橋梁用鋼絲繩QS82Mn 熱處理工藝探索

馬亞芹*，秦龍凱

（貴州師范大學材料與建筑工程學院，貴州貴陽，550001）

橋梁用鋼絲繩QS82Mn 熱處理工藝探索

馬亞芹*，秦龍凱

（貴州師范大學材料與建筑工程學院，貴州貴陽，550001）

隨著橋梁跨度增加，對橋梁用鋼絲繩的強度要求越來越高，國外橋梁用鋼絲抗拉強度可以達到了2000MPa以上。我國高強度橋梁纜索用鋼絲繩一般用QS82Mn鋼，抗拉強度≥1180MPa，斷面收縮率≥32%，具有高強度和良好的塑形。本文采用離線奧氏體化和兩段鹽浴的方法對QS82Mn盤條進行熱處理，探討不同奧氏體化溫度對鋼絲盤條組織性能的影響，通過對風冷后的QS82Mn盤條進行離線鹽浴熱處理，來提高盤條的抗拉強度以及組織均勻性，獲得珠光體片層間距138nm，抗拉強度達到1374Mpa，斷面收縮率40.6%，具有良好的強韌性配合。從而得到最佳的熱處理工藝。

鋼絲繩；組織；強度；韌性；熱處理工藝

引言

世界上新建橋梁跨越來越大，對橋梁用鋼絲繩綜合性能提出了越來越高的要求。國外橋梁用鋼絲抗拉強度可以達到了2000MPa以上。我國高強度橋梁纜索用鋼絲繩一般用 QS82Mn鋼，其化學成分如表1：

表1 QS82Mn化學成分

自然時效后力學性能規定為：抗拉強度≥1180MPa，斷面收縮率≥32%。對橋梁用鋼絲繩要求索氏體化率大于85%，從而具有高強度和良好的塑形。目前獲得索氏體組織普遍采取連續冷卻珠光體轉變，隨冷卻過程的進行將依次發生珠光體、索氏體、屈氏體（索氏體是細片狀珠光體，屈氏體是更細片狀珠光體）轉變，層片間距越來越細，產生組織不均勻，導致索氏體化率降低。本文采用離線奧氏體化和兩段鹽浴的方法對 QS82Mn盤條進行熱處理，鹽浴索氏體化工藝加工過程中發生的是等溫轉變，索氏體片層間距大小一致，組織均勻性也得到了較大的提高。通過查閱相關文獻并結合生產實踐經驗，對直徑為14mm的QS82Mn熱軋原始盤條設置了四組奧氏體化溫度：900℃、920℃、940℃、960℃；四組等溫轉變溫度480℃、500℃、520℃、550℃，使用44%NaCl+56%MgCl2鹽浴熔鹽，熔點為430℃，使用溫度條件為450-800℃，探討不同熱處理工藝條件對鋼絲盤條組織性能的影響，從而制定合適的熱處理工藝。

1 熱處理

用箱式電阻爐，分別將直徑為14mm的圓棒形狀的實驗鋼材加熱到 900℃、920℃、940℃、960℃奧氏體化，在奧氏體溫度下保溫30min分鐘，將加熱后的鋼材放在500℃鹽浴爐中進行第一步冷卻，冷卻20秒后立即將實驗材料轉移到恒溫鹽浴爐，分別在520℃、500℃、550℃和480℃鹽浴爐中進行第二步冷卻，在恒溫溶液浴中等溫10分鐘將實驗材料拿出來放在水中進行冷卻。采用兩步法鹽浴熱處理，主要是使鹽浴中的溫度場更均勻穩定，降低鹽浴過程中溫度的波動。

2 奧氏體化溫度對盤條珠光體球團尺寸大小的影響：

由固態相變理論知道，奧氏體晶粒、珠光體團直徑、片間距均影響鋼強度和塑性。隨珠光體片間距及珠光體團直徑減小，珠光體的強度、硬度及塑性均提高，隨著珠光體形成溫度的變化，珠光體片間距的變化遠大于珠光體團直徑的變化，因此片間距的影響更為重要，珠光體片間距減小時，鐵素體與滲碳體片都變薄相界面增多，在外力的作用下，抗塑性變形能力增大，且由于鐵素體和滲碳體片都很薄，在外力作用下可以滑移而產生塑性變形，也可以彎曲，使鋼的塑性變形能力增大。珠光體團直徑減小，則單位體積內層片排列方向增多，使局部發生大量塑性變形而引起的應力集中的可能性減少，因此既提高了強度又提高了塑性。

原始奧氏體晶粒細小（由奧氏體化溫度決定，溫度越高奧氏體晶粒越粗大），單位體積內的晶界面積增大，珠光體形核部位增多，將促進珠光體的形成，而導致珠光體團直徑變小，有利于提高鋼的強度。 珠光體團直徑和片間距越小，強度越高，同時塑性也越大。

珠光體球團大小和層片間距通過5000倍和20000倍的掃描照片進行統計,如圖1所示，,保溫時間均為 10min，隨奧氏體化溫度升高，珠光體團直徑呈線性增加，因為溫度越高，奧氏體晶粒尺寸越大，導致珠光體團直徑也越大。

圖1 熱處理密珠光體球團尺寅的影響

圖中可以看出，隨著等溫轉變溫度的降低，珠光體球團尺寸隨著等溫轉變溫度的降低而呈現減小趨勢。因為等溫轉變溫度越低，奧氏體向珠光體相轉變的過冷度增大，珠光體形核位置也增多，碳擴散速度減慢，減小珠光體片層生長空間和減慢珠光體長大的速度，從而使珠光體球團尺寸變小。通過性能測試篩選了4組熱處理溫度組合進行珠光體層間距與珠光體球團尺寸測試，結果如下表2：

表2 珠光體球團及層間距尺寅

對應的顯微組織如圖2

圖2 不同熱處理工藝下QS82Mn盤條的顯微組織

比較四種組織可以看出，（c）圖珠光體層之間的距離比（a）（b）小，組織比（d）均勻，（d）珠光體層間距小，但由于等溫轉變溫度過低，碳擴散困難，組織不均勻，有時產生部分貝氏體，影響線材的機械性能，

3 力學性能測試

對不同層間距、索氏體化率、珠光體球團進行力學性能測試，將16組試驗數據進行線性擬合，討論高碳鋼盤條組織對性能影響，如圖3。圖3-（a）索氏體轉化率隨著珠光體片層間距的增加而降低，圖3-（b）顯示斷面收縮率隨著片層間距的增加而降低，圖3-（c）顯示出抗拉強度隨著片層間距的增加而略微的降低。圖3-（d）為斷面收縮率隨著珠光體球團尺寸增加而降低，而且隨著奧氏體化溫度的升高，斷面收縮率減小的傾向越來越小。

圖3 珠光體組織與盤條性能的關系

通過微電腦電子萬能試驗機測試不同鹽浴熱處理后的線材的拉伸強度，伸長率，截面收縮率和應力 - 應變曲線。原絲線拉伸強度為1324MPa，截面收縮率為38.3%。

奧氏體化和等溫轉變后，各種熱處理條件下的機械性能如圖4所示。

圖4-（a）不同熱處理條件下鋼絲的拉伸強度，總體趨勢是隨著鹽浴熱處理溫度的升高，鋼絲的抗拉強度呈下降趨勢。 對于較低的奧氏體化溫度，例如900℃和 920℃，在 480℃的等溫轉變溫度下的低鹽浴熱處理下，拉伸強度相對較低，偏離正常趨勢。從圖中可以明顯地看到，伴隨著鹽浴等溫熱處理溫度的升高，不同奧氏體化溫度對鋼絲抗拉強度的影響逐漸減小。只有960℃-480℃組合和 920℃-500℃這兩個組合的鹽浴熱處理之后的鋼絲盤條強度高于原始鋼絲盤條的抗拉強度。

圖4-（b）是鹽浴的等溫轉變溫度對截面收縮的影響。 隨著溫度的升高，截面收縮率呈下降趨勢，不同奧氏體化溫度對收縮率的影響逐漸降低。

920℃離線奧氏體化、500℃鹽浴等溫的盤條具有最好的索氏體相強化效果，所以具有最高的強度，抗拉強度達到 1374MPa,斷面收縮率40.6%。

圖4(a) 熱處理密盤條抗拉強度(b) 斷面收縮率

4 結束語

通過對風冷后的QS82Mn盤條進行離線鹽浴熱處理工藝，來提高盤條的抗拉強度以及組織均勻性。利用離線奧氏體化和兩段式鹽浴熱處理工藝，采取顯微組織和力學性能等觀察檢測分析得到以下結論：

大多數經過鹽浴熱處理的 QS82Mn盤條索氏體的體積分數更高，經過鹽浴熱處理的盤條金相組織中均未發現馬氏體組織。經過鹽浴等溫熱處理后，盤條的珠光體片層排列更加整齊規則，隨著鹽浴保溫溫度的升高，QS82Mn盤條的索氏體片層間距增加，索氏體的體積分數逐漸減小，珠光體球團的尺寸增大。離線鹽浴熱處理后的 QS82Mn盤條的抗拉強度基本隨著索氏體片層間距的增加以及索氏體體積分數的減小而呈降低趨勢。其中920℃離線奧氏體化、500℃鹽浴等溫的盤條具有最好的索氏體相強化效果，珠光體片層間距138nm，抗拉強度最高達到1374Mpa，斷面收縮率40.6%，具有良好的強韌性配合。

最佳熱處理工藝為：920℃奧氏體化、500℃鹽浴等溫冷卻。

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An Explore on Heat Treatment of Suspension Bridge Wire QS82Mn

MA Yaqin*,QIN Longkai
(Faculty of Material Science and Civil Engineering,Guizhou Normal University,Guiyang,550001,China)

The increasing bridge span has been putting a severe strain on the strength of the suspension bridge wire,and the tensile strength of bridge wire in some countries has reached 2000Mpa. Typically,the bridge wire used in China is QS82Mn with the tensile strength exceeding 1180Mpa and the reduction of area exceeding 32%,which is of high-tensility and good plasticity. This paper employs offline austenitization and two-stage salt bath heat treatment in the experiment,and influences on the performance of rod QS82Mn under various temperatures are discussed. By offline austenitizing the air-blown rod QS82Mn,its tensile strength and homogeneity of structure are both improved,with the inter-lamellar pearlite spacing of 138nm,the tensile strength reaching 1374Mpa,and the reduction of area reaching 40.6%. Consequently,the optimal heat treatment process is explored.

wire rope,structure,tensile strength,toughness,heat treatment

TP302

A

1672-9129(2017)06-0063-03

10.19551/j.cnki.issn1672-9129.2017.06.022

馬亞芹,秦龍凱. 橋梁用鋼絲繩QS82Mn熱處理工藝探索[J]. 數碼設計,2017,6(6)： 63-64.

Cite：MA Yaqin,QIN Longkai. An Explore on Heat Treatment of Suspension Bridge Wire QS82Mn[J]. Peak Data Science,2017,6(6)： 63-64.

2017-02-06；

2017-03-12。

馬亞芹（1966-），女，貴州貴陽，教授，研究方向：事金屬材料熱處理。

Email：idan_dan2002@126.com