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高碳鋼絲的研究、生產及應用
 發布時間:2012年06月06日 瀏覽:4109
I、前言
    在批量生產的鋼種中,強度最高的鋼鐵材料是用高含碳(C)量的珠光體巧鋼拉絲加工進行強化的高C鋼絲,并己被廣泛用作彈簧、預應力(PC)鋼絲、橋梁用鋼絲、鋼(絲)繩、輪胎加固鋼絲等;近年還在鋼絲的高強度化方而取得了極大進展,從而在追求鋼鐵材料的極限強度中走在最前而:如輪胎用鋼絲己由原2. 7GPa級提高至4GPa,橋梁用鋼絲己由原1. 6 GPa級提高至I. 8GPa級,PC鋼絲也由原1. 8GPa級提高至2. 3GPae下而概要介紹高C鋼絲在制造過程中的組織變化和強度的關系以及高強度化的方案;
還介紹了近期高碳鋼絲的開發實例。
    2、制造中的組織變化和強度
    2. I、鉛浴淬火處理中的組織變化和強度
    高碳鋼是將軋制線材進行鉛浴淬火Patent in目熱處理后,再冷拉加工制造的,即將線材加熱到1223K而進行奧氏體(A)化,然后在823K附近進行等溫P相變的熱處理,使鋼變成均勻細小的鐵素體F(a)和滲碳體(Q)構成的P組織,從而具有高的強度和延伸加工性。P的強度,受到組織為最小單位的層狀(lamel-
lar)間隔即4間的間隔影響大與霍爾一佩奇Hall- Peteh)的關系一樣,和層狀間隔的平方根成正比地增加。鋼在鉛浴淬火處理階段的強度己達1. 2一1. SGPa,這是因為層狀間隔非常細小而達到了1Q0nm級的緣故。共析溫度和P相變度的過冷度越大,則層狀間隔越細;在實用的合金元素中,Gr細化層狀結構的效果最
好。由于提高鉛浴淬火材料強度有利于同時提高高碳鋼絲的強度用延性,I因此,為了滿足實用位錯產生的粘附強化在高碳鋼絲的強化中也占有重要比率;并且,鉛浴淬火處理時是單晶0,而拉絲加工變成了毫微(1[}(一g))級多晶。這表明可有條件地非晶化,0的強度也改變了。
    2.3,拉絲加工熱處理后的組織變化和強度
    鋼絲繩可在拉絲加工狀態下使用;而對于彈簧,PC鋼絲,為了提高其在拉絲加工后的延伸率、疲勞特性、松馳特性,須進行被稱作發蘭處理的低溫退火。并且,為了確保橋梁用鋼絲的耐蝕性,可在723K左右鍍鋅(Zn)。即使是層狀間隔相同,鋼絲的強度會因發蘭處理的溫度不同而顯著變化在523K左右出現了大的時效硬化;當溫度超過673K,則其強度比拉絲加工的更低。
    雖然拉絲加工對組織變化也有影響,但使用623K以內溫度的發蘭處理卻未觀察到大的組織變化。因此可以認為在523K左右的時效硬化是由固溶碳或部分0分解而產生的碳位錯強化。然而,與前述拉絲加工時一樣,即使是低溫發蘭處理.也有多量的0分解。對在拉絲加工穿洲牛一卜和在523K, 723K進行發蘭處理的鋼絲屈服強度及a((相)中碳濃度變化的研究表明:在拉絲加工后的階段a((抑中的碳濃度變
為百分之0.5個原子左右;但在523K,0進一步分照碳濃度超過了百分之1個原子。因此,523K左右的顯著時效硬化,起因于多量0分解而造成的碳位錯粘附強化。另夕卜若發蘭溫度超過623K,隨著位錯的回復和再結晶的進行,被強制加工的0部分也產生了球化從而使強度下降。而且位錯密度下降的結果,也減少了
碳位錯粘附強化的影響。
    3、高弓曼度化方案及實例
    提高高碳鋼絲強度的手段有鉛浴淬火、增大拉絲加工應變及硬化率,抑制熔融鍍鋅和發生處理時的強度下降等,但無論采用哪種方法均須防止鋼絲延性的下降。一般用鋼絲扭轉試驗評價其延性:若延性下降在鋼絲的扭轉變形之初,就會產生被稱作“層離”(Delamination)的、沿拉伸方向的縱裂。此種縱裂是阻礙鋼絲
高強度化的木質原因。為了既提高鋼絲強度絲強度為4. 1GPa, 0. 06mm的為5. 2GPa, 0.04mm的為5. 7GP氏遠遠超過了A1材和碳纖維的強度值。
    在高強度鋼絲的制造過程中,最大的問題是影響生產率和收得率有關的斷絲事故。其主要原因是鋼基體上存在的非金屬夾雜物。因此應在拉絲,絞線中將斷絲頻率控制在數次t以下;充分提高鋼的純凈度,嚴格控制鋼中夾雜物含量以確保高強度下的低斷絲頻率。并且,因輪胎用鋼絲加工硬化強度量特別多,故在開發高強度化鋼材吐也須重視對鉛浴淬火、鍍鋅處理、拉雄加工等二次加工技術開發。
    3.3,橋梁用鋼絲,PC鋼絲的高強度化
    這類鋼絲的特點是在拉絲加工后,以熔融鍍鋅、發蘭處理等手段進行高強度化,這樣既可防止層離缺陷,又可抑制鍍層、發蘭時的強度卜降。對在拉絲加工條件下,鋼絲強度和熔融鍍鋅時強度下降量關系的研究表明,鋼強度越高,則其下降量也越大:在含硅較高的鋼上即使同一強度的鋼絲,強度下降量也達IOOGPa;若往鋼中加入Cr,則能減少卜降量。在鍍層及發蘭處理中引起強度下降的原因,是強制加工時部分0組織的斷裂•球化、a和0層狀組織崩潰的結果。用APF IM(顯微鏡)對鋼絲中硅的分布狀態進行了解析,結果表明:因硅向0的固溶度低,在P的相變過程中,由界而擴散引起需求,除層狀間隔的微細化強化夕卜還利用了Si對試相)的固溶強化和VC的沉淀強化;并且,提高鋼的含碳2,增加強度高的0((相)比率也可提高鋼的強度。
    2-2,拉絲加工的組織變化和強度
    試驗研究表明:共析P鋼的特點是其加工硬化率明顯高于F鋼和F" M(鐵素體•馬氏體)雙相鋼,如在實際應變4.3條件下,共析P鋼的強度達4G甄明顯高于雙相鋼的3 GPa和F鋼的1GPae采用微細P組織的高碳鋼線的獨特優點之一就是加工硬化率高,即使在較小的拉加工應變條件下,也可實現材料的高強度化,
這是工業生產的重要條件。
    在鉛浴淬火處理階段,即使層狀組織的方向是無規則的,在進行實際應變約為I的拉絲加工時,也會引起晶體茄陣專,使之變成大致與拉絲方向一致的層狀組織。層狀間隔與鋼絲直徑成正比地變小:即使開始的層狀間隔為100nm,在進行實際應變為4以上的拉絲加工,也會將間隔縮小到1。。m;并且進行強制加工的高碳鋼絲的at 相),位錯密度達1D(16) ml m3.這樣一來,從層狀間隔的細化強化,Q((相)位錯強度的觀點,對高碳鋼絲的強化機理進行,提出了多個相關模型。
    另一方面,分解原拉絲加工中的0,也能查明由碳位錯造成的粘附強化的影響。根據最近在原子水平上的解析,從拉絲加工初期對0進行的解析,在進行強擊咖工的鋼絲上ac((抑中的碳濃度也可達數個原子%,這超過固溶極限的試相)中碳的存在狀態雖然尚未查明,但若因位借和碳的彈性相互作用而形成(位錯附近
,的)CotterII〔科特雷耳)氣氛、則與M一樣由碳又防止層離的發生,避免因拉絲加工應變而造成的高強度化,增加鉛浴淬火材強度和拉絲加工硬化率是有效的。
    如上所述,作為P鋼強化方法的鉛浴淬火,可添加合金元素的方法以充分利用層狀間隔細化強化、固溶強化和沉淀強化。如添加多量的Cr等元素,就會減慢P的相變速度。因發蘭處理生產率較低,故應采用適應目標的強化方法。另一方面,就加工硬化率而言,層狀間隔的影響占支配地位。鉛浴淬火處理后的初始層狀間隔越細小,加習切口呵圈圈的領域有明顯效果。即使是利用a((相)的固溶強化、沉淀強化而增加鉛浴淬火材的強度,其加工硬化率也基木無變化并且,在拉絲加工應變高的區域固溶強化和沉淀強化的作用是不能相加的。從以上情況可知,將以鋼絲繩為代表的高應變拉絲加工作為必要的鋼絲強化手段,細化層狀結構,能有效提高鉛浴淬火材料的強度并提高加工硬化率。在橋梁用大直徑鍍鋅鋼絲上,因拉絲加工應變小,不能用層
狀間隔的細微化來提高加工硬化率。因此用a(相)的固溶•沉淀強化和提高鋼的a含2以增大0比來是實現可行的方法。
    3一2,鋼絲繩的高強度化
      現在主要的輪胎加固材還是鋼絲,因其具有比有機纖維(尼龍、聚脂等)更高的剛性、強度、耐熱性更能減少輪胎轉動阻力從而降低燃料消耗等優點。將鋼絲高強度化是實現輪胎輕量化和減少淵陣專動阻力的關鍵。
    原來的最終鋼絲直徑為0-2一0. 3mm,是采用0.71%一0.8% C的高碳線材,以實際應變量為3以上的拉絲加工制造的,其強度水平過3- 3一5GPae因在共析鋼上,強度達到了極限,故開發了大幅度提高碳含量的過共析鋼0.%C一0. 2%n Cr,其鉛浴淬火強度為1.5G甄比0. 8% C鋼高出0. 15GPa以上,此時
可將其層狀間隔控制到60rin的細小程度。研究了在不發生層離(裂匆條件下鋼絲強度與直徑的關系,結果表明,由于層狀間隔的細化大。幅度提高了共析鋼的強度:直徑為0.2mm的鋼a10界而硅的濃化,硅含量越高,則界而硅的濃度就越高。因0的球化,界面硅的擴散是必要的,越是提高硅含量0的球化速度就越低,從而抑制了鋼絲強度的下降;為了提高鉛浴淬火材強度,硅和鉻元素對于抑制鋼絲層離(裂紋)的發生是有利的。
    在以上研究成果基礎上,將1.8GPa級橋梁用鋼絲的硅含量從原來的0-201o提高到高硅鋼中的0.90/0,還開發了2. O GPa級I.2%n S i一0.201o一0.3%a Cr鋼絲;并且又以相同思路開發了2. 3GPa級強度的PC鋼絲。一般若提高鋼材強度,則其延伸性、韌性、延遲斷裂等特性就會變差。然而,上述開發鋼絲既提高了強度,又能將其延性、疲勞、延遲斷裂等特性控制在與原來鋼絲相同甚至更高的水平。如I. 8GPa和
2. OGPa級鍍鋅鋼絲己先后用于日本的明石海峽大橋,來島大橋的鋼繩,大幅度縮短了工期,降低了造價。
    4、結語
    現正進行強度為SGPa級鋼絲繩的開發,并計戈U將之用于規模超過明石海峽大橋的東京灣口、伊勢灣口以及海外的大型吊橋。
    今底為了使高碳鋼的高強度化取得更多進展,進一步查明阻礙高強度化的層離《裂紋)產生機理及拉絲過程中滲C體的變形機理.加工硬化機理等基耐姍究都十分重要。

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