日本新日鐵和國(guó)內(nèi)廠高碳鋼盤條力學(xué)性能對(duì)比

日本新日鐵和國(guó)內(nèi)廠高碳鋼盤條力學(xué)性能對(duì)比

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，國(guó)內(nèi)橋梁建設(shè)項(xiàng)目日益增多，尤其是大型懸索橋和斜索橋。這種數(shù)量和規(guī)模是世界著名的。因此，生產(chǎn)橋梁電纜的高碳鋼冷輥的需求也在增加。要求纜索用盤條具有高強(qiáng)度、低松弛和良好的扭轉(zhuǎn)性能。國(guó)內(nèi)外在生產(chǎn)橋梁纜索用盤條時(shí)有DP(斯太爾摩風(fēng)冷)、LP(鉛浴淬火)和DLP(鹽浴淬火)3種不同的熱處理工藝。筆者對(duì)國(guó)內(nèi)外一些鋼廠生產(chǎn)的纜索用盤條實(shí)物質(zhì)量進(jìn)行對(duì)比分析,為提高國(guó)內(nèi)橋梁纜索用高碳鋼盤條質(zhì)量提供參考。1盤條強(qiáng)度的提高分別對(duì)新日鐵SWRS82B盤條(DLP工藝)、國(guó)內(nèi)A鋼廠B82MnQL橋梁纜索用盤條、國(guó)內(nèi)B鋼廠SWRS82B盤條進(jìn)行成分分析,各鋼廠盤條的化學(xué)成分見表1。由表1可以看出:國(guó)內(nèi)外3個(gè)鋼廠盤條的碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)均在0.80%~0.84%;國(guó)內(nèi)A鋼廠和B鋼廠生產(chǎn)的盤條中Cr和V質(zhì)量分?jǐn)?shù)遠(yuǎn)高于新日鐵生產(chǎn)的盤條,而新日鐵盤條中未加Cr和V,其Cr和V為殘余含量;國(guó)內(nèi)A鋼廠的盤條中Cu和Ti的質(zhì)量分?jǐn)?shù)比其他2個(gè)鋼廠高。國(guó)產(chǎn)盤條中Cr和V的質(zhì)量分?jǐn)?shù)較高,主要是因?yàn)閲?guó)內(nèi)鋼廠通過添加適量的合金元素來(lái)提高盤條的強(qiáng)度。Cr是強(qiáng)碳化物形成元素,能夠置換滲碳體內(nèi)的鐵原子而形成合金滲碳體(Fe,Cr)3C,能阻止奧氏體晶粒長(zhǎng)大,提高索氏體化率,從而提高盤條強(qiáng)度及加工硬化率。但Cr元素的富集,將提高過冷奧氏體在轉(zhuǎn)變區(qū)尤其是低溫轉(zhuǎn)變區(qū)的穩(wěn)定性,使CCT曲線右移,容易在盤條心部形成馬氏體等異常組織從而降低盤條性能。V元素和C,N等元素能形成碳化物、氮化物、碳氮化物粒子,起到細(xì)晶強(qiáng)化和沉淀強(qiáng)化的作用,從而提高盤條強(qiáng)度。但V含量過高,會(huì)導(dǎo)致碳氮化物粒子增多且顆粒長(zhǎng)大,使盤條塑性下降。2日本鋼鐵單位的力學(xué)性能分別取新日鐵、國(guó)內(nèi)A鋼廠和B鋼廠生產(chǎn)的盤條進(jìn)行力學(xué)性能對(duì)比,結(jié)果見表2。由表2可以看出:盡管國(guó)內(nèi)鋼廠采用了添加合金元素Cr和V的方法來(lái)提高盤條抗拉強(qiáng)度,但是新日鐵盤條的抗拉強(qiáng)度最高;3個(gè)鋼廠盤條的延伸率均在14%左右;新日鐵盤條斷面收縮率為44.5%,國(guó)內(nèi)兩鋼廠的盤條斷面收縮率均低于40%。3分別分析了力學(xué)能力差異的原因3.1鹽浴冷卻工藝通過碳當(dāng)量經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算:w(Ceq)=w(C)+w(Mn)/6+w(Cr+V+Mo)/5+w(Cu+Ni)/15。新日鐵、國(guó)內(nèi)A鋼廠和B鋼廠盤條的碳當(dāng)量分別為0.925%,1.004%,1.005%。日本新日鐵DLP盤條盡管未添加Cr,V,由于采用鹽浴冷卻,其盤條碳當(dāng)量小于國(guó)內(nèi)A,B鋼廠的盤條碳當(dāng)量0.08%左右,但抗拉強(qiáng)度和斷面收縮率均明顯優(yōu)于國(guó)內(nèi)A和B鋼廠DP法生產(chǎn)的盤條。說(shuō)明DLP和DP2種不同冷卻工藝是造成盤條力學(xué)性能差異的重要原因。國(guó)內(nèi)鋼廠采用的DP工藝是在盤條熱軋后,利用自身余熱經(jīng)過斯太爾摩風(fēng)冷線冷卻,其特點(diǎn)是利用余熱進(jìn)行熱處理,節(jié)約了能源消耗,但缺點(diǎn)是冷卻能力弱,冷卻均勻性差。新日鐵采用的是DLP鹽浴冷卻工藝,它是將熱軋后的盤條通過鹽浴槽實(shí)現(xiàn)等溫索氏體化轉(zhuǎn)變。和DP工藝一樣,DLP工藝也是直接利用盤條余熱進(jìn)行熱處理,節(jié)約了能源,而且鹽浴冷卻能力較斯太爾摩風(fēng)冷的更大,冷卻均勻性更好,可提高盤條的索氏體化率及通條性能。此外,鹽浴冷卻沒有鉛浴冷卻造成的鉛污染,符合環(huán)保要求。3.2新日鐵盤條盤條力學(xué)性能采用硝酸酒精溶液對(duì)3個(gè)鋼廠的盤條進(jìn)行腐蝕,分別在場(chǎng)發(fā)射掃描電鏡和金相顯微鏡下觀察,檢測(cè)了盤條的索氏體體積分?jǐn)?shù)、索氏體片層間距、馬氏體和網(wǎng)狀滲碳體的級(jí)別,結(jié)果見表3。從表3可以看出:(1)3個(gè)鋼廠的盤條索氏體化率均在90%左右,其中新日鐵生產(chǎn)的盤條索氏體化率最高,達(dá)到92.1%;(2)新日鐵生產(chǎn)的盤條索氏體片層間距明顯小于國(guó)產(chǎn)盤條,新日鐵盤條和國(guó)產(chǎn)盤條索氏體片層間距的場(chǎng)發(fā)射電鏡照片如圖1所示;(3)各鋼廠盤條中均發(fā)現(xiàn)馬氏體,但級(jí)別均較低;(4)除新日鐵生產(chǎn)的盤條網(wǎng)狀滲碳體級(jí)別為零外,國(guó)內(nèi)鋼廠的盤條中均有少量的晶界滲碳體出現(xiàn)。索氏體化率越高,索氏體片層間距越小,盤條的強(qiáng)度和塑性也越好。這是因?yàn)槠瑢娱g距越小,鐵素體和滲碳體的相界面就越多,對(duì)位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)的阻礙也就越大;在相同面積內(nèi)片層間距越小,鐵素體和滲碳體片層就越薄,更容易變形而不易脆斷;在相同變形量下,變形分散在更多的片層中,片層在承受應(yīng)變時(shí)變形較均勻,應(yīng)變集中程度小,從而提高了盤條的強(qiáng)度和塑性。索氏體化率較高、索氏體片層間距較小是新日鐵盤條力學(xué)性能優(yōu)于國(guó)產(chǎn)盤條的重要原因。片狀珠光體中片層方向大致相同的區(qū)域稱為珠光體團(tuán)。有研究認(rèn)為:珠光體團(tuán)的尺寸越大,轉(zhuǎn)動(dòng)變形過程中發(fā)生的位移也越大,珠光體團(tuán)與團(tuán)之間的協(xié)調(diào)能力也較差,因此容易在團(tuán)的邊界上產(chǎn)生“開裂”,此缺陷容易成為鋼絲扭轉(zhuǎn)過程中裂紋的萌生位置。也有研究發(fā)現(xiàn):片層間距越大,越容易引起應(yīng)力集中;珠光體分布不均勻,特別是存在粗片狀珠光體時(shí)會(huì)造成扭轉(zhuǎn)分層斷裂。由圖1可以看出,國(guó)內(nèi)外纜索用盤條中珠光體團(tuán)尺寸均存在大小不一的情況,國(guó)產(chǎn)盤條由于添加了V使珠光體團(tuán)尺寸較小,但其珠光體團(tuán)片層間距的均勻性較差,出現(xiàn)了一些片層間距較大的珠光體團(tuán)(圖1b和1c),而新日鐵盤條珠光體團(tuán)片層間距小而且不同珠光體團(tuán)中的片層間距大小均勻(圖1a),說(shuō)明片層間距小且均勻是新日鐵盤條扭轉(zhuǎn)性能優(yōu)于國(guó)產(chǎn)盤條的主要原因。使用Na2S2O3·5H2O和K2S2O5混合水溶液對(duì)盤條中的帶狀組織進(jìn)行腐蝕,在金相顯微鏡下帶狀組織沿盤條軸向呈平行分布的白色線狀,其結(jié)果如圖2所示。由圖2可以看出:新日鐵盤條中沒有出現(xiàn)帶狀組織,而國(guó)內(nèi)鋼廠生產(chǎn)的盤條均出現(xiàn)帶狀組織。有研究發(fā)現(xiàn):帶狀組織和基體一樣也是索氏體組織,但片層間距相對(duì)于周圍的基體更小,而且其顯微硬度明顯高于周圍基體。由于帶狀組織部位與基體硬度的差別,在拉伸或扭轉(zhuǎn)加工變形時(shí)會(huì)產(chǎn)生應(yīng)力集中,可能在帶狀組織與基體交界處生成裂紋,從而造成拉拔或扭轉(zhuǎn)斷裂。4新日鐵盤條的延伸率和片層間距(1)國(guó)內(nèi)外各鋼廠生產(chǎn)的橋梁纜索用高碳鋼盤條C,Si,Mn,P,S等元素含量相近。國(guó)內(nèi)鋼廠采用合金化的手段來(lái)提高盤條強(qiáng)度,其盤條中Cr和V的含量明顯高于新日鐵的。(2)國(guó)內(nèi)外各鋼廠生產(chǎn)的盤條抗拉強(qiáng)度均在1220MPa以上,其中新日鐵盤條強(qiáng)度最高可達(dá)1280MPa。各鋼廠盤條的延伸率基本相同,均在14%左右;新日鐵盤條的斷面收縮率最高,為44.5%,國(guó)產(chǎn)盤條斷面收縮率均在40%以下。新日鐵盤條在未添加合金元素Cr和V的情況下,力學(xué)性能仍然優(yōu)于添加合金元素的國(guó)產(chǎn)盤條。(3)國(guó)內(nèi)外各鋼廠盤條索氏體化率均在90%左右,其中新日鐵最高達(dá)到92.1%。新日鐵DLP盤條索氏體片層間距明顯小于國(guó)產(chǎn)DP盤條,國(guó)產(chǎn)盤條平均片層間距都在170nm以上,而新日鐵平均片層間距僅有84.7nm。更高的索氏體化率,更細(xì)且均勻的片層間距是新日鐵盤條力學(xué)性能優(yōu)異的主要原因。