模拟热镀锌的退火对冷拔珠光体钢丝组织和扭转性能的影响

苏红艳

(鹤壁职业技术学院建筑设计与工程学院，河南 鹤壁 458030)

镀锌钢丝是大型钢铁桥梁缆索的核心材料，要求其具备优良的强度、扭转性能和耐蚀性[1- 3]。其生产过程一般为：高碳钢线材经多道次连续拉拔后得到珠光体钢丝，然后再进行镀锌处理。热镀锌处理可以提高冷拔钢丝的耐蚀性能，但会严重影响其力学性能，特别是扭转性能[2]。

冷拔钢丝热镀锌过程中组织与性能的变化已有大量研究[4- 10]，组织变化主要为碳原子的扩散，包括片层状渗碳体的溶解和碳原子进入铁素体中并以纳米级碳化物颗粒重新析出，同时铁素体中的位错密度大幅度下降。铁素体中过饱和碳原子来源于渗碳体片层的溶解，Languillaume等[7]和Gridnev等[8]分别提出了界面能机制和碳原子位错交互机制以解释变形诱导渗碳体的溶解现象。Tariu等[9]的研究表明：镀锌加热过程中，冷拔钢丝中的碳原子扩散显著，铁素体中碳原子出现局部富集，铁素体内不同区域碳浓度差超过1%(原子分数)是钢丝扭转分层的原因。Fang等[10]通过对一种冷拔珠光体钢丝进行450 ℃退火处理，指出冷拔钢丝扭转性能恶化的组织原因是片状渗碳体溶解球化。因此，深入研究热镀锌过程中冷拔珠光体钢丝组织和性能的变化，从而抑制镀锌后钢丝扭转性能下降，对研发高强度镀锌钢丝具有重要意义。但目前对稳定和提高镀锌钢丝扭转性能方法的研究匮乏。

本文利用电阻炉对φ6.9 mm冷拔珠光体钢丝进行450 ℃不同保温时间的退火处理以模拟其热镀锌过程，研究了此过程中钢丝的显微组织和性能的变化，并对退火后扭转性能较差的钢丝进行预应力试验，确定了其扭转性能恶化的主要原因，以期指导国产桥索钢性能的提升。

1 试验材料及方法

试验材料为武钢生产的φ14.0 mm热轧盘条经连续冷拉拔至φ6.9 mm的钢丝，其化学成分如表1所示。拉拔总压缩率为75.7%(应变量ε=1.42)，单道次压下率最大不超过19.7%。冷拔钢丝的抗拉强度和扭转性能分别为2 095 MPa和24次。

表1 珠光体钢丝的化学成分(质量分数) Table 1 Chemical composition of the pearlitic steel wire (mass fraction) %

利用MSRA- 621型电阻炉对冷拔钢丝进行450 ℃退火处理，保温时间分别为0.5、1、2、3、5、15、30、60、120 min。采用CMT5105型电子万能试验机对退火前后的钢丝进行室温拉伸试验。采用CTT1000型扭转试验机测量钢丝的扭转性能，单向扭转，扭转速度为30 r/min，夹头间距为210 mm。采用Q60A+型维氏硬度计测量钢丝的截面硬度，每个试样测3个截面，测量位置为试样横截面几何圆心的两条垂直线，测量点间隔为0.5 mm，每条线测量13个有效点。利用FEI Siron- 400型扫描电镜(SEM)和JEM 2000 EX型透射电镜(TEM)观察钢丝退火后的截面形貌。

对经450 ℃×5 min退火的钢丝进行预应力试验。首先确定钢丝拉伸断裂时的破断力Fm；然后对试样进行预应力处理，预应力上限分别为70%Fm、80%Fm、85%Fm、90%Fm和95%Fm，当拉应力提高至预应力上限时立刻卸载；最后切除试样的夹口，再测试其扭转性能。

2 试验结果

2.1 抗拉强度和扭转性能

冷拔钢丝经450 ℃退火后的抗拉强度和扭转性能随保温时间的变化如图1所示。可以看出，在退火初期(0～5 min)，钢丝的抗拉强度基本在2 000 MPa以上，在约3 min时达到最大值2 105 MPa，之后大幅度下降。未退火钢丝的扭转性能为24次，扭转断口平齐；随着退火时间的延长，其扭转性能呈先降低后升高的趋势，在2～5 min范围内扭转性能降低至5次以下，扭转断口呈脆性斜劈状，钢丝表层出现分层；而后又逐渐回升至12次以上并保持稳定，断口平齐。

图1 钢丝抗拉强度和扭转性能随450 ℃退火时间的变化Fig.1 Variation of tensile strength and torsion property of steel wires with annealing time at 450 ℃

2.2 显微硬度

冷拔钢丝经450 ℃退火不同时间后的显微硬度如图2(a)所示。可以看出，钢丝横截面显微硬度存在一定波动，且近似沿第7测量点对称分布。

图2 450 ℃退火不同时间后钢丝的显微硬度Fig.2 Microhardness of steel wires annealed at 450 ℃ for different times

为定量表征钢丝横截面显微硬度的波动，以钢丝横截面显微硬度测量线上的极大值与极小值的差值作为该测量线的硬度极差。从图2(a)可以看出，450 ℃保温0、5和60 min钢丝的硬度均值与极差分别为(540、26 HV1)、(546、49 HV1)和(502、25 HV1)，据此得到钢丝经不同时间退火后的硬度均值和极差，如图2(b)所示。

对比图1和图2(b)可发现，钢丝的显微硬度均值与抗拉强度的变化趋势一致：随着保温时间的延长，硬度均值先小幅度波动后剧烈下降，在3～5 min内达到峰值。硬度极差与扭转性能的变化趋势相反：随着保温时间的延长，硬度极差先增大后减小，在2～5 min内达到最大，与低扭转性能区域重合。

2.3 显微组织

未退火和经450 ℃×5 min退火的冷拔钢丝的横截面SEM形貌如图3所示。如图3(a)所示，未退火钢丝的组织为完整连续的变形片层状珠光体。450 ℃×5 min退火钢丝的组织随着与表面距离的不同而变化，表层组织先发生退化；距表面约0.5 mm深处的片层状珠光体基本退化，片层长度显著减小，并且析出了纳米级碳化物颗粒，如图3(b)中箭头所示；距表面约1.5 mm深处，珠光体仍保持片层状结构，但片层的长- 宽比明显减小， 部分区域的片层退化为短杆状或颗粒状，如图3(c)中圆圈所示；距表面约2.5 mm深处，组织仍保持完整连续的珠光体片层结构，如图3(d)所示。

图3 未退火(a)和经450 ℃×5 min退火(b～d)的钢丝的横截面SEM形貌Fig.3 SEM micrographs of cross section of steel wires un- annealed(a) and annealed at 450 ℃ for 5 min(b～d)

连续片层状珠光体是钢丝获得高强度和高扭转性的组织保证。退火钢丝表层组织出现退化，形成的纳米级渗碳体颗粒可起到析出强化作用，但加热会加速位错运动和合并而降低位错密度[6]，因此在双重作用下钢丝的强度和硬度出现小幅度波动。随着加热时间的延长，钢丝组织退化区域扩大，片层状结构逐渐分解，退化为短杆状或颗粒状，导致材料强度和硬度显著下降。

450 ℃×120 min退火的钢丝距表面约0.5和2.5 mm处的横截面SEM形貌分别如图4(a)和4(b)所示，两处组织类似，片层状珠光体显著退化，片层状结构基本消失，对应钢丝的抗拉强度和扭转性能分别为1 797 MPa和13次，相较于冷拔钢丝，强度下降了约300 MPa，扭转性能降低了11次。

图4 经450 ℃×120 min退火的钢丝横截面SEM形貌Fig.4 SEM micrographs of cross section of steel wires annealed at 450 ℃ for 120 min

2.4 预应力试验

经450 ℃×5 min退火的冷拔钢丝的屈服强度Rp0.2和抗拉强度Rm分别为1 877和2 056 MPa，屈强比为0.913，扭转性能为3次，试样拉伸断裂时的破断力Fm=79.1 kN。该试样经不同上限的预应力处理后的扭转性能如图5所示。

图5 预应力处理对钢丝扭转性能的影响Fig.5 Effect of prestressing treatment on torsion properties of steel wires

在(70%～90%)Fm预应力作用下，钢丝的扭转性能未出现显著变化，均低于5次，扭转断口呈斜劈状；经95%Fm拉拔的钢丝的扭转性能大幅度提升至18次，扭转断口平齐。因此预应力处理使钢丝发生屈服，大幅度提高了其扭转性能。

经80%Fm和95%Fm预应力处理的钢丝的TEM图如图6所示。可见经80%Fm预应力处理的试样铁素体中的碳原子对位错起钉扎作用，如图6(a)中箭头所示。95%Fm预应力处理的试样由于发生了屈服，组织中原先被碳原子钉扎的位错产生脱钉，可移动位错密度大量增加，如图6(b)所示。此外，退火时析出的细小碳化物也能阻碍位错的运动。

图6 钢丝经不同上限预应力处理后的TEM形貌Fig.6 TEM micrographs of steel wires after different upper limit prestressing treatments

3 分析与讨论

冷拔钢丝在连续拉拔过程中会形成大量可移动位错，同时片层状珠光体得到细化。冷拔钢丝热镀过程中的组织变化主要为碳原子的运动[6,11- 12]，Watté等[11]从能量的角度解释：位错附近的能量状态较间隙处更低，当碳原子受热获得一定能量后，就越过能量势垒聚集于位错附近对其产生钉扎作用，可动位错密度降低。形变片状渗碳体经加热后会发生部分溶解，形成短杆状或颗粒状，而溶解至铁素体中的碳原子会以碳化物的形式析出。铁素体中的碳原子对位错产生钉扎作用，析出的碳化物颗粒周围形成位错塞积和缠结，均有强化效果，扭转性能下降。对经450 ℃×5 min退火的冷拔钢丝进行95%Fm预应力处理后，试样产生屈服，组织中被钉扎的位错脱钉，柯氏气团消散，位错恢复到自由状态，试样扭转性能大幅度提高。

冷拔钢丝加热后横截面硬度的波动和组织形貌观察均证明了冷拔钢丝表层和心部组织存在差异，冷拔钢丝显微硬度极差较大的退火时间范围(2～5 min)与低扭转性能区域重合，说明表层与心部组织差异是造成钢丝扭转性能恶化的主要原因。扭转过程中钢丝表层组织变形最大，表层和心部的组织差异会造成钢丝在扭转过程中产生应力集中，进而导致钢丝发生扭转分层，断口呈斜劈状。冷拔钢丝表层与心部组织差异的主要原因是在拉拔过程中表层组织变形量更大，储存能量更多，位错密度更高；在加热过程中表层组织受热程度更大，组织变化剧烈。

未退火冷拔钢丝的扭转性能为24次，经450 ℃×5 min退火后下降至3次，再经95%Fm预应力处理后又上升至18次。冷拔钢丝在退火过程中的组织变化主要为：渗碳体分解后的碳原子溶于铁素体对位错产生钉扎和过饱和碳原子以碳化物形式重新析出。退火后钢丝在预应力处理过程中的组织变化主要为：被钉扎位错发生脱钉恢复到自由运动状态，但碳化物颗粒仍能阻碍位错运动，因此经过预应力处理的钢丝的扭转性能得到改善(18次)，但无法恢复到冷拔钢丝状态(24次)。因此，铁素体中碳原子对位错的钉扎作用和碳化物的析出均会恶化钢丝的扭转性能，而碳原子对位错的钉扎作用是造成钢丝表层和心部组织差异，进而恶化其扭转性能的主要原因。

4 结论

(1)450 ℃退火时，随着保温时间的延长，冷拔钢丝的显微硬度均值与抗拉强度均小幅度波动后急剧下降；扭转性能整体上先下降后升高，低扭转性能对应的退火时间范围与横截面显微硬度极差较大的区域重合。

(2)冷拔钢丝450 ℃退火后表层与心部的组织差异是造成其扭转性能恶化的主要原因，该组织差异表现为片状渗碳体分解后碳原子溶于铁素体对位错产生钉扎和碳化物重新析出；导致该组织差异的主要原因是钢丝拉拔过程中表层组织变形量更大，储存能量更多，且加热过程中受热程度更大，组织变化剧烈。

(3)退火钢丝经95%Fm预应力处理后，碳原子对位错的钉扎作用消除，大量位错脱钉成自由状态，钢丝的扭转性能大幅度提升。