CN112246901A - 缆索用高扭转镀层钢丝的生产方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种缆索用高扭转镀层钢丝的生产方法，包括如下步骤：1)拉拔前处理：对盘条进行酸洗、清洗和磷化处理；2)连续冷拉拔：对前处理所得盘条进行连续多道次冷拉拔处理，单道次压下率不超过20％，拉拔速度为0.95～1.05m/s，在拉拔过程控制钢丝温度≤220℃，拉拔后钢丝均为形变索氏体组织，同一横截面上的划痕不超过2条，且最大划痕深度≤100μm；3)超声波冲击振荡处理：采用超声冲击设备对拉拔后钢丝进行冲击振荡处理，消除冷拔过程中造成的钢丝变形不均；4)热镀：对超声波冲击振荡处理后的钢丝进行热镀处理得到镀层钢丝。按本发明方法生产的镀层钢丝具备高扭转和低强度波动的特点，满足桥梁缆索要求。

Description

缆索用高扭转镀层钢丝的生产方法
技术领域
本发明涉及一种钢丝的生产方法，特别是指一种缆索用高扭转镀层钢丝的生产方法。
背景技术
桥梁缆索采用镀层钢丝编制而成，而镀层钢丝是由原始盘条经过多道深加工处理而成。由于桥梁缆索服役环境复杂多变，而桥索直接承载着整座桥梁工程，是桥梁工程的“生命线”，所以镀层钢丝性能要求极为严苛，包括强度、扭转、缠绕、弯曲等，其中扭转和强度要求最为严苛，是桥索加工制造行业遇到的瓶颈问题。一般而言，钢丝的扭转要求为≥12圈，强度极差要求为≤20MPa(连续10根拉伸样)，这对钢丝的组织均匀性是一个极大的考验。
冷拔钢丝由原盘条经过连续冷拉拔而成，盘条原始组织为索氏体，经过冷拉拔后，钢丝显微组织为形变索氏体，由于盘条在拉拔过程中表层变形程度最大，因此表层钢基中的形变索氏体更不稳定，在热镀受热条件下极易发生回复退化，钢基表层与心部的组织差异会造成钢丝性能波动，极大地影响钢丝的扭转和强度极差，导致无法满足桥梁缆索要求。扭转试验是考核材料组织均匀性的一种手段，当钢丝试样的表层与心部组织存在差异时，在扭转试验的过程中会在组织之间产生应力集中，进而加速扭转失效；而且由于钢基内部组织的差异会导致不同位置的钢丝强度波动过大。通过改善钢丝试样的组织均匀性是保证其高扭转和低强度波动的主要手段。
中国专利文献CN101875059A公开了一种制造φ5.0mm1860MPa超高强度热镀锌钢丝的方法，其工艺流程为：盘条复验→表面准备→拉丝→热镀锌→稳定化处理(低温回火处理)→检验。该方案主要深加工工序为拉拔+热镀锌+稳定化，属于常规工艺，仅适用于低强度级别材料，无法保证高强度(≥1960MPa)桥索钢的扭转性能。
中国专利文献CN109055679A公开了一种高强度高扭转桥索用镀锌钢丝及其制备工艺，包括：1)选用优质盘条；2)单道次或多道次预拉拔；3)离线热处理：采用盐浴、铅浴或水浴中的一种对步骤2)得到的盘条进行热处理；4)制丝得到成品镀锌钢丝。该方案增加了离线热处理工序，导致生产成本大幅增加，并影响生产节拍。
发明内容
本发明的目的在于提供一种可提高钢丝组织均匀性并生产出高扭转、低强度波动的缆索钢丝的缆索用高扭转镀层钢丝的生产方法。
为实现上述目的，本发明所设计的缆索用高扭转镀层钢丝的生产方法，包括如下步骤：
1)拉拔前处理：对盘条进行酸洗、清洗和磷化处理；
其中，酸洗是为了去除盘条表面的氧化铁皮，避免在拉拔过程中由于氧化铁皮剥落造成钢丝表面划伤；酸洗后对盘条进行清洗，以清洗盘条的表面酸液，为磷化处理做准备；磷化是为了在盘条表面形成一层磷酸盐薄膜，在后续拉拔过程中起到润滑的作用，减少材料与模具之间的擦伤；
经过上述处理后，盘条表面呈现暗灰色、无黑色氧化铁皮质点；
2)连续冷拉拔：对前处理所得盘条进行连续多道次冷拉拔处理，单道次压下率不超过20％，拉拔速度为0.95～1.05m/s，在拉拔过程控制钢丝温度≤220℃，避免因局部过热产生马氏体等异常组织；拉拔后钢丝均为形变索氏体组织，表面无肉眼可见缺陷，同一横截面上的划痕不超过2条，且最大划痕深度≤100μm；
3)超声波冲击振荡处理：采用超声冲击设备对拉拔后钢丝进行冲击振荡处理，冲击频率不低于20KHz，以消除冷拔过程中造成的钢丝变形不均；
4)热镀：对超声波冲击振荡处理后的钢丝进行热镀处理，得到高扭转镀层钢丝。
优选地，所述步骤1)中，酸洗、清洗和磷化处理均采用浸泡式处理方式；酸洗处理采用的酸洗介质采用浓度为15～20wt％的盐酸溶液，酸洗时间为6～8min，酸洗温度为25～35℃；清洗采用温度为70～85℃的热水，浸泡时间为2～3min；磷化时间为3～5min，磷化温度80～90℃。
优选地，所述步骤1)中，处理前盘条的化学成分按重量百分比计包括：C:0.80～1.10％，Si:0.2～1.2％，Mn:0.2～1.0％，P:≤0.025％，S:≤0.025％，Cu:≤0.15％，Cr:≤0.6％，Nb:≤0.15％，V:≤0.10％，Ti:≤0.10％，余量为Fe及不可避免的杂质。
优选地，所述步骤2)中，通过添加润滑粉和对拉丝模进行水冷处理来控制钢丝温度。
优选地，所述步骤3)中，超声冲击设备的冲击频率为30±5KHz，冲击电流为1.0±0.2A。冲击频率偏低难以达到预期效果，冲击频率偏高则提高了设备要求和生产成本。
优选地，所述步骤3)中，超声冲击设备的超声冲击头与钢丝垂直接触进行冲击振荡处理。
优选地，所述步骤3)中，超声冲击设备具有多个(两个及以上)超声冲击头，以一定角度间隔环绕钢丝分布(例如上、下各设置一个冲击头，又如三个冲击头间隔120°设置)，从钢丝横向对钢丝进行冲击振荡处理，避免单侧冲击时钢丝不同位置接收的超声冲击差异和两侧受力不平衡对钢丝组织均匀性的不利影响。
优选地，所述步骤4)中，热镀包括预热和涂镀两个阶段，均采用在线连续式处理，速度为15±0.2m/min。
进一步地，所述步骤4)中，预热介质为铅液，预热温度为420±15℃，预热过程主要目的在于去除钢丝表面拉拔润滑粉等杂质。
进一步地，所述步骤4)中，涂镀过程中采用纯锌作为介质，镀锌温度为465±10℃，镀锌后的钢丝自然风冷至室温。这里纯锌只是作为一个示例，不排除锌铝合金等其他镀层材料。
与现有技术相比，本发明的有益效果在于：
1)拉拔前对盘条进行酸洗、清洗和磷化处理，保证盘条表面无黑色氧化铁皮质点，具备拉拔条件；
2)在连续冷拉拔过程中，通过控制盘条温升来避免出现马氏体等异常组织，拉拔后钢丝表面无缺陷；
3)对冷拔钢丝进行超声波冲击振荡处理，消除冷拔过程中造成的钢丝变形不均，降低钢丝在后续热镀过程中组织回复退化程度差异，热镀后钢丝表层和心部组织均匀一致，保证热镀后钢丝高扭转和低强度波动；
4)本发明所生产的镀层钢丝具备高扭转和低强度波动，满足桥梁缆索要求(连续30根试样扭转≥12圈，连续10根抗拉强度极差≤20MPa)，合格率大幅度提升。
5)本发明所生产的镀层钢丝主要用于桥梁缆索，也可以用于其他对镀层钢丝组织均匀性、扭转和强度极差要求高的用途。
附图说明
图1为本发明所提供的镀层钢丝生产流程示意图。
其中：超声波发生器1、连接线2、超声冲击头3、冷拔钢丝4。
具体实施方式
下面通过具体实施例对本发明作进一步的详细说明。
如图1所示，本发明所提供的缆索用高扭转镀层钢丝的生产方法，其工艺流程为：拉拔前处理(酸洗→清洗→磷化)→连续冷拉拔→超声波冲击振荡处理→热镀(预热→涂镀)。
其中，拉拔前处理所采用的盘条的具体化学成分见下表1(按质量百分比计，不含Fe及不可避免的杂质)。
表1各实施例处理前盘条主要化学成分表
成分 C/％ Si/％ Mn/％ P/％ S/％ Cu/％ Cr/％ Nb/％ V/％ Ti/％
范围 0.80-1.10 0.2-1.2 0.2-1.0 ≤0.025 ≤0.025 ≤0.15 ≤0.6 ≤0.15 ≤0.10 ≤0.10
实施例1 0.87 0.30 0.85 0.015 0.010 0.08 0.03 - 0.04 -
实施例2 0.92 0.90 0.35 0.010 0.008 0.06 0.25 0.03 0.05 -
实施例3 0.82 0.25 0.80 0.018 0.012 0.09 0.10 - 0.06 0.03
超声波冲击振荡处理采用的超声冲击设备包括：超声波发生器1，用于将工频电流转换为超声频振荡信号，产生超声波振荡；连接线2，与超声波发生器1相连，将超声频振动信号转换为机械震动，不与冷拔钢丝4发生直接接触；超声冲击头3，与连接线2相连，且直接垂直作用于进行消除应力处理的冷拔钢丝4的表面。
为使钢丝受到均匀冲击，超声冲击头3的数量一般为2个或2个以上，环绕钢丝等角度分布。图1中，各实施例采用的冲击头数量为2个，分别与冷拔钢丝4的上侧面和下侧面垂直接触。
以下对各实施例分别进行说明。
实施例1
本实施例采用Φ14.0mm盘条试制1860MPa级Φ7.0mm镀层钢丝，具体步骤如下：
首先对盘条进行酸洗、清洗和磷化处理，均采用浸泡式处理。酸洗介质采用浓度为18wt％的盐酸溶液，酸洗时间为6.5min，酸洗温度为30℃；酸洗后对盘条进行热水清洗，热水温度为75℃，浸泡时间为2min；清洗后的盘条进行磷化处理，磷化时间为5min，磷化温度89℃。经过磷化处理后，盘条表面呈现暗灰色，无黑色氧化铁皮质点。
对Φ14.0mm盘条进行连续多道次冷拉拔处理，最大单道次压下率为18％，拉拔速度为0.95m/s，在拉拔过程中钢丝最高温度为185℃，拉拔后钢丝表面无肉眼可见缺陷，同一横截面上的划痕不超过2条，且最大划痕深度为80μm。
超声波冲击振荡处理过程中冲击频率30KHz、冲击电流1.1A。
对钢丝进行预热和涂镀处理，速度为15.2m/min，预热温度为425℃，镀锌温度为460℃，镀锌后的钢丝自然风冷至室温。
实施例2
本实施例采用Φ13.0mm盘条试制2000MPa级Φ6.2mm镀层钢丝，具体步骤如下：
首先对盘条进行酸洗、清洗和磷化处理，均采用浸泡式处理。酸洗介质采用浓度为15wt％的盐酸溶液，酸洗时间为8min，酸洗温度为32℃；酸洗后对盘条进行热水清洗，热水温度为73℃，浸泡时间为2.5min；清洗后的盘条进行磷化处理，磷化时间为3.5min，磷化温度85℃。经过磷化处理后，盘条表面呈现暗灰色，无黑色氧化铁皮质点。
对Φ13.0mm盘条进行连续多道次冷拉拔处理，最大单道次压下率为18％，拉拔速度为0.95m/s，在拉拔过程中钢丝最高温度为200℃，拉拔后钢丝表面无肉眼可见缺陷，同一横截面上的划痕不超过2条，且最大划痕深度为78μm。
超声波冲击振荡处理过程中冲击频率32KHz、冲击电流1.2A。
对钢丝进行预热和涂镀处理，速度为14.9m/min，预热温度为420℃，镀锌温度为455℃，镀锌后的钢丝自然风冷至室温。
实施例3
本实施例采用Φ12.5mm盘条试制1770MPa级Φ5.5mm镀层钢丝，具体步骤如下：
首先对盘条进行酸洗、清洗和磷化处理，均采用浸泡式处理。酸洗介质采用浓度为20wt％的盐酸溶液，酸洗时间为6min，酸洗温度为29℃；酸洗后对盘条进行热水清洗，热水温度为76℃，浸泡时间为3min；清洗后的盘条进行磷化处理，磷化时间为4min，磷化温度88℃。经过磷化处理后，盘条表面呈现暗灰色，无黑色氧化铁皮质点。
对Φ12.5mm盘条进行连续多道次冷拉拔处理，最大单道次压下率为19％，拉拔速度为0.95m/s，在拉拔过程中钢丝最高温度为180℃，拉拔后钢丝表面无肉眼可见缺陷，同一横截面上的划痕不超过2条，且最大划痕深度为95μm。
超声波冲击振荡处理过程中冲击频率28KHz、冲击电流1.1A。
对钢丝进行预热和涂镀处理，速度为15m/min，预热温度为425℃，镀锌温度为470℃，镀锌后的钢丝自然风冷至室温。
性能测试
对各实施例超声波冲击振荡处理(以下简称超声处理)前的冷拔钢丝、经过超声与热镀处理后的产品镀层钢丝，以及未经超声处理直接热镀所得对比镀层钢丝的扭转性能和强度极差进行测试。其中，扭转性能采用《GB/T239-1999金属线材扭转试验方法》进行测试，取连续30根钢丝进行试验，统计扭转性能范围；抗拉强度采用《GB-T228.1-2010金属材料拉伸试验第1部分：室温试验方法》，取连续10根拉伸样进行测试，计算得到抗拉强度极差(10根试样抗拉强度的最大值减去最小值)。
对各类试样分别取30根扭转试样和10根拉伸试样进行测试，扭转性能范围和强度极差测试结果详见下表2：
表2各实施例冷拔钢丝和镀层钢丝的关键性能表
Figure BDA0002687060700000081
表2中，冷拔钢丝是指未经超声冲击和热镀处理的钢丝，有超声冲击处理镀层钢丝是指经过本发明各步骤制备得到的镀层钢丝产品，而无超声冲击处理镀层钢丝与有超声冲击处理镀层钢丝相比仅缺少超声波冲击振荡处理步骤。“是否满足要求”指的是桥梁缆索要求，即连续30根试样扭转≥12次，连续10根拉伸强度极差≤20MPa。
通过对比发现，经超声冲击处理后制得镀层钢丝的强度极差未发生较大变化，但是其扭转性能更为稳定，波动范围小，合格率更高。

Claims (10)

1.一种缆索用高扭转镀层钢丝的生产方法，其特征在于：包括如下步骤：
1)拉拔前处理：对盘条进行酸洗、清洗和磷化处理；
2)连续冷拉拔：对前处理所得盘条进行连续多道次冷拉拔处理，单道次压下率不超过20％，拉拔速度为0.95～1.05m/s，在拉拔过程控制钢丝温度≤220℃，拉拔后钢丝均为形变索氏体组织，同一横截面上的划痕不超过2条，且最大划痕深度≤100μm；
3)超声波冲击振荡处理：采用超声冲击设备对拉拔后钢丝进行冲击振荡处理，冲击频率不低于20KHz，以消除冷拔过程中造成的钢丝变形不均；
4)热镀：对超声波冲击振荡处理后的钢丝进行热镀处理，得到高扭转镀层钢丝。
2.根据权利要求1所述的缆索用高扭转镀层钢丝的生产方法，其特征在于：所述步骤1)中，酸洗、清洗和磷化处理均采用浸泡式处理方式；酸洗处理采用的酸洗介质采用浓度为15～20wt％的盐酸溶液，酸洗时间为6～8min，酸洗温度为25～35℃；清洗采用温度为70～85℃的热水，浸泡时间为2～3min；磷化时间为3～5min，磷化温度80～90℃。
3.根据权利要求1所述的缆索用高扭转镀层钢丝的生产方法，其特征在于：所述步骤1)中，处理前盘条的化学成分按重量百分比计包括：C:0.80～1.10％，Si:0.2～1.2％，Mn:0.2～1.0％，P:≤0.025％，S:≤0.025％，Cu:≤0.15％，Cr:≤0.6％，Nb:≤0.15％，V:≤0.10％，Ti:≤0.10％，余量为Fe及不可避免的杂质。
4.根据权利要求1～3中任一项所述的缆索用高扭转镀层钢丝的生产方法，其特征在于：所述步骤2)中，通过添加润滑粉和对拉丝模进行水冷处理来控制钢丝温度。
5.根据权利要求1～3中任一项所述的缆索用高扭转镀层钢丝的生产方法，其特征在于：所述步骤3)中，超声冲击设备的冲击频率为30±5KHz，冲击电流为1.0±0.2A。
6.根据权利要求1～3中任一项所述的缆索用高扭转镀层钢丝的生产方法，其特征在于：所述步骤3)中，超声冲击设备的超声冲击头与钢丝垂直接触进行冲击振荡处理。
7.根据权利要求1～3中任一项所述的缆索用高扭转镀层钢丝的生产方法，其特征在于：所述步骤3)中，超声冲击设备具有多个超声冲击头，以一定角度间隔环绕钢丝分布，从钢丝横向对钢丝进行冲击振荡处理。
8.根据权利要求1～3中任一项所述的缆索用高扭转镀层钢丝的生产方法，其特征在于：所述步骤4)中，热镀包括预热和涂镀两个阶段，均采用在线连续式处理，速度为15±0.2m/min。
9.根据权利要求8所述的缆索用高扭转镀层钢丝的生产方法，其特征在于：所述步骤4)中，预热介质为铅液，预热温度为420±15℃。
10.根据权利要求8所述的缆索用高扭转镀层钢丝的生产方法，其特征在于：所述步骤4)中，涂镀过程中采用纯锌作为介质，镀锌温度为465±10℃，镀锌后的钢丝自然风冷至室温。
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