簾線鋼絲濕拉過程滲碳體擴散行為研究

沈 奎 麻 晗 于學森 王 雷 劉文慶

(1.江蘇省沙鋼鋼鐵研究院，江蘇張家港 215625；2.上海大學微結構重點實驗室，上海 200444)

鋼簾線主要用于汽車輪胎子午線增強用骨架材料，主要以中高碳鋼為主，碳質量分數一般在0.72%以上，其顯微組織不能有影響使用的異常組織，如貝氏體和馬氏體，要求組織以索氏體為主[1]。鋼簾線的生產通常需要經過粗拉、熱處理、中拉、鍍銅、濕拉以及合股等工序，憑借金屬冷拉變形技術，使得φ5.5 mm盤條最終拉拔到φ0.12～0.4 mm鋼絲。隨著拉拔道次的增加，索氏體片層間距逐漸減小，鐵素體相和滲碳體相的界面就越多，阻礙位錯運動，加工硬化程度增加，從而提高了鋼絲的強度。據報道,目前鋼簾線的強度可達4 000 MPa以上[2- 3]。

本文采用三維原子探針層析技術(3DAPT)對鋼簾線在不同應變條件下濕拉時鋼中滲碳體的分解進行了研究，主要包括應變量對滲碳體片層的方向、片層厚度、鐵素體和滲碳體的片層間距以及滲碳體中碳原子的濃度的影響。

1 試驗材料及方法

試驗材料為某廠生產的85級簾線鋼絲，其化學成分如表1所示。生產工藝流程為轉爐冶煉→LF精煉→大方坯連鑄→開坯→高速線材軋制→控冷→φ5.5 mm盤條→粗拉至φ1.32 mm→鹽浴處理(980 ℃奧氏體化+585 ℃鹽浴)→中拉至0.87 mm→鹽浴處理→鍍銅→濕拉至φ0.12 mm。以成品尺寸0.12 mm為例，計算其應變率ε為3.878，計算方法為ε=ln(Ai/Af)，Ai和Af分別為拉拔開始和最終產品的橫截面積。為了研究不同應變條件下滲碳體的分解情況，從濕拉的22道次中，選擇5道次進行研究，如表2所示。

表1 試驗用簾線鋼的化學成分(質量分數)Table 1 Chemical composition of the steel wire for cord (mass fraction) %

表2 濕拉過程拉拔道次及應變率Table 2 Drawing pass and strain rate during

首先將鋼簾線表面的鍍層采用砂紙打磨干凈，然后采用電解拋光的方法制備三維原子探針(3DAP)針尖樣品[4- 5]，電解樣品長20 mm左右。在密度較大的惰性溶液上層加入6～8 mm厚的電解液(25%HClO4+75%C2H4O2溶液，體積分數，下同)，將樣品垂直放入電解液中進行電解拋光，直至上下部分分離，得到針尖狀樣品，如圖1(a)所示。試驗要求樣品尖端曲率半徑<100 nm，還需進行顯微電解拋光，如圖1(b)所示。顯微電解拋光時用鉑絲彎曲成小環作為負極，環中保留一小滴電解液(2%HClO4+98%C6H14O2溶液)，將極細的絲狀樣品插入帶有電解液的環中，在樣品和鉑絲間通以脈沖電源，利用短暫時間的電解拋光來完成針尖樣品形狀修飾。APT采集數據時，樣品冷卻至50 K，脈沖電壓頻率為200 kHz，脈沖分數為15%，所得數據由Cameca公司的IVAS3.6軟件分析。

2 試驗結果與討論

2.1 滲碳體方向隨應變率的變化

圖2為鋼簾線在不同應變條件下濕拉時鋼中碳原子的三維空間分布，其中深色為碳原子偏聚的滲碳體區，淺色為碳原子貧瘠的鐵素體區，樣品的長度方向即為拉拔方向。未進行濕拉時，應變率ε=0， 鋼的組織仍為索氏體， 滲碳體和鐵素體交替分布，此時，鋼絲拉拔方向與滲碳體片層平面方向的夾角α約為45°，如圖2(a)所示；隨著應變率增加至1.007，滲碳體片層方向與拉拔方向的角度減小為5°，如圖2(b)所示；當應變率進一步增加至1.967及以上時，滲碳體片層基本與拉拔方向一致，角度變為0°，如圖2(c)～2(e)所示。通常，當應變增加到一定數值時，滲碳體片層的方向將逐步與拉拔方向一致[6]。但目前很少有儀器能夠直觀地來證明這一點，但本文采用三維原子重構可以很明顯地反映出滲碳體在拉拔過程中方向的變化情況。

圖1 3DAP針狀樣品制備示意圖Fig.1 Preparation methods of needle samples for 3DAP

圖2 滲碳體片層隨應變率的變化Fig.2 Variation of lamellar cementite orientation with strain rate

2.2 滲碳體厚度及間距隨應變率的變化

圖3所示為滲碳體片層厚度和間距的測量方法示意圖。在簾線鋼中，滲碳體片層通常呈平行狀態，選擇合適的區域，使得分析范圍能夠涵蓋垂直于兩個滲碳體片層，沿著垂直于片層進行碳元素的面掃和線掃。圖3(a)為應變率為0時的碳元素的掃描范圍示意圖，根據碳元素的原子濃度分布，對滲碳體的厚度和片層間距進行測量和計算。為了便于計算和比較，通常定義某個元素濃度峰的半高寬作為該元素的片層厚度，若該元素存在多個濃度峰值，取其平均值作為最終片層厚度，兩個元素濃度峰之間的距離為片層間距。圖3(b)為應變率為0時兩個滲碳體片層之間碳元素的濃度分布，按照上述定義，當拉拔直徑為0.834時，樣品滲碳體厚度在9.8 nm左右，滲碳體片間距為55.8 nm。采用這種測量方法，對其余4個應變率下樣品的滲碳體片層厚度和間距進行了測量。當應變率為1.967時，只檢測到一個滲碳體片層，因此無法對片層間距進行測量；當應變率為3.078和3.878時，其測量峰值并非相同，因此采用多次測量取平均值的方法進行確定。

按照圖3所示的檢測方法，對圖2中應變率為1.007、1.967、3.078和3.878的滲碳體區進行檢測，發現大部分樣品中可以檢測到兩個及兩個以上片層， 但應變率為1.967時出現異常。 圖4為不同應變率所對應碳元素的濃度分布。可以計算出應變率為1.007、1.967、3.078和3.878時對應的滲碳體厚度分別為5.6、7.9、5.2和3.3 nm，片層間距分別為62、未測到、17.8和15.9 nm。Michael Z[7]曾指出，φ1.5 mm未變形的過共析鋼鋼絲中滲碳體的片層間距在65 nm左右，與本文的檢測結果基本一致。 隨著應變率增加到3.878時，片層間距為15 nm左右，這與文獻[7- 8]中報道的類似應變率下片層間距為10～15 nm比較接近。

圖3 ε=0時滲碳體片層厚度及間距測定方法示意圖Fig.3 Schematic diagram of measurement method for cementite lamellar spacing and thickness illustrated by applying sample with ε=0

圖4 不同應變率下碳元素濃度分布Fig.4 Distribution of carbon concentration with different strain rates

2.3 滲碳體中碳原子的擴散行為

表3為不同應變條件下測得的碳濃度的寬度值、滲碳體和鐵素體相界面間厚度值以及碳濃度的峰值。其中滲碳體和鐵素體相界面間厚度值為碳濃度峰值底部寬度與其半高寬的差值，但本文只測量了碳濃度值在19.18%(原子分數，下同)以上的峰值。為了保證試驗結果的準確性，每個樣品至少測量兩個數據，取最大值和最小值，對應的檢測區域如圖5所示。

表3 不同應變率對應的滲碳體和鐵素體相界面間厚度值以及碳濃度的峰值Table 3 Interface thickness between cementite and ferrite and the carbon concentration peaks value with differernt strain rates

結合表3和圖5可以發現，應變率為0和1.967時，樣品的碳濃度范圍為21.11%～24.14%，這與滲碳體中碳濃度按化學計量比的25%比較接近，同時與文獻[9]中報道的(24.3±0.2)%也基本一致。當應變率為1.967時，碳元素濃度值為24.14%。可見，樣品中的滲碳體在拉拔過程中比較穩定， 并未造成碳原子的擴散分解。隨著拉拔直徑的減小，當應變率為3.078時，測得碳濃度的最大值和最小值分別為24.84%和8.08%，顯然部分滲碳體仍然比較穩定，另一部分則發生了擴散分解，雖然這些滲碳體相鄰，但其分解程度差異較大，可能是由于滲碳體/鐵素體相界面附近位錯密度較大，位錯與滲碳體中碳原子相互作用，增加了界面處的自由能，促進了滲碳體中碳原子的擴散。研究表明[10]，滲碳體的片層間距和厚度對碳原子的分解擴散有著重要的影響。對于應變率為3.875的樣品，測得其碳濃度峰值最大和最小值分別為19.18%和12.53%， 此時， 滲碳體中的碳原子均發生了擴散，但擴散量有所差異。通過對應變率從0到3.875的鋼簾線樣品進行分析，可以看出，隨著拉伸應變率的增加，滲碳體中碳原子的擴散能力逐漸增加，但是應變率與擴散程度并未呈現出明顯的線性關系，而滲碳體片層則出現出了不同程度的擴散。

圖5 不同應變率下碳元素濃度分布檢測區域Fig.5 Cylinder- shaped analyzed region of five samples with differernt strain rates

通常，對于鋼簾線或者胎圈鋼絲，會對其扭轉性能有一定要求。一般認為，滲碳體中碳含量減少，鐵素體中碳含量增加會顯著影響鋼絲的韌性，當滲碳體中碳含量減少太多，會造成鋼絲扭轉性能明顯下降。而扭轉性能不合格的原因通常很難分析，通過本文試驗方法，可以有效地分析鋼絲扭轉性能不合格的原因，進而指導實際拉拔過程中參數的選擇和控制。

3 結論

(1)采用三維原子探針對鋼簾線濕拉過程中滲碳體的變化進行表征，發現，濕拉前滲碳體片層方向與拉拔方向呈45°角，隨著應變率的增加，夾角逐漸減小，應變率為1.0時減小到5°左右，應變率提高至1.007以上時，滲碳體片層方向與拉拔方向基本平行。

(2)隨著鋼絲直徑的減小，拉伸應變率的提高，滲碳體厚度逐漸減薄，片層間距減小。

(3)鋼絲在拉拔過程中隨著應變率的增加，部分滲碳體中碳原子出現擴散分解，導致滲碳體中碳原子濃度降低，但濃度降低程度與應變率并非嚴格的線性關系。

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