鍍鋅鋼絞線扭轉(zhuǎn)脆斷原因分析及改進(jìn)

熊 鑫,余 超,侯興輝

(江蘇永鋼集團(tuán)有限公司產(chǎn)品研發(fā)中心,江蘇 蘇州215628)

引 言

日標(biāo)牌號(hào)SWRH82B高碳鋼盤條具有較高的強(qiáng)度和良好的拉拔性能,主要應(yīng)用于高架、高鐵和橋梁等領(lǐng)域的預(yù)應(yīng)力鋼絞線的生產(chǎn)和加工,隨著中國電力基建的發(fā)展,該材料也廣泛用作高壓電纜中的支撐線,將盤條經(jīng)過干拉或濕拉等方式加工成強(qiáng)度更高的鋼絲線,鍍鋅后再成股制成絞線。高壓電纜支撐用鍍鋅鋼絞線對(duì)其中心鋼絲的扭轉(zhuǎn)性能提出了較高的要求,對(duì)原始盤條的質(zhì)量要求高于普通預(yù)應(yīng)力鋼絞線。

某公司使用SWRH82B生產(chǎn)電纜用鍍鋅鋼絞線,加工工藝為:Φ8 mm盤條→酸洗→磷化→拉拔至Φ3.5 mm→鍍鋅→捻股(7根絲成股,邊絲6根,中間絲1根)→檢驗(yàn)→包裝。其中鍍鋅鋼絞線的中心絲扭轉(zhuǎn)性能需達(dá)到14圈以上,某一批次盤條經(jīng)上述工藝加工后,扭轉(zhuǎn)圈數(shù)多低于10圈,無法滿足標(biāo)準(zhǔn)要求,達(dá)標(biāo)比例只有33%。本文通過對(duì)不合格斷口樣品的檢測(cè),以及對(duì)比合格批次盤條,找尋出現(xiàn)脆斷的原因并提出改進(jìn)建議。

1 試驗(yàn)材料及方法

1.1 試驗(yàn)方法

在10卷鍍鋅后中間絲各截取Φ3.5 mm扭轉(zhuǎn)試樣1根,根據(jù)GB/T 239.1《金屬材料 線材第1部分:單向扭轉(zhuǎn)試驗(yàn)方法》要求實(shí)施檢測(cè),試樣繞自身軸線向一個(gè)方向均勻旋轉(zhuǎn)360°作為一次扭轉(zhuǎn)直至試樣斷裂。扭轉(zhuǎn)次數(shù)超過14圈的為合格樣品,根據(jù)扭轉(zhuǎn)次數(shù)和斷口形貌選取代表樣品進(jìn)行對(duì)比分析。

1.2 樣品描述

在ZEISS Stemi2000-C型號(hào)體式顯微鏡下觀察合格與不合格斷裂樣品的斷口形貌:

合格斷口形貌:斷口平齊,心部有一點(diǎn)狀凸起,表面無明顯缺陷(如圖1所示)。

圖1 平齊狀斷口(合格)

不合格斷口形貌:①斜劈狀:斷口呈斜45°劈裂,斷口根部沿扭轉(zhuǎn)方向縱向分布裂紋,扭轉(zhuǎn)試驗(yàn)結(jié)果一般在5圈以內(nèi)(如圖2所示)。②臺(tái)階狀:斷口一半平齊狀,一半有一個(gè)臺(tái)階,沿臺(tái)階處縱向分布裂紋,扭轉(zhuǎn)試驗(yàn)結(jié)果在5-10圈之間(如圖3所示)。

圖2 斜45°劈裂斷口(不合格)

圖3 臺(tái)階狀斷口(不合格)

2 樣品分析

2.1 化學(xué)成分

利用ARL4460直讀光譜儀分析上述三類斷口樣品化學(xué)成分,結(jié)果如表1所示(質(zhì)量分?jǐn)?shù)),從結(jié)果中可以看出,合格與不合格樣品成分并無明顯差異。

表1 樣品化學(xué)成分

2.2 斷口掃描

使用ZEISS Supra55掃描電鏡對(duì)不合格樣品斷口位置進(jìn)行檢測(cè):

劈裂狀斷口:斷口附近鋼絲表面有螺旋裂紋,斷裂面與軸線約呈45°,扭轉(zhuǎn)時(shí)沿螺旋裂紋開裂,斷面上有小臺(tái)階,并存在由邊部延伸至心部的裂紋,裂紋邊部開口大,斷面微觀形貌呈解理特征,臺(tái)階面局部出現(xiàn)韌窩(如圖4所示)。

圖4 斜劈狀斷口形貌

臺(tái)階狀斷口:整個(gè)斷裂面較平整,局部平滑且存在韌窩。斷面上存在邊部延伸至心部的裂口,裂口上下錯(cuò)開呈臺(tái)階狀,裂口延伸至斷裂鋼絲表面呈螺旋狀裂紋(如圖5所示)。

圖5 臺(tái)階狀斷口形貌

2.3 夾雜物檢測(cè)

取三類形貌樣品檢測(cè)夾雜物級(jí)別,具體如表2所示。

表2 夾雜物評(píng)級(jí)結(jié)果

夾雜物檢測(cè)結(jié)果顯示,三類樣品均未發(fā)現(xiàn)大級(jí)別的夾雜物,可以排除該因素的影響。

2.4 金相分析

將斜劈狀斷裂樣品使用鹽酸溶液將表面鍍鋅層除去,在體式顯微鏡下觀察樣品表面,樣品表面可見斷續(xù)分布的裂紋缺陷,與斷口處裂紋縱向分布于同一軸線上(如圖6所示),在該處截取橫截面制成金相試樣,經(jīng)磨拋后借助ZEISS imager M2m金相顯微鏡下觀察,裂紋深度為51.72μm,使用4%硝酸酒精腐蝕后可見裂紋兩側(cè)存在明顯脫碳現(xiàn)象(如圖7所示)。

圖6 樣品表面裂紋缺陷

圖7 裂紋微觀形貌(500×)

取臺(tái)階狀樣品縱截面制成金相試樣,腐蝕后在ZEISS imager M2m金相顯微鏡下觀察組織形貌,樣品基體以索氏體為主,但心部區(qū)域內(nèi)呈纖維狀形貌,邊部組織呈細(xì)密粒狀分布,扭轉(zhuǎn)形成的裂紋深度與邊部細(xì)密粒狀組織深度相對(duì)應(yīng)(如圖8-9所示);使用掃描電鏡放大至1000倍對(duì)比觀察邊部和心部組織形貌,鍍鋅鋼絲邊部滲碳體已多成短棒和顆粒狀(如圖10所示),而心部仍保持原始片狀形貌(如圖11所示)。

圖8 臺(tái)階斷口處縱截面組織形貌(25×)

圖9 臺(tái)階斷口后3 cm處縱截面形貌(25×)

圖10 邊部短棒和顆粒狀滲碳體形貌(1000×)

圖11 心部片狀滲碳體形貌(1000×)

2.5 盤條組織對(duì)比

截取合格與不合格樣品對(duì)應(yīng)批次的原始盤條橫截面制成金相試樣,使用4%硝酸酒精腐蝕后使用ZEISS Supra55掃描電鏡觀察基體組織形貌,對(duì)比分析發(fā)現(xiàn),不合格批次索氏體片層相對(duì)較大,平均為0.14μm,而合格批次索氏體平均片層間距為0.11 μm,相關(guān)測(cè)量結(jié)果如表3所示,代表片層間距如圖12和13所示。

表3 合格與不合格批次母材片層間距測(cè)量結(jié)果(每10個(gè)片層為1組數(shù)據(jù))

圖12 不合格批次索氏體片層間距(21000×)

圖13 合格批次索氏體片層間距(21000×)

3 討 論

3.1 表面缺陷的影響

使用鹽酸將斷口樣品表面鍍鋅層去除后,可以觀察到縱向分布的裂紋缺陷,經(jīng)過金相分析,表面裂紋兩側(cè)可見脫碳現(xiàn)象,脫碳的實(shí)質(zhì)是鋼中的碳在高溫下與氧與氫等發(fā)生作用,生產(chǎn)碳的氧化物或甲烷,逸出鋼件表面,使鋼件表面碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)降低[1],而鍍鋅的溫度一般在450℃,時(shí)間為3 min,不具備高溫脫碳的條件,故可以判斷是盤條自帶表面缺陷。盤條表面缺陷有裂紋、斑疤、折疊等不同類型,經(jīng)過拉拔之后隨著材料直徑的減少,其危害程度顯著提高,對(duì)扭轉(zhuǎn)性能的影響是致命的[2],從扭轉(zhuǎn)性能檢驗(yàn)的結(jié)果也可知,該種形式的斷裂往往扭轉(zhuǎn)的圈數(shù)不超過5次。

3.2 邊部滲碳體球化程度影響

截取拉拔后未鍍鋅的鋼絲進(jìn)行扭轉(zhuǎn)試驗(yàn),其斷裂的圈數(shù)一般在30圈以上,經(jīng)過鍍鋅后明顯下降,這與熱鍍鋅過程中鋼絲組織轉(zhuǎn)變有直接關(guān)系。通過對(duì)樣品的組織分析,鋼絲經(jīng)過熱鍍鋅處理后,邊部的滲碳體發(fā)生球化,形成短棒狀或顆粒狀形貌。該種轉(zhuǎn)變使鋼絲基體組織形成了兩種不均勻的滲碳體組織,降低了鋼絲的抗拉強(qiáng)度,有研究表明纖維狀的組織形態(tài)有利于鋼絲扭轉(zhuǎn)性能的提高[3];另從理論上分析,片狀的滲碳體位錯(cuò)在鐵素體中進(jìn)行,短棒狀或顆粒狀滲碳體使得變形過程中的位錯(cuò)不能在鐵素體中順利進(jìn)行,阻礙變形的發(fā)生,最終表現(xiàn)為韌性的下降。而滲碳體球化的程度與熱鍍鋅的溫度和時(shí)間的控制直接相關(guān),熱鍍鋅的溫度越高,保溫時(shí)間越長(zhǎng),滲碳體的球化率越高,而韌性下降得更為明顯[4]。

3.3 盤條滲碳體片層間距的影響

通過對(duì)比合格與不合格批次母材的索氏體片層間距可知,不合格批次索氏體片層相對(duì)較大,平均為0.14μm,而合格批次索氏體平均片層間距為0.11 μm。索氏體或細(xì)片狀珠光體的片層與材料塑性和韌性直接相關(guān),索氏體片層間距越小,說明滲碳體在鐵素體基體相分布的越分散,越能提高滲碳體和鐵素體之間的相界面強(qiáng)化作用。滲碳體片越厚,越不容易變形,在變形過程中更易產(chǎn)生微觀裂紋,容易脆裂,故索氏體片層間距對(duì)扭轉(zhuǎn)性能有較大影響[5]。

4 應(yīng)對(duì)措施

(1)通過優(yōu)化保護(hù)渣性能、優(yōu)化二冷強(qiáng)度、優(yōu)化結(jié)晶器銅管鍍層質(zhì)量等提高鋼坯表面質(zhì)量;通過優(yōu)化孔型設(shè)計(jì),合理安裝導(dǎo)衛(wèi),并加強(qiáng)設(shè)備的管理,及時(shí)調(diào)整各道次的料型,減少刮絲、黏鋼的現(xiàn)象,防止軋制形成的表面缺陷。

(2)對(duì)熱鍍鋅工藝進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整,溫度設(shè)定為450±5℃,時(shí)間由3 min縮短為2.5 min,降低鍍鋅后邊部滲碳體的球化程度。

(3)對(duì)SWRH82B熱軋盤條軋后斯太爾摩控冷線工藝進(jìn)行優(yōu)化,調(diào)整輥道速度和風(fēng)機(jī)開啟風(fēng)量,加大軋后的冷卻強(qiáng)度,提高珠光體轉(zhuǎn)變的過冷度,細(xì)化索氏體片層間距。

5 結(jié) 論

使用SWRH82B生產(chǎn)鋼絲經(jīng)鍍鋅后邊部滲碳體球化,熱軋盤條自帶的表面裂紋缺陷以及索氏體片層間距大小對(duì)鋼絲扭轉(zhuǎn)性能均有直接的影響。通過改善原始盤條表面質(zhì)量及索氏體片層間距提高原始盤條的塑性和韌性;同時(shí)適當(dāng)調(diào)整熱鍍鋅的時(shí)間,有效提高鍍鋅鋼絞線的扭轉(zhuǎn)合格率。