CN109554631A - 一种低合金钢及由其制备的钢丝加工用高强高塑性盘条 - Google Patents

一种低合金钢及由其制备的钢丝加工用高强高塑性盘条 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种低合金钢，以及由该低合金钢制备的钢丝加工用高强高塑性盘条，盘条抗拉强度可达1400MPa以上，同时具有良好的塑性，面缩率高于25％以上，该盘条经拉拔、镀锌、稳定化处理后加工的7mm系列高强度钢丝抗拉强度可达1960MPa以上，同时具有良好的扭转性能、抗松弛性能和疲劳寿命，可用于生产大跨径桥梁缆索。

Description

一种低合金钢及由其制备的钢丝加工用高强高塑性盘条
技术领域
本发明涉及一种低合金钢，及由其制备的钢丝加工用高强高塑性盘条，可用于生产大跨径桥梁缆索。
背景技术
悬索桥和斜拉索桥是目前跨越海湾、峡谷、大江、大河的大跨度桥梁设计的首选形式。20世纪80年代前，国内使用的桥梁缆索用热镀层钢丝强度级别主要为1570MPa。此后，随着钢丝生产技术的发展，1670MPa钢丝成为桥梁缆索用热镀钢丝的主流产品。随着桥梁跨度的增加，所使用的热镀层钢丝强度也在增加。2008年建成的世界最大跨径斜拉桥——苏通大桥(主跨1088m)首次采用1770MPa级热镀钢丝，昭示我国在桥梁缆索用热镀层钢丝研究及产业化方面已走在了世界前列。近年来，5.0mm系列1770MPa钢丝已广泛应用在一些大型悬索桥上，如舟山西堠门大桥、南京长江四桥、马鞍山长江公路大桥、武汉鹦鹉州大桥等。
随着社会和技术的发展，悬索桥和斜拉索桥跨度不断增加，世界上已建成的悬索桥跨径接近2000米，而斜拉索桥的跨径也已超过1000米。随着桥梁跨径的增加，对桥梁缆索用关键原材料镀锌钢丝提出了更高的性能要求，研究1960MPa以上超高强度桥梁缆索用镀锌钢丝成为人们关注的重点。采用高强度镀锌钢丝将有利于该类桥梁建设过程中节约材料用量，同时降低生产成本。
盘条是生产高强度桥梁缆索用钢丝的原料，大规格盘条通过拉拔、镀锌、稳定化等工艺过程最终加工成缆索钢丝。要完成大减面率钢丝拉拔过程，盘条首先需具备良好的可拉拔性能。桥梁缆索钢丝强度等级的提高推动盘条强度不断提升，合金强化和组织细化是提高盘条强度的两种最有效手段。对于盘条的合金强化方法，世界先进钢铁企业开展了一系列的研究工作。如日本神户制钢加古川厂开发的KKP盘条，就是在常规SWRS82B基础上，添加少量铬，经斯太尔摩冷却后，取得性能良好的高强度索氏体化盘条。又进一步提高盘条碳含量至0.87％，同时添加约0.08％的钒，制造强度更高、离散性更小的盘条称为超级KKP盘条。欧州也有不少钢厂采用此方法生产高强度桥梁缆索用盘条，但该类型盘条加工钢丝强度等级仍较低。
国内研究人员采用低硅合金成分设计，通过提高盘条中C和Mn元素来提高材料强度，开发的0.87％碳含量材料，实现盘条及钢丝强度的提升，但仍只能满足1770MPa钢丝加工需求。进一步如专利CN101565797B公开的通过提高材料Si元素含量、添加V、Nb微合金化元素复合添加来进一步提高材料强度，加工钢丝强度等级可达1860MPa。
高碳盘条得到高索氏体化组织是实现强度提升的另一重要手段。目前盘条高索氏体化主要通过轧后控制冷却来实现，我国目前95％的盘条生产采用的是斯太尔摩风冷工艺，它是把终轧后的盘条通过水冷后再在风冷段中实现索氏体连续组织转变。斯太尔摩冷却工艺在生产大规格盘条时存在冷却能力不足及温度均匀性较差的问题，影响材料性能的进一步提升。日本新日铁开发了在线盐浴等温处理DLP工艺较好的满足了盘条索氏体化转变要求，但存在设备投资大，维护成本高的问题。
对于桥梁缆索镀锌钢丝发展而言，除了对于强度提高的需求以外，还要求钢丝在高强度下仍要保持高的塑韧性，及高的扭转性能要求。目前主要采用的方法主要包括将材料P、S含量控制在一定范围，特别是控制合金中P元素含量到0.01％以下，并防止其凝固过程中的偏析，降低P对钢丝扭转性能的严重破坏。添加10-500ppm的Zr以形成ZrO2细化晶粒同时改善盘条心部成分偏析。添加9-60ppm的B来改善高碳钢盘条组织，在高温奥氏体中固溶的B元素将在晶界偏聚，冷却过程中将阻止先共析铁素体的形成，同时促进渗碳体的析出，通过优化组织改善扭转性能，但均限制在一定的强度范围内。
目前的高碳盘条能较好的满足1670、1770甚至是1860MPa高强度高扭转性能桥梁缆索镀锌钢丝加工需求，但当钢丝强度达到1960MPa以上时，无法同时满足强度和高塑韧性的要求，钢丝扭转性能降低明显，波动较大。
发明内容
随着社会和技术的发展，悬索桥和斜拉索桥跨度不断增加，因此对桥梁缆索用关键原材料--镀锌钢丝提出了更高的性能要求，研究超高强度桥梁缆索用镀锌钢丝已成为人们关注的重点。本发明的目的在于提供一种可以满足1960MPa高强度高扭转性能桥梁缆索镀锌钢丝加工需求的高碳盘条产品，并提供相应的盘条制造工艺，采用该工艺加工的盘条具有良好的强塑性匹配，可以满足高强度钢丝拉拔、镀锌加工要求，更进一步可以满足我国后续更大跨度桥梁的建设需求。
为实现前述发明目的，本发明提高了一种低合金钢，其包括如下重量百分比的化学组成：
C：0.91-1.00％；
Si：0.90-1.70％；
Mn：0.25-0.57％；
Cr：0.30-0.70％
Ni：0.01-0.05％
Cu：0.01-0.08％
Al：0.010-0.025％；
Ti：≤0.005％；
Ca：≤0.001％
P：≤0.015％；
S：≤0.010％；
O：≤0.002％；
N：≤0.005％；
其余为Fe。
优选的，所述低合金钢的化学组成还包括：Mo 0.05-0.40％或B 0.0005-0.0010％。
更优选地，所述低合金钢的化学组成中，Mn、Ni、Cu的重量百分比满足如下公式：0.30≤[Mn]+0.5*([Ni]+[Cu])≤0.60，公式中的[Mn]代表Mn的重量百分比乘以100，[Ni]代表Ni的重量百分比乘以100，[Cu]代表Cu的重量百分比乘以100。Mn、Ni、Cu均为奥氏体形成元素，有利于提高材料奥氏体稳定性，细化材料索氏体体片层间距，特别是Ni和Cu元素，同时该类元素可通过固溶强化提高材料强度，但当添加过高时会导致元素偏析加剧，出现马氏体、贝氏体等影响盘条拉拔性能的异常组织，因此需控制材料中三种元素添加量满足上述公式要求。
本发明的低合金钢选择该化学成分范围的原因如下：
C元素是保证盘条及镀锌钢丝高强度所必需的化学成分，C元素含量决定了高碳盘条索氏体组织中渗碳体体积分数，提高盘条中碳含量有利于形成更多渗碳体片层，细化的索氏体片层组织具有更好的变形性能和加工硬化性能，有利于后续加工过程中钢丝强度的提升。因此对于本发明材料碳含量需控制在0.91％以上。随着材料中碳含量的增加，会造成冶炼连铸过程中偏析控制难度加大，特别是形成沿晶界析出的网状渗碳体将使材料塑韧性急剧降低，因此碳含量控制上限为1.00％。
冶炼过程中Si元素常作为脱氧剂加入钢中，同时固溶于盘条铁素体相中的Si将显著提高材料强度。此外，盘条冷却相变过程中Si元素还将在铁素体相和渗碳体相界面富集，经过大减面率拉拔的钢丝在铅浴脱脂和热镀锌过程中，Si元素在相界面的富集将减缓大变形渗碳体片层的分解，减小钢丝强度的损失。为保证盘条高强度以及拉拔加工后的钢丝具有更高的强度，该材料中Si含量需控制高于0.9％，但过高的Si将显著降低钢的塑性，材料脆化，扭转过程中出现劈裂，因此需将低合金钢中Si元素含量控制在0.90-1.70％范围。
Mn元素在炼钢过程也常作为脱氧剂添加，同时Mn易与钢中的有害元素S结合形成MnS，降低其危害。Mn也是钢中常用的强化元素，主要起到固溶强化的作用，形成的低合金钢渗碳体具有更高的强度，因此低合金钢中Mn含量需控制高于0.25％。但当Mn含量过高时将增大材料加热过程中晶粒粗化倾向，增大控冷组织控制难度，特别是在材料中C、Si含量较高情况下，因此应对Mn元素添加量加以控制需低于0.57％。
Ni、Cu元素是奥氏体形成元素，固溶于铁素体相中有利于提高材料强度同时改善材料塑性，特别是复合添加时，可降低拉拔过程中出现应力集中，防止产生微观缺陷。少量Ni、Cu添加对材料相转变过程产生影响，可降低材料组织控制难度，但过多的Ni、Cu元素添加会增加成本、造成材料奥氏体稳定性提高，易出现马氏体异常组织。因此，该材料中Ni控制范围为0.01-0.05％，Cu元素控制范围为0.01-0.08％。考虑到Mn、Ni、Cu对材料组织和强度的相互作用，材料中低合金钢元素含量需满足0.30≤[Mn]+0.5*([Ni]+[Cu])≤0.60要求。
通过Cr元素的添加有利于细化盘条中索氏体组织片层结构，同时提高渗碳体强度，对材料强度和塑性均有改善，因此本材料中添加Cr含量高于0.30％，为防止出现马氏体异常组织，降低组织控制难度，Cr含量需低于0.70％。
Al元素是炼钢过程中最有效的脱氧元素，同时弥散分布的Al2O3颗粒将阻止加热过程中低合金钢奥氏体晶粒的长大，有利于细化盘条晶粒，提高强度。但当钢中Al含量过高时，将形成粗大的Al2O3夹杂，显著降低盘条的拉拔和钢丝的扭转性能，因此该低合金钢中Al选择的范围为0.010-0.025％。
P、S元素含量过高将增加材料脆性，特别是当出现偏析时，因此在本材料设计成分范围内，需要将P控制低于0.015％、S低于0.010％。Ti元素过高时，在钢中形成大量碳氮化物，不利于钢丝扭转性能和疲劳寿命，因此对材料Ti含量和N含量均需控制在0.005％以下。大颗粒夹杂物也是造成高强度钢丝扭转早期断裂的一个主要原因，特别是当钢丝强度达到1960MPa以上时，材料中氧含量过高将导致夹杂物数量及尺寸增加，因此氧含量需低于0.002％，钙元素低于0.001％。
在该低合金钢其它成分设计前提下，优选的可添加Mo：0.05-0.40％或B：0.0005-0.0010％。Mo、B元素添加有利于进一步提高材料淬透性，改善材料索氏体组织，有利于材料强度提升同时改善塑韧性和扭转性能。
该低合金钢具有细化的索氏体组织，索氏体化率高于96％，索氏体组织中片层间距均值为50-300nm，组织中无明显晶界网状渗碳体、马氏体组织。盘条抗拉强度可达1400MPa以上，同时具有良好的塑性，面缩率高于25％以上，拉拔镀锌后钢丝强度可达1960MPa以上，扭转值高于8次。
本发明还提供了一种钢丝加工用高强高塑性盘条，其由上述低合金钢制备得到，所述制备方法包括如下步骤：
(1)通过冶炼得到所述低合金钢；
(2)将低合金钢浇铸得到连铸坯、经过初轧开坯得到方坯料；
(3)方坯料经过高速线材轧制得到盘条；
(4)经过斯太尔摩控冷优化盘条组织；
(5)经过奥氏体加热和等温处理，得到钢丝加工用高强高塑性盘条。
优选地，
步骤(1)中，该低合金钢经电炉或转炉冶炼后进行炉外精炼得到，炉外精炼采用LF炉加VD或RH脱气处理工艺，冶炼过程中调整合成渣成分和加入量，控制低合金钢的化学组成最终满足前述低合金钢的要求，真空脱气时间需大于20分钟。
步骤(2)中，采用大方坯连铸机将低合金钢浇铸得到连铸坯，浇铸过程中采用氩气保护，连铸坯优选为方坯，直径为300-450mm，通过调整连铸过程中拉速、冷却及末端轻压下参数达到控制连铸坯心部碳偏析低于1.05；采用二火成材工艺，将连铸坯于1100-1250℃温度下初轧开坯为直径为150-250mm方坯料。进一步优选地，所述方坯料还可以经涡流探伤、磁粉探伤、砂轮修模、补充磁粉探伤及修模后，入加热炉加热，加热控制在950-1100℃，保温时间为1.5-2.5h。
步骤(3)中，高速线材轧制过程中控制轧制速度为20-60m/s。在线温度控制优选方案为：精轧机组进口温度为920-990℃，减定径机组进口温度为920-990℃，吐丝温度为860-960℃。得到的盘条横截面直径Ф为10-15mm。
步骤(4)中，通过调整斯太尔摩线风机风量控制盘条组织转变，优化盘条组织。优选地，所述斯太尔摩线风机为14台风机，分别为F1-F14风机：F1-F8风机风量为80-100％，F9-F12风机风量为75-100％，F13-F14风机风量为0-45％。14台风机依次排列，盘条先后经过14台分机冷却。经斯太尔摩线风机处理冷却后盘条组织中索氏体含量高于90％，无马氏体异常组织，有利于后续钢丝拉拔。
步骤(5)中，将盘条浸渍在铅浴或盐浴中，先后进行奥氏体加热和等温处理，奥氏体加热温度为910-1050℃，加热时间为4～20min；等温处理温度为520-610℃，等温处理时间为15～300s。所述铅浴的组成为纯的金属Pb；所述盐浴的组成为硝酸盐，如NaNO3等，对盐浴成分不做要求，只要能达到等温处理所需的520-610℃温度即可。
本发明还提供了所述钢丝加工用高强高塑性盘条在桥梁缆索中的应用，尤其是大跨径桥梁缆索中的应用。
有益效果
本发明得到的盘条显微组织主要以索氏体为主(索氏体化率≥96％)，心部碳偏析低于1.05，索氏体组织中片层间距分布范围为为50-300nm，组织中无明显晶界网状渗碳体、马氏体组织。盘条抗拉强度可达1400MPa以上，同时具有良好的塑性，面缩率高于25％以上。
采用上述成分和制造方法生产的盘条经拉拔、镀锌、稳定化处理后，可生产出1960MPa等级的桥梁缆索用镀锌钢丝，同时钢丝具有良好的强韧性匹配，扭转值高于8次，可满足大跨径桥梁缆索的生产要求。
具体实施方式
实施例1低合金钢的制备
按照表1中A1-A11的化学组成进行配比，经过电炉冶炼后进行LF炉精炼和VD处理，得到各组成符合表1中化学组成的低合金钢A1-A11。出钢前喂入Si-Ca线进行夹杂物变性处理，喂入量为2m/吨钢。
对比例1低合金钢的制备
按照表1中B1-B3的化学组成，参照实施例1的制备方法，得到低合金钢B1-B3。
实施例2钢丝加工用高强高塑性盘条的制备
将低合金钢A1-A11、B1-B3分别制备得到钢丝加工用高强高塑性盘条A1-A11、B1-B3，制备方法包括如下步骤：
(1)采用大方坯连铸机在氩气保护下将低合金钢A1-A5、B1-B2浇铸为直径300mm的方形的连铸坯，将低合金钢A6-A8、B3浇铸为直径420mm的方形的连铸坯，将低合金钢A9-A11浇铸为直径450mm的方形的连铸坯，调整连铸过程中拉速、冷却及末端轻压下参数控制坯料心部碳偏析低于1.05。随后将A1-A7、B1-B3连铸坯于1100℃、A8-A11连铸坯于1250℃温度下分别初轧开坯为直径180mm和230mm方坯料。方坯料经涡流探伤、磁粉探伤、砂轮修模、补充磁粉探伤及修模后，入加热炉加热，其中A1-A5、B1-B2方坯料加热温度为960℃，A6-A8、B3方坯料加热温度为1000℃，A9-A11方坯料加热温度为1100℃；保温时间均为1.5h。
(2)方坯料经过高速线材轧制得到盘条，得到的盘条A1-A11、B1-B3的规格、显微组织和力学性能见表2。横截面直径为14～15mm的盘条控制轧制速度为20m/s、横截面直径为12～13.5mm的盘条控制轧制速度为28m/s，横截面直径为10～11.5mm的盘条轧制速度为45m/s。在线温度控制为：A1-A8、B1-B3精轧机组进口温度为950℃，A9-A11精轧机组进口温度为980℃；A1-A6、B1-B3减定径机组进口温度为920℃，A7-A8减定径机组进口温度为960℃，A9-A11减定径机组进口温度为990℃；A1-A5、B1-B2合金吐丝温度为880℃，A6-A11、B3合金吐丝温度为960℃。
(3)经过斯太尔摩线14台风机优化盘条组织：斯太尔摩线14台风机分量调整范围为：F1-F8风机风量为100％，F9-F12风机风量为75％，F13-F14风机风量为30％。14台风机依次排列，盘条先后经过14台分机冷却。
(4)对盘条进行铅浴(纯金属Pb)等温处理，盘条A1-A7、B1-B3奥氏体加热温度为930℃，时间为15min；等温处理温度为520℃时间为300s；。盘条A8-A10奥氏体加热温度为980℃，时间为20min；等温处理温度为560℃时间为200s；。盘条A11奥氏体加热温度为1050℃，时间为10min；等温处理温度为610℃，时间为100s，得到钢丝加工用高强高塑性盘条A1-A11、B1-B11，盘条的力学性能产品性能见表3。
表1本发明的低合金钢A1-A11、B1-B3的化学成分(wt％，余量为Fe)
表2本发明的盘条A1-A11、B1-B3的组织性能
盘条 盘条规格/mm 索氏体化率/％ 片层间距/nm
A1 10 96 50
A2 12 97 70
A3 14 96 300
A4 11 98 250
A5 13.5 96 200
A6 13 97 90
A7 12 99 280
A8 14 97 120
A9 12.5 98 200
A10 15 97 180
A11 10 97 200
对比例1 12 95 45
对比例2 13 98 150
对比例3 15 97 200
表3本发明的钢丝加工用高强高塑性盘条A1-A11、B1-B3的性能
将本发明得到的钢丝加工用高强高塑性盘条A1-A11、B1-3经9道次拉拔、钢丝镀锌、稳定化处理后(具体步骤参照《国产桥梁斜拉索用1770MPa镀锌钢丝制造技术的研究》，中国工程科学2009年第11卷第3期P57，桥梁缆索用热镀锌钢丝的性能要求与加工工艺金属制品2009年第35卷第2期P4)；得到成品钢丝抗拉强度、延伸率、扭转圈数，见表4。成品钢丝强度均高于1970MPa，扭转值为8-22次。
表4成品钢丝A1-A11、B1-B3的力学性能
本发明的高强度盘条经拉拔镀锌后可用于生产1960MPa级桥梁缆索。目前斜拉索桥跨度已超过1000m，而悬索桥跨度也已接近2000m，随着桥梁跨度的增加为降低建设成本、节约材料，均需采用高等级的镀锌钢丝缆索。该盘条的成功开发其市场前景广阔，必将带来巨大的经济效益。

Claims (10)

1.一种低合金钢，其特征在于，包括如下重量百分比的化学组成：
C：0.91-1.00％；
Si：0.90-1.70％；
Mn：0.25-0.57％；
Cr：0.30-0.70％
Ni：0.01-0.05％
Cu：0.01-0.08％
Al：0.010-0.025％；
Ti：≤0.005％；
Ca：≤0.001％
P：≤0.015％；
S：≤0.010％；
O：≤0.002％；
N：≤0.005％；
其余为Fe。
2.如权利要求1所述的低合金钢，其特征在于：还包括：Mo0.05-0.40％或B 0.0005-0.0010％。
3.如权利要求1或2所述的低合金钢，其特征在于：Mn、Ni、Cu的重量百分比满足如下公式：0.30≤[Mn]+0.5*([Ni]+[Cu])≤0.60，公式中的[Mn]代表Mn的重量百分比乘以100，[Ni]代表Ni的重量百分比乘以100，[Cu]代表Cu的重量百分比乘以100。
4.如权利要求1或2所述的低合金钢，其特征在于：该低合金钢具有细化的索氏体组织，索氏体化率高于96％，索氏体组织中片层间距均值为50-300nm，组织中无明显晶界网状渗碳体、马氏体组织。
5.一种钢丝加工用高强高塑性盘条，其由权利要求1-4中任一项所述的低合金钢制备得到。
6.权利要求5所述的钢丝加工用高强高塑性盘条的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)通过冶炼得到所述低合金钢；
(2)将低合金钢浇铸得到连铸坯、经过初轧开坯得到方坯料；
(3)方坯料经过高速线材轧制得到盘条；
(4)经过斯太尔摩控冷优化盘条组织；
(5)经过奥氏体加热和等温处理，得到钢丝加工用高强高塑性盘条。
7.如权利要求6所述的制备方法，其特征在于：步骤(2)中，采用大方坯连铸机将低合金钢浇铸得到连铸坯，浇铸过程中采用氩气保护，连铸坯优选为方坯，直径为300-450mm，通过调整连铸过程中拉速、冷却及末端轻压下参数达到控制连铸坯心部碳偏析低于1.05；采用二火成材工艺，将连铸坯于1100-1250℃温度下初轧开坯为直径为150-250mm方坯料。
8.如权利要求6所述的制备方法，其特征在于：步骤(3)中，高速线材轧制过程中控制轧制速度为20-60m/s；在线温度控制方案为：精轧机组进口温度为920-990℃，减定径机组进口温度为920-990℃，吐丝温度为860-960℃；得到的盘条横截面直径为Ф10-15mm。
9.如权利要求6所述的制备方法，其特征在于：步骤(5)中，将盘条浸渍在铅浴或盐浴中，先后进行奥氏体加热和等温处理，奥氏体加热温度为910-1050℃，加热时间为4～20min；等温处理温度为520-610℃，等温处理时间为15～300s。
10.如权利要求5所述钢丝加工用高强高塑性盘条在桥梁缆索中的应用。
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