對國產Stelmor風冷盤條以及日本鹽浴淬火盤條進行了力學性能及微觀組織定量研究。力學性能分析表明,Stelmor盤條的斷裂強度和塑性均低于鹽浴淬火盤條,然而Stelmor盤條的維氏硬度卻高于鹽浴淬火盤條。利用電子背散射成像以及電子背散射衍射技術研究表明,Stelmor盤條微觀上呈現簇狀珠光體組織特征,珠光體團尺寸小、珠光體片層薄而短小以及小角度界面數量多是其維氏硬度高但塑性差的主要原因;然而,Stelmor盤條表層部分脫碳、心部硫化物夾雜較多,導致其沒有達到相應硬度下應有的強度。Om5熱處理技術網 — 熱處理行業的超級智庫 CHTE 最全的熱處理技術信息網站 熱處理技術網 CHTE
冷拔高碳鋼絲具有很高的強度，被廣泛用于橋梁纜索、輪胎鋼簾線、鋼絲繩、彈簧以及真空設備等其它工程領域。近幾十年來，伴隨著我國經濟的快速發展，橋梁建設進入高峰階段，大跨度橋梁如懸索橋和斜拉橋建設的數量及規模已經處于世界領先行列［1］。隨著橋梁跨度的增加，提高鋼絲強度減輕纜索重量已成為工廠和科研人員急需解決的問題［2］。同時，超高強度鋼絲的用量需求及質量要求使得成品鋼絲和初始盤條的微觀組織及強韌化機理研究也越來越受到人們的重視。目前國外橋梁用超高強鋼絲的抗拉強度可以達到2300 MPa［3］，而國產橋梁熱鍍鋅鋼絲的強度最高只有1860 MPa 左右［4］。Om5熱處理技術網 — 熱處理行業的超級智庫 CHTE 最全的熱處理技術信息網站 熱處理技術網 CHTE
鋼絲是由盤條通過多道次冷拔工藝生產出來的，不同熱處理工藝的盤條具有不同的強度和塑性。研究報道，高強度鋼絲的研發關鍵之一就是提高現有盤條的強度和塑性［3］。目前國內關于拉拔鋼絲組織結構及織構演變、滲碳體溶解和疲勞性能的研究報道較多［5-8］，而關于不同熱處理工藝處理的盤條組織研究的報道還較少。目前市場上用于生產拉拔鋼絲的盤條主要有3 種，分別是熱軋后利用余熱采用斯太爾莫風冷( Stelmor conveyor line［9］) 處理的DP 盤條( direct patenting) 、熱軋后利用余熱進行鹽浴淬火處理的DLP 盤條( direct in-line patenting［10］ ) 以及重新奧氏體化后進行鉛浴淬火處理的LP 盤條( lead patenting) 。其中DP 盤條和DLP 盤條被廣泛用于生產橋梁用高強度纜索鋼絲。Om5熱處理技術網 — 熱處理行業的超級智庫 CHTE 最全的熱處理技術信息網站 熱處理技術網 CHTE
本文利用背散射電子成像( Back Scattering Electron Imaging，BSE ) 、電子背散射衍射( Electron Backscattered Diffraction，EBSD) 技術對DP 盤條和DLP 盤條進行微觀組織觀察，然后對比力學性能數據分析國產DP 盤條的組織缺陷，以此探求開發國產高品質高強及超高強度盤條的關鍵因素。Om5熱處理技術網 — 熱處理行業的超級智庫 CHTE 最全的熱處理技術信息網站 熱處理技術網 CHTE
實驗材料及方法Om5熱處理技術網 — 熱處理行業的超級智庫 CHTE 最全的熱處理技術信息網站 熱處理技術網 CHTE
實驗材料選用兩種直徑為13. 5 mm 的商業熱軋盤條，一種為國產DP 盤條，另一種為日本DLP 盤條，兩種盤條的化學成分如表1 所示。拉伸試驗在SHT4505D 萬能試驗機上進行，試樣長度為100 倍盤條直徑，每種盤條分別測試10 根。在盤條橫截面上，利用Everone MH-3 維氏硬度計分別對邊部( edge，距盤條表層0. 2 ～ 2 mm) 、中部( middle，2 ～ 4 mm) 和心部( center，4 ～ 6 mm) 進行顯微硬度測試，載荷200 g，加載時間10 s，每個區域分別測試60 個硬度點，然后統計平均硬度。微觀組織觀察。Om5熱處理技術網 — 熱處理行業的超級智庫 CHTE 最全的熱處理技術信息網站 熱處理技術網 CHTE
討論Om5熱處理技術網 — 熱處理行業的超級智庫 CHTE 最全的熱處理技術信息網站 熱處理技術網 CHTE
由于BSE 照片不僅反映了試樣表層的原子序數信息，而其同時含有晶體取向信息，即電子通道襯度信息( electron channeling contrast，ECC［16］ ) 。鐵素體片層中微合金的固溶度越高，鐵素體點陣畸變越嚴重，電子通道襯度越差，從而導致BSE 圖像質量越低; 同時采用電子背散射衍射EBSD 技術對鐵素體相進行標定時其標定率也較低。研究中發現，國產DP盤條BSE 照片襯度明顯低于DLP 盤條，而且其鐵素體片層的EBSD 標定率比DLP 盤條低5% 左右。反推可知國產DP 盤條鐵素體組織中微合金的固溶程度要高于DLP 盤條。Om5熱處理技術網 — 熱處理行業的超級智庫 CHTE 最全的熱處理技術信息網站 熱處理技術網 CHTE
Si 和Mn 元素的增多提高了對鐵素體的固溶強化作用，Cr 元素的添加細化了珠光體片層，因此微合金化程度的較高是導致國產盤條顯微硬度高于同規格進口盤條的主要原因。然而，由于盤條中的硫化物夾雜的寬度遠小于顯微硬度壓痕對角線的長度( 約30 μm) ，因此硫化物夾雜對顯微硬度值并無較明顯的影響; 相對而言，拉伸試驗反映的是材料整體宏觀的力學性能，所以脫碳以及硫化物的存在均導致國產DP 盤條實際強度低于其理論強度。Om5熱處理技術網 — 熱處理行業的超級智庫 CHTE 最全的熱處理技術信息網站 熱處理技術網 CHTE
經典塑性變形理論認為，形變強化的根本原因是位錯運動受阻。珠光體結構中，鐵素體片層兩側分布有硬相滲碳體。一般認為位錯滑移主要在鐵素體內進行，兩側滲碳體阻礙位錯運動，位錯運動到鐵素體和滲碳體界面處便停止運動，導致位錯塞積，材料強度得到提高，同時塑性下降［5］。因此鐵素體兩側滲碳體之間的寬度，也即鐵素體片層的厚度，以及鐵素體片層的長度決定了位錯滑移的可動距離。DLP 盤條珠光體片層間厚，片層比較平直且長度較長，位錯可移動范圍較大，所以強度低( 表現在顯微硬度低上) 塑性較好; DP 盤條珠光體片層較薄、片層長度較短以及非平直片層較多，導致在垂直于珠光體片層和平行于珠光體片層的方向上鐵素體內位錯移動均受到更多的限制，因此造成DP 盤條強度高( 顯微硬度高) 塑性差。Om5熱處理技術網 — 熱處理行業的超級智庫 CHTE 最全的熱處理技術信息網站 熱處理技術網 CHTE
綜上所述，造成國產DP 盤條和進口DLP 盤條的力學性能和微觀組織不同的根本原因是兩者采用了兩種不同的珠光體轉變熱處理工藝。對于進口DLP盤條，由于鹽的熱容量高，冷卻速度快，保溫能力強，珠光體轉變基本上在同一個溫度下進行，所以轉變后生成的珠光體組織更為均勻，綜合力學性能更好［10］;相比之下，國產DP 盤條采用Stelmor 風冷，冷卻速度有限，整個珠光體的溫度區間跨度較大，導致轉變后的珠光體組織不均勻，綜合力學性能低于DLP 盤條。對于開發高強度橋梁用鋼絲，提高C 含量是最為經濟有效的方法之一［13］。然而隨著C 含量的提高，先析滲碳體形成的趨勢就隨之增大，這時珠光體轉變溫度的控制就變得尤為重要，因此對于高碳鋼絲采用鹽浴淬火進行索氏體化處理是比較有效的方法。Om5熱處理技術網 — 熱處理行業的超級智庫 CHTE 最全的熱處理技術信息網站 熱處理技術網 CHTE
結論Om5熱處理技術網 — 熱處理行業的超級智庫 CHTE 最全的熱處理技術信息網站 熱處理技術網 CHTE
1) 對于同牌號同規格珠光體盤條，采用Stelmor風冷進行珠光體等溫轉變的國產DP 盤條的強度和塑性均低于采用鹽浴淬火的日本DLP 盤條;Om5熱處理技術網 — 熱處理行業的超級智庫 CHTE 最全的熱處理技術信息網站 熱處理技術網 CHTE
2) 國產DP 盤條微合金化程度較高，鐵素體固溶強化作用更高，珠光體片層間距更為細小，導致DP盤條維氏硬度明顯高于DLP 盤條。然而由于DP 盤條邊部發生部分脫碳以及硫化物夾雜分布較多，這兩種缺陷的存在導致國產DP 盤條實際強度低于DLP盤條;Om5熱處理技術網 — 熱處理行業的超級智庫 CHTE 最全的熱處理技術信息網站 熱處理技術網 CHTE
3) 國產DP 盤條微觀結構呈現簇狀珠光體結構，雖然珠光體簇與DLP 盤條相差不大，但由于一個珠光體簇/ 晶粒內有多個珠光體，導致DP 盤條珠光體團尺寸小，珠光體片層不如DLP 盤條珠光體片層長;而且DP 盤條內部非平直片層較多。因此，DP 盤條珠光體片層薄而短，是導致其塑性低于DLP 盤條的主要原因。Om5熱處理技術網 — 熱處理行業的超級智庫 CHTE 最全的熱處理技術信息網站 熱處理技術網 CHTE
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