鍍鋅鋼絲扭轉(zhuǎn)試驗異常斷口分析

桂江兵 夏艷花 魯修宇 周 勇 吳 超

(武漢鋼鐵(集團)公司研究院 湖北 武漢：430080)

鍍鋅鋼絲是用于制造斜拉橋、懸索橋等大型橋梁纜索的主要材料，要求具有強度高、耐腐蝕、抗疲勞等特點，過去一直以高價從國外進口，1994年以后，江陰華新鋼纜等企業(yè)相繼投產(chǎn)，從而填補了鍍鋅鋼絲國內(nèi)生產(chǎn)的空白，結(jié)束了我國長期依賴進口的局面。

為了檢驗鍍鋅鋼絲的力學性能，鍍鋅鋼絲生產(chǎn)企業(yè)一般會對鍍鋅鋼絲進行扭轉(zhuǎn)試驗，扭轉(zhuǎn)試驗合格的鋼絲方可交貨。

1 扭轉(zhuǎn)試驗方法及特點

扭轉(zhuǎn)試驗是衡量鍍鋅鋼絲承受變形能力高低的有效試驗之一，通常采用的試驗方法是GB/T 239《金屬線材扭轉(zhuǎn)試驗方法》。

鍍鋅鋼絲進行扭轉(zhuǎn)試驗時，塑性變形發(fā)生在整個標距之內(nèi)，而且變形是逐漸發(fā)生的，在與軸線呈45°的兩個斜截面上承受最大與最小正應力σ1和σ3，在與軸線平行和垂直的截面上承受最大切應力τ，如圖1(a)；在彈性變形階段，橫截面上的切應力和切應變沿半徑方向的分布是線性，如圖1(b)；當表面產(chǎn)生塑性變形后，切應變的分布仍保持線性關系，但切應力則因塑性變形而有所降低，不再呈線性分布，如圖1(c)。由此可見，扭轉(zhuǎn)試驗的主要特點是:能較敏感的反映出表面缺陷和表面硬化層的性能[1]。

2 試樣選取與制備

φ11mm～φ13mm的盤條經(jīng)連續(xù)拉拔生成φ5mm～φ7mm的光面鋼絲，再熱鍍鋅生成鍍鋅鋼絲。本試驗選取φ13mm碳含量為0.82%的盤條，拉拔后光面鋼絲為φ7mm，盤條主要化學成分見表1。

圖1 扭轉(zhuǎn)時的應力和應變

表1 化學成分

鍍鋅鋼絲扭轉(zhuǎn)試驗的斷口形貌有平直斷口和斜劈狀斷口兩種，利用掃描電鏡對這兩類斷口分別進行觀察，斷口宏觀形貌見圖2。最后，對這兩類斷口進行切割，拋光后觀察橫截面微觀組織。

3 檢驗結(jié)果與分析

斷口觀察時發(fā)現(xiàn)：

(1)斷口平直的試樣中鋅鐵合金層結(jié)合較為致密，見圖3(a)；

圖2 扭轉(zhuǎn)試驗斷口宏觀形貌

(2)斷口斜劈狀的試樣中鋅鐵合金層之間存在較大的間隙，見圖3(b)；

(3)斷口斜劈狀的試樣中，右側(cè)發(fā)現(xiàn)解理特征，見圖4(b)；

(4)斷口斜劈狀的試樣中，局部可見較多條狀夾雜物(平行于試樣軸線)，見圖4(c)，測其成分，為硫化物，見圖4(d)。

(5)斷口試樣切割、拋光后，掃描電鏡下觀察，斷口平直的試樣，鋅鐵合金層較為致密，見圖5；斷口斜劈的試樣，鋅鐵合金層之間存在厚度約為13μm的鋅鐵合金相，見圖6；同時，鋅鐵合金層之間發(fā)現(xiàn)一深度約為10μm的縱向裂紋，見圖7。由圖7可見，該裂紋是拉拔以后、鍍鋅之前產(chǎn)生的。

圖3 鋅鐵合金層

圖4 斜劈狀斷口缺陷分析

圖5 平直斷口中的鋅鐵合金層(×800)

圖6 斜劈狀斷口中的鋅鐵合金層(×800)

圖7 鋅鐵合金層處的縱向裂紋(×2500)

如前所述，扭轉(zhuǎn)試驗中，試樣邊部承受最大的切應力，所以，當處于鍍鋅鋼絲邊部的鋅鐵合金層之間存在裂紋等“危害因素”時，在最大切應力的作用下，就很容易在鋅鐵合金層處產(chǎn)生微裂紋，微裂紋隨機擴展，最終導致鋼絲扭轉(zhuǎn)異常斷裂[2]。

條狀硫化物夾雜也屬于“危害因素”，也是影響鍍鋅鋼絲扭轉(zhuǎn)異常斷裂的原因之一[3]。

據(jù)文獻介紹，扭轉(zhuǎn)異常斷口的形成還與拉拔時壓縮率有關。鋼絲拉拔過程中，部分壓縮率越大，鋼絲在扭轉(zhuǎn)試驗時易趨向斜劈狀斷裂，這是因為大的壓縮率比小的壓縮率更容易導致滲碳體片破碎，從而形成分層組織，分層組織扭轉(zhuǎn)時容易形成斜劈狀斷口[3]。

那么，鋅鐵合金層之間的間隙、合金相、裂紋是如何產(chǎn)生的呢？又該如何避免呢？

首先，改善原料——線材的表面質(zhì)量。線材常見的表面缺陷有尺寸超差、耳子、折疊、結(jié)疤、劃痕、麻面等。通常的控制措施有[4]：嚴格檢驗鑄坯質(zhì)量，對缺陷必須徹底清理后方能入爐；軋制前認真清除進出口導衛(wèi)，防止存有氧化鐵皮或異物，認真檢查水冷箱、夾送輥、吐絲機等設備，防止不必要的劃傷，對軋輥的表面質(zhì)量、表面硬度、外圓直徑、槽孔尺寸進行嚴格檢查，使用合理可行的孔型，正確安裝軋槽導衛(wèi)；軋制時導衛(wèi)、水冷管水量要足可帶走鐵皮或異物，嚴格控制軋制溫度，在軋制中盡可能實現(xiàn)微張力或無張力軋制。

第二，優(yōu)化拉拔工藝。拉拔工藝不當是造成鋼絲表面裂紋的一個重要原因。拉拔工藝控制的關鍵因素有[5]：(1)模具角度。高碳鋼模具入口角度最好控制在12°～14°；(2)潤滑。潤滑作用在拉拔工藝中占主導地位。拉拔過程中欠酸洗、皂化液濃度偏低、模具失粉等因素會引起潤滑不良，使線材表層金屬摩擦產(chǎn)生大量熱量，相對降低表層金屬的塑性，出現(xiàn)裂紋；(3)壓縮率分配。對于鍍鋅鋼絲用高強度線材來說，宜采用小壓縮率多道次拉拔工藝。

第三，優(yōu)化鍍鋅工藝。熱鍍鋅過程中鋼絲從進入鋅鍋到離開鋅鍋的時間，可粗略分為幾個過程[6]：(1)鋼絲進入鋅鍋，由于鋼絲較冷，液態(tài)鋅會立即在鋼絲上凝結(jié)成鋅殼；(2)隨著鋼絲溫度的升高，鋼絲上的鋅殼逐漸熔化，直至熔完為止；(3)鋅液與鋼基體之間進行擴散反應，鋅鐵合金層形成并不斷擴大；(4)鋅液在鋅鐵合金層上潤濕、粘附、流散，鋅鐵合金層繼續(xù)擴大；(5)鋅液在鋼絲上粘附，凝固結(jié)晶冷卻。在此期間，鋅液溫度、浸鋅時間的控制是關鍵。當鋅液溫度升至接近480℃時，鋅鐵合金層增厚很快，并且主要是因脆性層ξ相的增厚所致；當鋅液溫度低于440℃時，由于鋅液黏度大為增加，鋅液的流動性變差，造成純鋅層厚薄不均及表面粗糙。因此，一般規(guī)定熱鍍鋅時鋅液溫度控制在450℃～460℃。另外，鋅液溫度應盡量控制均勻，各部位的鋅液溫度誤差最好保持在±3℃以內(nèi)。熱鍍鋅時，浸鋅時間越長，則上鋅量越多，這主要是鋅鐵合金層增厚的結(jié)果。實際浸鋅時間根據(jù)鋼絲直徑不同可以取20s～35s，鋼絲直徑大或天冷時，可取較長浸鋅時間，以確保鋅殼熔化所需時間，使鋅鐵反應順利進行[7]。

4 結(jié)論

(1)對比檢驗平直狀扭轉(zhuǎn)斷口與斜劈狀扭轉(zhuǎn)斷口時，發(fā)現(xiàn)：平直狀斷口中鋅鐵合金層較為致密，而斜劈狀斷口中鋅鐵合金層之間存在較大間隙；其次，斜劈狀斷口中，局部可見較多條狀硫化物(平行于試樣軸線)；第三，斜劈狀斷口中鋅鐵合金層之間存在一定厚度的鋅鐵合金相，而平直狀斷口中未見鋅鐵合金相；第四，斜劈狀斷口中鋅鐵合金層之間可見縱向裂紋，而平直狀斷口中未見明顯裂紋。

(2) 鋅鐵合金層之間的裂紋以及鋼材中的條狀硫化物是造成鍍鋅鋼絲扭轉(zhuǎn)試驗斷口異常的原因。

[1] 趙敏,聶明芬,蔡磊.鋼絲的扭轉(zhuǎn)性能分析[J].江蘇冶金,2007,12(6):10-12.

[2] 王秉喜,任玉輝,郭大勇,等.高碳鋼絲表面缺陷深度對扭轉(zhuǎn)性能的影響[J].金屬制品,2013,39(2):49-52.

[3] 王乃霞,蘇月艷.影響輪胎鋼絲扭轉(zhuǎn)不合格原因分析[J].工業(yè)技術,2012,(10):151.

[4] 王風才,李紅霞,張洪春,等.高速線材表面質(zhì)量缺陷及控制措施[J].河北冶金.2009,(3):47-48.

[5] 張全剛,馬志軍,琚艷軍等.82B線材拉拔脆斷原因分析[J].金屬制品.2007,8(4):16-19.[6] 秦盧峰,康公.大直徑高強度鍍鋅鋼絲拉拔[J].金屬制品,2006,4(2):20-21.

[7] 張秀鳳,張海東,周代義.懸索橋主纜用φ5.1mm 1860MPa熱鍍鋅鋼絲的研制[J].金屬制品,2009,10(5):14-18.