日本新日铁和国内厂高碳钢盘条力学性能对比

日本新日铁和国内厂高碳钢盘条力学性能对比

随着我国经济的快速发展，国内桥梁建设项目日益增多，尤其是大型悬索桥和斜索桥。这种数量和规模是世界著名的。因此，生产桥梁电缆的高碳钢冷辊的需求也在增加。要求缆索用盘条具有高强度、低松弛和良好的扭转性能。国内外在生产桥梁缆索用盘条时有DP(斯太尔摩风冷)、LP(铅浴淬火)和DLP(盐浴淬火)3种不同的热处理工艺。笔者对国内外一些钢厂生产的缆索用盘条实物质量进行对比分析,为提高国内桥梁缆索用高碳钢盘条质量提供参考。1盘条强度的提高分别对新日铁SWRS82B盘条(DLP工艺)、国内A钢厂B82MnQL桥梁缆索用盘条、国内B钢厂SWRS82B盘条进行成分分析,各钢厂盘条的化学成分见表1。由表1可以看出:国内外3个钢厂盘条的碳质量分数均在0.80%~0.84%;国内A钢厂和B钢厂生产的盘条中Cr和V质量分数远高于新日铁生产的盘条,而新日铁盘条中未加Cr和V,其Cr和V为残余含量;国内A钢厂的盘条中Cu和Ti的质量分数比其他2个钢厂高。国产盘条中Cr和V的质量分数较高,主要是因为国内钢厂通过添加适量的合金元素来提高盘条的强度。Cr是强碳化物形成元素,能够置换渗碳体内的铁原子而形成合金渗碳体(Fe,Cr)3C,能阻止奥氏体晶粒长大,提高索氏体化率,从而提高盘条强度及加工硬化率。但Cr元素的富集,将提高过冷奥氏体在转变区尤其是低温转变区的稳定性,使CCT曲线右移,容易在盘条心部形成马氏体等异常组织从而降低盘条性能。V元素和C,N等元素能形成碳化物、氮化物、碳氮化物粒子,起到细晶强化和沉淀强化的作用,从而提高盘条强度。但V含量过高,会导致碳氮化物粒子增多且颗粒长大,使盘条塑性下降。2日本钢铁单位的力学性能分别取新日铁、国内A钢厂和B钢厂生产的盘条进行力学性能对比,结果见表2。由表2可以看出:尽管国内钢厂采用了添加合金元素Cr和V的方法来提高盘条抗拉强度,但是新日铁盘条的抗拉强度最高;3个钢厂盘条的延伸率均在14%左右;新日铁盘条断面收缩率为44.5%,国内两钢厂的盘条断面收缩率均低于40%。3分别分析了力学能力差异的原因3.1盐浴冷却工艺通过碳当量经验公式计算:w(Ceq)=w(C)+w(Mn)/6+w(Cr+V+Mo)/5+w(Cu+Ni)/15。新日铁、国内A钢厂和B钢厂盘条的碳当量分别为0.925%,1.004%,1.005%。日本新日铁DLP盘条尽管未添加Cr,V,由于采用盐浴冷却,其盘条碳当量小于国内A,B钢厂的盘条碳当量0.08%左右,但抗拉强度和断面收缩率均明显优于国内A和B钢厂DP法生产的盘条。说明DLP和DP2种不同冷却工艺是造成盘条力学性能差异的重要原因。国内钢厂采用的DP工艺是在盘条热轧后,利用自身余热经过斯太尔摩风冷线冷却,其特点是利用余热进行热处理,节约了能源消耗,但缺点是冷却能力弱,冷却均匀性差。新日铁采用的是DLP盐浴冷却工艺,它是将热轧后的盘条通过盐浴槽实现等温索氏体化转变。和DP工艺一样,DLP工艺也是直接利用盘条余热进行热处理,节约了能源,而且盐浴冷却能力较斯太尔摩风冷的更大,冷却均匀性更好,可提高盘条的索氏体化率及通条性能。此外,盐浴冷却没有铅浴冷却造成的铅污染,符合环保要求。3.2新日铁盘条盘条力学性能采用硝酸酒精溶液对3个钢厂的盘条进行腐蚀,分别在场发射扫描电镜和金相显微镜下观察,检测了盘条的索氏体体积分数、索氏体片层间距、马氏体和网状渗碳体的级别,结果见表3。从表3可以看出:(1)3个钢厂的盘条索氏体化率均在90%左右,其中新日铁生产的盘条索氏体化率最高,达到92.1%;(2)新日铁生产的盘条索氏体片层间距明显小于国产盘条,新日铁盘条和国产盘条索氏体片层间距的场发射电镜照片如图1所示;(3)各钢厂盘条中均发现马氏体,但级别均较低;(4)除新日铁生产的盘条网状渗碳体级别为零外,国内钢厂的盘条中均有少量的晶界渗碳体出现。索氏体化率越高,索氏体片层间距越小,盘条的强度和塑性也越好。这是因为片层间距越小,铁素体和渗碳体的相界面就越多,对位错运动的阻碍也就越大;在相同面积内片层间距越小,铁素体和渗碳体片层就越薄,更容易变形而不易脆断;在相同变形量下,变形分散在更多的片层中,片层在承受应变时变形较均匀,应变集中程度小,从而提高了盘条的强度和塑性。索氏体化率较高、索氏体片层间距较小是新日铁盘条力学性能优于国产盘条的重要原因。片状珠光体中片层方向大致相同的区域称为珠光体团。有研究认为:珠光体团的尺寸越大,转动变形过程中发生的位移也越大,珠光体团与团之间的协调能力也较差,因此容易在团的边界上产生“开裂”,此缺陷容易成为钢丝扭转过程中裂纹的萌生位置。也有研究发现:片层间距越大,越容易引起应力集中;珠光体分布不均匀,特别是存在粗片状珠光体时会造成扭转分层断裂。由图1可以看出,国内外缆索用盘条中珠光体团尺寸均存在大小不一的情况,国产盘条由于添加了V使珠光体团尺寸较小,但其珠光体团片层间距的均匀性较差,出现了一些片层间距较大的珠光体团(图1b和1c),而新日铁盘条珠光体团片层间距小而且不同珠光体团中的片层间距大小均匀(图1a),说明片层间距小且均匀是新日铁盘条扭转性能优于国产盘条的主要原因。使用Na2S2O3·5H2O和K2S2O5混合水溶液对盘条中的带状组织进行腐蚀,在金相显微镜下带状组织沿盘条轴向呈平行分布的白色线状,其结果如图2所示。由图2可以看出:新日铁盘条中没有出现带状组织,而国内钢厂生产的盘条均出现带状组织。有研究发现:带状组织和基体一样也是索氏体组织,但片层间距相对于周围的基体更小,而且其显微硬度明显高于周围基体。由于带状组织部位与基体硬度的差别,在拉伸或扭转加工变形时会产生应力集中,可能在带状组织与基体交界处生成裂纹,从而造成拉拔或扭转断裂。4新日铁盘条的延伸率和片层间距(1)国内外各钢厂生产的桥梁缆索用高碳钢盘条C,Si,Mn,P,S等元素含量相近。国内钢厂采用合金化的手段来提高盘条强度,其盘条中Cr和V的含量明显高于新日铁的。(2)国内外各钢厂生产的盘条抗拉强度均在1220MPa以上,其中新日铁盘条强度最高可达1280MPa。各钢厂盘条的延伸率基本相同,均在14%左右;新日铁盘条的断面收缩率最高,为44.5%,国产盘条断面收缩率均在40%以下。新日铁盘条在未添加合金元素Cr和V的情况下,力学性能仍然优于添加合金元素的国产盘条。(3)国内外各钢厂盘条索氏体化率均在90%左右,其中新日铁最高达到92.1%。新日铁DLP盘条索氏体片层间距明显小于国产DP盘条,国产盘条平均片层间距都在170nm以上,而新日铁平均片层间距仅有84.7nm。更高的索氏体化率,更细且均匀的片层间距是新日铁盘条力学性能优异的主要原因。