CN110066963B - 一种2000MPa级桥梁缆索镀锌钢丝及其制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种2000MPa级桥梁缆索镀锌钢丝及其制备方法。钢丝的化学成分按照重量百分比计包括：C 0.88‑0.94％、Si 1.05‑1.35％、Mn 0.40‑0.50％、Cr 0.25‑0.35％、Cu≤0.07％、余量为Fe和不可避免的杂质元素，还包括B 0.0005‑0.0015％、Nb 0.01‑0.03％和Mo 0.01‑0.03％中的任意一种或一种以上。该钢丝的制备方法包括盘条前处理、拉拔、热镀锌稳定化过程。通过对所使用盘条的化学成分、表面质量和夹杂物的严格控制，拉拔、热镀锌工艺优化，提高镀锌钢丝的扭转性能。本发明生产的镀锌钢丝抗拉强度可以达到2000MPa级以上，扭转值不小于18圈。
Description
技术领域
本发明属于桥梁缆索镀锌钢丝领域，具体涉及一种2000MPa级桥梁缆索镀锌钢丝及其制造方法。
背景技术
桥梁缆索镀锌钢丝作为索承式桥梁缆索核心部件，服役过程中始终处于拉扭受力状态，对其成分设计、组织、力学均匀性等都有极其苛刻的要求。
随着大跨度桥梁建设的飞速发展，在节约材料用量、降低生产成本、适应特大跨度桥梁建设方面，对桥梁缆索镀锌钢丝提出了超高强度、高扭转性能的要求(如悬索桥要求钢丝扭转值≥14圈，斜拉桥要求钢丝扭转值≥8圈)。随桥梁跨度的增加，全球范围内已开始设计使用1960MPa以上等级的桥梁钢丝，如我国正在建设的虎门二桥、杨泗港大桥、沪通大桥，都将使用1960MPa级和2000MPa级镀锌钢丝。目前国内各生产企业在生产高强度镀锌钢丝，尤其是生产1960MPa级以上级别的钢丝时都存在扭转合格率不高的问题。高强度桥梁缆索镀锌钢丝的稳定生产不仅需要原材料质量稳定，还需要钢丝的拉拔以及热处理过程相互匹配。
发明内容
本发明的目的在于提供2000MPa级桥梁缆索镀锌钢丝及其制造方法，通过对盘条的夹杂物以及表面缺陷严格控制，优化拉拔及镀锌工艺，生产得到抗拉强度在2000MPa以上，断后伸长率不小于5％，扭转值不小于18圈的桥梁缆索镀锌钢丝。
为实现上述发明目的，本发明采用了如下技术方案：
一种2000MPa级桥梁缆索镀锌钢丝，其特征在于，钢丝的化学成分按照重量百分比计包括：C 0.88-0.94％、Si 1.05-1.35％、Mn 0.40-0.50％、Cr 0.25-0.35％、Cu≤0.07％、余量为Fe和不可避免的杂质元素。
进一步，所述的2000MPa级桥梁缆索镀锌钢丝的化学成分还包括B0.0005-0.0015％、Nb 0.01-0.03％和Mo 0.01-0.03％中的任意一种或一种以上。
以下具体说明各元素的作用及原理：
C含量每增加0.01％，盘条强度约增加10MPa，碳含量超过一定范围容易引起中心碳偏析超标，造成盘条中心出现网状渗碳体等异常组织，影响钢丝的拉拔，因此C的范围选为0.88-0.94％。
Si是铁素体强化元素，Si含量大于0.7时能够显著的降低钢丝在镀锌过程中强度的损失。过多的Si会造成盘条表面的全脱碳，影响最终钢丝的疲劳寿命，同时Si含量过高会导致盘条塑性的下降。因此Si的范围选为1.05-1.35％。
Cr是强碳化物生成元素，它在钢中主要存在于渗碳体片层中通过置换作用形成合金渗碳体。Cr的添加，在相同的冷速下可以细化珠光体片层间距，提高盘条的抗拉强度。由于Cr提高了珠光体中渗碳体的稳定性，不利于钢丝在扭转过程中位错的传递，因此其添加量为0.25-0.35％。
Mn在钢中主要用于增加钢的强度，但如果Mn含量过高使得盘条的淬透性增加，容易造成盘条中淬火组织的出现，因此本发明中，Mn控制在0.40-0.50％。
加入微量B可以抑制P在晶界的偏聚，增加盘条的塑性，同时可以抑制晶界铁素体的形成。本发明中B控制范围在：0.0005-0.0015％。
Nb在钢种与C结合形成NbC，可以降低盘条心部网状渗碳体形成的几率。考虑到Nb在本发明钢种的溶解度，Nb控制范围在：0.01-0.03％.
Mo可以提高盘条的淬透性，减小珠光体片层间距，提高盘条的抗拉强度。过多的Mo容易在盘条中形成有害的马氏体组织。本发明中Mo含量控制在0.01-0.03％。
Al、Ti等元素的加入非常容易在钢水中形成尺寸较大的脆性夹杂物，在冷变形过程中形成微裂纹，影响钢丝的扭转性能，因此，除不主动添加Al、Ti合金元素外，还需要严格控制其它合金中带入的Al、Ti元素。
钢中其余残余元素如S、P、O、H、N、Cu、Ni等要尽可能的低，残余元素容易在晶界偏析，也容易增加钢中夹杂物的含量，同时一些元素也会降低钢材的耐蚀性。
上述2000MPa级桥梁缆索镀锌钢丝的制造方法，包括如下步骤：
(1)盘条的选取
盘条化学成分要求：化学成分按照重量百分比计包括：C 0.88-0.94％、Si1.05-1.35％、Mn 0.40-0.50％、Cr 0.25-0.35％、Cu≤0.07％、余量为Fe和不可避免的杂质元素，还包括B 0.0005-0.0015％、Nb 0.01-0.03％和Mo 0.01-0.03％中的任意一种或一种以上；
盘条表面质量要求：盘条表面缺陷深度控制在0.07mm以内；
盘条中夹杂物要求：长宽比不大于3的夹杂物最大长度不超过25μm；
(2)钢丝的前处理
进行盘条的酸洗与磷化，完全去除盘条表面的氧化皮并形成致密的磷化膜；
(3)钢丝的拉拔
根据盘条原始直径与成品钢丝直径，选择拉拔分配道次，钢丝拉拔过程中单道次最大减面量不超过上道次面积的18％，总压缩率不超过80％；
(4)钢丝的镀锌处理
拉拔后对钢丝进行浸锌热处理，锌液温度445-455℃，镀锌时间60-90s；
(5)稳定化处理
镀锌后对钢丝进行稳定化处理，稳定化处理的温度为375-385℃，时间为10-25s。
进一步，所述的2000MPa级桥梁缆索镀锌钢丝的制造方法中盘条表面质量要求金相裂纹、凹坑类表面缺陷在50μm以下。
进一步，所述的2000MPa级桥梁缆索镀锌钢丝的制造方法中夹杂物分析检测时单个样检测面积不小于100mm2。
进一步，所述的2000MPa级桥梁缆索镀锌钢丝的制造方法中钢丝的道次为7-10道次。
进一步，所述的2000MPa级桥梁缆索镀锌钢丝的制造方法中钢丝的拉拔出模温度不高于300℃。
更进一步，所述的2000MPa级桥梁缆索镀锌钢丝的制造方法中钢丝的抗拉强度大于2000MPa，断后伸长率不小于5％，扭转值不小于18圈。
2000MPa级桥梁缆索镀锌钢丝的制造方法的技术要点在于：使用优质原材料，对原材料盘条的夹杂物以及表面缺陷严格控制。优化拉拔道次，降低拉拔过程温度，同时配合特殊的镀锌工艺实现2000MPa级镀锌钢丝高强度、高扭转的要求。以下进行具体说明：
(1)本发明所使用原材料的化学成分必须严格控制，具体如上述各元素作用及原理的说明。
(2)本发明中盘条中的表面质量和夹杂物必须得到严格控制。
桥梁缆索镀锌钢丝最关键的性能指标为扭转性能。目前工程上镀锌钢丝的扭转圈数要求普遍达到8次以上。钢丝扭转测试对钢丝通条力学与组织均匀性要求非常高，钢丝中的脆性夹杂物因为其在盘条轧制与钢丝拉拔过程中的不可变形性，极易在钢丝中形成微裂纹，引起扭转过程中裂纹的快速扩展从而导致扭转失效。本发明中盘条内部最大脆性夹杂物尺寸控制在25μm以内。盘条表面的金相裂纹等表面缺陷会遗留到钢丝中，钢丝在扭转过程中表面的切应力最大，表面缺陷尤其是沿钢丝长度方向的裂纹对钢丝的扭转性能影响显著，因此钢丝表面的裂纹深度必须严格控制。随着钢丝强度的提高，钢丝的缺口敏感性提高。本发明中盘条表面缺陷深度控制在0.07mm以内。
(3)钢丝拉拔过程中单道次拉拔变形量过大会导致钢丝的近表面出现微裂纹，在后续扭转过程中形成裂纹源；同时，总压缩量过大容易导致钢丝的塑性降低，影响钢丝的延伸率。本发明中钢丝拉拔过程中单道次减面率不大于18％，总变形量不大于80％。
(4)本发明中钢丝的热镀锌过程会影响钢丝组织形态，进而影响钢丝在扭转过程中应力的传递。纯锌的熔点为419.5℃，钢丝的热镀锌温度一般都在450℃附近，在镀锌温度变化不大的情况下镀锌时间最为关键，对钢丝的组织形态影响非常大，进而直接影响了成品镀锌钢丝的扭转性能。本发明中钢丝的镀锌时间为60-90s。
与现有技术相比较，本发明具有如下有益效果：
1、本发明通过对所使用盘条的化学成分、表面质量和夹杂物的严格控制，减少由钢丝中的脆性夹杂物形成的微裂纹，避免扭转过程中裂纹快速扩展从而导致扭转失效。控制表面质量，特别是沿钢丝长度方向的裂纹，减小对钢丝的扭转性能影响。
2、本发明通过钢丝拉拔工艺优化，避免导致钢丝的近表面出现微裂纹，在后续扭转过程中形成裂纹源；通过对热镀锌的工艺优化，影响钢丝组织形态，进而影响钢丝在扭转过程中应力的传递，进而直接影响成品镀锌钢丝的扭转性能。
具体实施方式
以下对本发明中2000MPa级桥梁缆索镀锌钢丝及其制造方法进行进一步说明。
本发明中2000MPa级桥梁缆索镀锌钢丝的化学成分按照重量百分比计包括：C0.88-0.94％、Si 1.05-1.35％、Mn 0.40-0.50％、Cr 0.25-0.35％、Cu≤0.07％，余量为Fe和不可避免的杂质元素，此外化学成分还包括B 0.0005-0.0015％、Nb 0.01-0.03％和Mo0.01-0.03％中的任意一种或一种以上。
上述2000MPa级桥梁缆索镀锌钢丝的制造方法，包括盘条的选取、盘条酸洗、磷化、拉丝、镀锌以及稳定化过程。生产工艺详细如下：
1、盘条的选取
根据本发明要求的化学成分、表面质量及夹杂物要求选取盘条。
要求盘条的化学成分按如下范围控制：C 0.88-0.94％、Si 1.05-1.45％、Mn0.30-0.50％、Cr 0.20-0.35％、Cu≤0.07％；另外包括B 0.0005-0.0015％、Nb 0.01-0.03％和Mo 0.01-0.03％中的任意一种或一种以上，其余为Fe和不可避免的杂质元素。
对盘条的表面质量进行金相检测，每卷盘条头尾各取一段20cm的盘条，将表面氧化皮用盐酸去除后目视观察表面，如存在肉眼可见的裂纹等表面缺陷，则在缺陷最严重处取样；如无肉眼可见的裂纹则随机取样，头尾各做一支金相并观察盘条表面缺陷。要求盘条表面缺陷深度控制在0.07mm以内。表面金相裂纹、凹坑等表面缺陷在50μm以下。
使用夹杂物分析仪对盘条纵截面上的夹杂物进行检测，每炉盘条选头中尾三卷各取样1支，将盘条试样纵剖并制成磨抛，然后采用夹杂物分析仪对盘条中的夹杂进行分析，要求单个样检测面积不小于100mm2，要求长宽比不大于3的夹杂物最大长度不超过25μm。
2、钢丝的前处理
钢丝的前处理包括盘条的酸洗与磷化，要求完全去除盘条表面的氧化皮并形成致密的磷化膜。
3、钢丝的拉拔
根据盘条原始直径与成品钢丝直径，选择合理的拉拔分配道次，拉拔道次为7-10道次，拉丝出模温度不高于300℃。钢丝拉拔过程中其单道次最大减面量不超过上道次面积的18％，总压缩率不超过80％。
4、钢丝的镀锌处理
对钢丝进行浸锌热处理，锌液温度445-455℃，镀锌时间60-90s。
5、稳定化处理
镀锌后对钢丝进行稳定化处理，稳定化处理的温度为375-385℃，时间为10-25s。
经过上述制造方法制得的钢丝的抗拉强度大于2000MPa，断后伸长率不小于5％，扭转值不小于18圈。
以下结合实施例和对比实施例对本发明的技术方案作进一步说明。
实施例和对比实施例选取的盘条的化学成分如表1所示。
表1实施例和对比实施例中选取的盘条的化学成分(wt％)
| C | Si | Mn | P | S | Cr | Al | Cu | Nb | Mo | B | O/ppm | N/ppm | |
| 实施例1 | 0.93 | 1.05 | 0.45 | 0.010 | 0.005 | 0.26 | - | 0.05 | - | - | 0.0010 | 12.4 | 41.0 |
| 实施例2 | 0.91 | 1.15 | 0.45 | 0.012 | 0.003 | 0.25 | - | 0.05 | - | - | 0.0010 | 16.8 | 47.0 |
| 实施例3 | 0.91 | 1.10 | 0.45 | 0.012 | 0.003 | 0.30 | - | 0.03 | - | - | 0.0008 | 12.3 | 46.5 |
| 实施例4 | 0.90 | 1.25 | 0.50 | 0.009 | 0.002 | 0.27 | - | 0.04 | - | - | 0.0012 | 14.7 | 49.2 |
| 实施例5 | 0.93 | 1.07 | 0.46 | 0.009 | 0.003 | 0.25 | - | 0.01 | 0.02 | - | 0.0009 | 10.9 | 39.5 |
| 实施例6 | 0.92 | 1.18 | 0.48 | 0.009 | 0.002 | 0.25 | - | 0.005 | - | - | - | 8.5 | 35.9 |
| 实施例7 | 0.95 | 1.09 | 0.46 | 0.011 | 0.004 | 0.25 | - | 0.02 | - | - | - | 10.5 | 42.3 |
| 实施例8 | 0.90 | 1.25 | 0.50 | 0.009 | 0.002 | 0.27 | - | 0.06 | 0.03 | - | 0.0008 | 10.6 | 30.5 |
| 实施例9 | 0.94 | 1.30 | 0.35 | 0.011 | 0.003 | 0.32 | - | 0.04 | - | 0.01 | - | 9.2 | 39.2 |
| 实施例10 | 0.89 | 1.40 | 0.30 | 0.008 | 0.003 | 0.20 | - | 0.04 | - | 0.02 | 0.0012 | 8.2 | 38.5 |
| 对比实施例1 | 0.92 | 1.15 | 0.50 | 0.009 | 0.004 | 0.30 | 0.03 | 0.03 | - | - | 0.0015 | 9.2 | 41.2 |
| 对比实施例2 | 0.90 | 1.45 | 0.45 | 0.009 | 0.004 | 0.32 | - | 0.04 | - | - | 0.0012 | 12.1 | 39.4 |
| 对比实施例3 | 0.91 | 1.15 | 0.45 | 0.010 | 0.005 | 0.40 | - | 0.04 | - | - | 0.0008 | 8.7 | 37.5 |
| 对比实施例4 | 0.91 | 0.30 | 0.80 | 0.009 | 0.004 | 0.12 | - | 0.05 | - | - | 0.0008 | 13.5 | 48.3 |
| 对比实施例5 | 0.92 | 1.20 | 0.50 | 0.010 | 0.002 | 0.25 | - | 0.03 | - | - | 0.0008 | 14.5 | 43.5 |
| 对比实施例6 | 0.92 | 1.10 | 0.45 | 0.009 | 0.005 | 0.26 | - | 0.06 | - | - | 0.0010 | 12.3 | 39.2 |
| 对比实施例7 | 0.88 | 1.05 | 0.45 | 0.010 | 0.007 | 0.25 | - | 0.04 | - | - | 0.0012 | 11.2 | 41.5 |
| 对比实施例8 | 0.91 | 1.07 | 0.50 | 0.012 | 0.005 | 0.26 | - | 0.03 | - | - | 0.0009 | 13.0 | 47.2 |
| 对比实施例9 | 0.92 | 1.15 | 0.50 | 0.011 | 0.006 | 0.25 | - | 0.05 | - | 0.0010 | 15.3 | 35.1 | |
| 对比实施例10 | 0.89 | 1.22 | 0.50 | 0.012 | 0.007 | 0.32 | - | 0.03 | - | 0.05 | 0.0010 | 9.7 | 39.8 |
对实施例和对比实施例中盘条的表面质量进行金相检测，实施例中的盘条要求表面缺陷深度控制在0.07mm以内。表面金相裂纹、凹坑等表面缺陷在50μm以下。使用夹杂物分析仪对盘条纵截面上的夹杂物进行检测。实施例中中的盘条要求单个样检测面积不小于100mm2，要求长宽比不大于3的夹杂物最大长度不超过25μm。
实施例和对比实施例盘条中的最大脆性夹杂物(长宽比不超过3)长度、最大金相裂纹，凹坑深度、脱碳层厚度如表2所示。
表2实施例和对比实施例中盘条的表面质量和夹杂物
实施例和对比实施例中的盘条先经过酸洗磷化，完全去除盘条表面的氧化皮并形成致密的磷化膜；然后经过多道次拉拔，随后热镀锌与稳定化。钢丝拉拔、热镀锌及稳定化工艺参数如表3所示。
表3实施例和对比实施例中盘条拉拔、热镀锌及稳定化工艺参数
对实施例和对比实施例中制得的钢丝力学性能检测，检测按照国标GB/T 17107-2008进行。根据国标GB/T 17107-2008的要求，钢丝疲劳不低于200万次，测试至200万次钢丝不断则停止试验。最终成品镀锌钢丝的力学性能检测结果如表4所示。
表4实施例和对比实施例中镀锌钢丝的力学性能检测结果
| 抗拉强度，MPa | 伸长率，％ | 扭转值，次 | 疲劳次数，万次 | |
| 实施例1 | 2042 | 5.8 | 22 | ＞200 |
| 实施例2 | 2091 | 6.1 | 21 | ＞200 |
| 实施例3 | 2025 | 6.0 | 23 | ＞200 |
| 实施例4 | 2055 | 6.0 | 24 | ＞200 |
| 实施例5 | 2030 | 6.0 | 20 | ＞200 |
| 实施例6 | 2032 | 5.5 | 19 | ＞200 |
| 实施例7 | 2040 | 5.8 | 24 | ＞200 |
| 实施例8 | 2045 | 6.1 | 23 | ＞200 |
| 实施例9 | 2029 | 5.9 | 19 | ＞200 |
| 实施例10 | 2025 | 6.0 | 18 | ＞200 |
| 对比实施例1 | 2061 | 5.3 | 6 | ＞200 |
| 对比实施例2 | 2075 | 6.0 | 20 | 160 |
| 对比实施例3 | 2092 | 5.2 | 8 | ＞200 |
| 对比实施例4 | 1968 | 6.1 | 22 | ＞200 |
| 对比实施例5 | 2076 | 6.2 | 6 | 65 |
| 对比实施例6 | 2154 | 4.1 | 3 | ＞200 |
| 对比实施例7 | 2082 | 5.6 | 4 | ＞200 |
| 对比实施例8 | 2032 | 6.1 | 8 | ＞200 |
| 对比实施例9 | 2045 | 6.1 | 6 | ＞200 |
| 对比实施例10 | 2086 | 5.2 | 10 | ＞200 |
由表4可知，使用本发明所述制造方法生产的2000MPa级镀锌钢丝的各项性能指标均达到了国标GB/T 17101-2008中的相关要求。且钢丝的抗拉强度大于2000MPa，断后伸长率不小于5％，扭转值不小于18圈。
最后说明的是，以上实施例和对比实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管通过上述优选实施例已经对本发明进行了详细的描述，但本领域技术人员应当理解，可以在形式上和细节上对其做出各种各样的改变，而不偏离本发明权利要求书所限定的范围。
Claims (1)
1.一种2000MPa级桥梁缆索镀锌钢丝的制造方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)盘条的选取
盘条化学成分要求：化学成分按照重量百分比计包括：C 0.88-0.94％、Si 1.05-1.35％、Mn 0.40-0.50％、Cr 0.25-0.35％、Cu≤0.07％、余量为Fe和不可避免的杂质元素，还包括B 0.0005-0.0015％、Nb 0.01-0.03％和Mo 0.01-0.03％中的任意一种或一种以上；
盘条表面质量要求：盘条表面缺陷深度控制在0.07mm以内，金相裂纹、凹坑类表面缺陷在50μm以下；
盘条中夹杂物要求：长宽比不大于3的夹杂物最大长度不超过25μm，夹杂物分析检测时单个样检测面积不小于100mm2；
(2)钢丝的前处理
进行盘条的酸洗与磷化，完全去除盘条表面的氧化皮并形成致密的磷化膜；
(3)钢丝的拉拔
根据盘条原始直径与成品钢丝直径，选择拉拔分配道次，钢丝拉拔过程中单道次最大减面量不超过上道次面积的18％，总压缩率不超过80％，拉拔道次为7-10道次；所述钢丝拉拔过程中出模温度不高于300℃；
(4)钢丝的镀锌处理
拉拔后对钢丝进行浸锌热处理，锌液温度445-455℃，镀锌时间60-90s；
(5)稳定化处理
镀锌后对钢丝进行稳定化处理，稳定化处理的温度为375-385℃，时间为10-25s；
通过上述方法制造的钢丝的化学成分按照重量百分比计包括：C 0.88-0.94％、Si1.05-1.35％、Mn 0.40-0.50％、Cr 0.25-0.35％、Cu≤0.07％，余量为Fe和不可避免的杂质元素，钢丝的化学成分还包括B 0.0005-0.0015％、Nb 0.01-0.03％和Mo 0.01-0.03％中的任意一种或一种以上；所述钢丝的抗拉强度大于2000MPa，断后伸长率不小于5％，扭转值不小于18圈。
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