(jìn)行拉伸，材料的熱軋圓盤條工藝性能見表2所列。通過表2可以看出采用新型材料制成的盤條抗拉強(qiáng)度提升21.8%，斷后直徑增加、面縮率降低已明顯達(dá)到預(yù)期效果，這就為后階段拉拔出高強(qiáng)度鋼絲提供充分的材料基礎(chǔ)。

表2 盤條工藝性能比較

3 生產(chǎn)工藝優(yōu)化

3.1 表面處理

表面處理工藝路線：盤條-一次酸洗-二次酸洗-清水沖洗-表面磷化-清水沖洗-表面皂化-加熱烘干。

酸洗是為了去除盤條表面氧化物雜質(zhì)及鐵銹，酸液成分主要為鹽酸且濃度不得小于40 g/L，其中FeCl3濃度不應(yīng)超過200 g/L，總酸洗時(shí)間控制在20 min以內(nèi)，濃度太高或酸洗時(shí)間過長(zhǎng)均會(huì)嚴(yán)重腐蝕樣品表面。一次酸洗時(shí)放在較低濃度的酸液中，當(dāng)樣品表面的表皮掉落或者出現(xiàn)疏松現(xiàn)象時(shí)取出，接著放入濃度較高的酸液中進(jìn)行二次酸洗，檢查表面若無一次酸洗時(shí)出現(xiàn)的皮渣即可停止。酸洗后必須用清水沖洗掉樣品表面的殘?jiān)皻埩羲嵋海苑懒谆瘯r(shí)由于殘酸存在降低磷化膜厚度。

將清洗后的樣品進(jìn)行表面磷化，磷化時(shí)間把控在4 min左右為宜，溫度或濃度過低會(huì)導(dǎo)致磷化效果不理想，這就會(huì)使拉拔到最后幾道次時(shí)出現(xiàn)磷化膜嚴(yán)重破損，鋼絲表面發(fā)亮等現(xiàn)象，會(huì)影響鋼絲的韌性、塑性以及抗腐蝕能力，因此要求磷化膜既能有足夠的厚度又能具有良好的附著力。為此我們選用一種優(yōu)化處理后的中溫鋅系高磷專用磷化劑并適當(dāng)提高磷化濃度，有效提高金屬與漆膜的附和力，其主要成分包括Zn2+、Fe2+、Fe3+、PO43-及少量促進(jìn)劑、調(diào)整劑，當(dāng)磷化溫度升至70℃～80℃之間時(shí)金屬離子與酸根離子結(jié)合達(dá)到飽和狀態(tài)，樣品表面開始陸續(xù)析出并牢固附著的晶體磷酸鹽沉淀，直到樣品表面生成一定厚度均勻（膜層厚度約為25μm左右）且細(xì)致的磷化膜后停止反應(yīng)。該磷化膜能在拉拔過程中有效帶入潤(rùn)滑劑［2］，從而極大程度降低鋼絲與模具之間摩擦力，使樣品表面光滑無微裂并延長(zhǎng)模具使用壽命減少換模頻次提高生產(chǎn)率，降低拉拔過程中的斷絲情況，磷化后樣品表面光滑、無油污、油漆等雜物。

表面磷化后用清水沖洗再進(jìn)行皂化處理，其主要作用是中和、加熱烘干及生成潤(rùn)滑皮膜進(jìn)一步提升潤(rùn)滑效果，過程中嚴(yán)格控制皂化池溫度保持在60℃～70℃之間，皂化液PH值應(yīng)大于8，防止皂化后表面過于干燥影響拉拔效果，表面處理過程參數(shù)見表3所列。

表3 表面處理過程參數(shù)

3.2 拉拔道次

盤條拉拔通過拔絲模時(shí)，受到軸向拉伸與徑向擠壓效果的同時(shí)作用，使其內(nèi)部晶粒出現(xiàn)位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生塑性變形，因?yàn)榻饘俚乃苄宰冃问峭ㄟ^位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)形成的，變形過程中位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)的阻力來自位錯(cuò)本身，在冷加工金屬時(shí)依靠機(jī)械的物理方法使盤條晶粒發(fā)生滑移變形，其位錯(cuò)交互能力加強(qiáng)、位錯(cuò)密度及塑性變形阻力增大，這些現(xiàn)象又會(huì)彼此促進(jìn)使其抗拉強(qiáng)度和硬度大幅度上升［3］，塑性降低呈硬鋼性。

為了提高鋼絞線強(qiáng)度，從盤條拉拔至半成品狀態(tài)后，直徑由13 mm減小到5 mm時(shí)總壓縮率高達(dá)87%，合理分配各道次的壓縮比不僅可以降低拉拔力及拉拔溫度，減少由于溫度升高所引起強(qiáng)度增大而塑性降低的不良后果，而且可以保證表面處理時(shí)磷化膜的潤(rùn)滑效果，因此壓縮比的選擇是提高鋼絲強(qiáng)度的關(guān)鍵因素之一，維持總壓縮比不變調(diào)整每道次的壓縮比，研究不同道次壓縮比情況下對(duì)鋼絲抗拉強(qiáng)度的影響，具體如圖2所示。

從圖2中可以看出各道次壓縮比按照逐級(jí)遞增、逐級(jí)遞減、先增后減及先減后增的方式進(jìn)行改變，以逐級(jí)遞減方式拉拔后樣品的抗拉強(qiáng)度最高，究其原因考慮為增大前幾道次壓縮比可以提高半成品強(qiáng)度，減小后幾道次壓縮比可以穩(wěn)定強(qiáng)度，從微觀角度看金屬晶格滑移變形強(qiáng)化程度更大，因此根據(jù)以上研究結(jié)果按照表4分配各道次壓縮比，本次研究以13 mm 87Si熱軋圓盤條作為原材料，以3 m/s速度依次拉拔9次，拉拔過程參數(shù)及拉拔后鋼絲工藝性能見表4、表5所列。

圖2 壓縮比與鋼絲強(qiáng)度關(guān)系

表4 拉拔過程參數(shù)

表5 鋼絲工藝性能

4 鋼絞線成品制造

4.1 鋼絞線合股工藝流程

合股工藝流程：拉拔后鋼絲-捻制合股-中頻回火熱處理-自來水冷卻-風(fēng)干-收線-層卷。

本次選用拉拔后直徑為5.04 mm～5.08 mm的鋼絲6根作為邊絲，直徑為5.22 mm～5.25 mm的鋼絲1根作為芯絲，通過合股機(jī)制成6邊絲與1芯絲的15.20 mm鋼絞線7×1結(jié)構(gòu)，此時(shí)應(yīng)打開收線裝置將樣品拉直，收線機(jī)張力不應(yīng)過大避免造成排線過緊或跳動(dòng)現(xiàn)象，同時(shí)對(duì)張緊輪也會(huì)有沖擊引起鋼絞線打滑；接著將合股后鋼絞線通過結(jié)構(gòu)優(yōu)化改造后的電磁感應(yīng)中頻爐進(jìn)行穩(wěn)定化回火熱處理；最后再將成品經(jīng)過水槽進(jìn)行水冷，然后在室溫下利用風(fēng)機(jī)送風(fēng)系統(tǒng)進(jìn)行表面風(fēng)干處理，接著穿送過排線機(jī)再到層卷機(jī)卷盤，合股工藝參數(shù)見表6所列。

表6 合股工藝參數(shù)

電磁感應(yīng)中頻爐主要作用是機(jī)械自動(dòng)化清除拉拔后余留在樣品表面多余雜質(zhì)或水分，可提高熱處理效果以增加鋼絞線強(qiáng)度，高溫回火能降低樣品內(nèi)部的應(yīng)力及硬度，在保證高強(qiáng)度的同時(shí)提高了樣品韌性和延展性［4］，結(jié)構(gòu)優(yōu)化后的特點(diǎn)如下：

首先在設(shè)備入口側(cè)壁上加裝表面清理裝置對(duì)樣品進(jìn)行擦拭清理，可去除樣品表面多余的殘?jiān)退郑唤又鴺悠愤M(jìn)入爐內(nèi)進(jìn)行回火熱處理，內(nèi)部增加了加熱電爐管采用電磁感應(yīng)原理升溫，增加自動(dòng)溫控器以提升控制精度，使溫度精確穩(wěn)定在385±2℃，為了便于觀察溫度增設(shè)溫控顯示屏；最后采用水冷的方式對(duì)加熱管進(jìn)行降溫，加入自動(dòng)控制冷卻裝置以快速降低加熱管溫度，冷卻裝置中的冷卻管加入自來水環(huán)繞在加熱管周圍，加大了冷卻面積提高冷卻效率，并將使用后的冷卻水通過水泵抽取至水冷機(jī)降溫回流至儲(chǔ)水箱達(dá)到循環(huán)利用節(jié)水的目的［5］；最終得到直徑在15.1 mm～15.2 mm之間的高強(qiáng)度預(yù)應(yīng)力鋼絞線成品，電磁感應(yīng)中頻爐結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 電磁感應(yīng)中頻爐結(jié)構(gòu)

4.2 成品鋼絞線工藝性能

優(yōu)化工藝后制成的2 260 MPa級(jí)別鋼絞線在直徑和重量上與普通1 860 MPa級(jí)別鋼絞線接近，但強(qiáng)度和安全系數(shù)得到大幅度提高，通過表7工藝性能對(duì)比可以看出鋼絞線抗拉強(qiáng)度和應(yīng)力松弛性能大幅提高，強(qiáng)屈比和最大力總伸長(zhǎng)率有所下降，其他各項(xiàng)指標(biāo)已高于現(xiàn)行國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 5224-2014《預(yù)應(yīng)力混凝土用鋼絞線》對(duì)該類產(chǎn)品的技術(shù)要求。

表7 鋼絞線工藝性能對(duì)比

5 結(jié)論

通過對(duì)提高鋼絞線強(qiáng)度方法的分析及研究，掌握了影響鋼絞線強(qiáng)度的主要因素是材料的化學(xué)成分，其次通過優(yōu)化表面處理工藝改善了盤條表面磷化后膜層質(zhì)量，可使鋼絞線在拉拔過程中更加順利，并對(duì)拉拔過程的壓縮比參數(shù)控制分析進(jìn)行工藝優(yōu)化，對(duì)熱處理設(shè)備結(jié)構(gòu)加以優(yōu)化均穩(wěn)定強(qiáng)化了鋼絞線的工藝性能，有效提升了鋼絞線的抗拉強(qiáng)度。

使用13 mm 87Si熱軋圓盤條作為原材料，應(yīng)用酸洗、磷化、皂化等表面處理工藝，然后經(jīng)過9道次拉拔后進(jìn)行合股穩(wěn)定化回火處理等工藝制成的鋼絞線，完全可以滿足企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)Q/LSKT 001-202《高強(qiáng)度預(yù)應(yīng)力混凝土用鋼絞線》中對(duì)2 260 MPa級(jí)別鋼絞線強(qiáng)度的要求［6］。

若在相同橋梁或斜拉索中使用該高強(qiáng)度鋼絞線，在滿足相同強(qiáng)度的要求下可減少鋼絞線及配套設(shè)施使用量，減輕橋梁及斜拉索重量、降低成本，在相同鋼材用量的前提下可提高建筑結(jié)構(gòu)的安全系數(shù)，安全環(huán)保，如果企業(yè)應(yīng)用這些研究成果可帶來較大的經(jīng)濟(jì)效益。