合金元素对大规格高碳钢线材组织性能的影响.doc

合金元素对大规格高碳钢线材组织性能的影响王恩琦摘要：通过合金线材轧制及拉丝捻制试验研究，证实添加一定量合金元素Cr可获得组织性能良好的大规格高碳钢线材，且能作为满足后序拉拔要求的高强度低松弛预应力钢绞线的原料线材。关键词：高碳钢；线材；组织性能；合金元素The influence of alloying elements on the structure andproperties of large gauge high carbon steel wireWANG En-qi（Tian Gang Steel Group Co., Ltd., Tianjin 300180, China）Abstract: Based on the tests of rolling and drawing alloying wire, the goods tructure and properties of large gauge high carb on steel wire are obtained by adding acertain amount of Cr to steel. The wires are high quality original material for low-relaxation pre-stress stranded,and can meet the need of succeeding drawing.Keywords:high carbon steel;wire;structure and properties;alloying element1前言近20年，国际上预应力钢丝，钢绞线广泛用于高速公路、大跨度桥梁、高层建筑等工程上，其发展方向是大规格、高刚度、低松弛、耐腐蚀、大盘重。大规格高碳钢线材作为生产高强度、低松弛大规格预应力钢丝及钢绞线的主要原料，国内外需求量很大，很有市场和竞争力。因此，各国线材生产厂正极力强化热轧大规格高碳钢线材的性能。在国外，强化的途径除了利用轧后余热处理外，合金化是较好的方法。在钢中添加少量Cr、V、Mo等，以提高其奥氏体稳定化程度，提高大规格线材冷却时的淬透性，确保充分的索氏体化，使线材的组织均匀。（1）铬的加入对组织性能的影响铬具有细化晶粒、提高淬透性的特点，因此添加铬成为强化大规格高碳钢线材的主要措施。意大利大于10mm的高碳钢线材采用3CD80K（相当于T8MnA加0.20%0.30%Cr）作为预应力钢丝原料，b=1250MPa,30%；日本神户制钢公司开发了KKP高碳钢线材，在SWRS-82B基础上添加0.2%0.3%的Cr，经斯太尔摩冷却后，11mm高碳钢线材b=1180MPa，=72MPa，35%。（2）铬、钒的加入对组织性能的影响钒能与碳、氮强烈结合成碳化物、氮化物及碳氮化合物。这些化合物在高温下溶解，在低温下析出，而且可通过不同工艺控制得到所要求尺寸的质点。这些质点可在加热时阻止原始奥氏体晶粒长大；在轧制过程中抑制再结晶及再结晶后晶粒长大；在低温时起到析出强化作用。日本神户制钢加古川制铁所，在KKP基础上又添加约0.08%的V，并改善冷却处理，从而生产出强度更高、离散性更小的被称为超级KKP的线材，其强度和离散性与铅浴淬火线材同等。对于含0.80%C、0.18%Cr、0.06%0.08%V的高碳钢线材，其抗拉强度为1280MPa，一圈内的强度离散程度小于15MPa，拉拔后钢丝的性能与铅浴淬火线材相当。法国泰森钢铁公司预应力钢丝用的大规格高碳钢线材，也相当于超级KKP，其钒含量控制在0.04%0.08%。德国某线材厂生产的13mm高碳钢线材，含0.25%0.30%Cr，0.04%0.07%V。比利时某线材厂生产的高碳钢线材，含0.13%0.20%Cr，同时加入0.03%Mo。目前我国一些金属制品厂进口国外添加合金元素的大规格高碳钢线材，用于预应力钢丝及钢绞线生产。其各项力学性能均高于未加入合金元素的同规格高碳钢线材。由此可知，添加Cr、V、Mo等元素可提高大规格高碳钢线材的组织性能。2合金化试验研究天钢公司引进了具有90年代初世界先进水平的摩根高速线材轧机、ABB技术及关键装备，年设计能力35万t。产品规格为520mmq目前主要生产高碳82B线材q最大规格为13mm。对于大规格高碳钢线材，由于尺寸加大，因而在轧后水冷和风冷过程中线材冷却的均匀性及淬透性受到影响，导致线材组织不均匀，力学性能尤其是塑性指标降低。为了改善线材冷却的均匀性，充分发挥斯太尔摩冷却线的作用，采用添加少量Cr的办法。3试验方案将8根82C钢锭开坯、修磨用于轧制试验，其成分：0.80%C、0.68%Mn、0.20%Cr、0.27%Si,P、S均为0.028%。轧制及控冷工艺采用13mm82B正常生产工艺，轧制速度25m/s。将试验轧制的8卷13mm82C线材进行拉拔试验。其中1卷拉拔成5.3mm芯线；另外7卷拉拔成5.1mm皮线。其成品钢丝用于捻制1715.24mm的预应力混凝土用钢绞线。8卷线材酸洗后存放24h，随即在预应力厂低松弛车间引进的8/900连续拉丝机上进行拉拔试验，拉丝速度为5m/s。13mm线材经8道次拉制，皮线、芯线分别拉成5.10、5.30mm,投入捻制稳定化处理工序捻股及稳定化处理，绞线直径15.24mm，线速度60m/min，张力122kN，加热温度3805。然后对线材头部、拉拔后半成品钢丝及捻制后的钢绞线进行力学性能测定及分析。4试验结果4.1试验数据（1）13mm82C线材力学性能13mm82C线材在线检测力学性能平均值为:b=1154MPa,=13.1%,=31.4%。（2）拉拔后半成品钢丝力学性能13mm82C高碳钢线材拉至半成品钢丝的力学性能平均值：破断负荷42kN，强度1953MPa，伸长率（L0=100mm）为3.4%，弯曲次数9。（3）钢绞线用半成品钢丝力学性能1715.24mm钢绞线用半成品钢丝力学性能见表1。表11715.24mm钢绞线用半成品钢丝力学性能指标值公称直径/mm强度级别/MPa破断负荷/kN伸长率qL0=100mmq/%弯曲次数半径/mm5.30172039,423.061518605.10172036,393.06151860（4）成品绞线力学性能成品绞线（平均直径15.3mm）力学性能平均值：强度1977MPa，破断负荷277kN，伸长率（L0600mm）5.2%。1715.24mm钢绞线力学性能指标：15.24mm的强度级别：1860MPa，破断负荷264.7kN，伸长率3.5%屈服载荷（1%伸长时）238.8kN。4.2数据处理（1）采用平均值计算方法，将13mm82C钢轧制试验中测定的开轧温度、进精轧机的温度、吐丝温度及力学性能结果进行平均值处理，分别为1013、972、893，b=1154MPa，=13.2%,=32%。（2）依据轧制试验时测定的斯太尔摩风冷段各测试点的温度数据值绘制出82C钢的风冷曲线，如图1所示。其中图1a为T-D风冷曲线，图1b为T-t风冷曲线。图113mm82C线材风冷曲线a）T-D曲线；b)T-t曲线5试验结果分析讨论5.1风冷能力分析由图1可知，13mm82C线材在相变开始前的冷却速度大，平均冷却速度为15.2/s，相变发生的温度区间为650660。线材进入风冷辊道运输线上12.8m处开始发生相变，出21.8m处转变结束，相变持续时间约12s。与测定的13mm82B风冷曲线比较（如图2所示）可以看到，由于增加了合金元素Cr，提高了线材的淬透性，因而加快了线材在相变前的冷却速度，使相变点提前，相变转变温度区间提高，但转变持续时间没有大的差异。图213mm82C,82B风冷曲线（T-D）比较1-13mm82B;2-13mm82C5.2力学性能结果分析由上述力学性能检测结果可以得知，13mm82C成品线材的在线检测力学性能值均高于指标要求值，如表2所示。、值明显高于30%、10%。与控冷工艺试验中13mm82B最佳工艺下的在线检测力学性能结果相比，其成品线材的在线检测力学性能值大大高于82B的力学性能值，且经过自然时效后的力学性能值也高于82B的力学性能值，13mm82C和13mm82B在线及时效后力学性能比较见表3。由此可得出，合金元素Cr的加入可明显改善13mm高碳钢线材的力学性能。表2拉拔钢绞用钢丝的原料13mm线材力学性能要求值钢绞线原料线材标准直径/mm强度/MPa直径/mm强度/MPa面缩率/%伸长率/%ASTMA416-90a15.24186012.513.011273010JISG3536-198815.20186012.513.011273010表313mm82C、82B在线及时效后力学性能平均值对比钢种/MPa/%/%在线检测时效后在线检测时效后在线检测时效后82C11541161(28天)13.115.0(28天)31.439(28天)82B10821050(30天)11.014.2(30天)21.033(30天)5.3金相组织分析图3为13mm82C成品线材的金相组织。由图可以看到，13mm82C线材边部、1/2处、心部均为索氏体组织，片层规整且细小，边部至心部的珠光体片层间距相差不大，整个断面上的组织较均匀，没有发现异常组织，如网状碳化物、贝氏体等。由此可知，由于加入了Cr元素，一方面使组织细化，即使珠光体片层间距减小，同时使线材截面上的组织均匀性得到改善。a)b)c)图313mm82C成品线材金相组织a)心部；b)1/2处；c)边部5.4拉拔试验结果分析8卷13mm82C线材在拉拔试验过程中，拉丝进行得相当顺利，整个拉丝过程中无断丝现象。拉拔后的钢丝强度在18852025MPa、为3%4%、弯曲次数为612。可以看出，13mm82C线材拉拔后的半成品钢丝力学性能值均超过了性能指标要求值。5.5捻制试验结果分析将半成品钢丝投入捻制稳定化处理过程中也未发现断丝现象，钢丝性能良好。绞线经稳定化处理后分5小盘层缠返轴，成品绞线强度19602028MPa，伸长率4.2%6.3%，全部合格。6结论（1）加入合金元素Cr后，提高了大规格13mm高碳钢线材的淬透性，使相变前的冷却速度加大，相变温度区间升高。相变前的平均冷却速度为15/s，转变温度区间为650660，转变所需时间为12s。（2）13mm82C线材