超高強度鋼絲及其熱處理

■ 孫寧，馮偉年

在相同荷載條件下，提高鋼絲強度，可以減少鋼絲的用量，20世紀末強度達4000MPa的鋼簾線就已經在工業中得到應用，其后5000MPa的超高強度鋼絲也在研制。鋼絲的強度主要是由其化學成分、熱處理后的組織和拉拔的變形率三個參數共同決定的，鋼的純凈度則是其必需的條件。

1. 鋼的化學成分

眾所周知，高碳鋼絲的強度大于低碳鋼絲。碳對鋼絲強度的影響最明顯，鋼絲的強度隨著含碳量增加而提高，伸長率和面縮率則下降；冷塑性變形的加工性隨之降低。高強度鋼絲中的含碳一般在共析點附近，或略高過共析成分。

高強度鋼絲中，碳之外較少有合金成分（彈簧鋼絲、軸承鋼絲等特殊用途的除外）。 高強度鋼絲在冷拔前都要進行等溫處理索氏體化，大部分合金元素會使奧氏體等溫轉變的C曲線右移，使得等溫分解的孕育期和分解的完成時間都會增加，現在鋼絲行業中仍主要以鉛槽作為等溫分解設備，由此鉛浴爐將要成倍地加長，一般是無法實現的。

超高強度鋼簾線中一般加入0.3%左右的Cr（質量分數），使得在提高強度的同時，較少地降低減面率。這是因為鉻可以阻滯片狀滲碳體向球狀滲碳體轉化，減緩滲碳體的長大，增強冷態變形的強化作用，有較高硬化率，在相同的變形量條件下，可以提高強度。鉻對變形強化的影響如圖1所示，鉻對面縮率的影響如圖2所示。由于鉻也會使C曲線向右移，因此在索氏體處理過程中要比碳鋼的等溫時間長。

圖2 鉻對面縮率的影響（0.82%碳鋼）

2. 熱處理

鋼絲熱處理的目的是為后續進一步拉撥提供冷變形的組織準備。在獲得高塑性的同時具有適當的強度，并在此基礎上經變形強化達到最終的強度。據相關文獻可知：強度4000MPa的鋼簾線，其熱處理強化的貢獻率為35%（1400MPa），拉拔強化為65%（2600MPa）。索橋用鋼絲的熱處理強化貢獻率為68%，拉伸強化為32%，其最終強度為2000MPa，如圖3所示。由此可見，熱處理是高強度鋼絲生產中的重要環節。

（1）索氏體化 高強度鋼絲的預備熱處理一般是索氏體化。索氏體是細小片狀鐵素體和彌散滲碳體的混合物，在變形過程中，鐵索體伸長，片間距減小。

圖1 鉻對強度的影響

圖3 不同直徑、不同強度鋼絲的鉛浴淬火與鋼絲拉拔的強化率1—直徑0.2mm，強度2800MPa2—直徑0.2mm，強度4000MPa3—直徑5mm，強度2000MPa

由索氏體的片間距與過冷度的關系可知，索氏體等溫分解的過冷度越大，則片間距越小，強度相應提高。目前鋼絲生產中的索氏體化，主要是將鋼絲加熱到900℃左右，然后浸入500～560℃的鉛浴中等溫分解。隨著高溫鋼絲的不斷進入，鉛浴溫度逐漸升高，其入口處溫度最高，過冷度也是不斷變化的，由此導致熱處理后鋼絲的通條性不好，性能不均勻。

（2）晶粒度 晶粒細化是強化的手段之一，快速加熱在熱處理過程中可得到超細晶粒。接觸電加熱和感應加熱都是適用于鋼絲熱處理的快速加熱方式。低碳鋼的晶粒尺寸與面縮率的關系曲線如圖4所示，從中可看出，細晶粒的面縮率明顯大于粗晶粒的面縮率，說明細晶粒組織可經受更大的變形率，變形量越大，則強度越高。

（3）設備與工藝 鋼絲快速感應加熱索氏體化成套設備，將f2.19mm的82B鋼絲進行索氏體化處理，加熱速度800℃/s左右，保溫2s，加熱溫度860℃左右；水霧冷卻索氏體化，冷卻溫度600℃，冷卻時間0.8s。晶粒度為12～14級，索氏體的片間距100～200 nm，索氏體化率大于95%，抗拉強度σb= 1199 MPa，伸長率δ=13.5%， 面縮率55%，然后拉拔至f0.55mm，減面率為93.7%，抗拉強度σb=2520MPa，進一步拉拔至f0.42mm，減面率為96.3%，抗拉強度σb=3030MPa。其中熱處理強化占39.2%，拉拔變形的強化為60.8%。由于缺乏模具未做進一步的拉拔，因快速加熱導致晶粒的細化，使拉拔的變形率達96.3%。

（4）下貝氏體化 鋼絲索氏體化后，可以獲得良好的塑性，適應于進一步拉拔變形，但是索氏體的強度很少能超過1300MPa，對于超高強度鋼絲，顯然無法滿足需要。

下貝氏體化的強度比索氏體化高20%～40%，可達1400～1800 MPa，仍然有良好的塑性，按熱處理強化占35%的比例，則下貝氏體經拉拔強化后的強度可達4500～5000MPa，是超高強度鋼絲最有可選擇前景的熱處理方法。

高碳鋼絲加熱至奧氏體化后，在350℃至Ms之間等溫分解為下貝氏體。

提高下貝氏體的塑性，以適應進一步的拉拔變形，是獲得超高強度的重要步驟。

等溫分解后的下貝氏體進行快速加熱回火，采用感應加熱快速回火，加熱時間0.5～1s，加熱速度大于500℃/s，可避免碳化物的積聚、粗大，導致塑性下降。索氏體與下貝氏體熱處理和拉拔后的性能對比見附表。

圖5 0.9%碳鋼壓縮比對強度的影響

3. 加工強化

鋼絲的強度是由最終的拉拔強化決定的，變形率與強化之間在壓縮比為ε=90%左右時，近似地呈線性關系。當ε＞90%后，強化作用陡然上升。要獲得3500 MPa以上，壓縮比應大于95%（見圖5）。

進行大變形量的拉拔，有如下的條件：

（1）高的治金質量，高的鋼材純潔度。雜質、氣體特別是非金屬夾雜物要控制在規定的范圍內，要用Ca-Si脫氧，最好采用電磁攪拌，減少偏析。

（2）當總變形量的壓縮比95%以上時，應采用多次小變形量拉拔，每次拉拔的減面率為13%～17%。

（3）最后拉拔前的熱處理，應當是超細晶粒的，或經快速回火的下貝氏體，其中沒有殘留奧氏體。

圖4

索氏體與下貝氏體熱處理和拉拔后的性能對比

（4）鋼絲的表面應有良好的潤滑及合理的拉絲模結構。

4. 結語

超高強度鋼絲是在充分發揮熱處理和拉拔加工的基礎上得到的，熱處理是為鋼絲拉拔前具有高塑性和較高強度提供預備組織，為鋼絲進行高變形率的加工拉拔增加變形強化創造條件。

（1）采用快速加熱奧氏體化，加熱速度為500℃/s以上，獲得晶粒度為12～14級的超細晶粒組織。

（2）等溫熱處理時應采用快速冷卻，從奧氏體冷卻到等溫區的時間為0.5～1s，獲得間距小的層狀索氏體，避免出現先析滲碳體。

（3）在等溫轉變區應有足夠的等溫轉變時間，使過冷奧氏體得以充分轉變。

（4）由于下貝氏體的強度比索氏體高20%～40%，塑性接近，采用下貝氏體作為拉拔前的預備組織，是生產超高強度鋼絲的新方向。

當下貝氏體處理后的強度σb=1600MPa時，拉拔強化的貢獻為65%，則最終強度可達4500MPa。有文獻報道： 80鋼絲經240～250℃等溫處理后的強度可達2100～2200MPa，在此基礎上拉拔變形，則鋼絲強度可望達到或超過5000MPa。