簾線鋼絲濕拉過程滲碳體擴(kuò)散行為研究

沈 奎 麻 晗 于學(xué)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(xué)微結(jié)構(gòu)重點實驗室，上海 200444)

鋼簾線主要用于汽車輪胎子午線增強(qiáng)用骨架材料，主要以中高碳鋼為主，碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)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(chǎn)通常需要經(jīng)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(shù)，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(qiáng)度。據(jù)報道,目前鋼簾線的強(qiáng)度可達(dá)4 000 MPa以上[2- 3]。

本文采用三維原子探針層析技術(shù)(3DAPT)對鋼簾線在不同應(yīng)變條件下濕拉時鋼中滲碳體的分解進(jìn)行了研究，主要包括應(yīng)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(chǎn)的85級簾線鋼絲，其化學(xué)成分如表1所示。生產(chǎn)工藝流程為轉(zhuǎn)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(yīng)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(chǎn)品的橫截面積。為了研究不同應(yīng)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(jìn)行研究，如表2所示。

表1 試驗用簾線鋼的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù))Table 1 Chemical composition of the steel wire for cord (mass fraction) %

表2 濕拉過程拉拔道次及應(yīng)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?jǐn)?shù)，下同)，將樣品垂直放入電解液中進(jìn)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(jìn)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(huán)作為負(fù)極，環(huán)中保留一小滴電解液(2%HClO4+98%C6H14O2溶液)，將極細(xì)的絲狀樣品插入帶有電解液的環(huán)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(shù)據(jù)時，樣品冷卻至50 K，脈沖電壓頻率為200 kHz，脈沖分?jǐn)?shù)為15%，所得數(shù)據(jù)由Cameca公司的IVAS3.6軟件分析。

2 試驗結(jié)果與討論

2.1 滲碳體方向隨應(yīng)變率的變化

圖2為鋼簾線在不同應(yīng)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(qū)，淺色為碳原子貧瘠的鐵素體區(qū)，樣品的長度方向即為拉拔方向。未進(jìn)行濕拉時，應(yīng)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(yīng)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(dāng)應(yīng)變率進(jìn)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?yōu)?°，如圖2(c)～2(e)所示。通常，當(dāng)應(yīng)變增加到一定數(shù)值時，滲碳體片層的方向?qū)⒅鸩脚c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(gòu)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(yīng)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(yīng)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(tài)，選擇合適的區(qū)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(jìn)行碳元素的面掃和線掃。圖3(a)為應(yīng)變率為0時的碳元素的掃描范圍示意圖，根據(jù)碳元素的原子濃度分布，對滲碳體的厚度和片層間距進(jìn)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(yīng)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(dāng)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(yīng)變率下樣品的滲碳體片層厚度和間距進(jìn)行了測量。當(dāng)應(yīng)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(jìn)行測量；當(dāng)應(yīng)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(jìn)行確定。

按照圖3所示的檢測方法，對圖2中應(yīng)變率為1.007、1.967、3.078和3.878的滲碳體區(qū)進(jìn)行檢測，發(fā)現(xiàn)大部分樣品中可以檢測到兩個及兩個以上片層， 但應(yīng)變率為1.967時出現(xiàn)異常。 圖4為不同應(yīng)變率所對應(yīng)碳元素的濃度分布。可以計算出應(yīng)變率為1.007、1.967、3.078和3.878時對應(yīng)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(jié)果基本一致。 隨著應(yīng)變率增加到3.878時，片層間距為15 nm左右，這與文獻(xiàn)[7- 8]中報道的類似應(yīng)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(yīng)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(kuò)散行為

表3為不同應(yīng)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?jǐn)?shù)，下同)以上的峰值。為了保證試驗結(jié)果的準(zhǔn)確性，每個樣品至少測量兩個數(shù)據(jù)，取最大值和最小值，對應(yīng)的檢測區(qū)域如圖5所示。

表3 不同應(yīng)變率對應(yīng)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(jié)合表3和圖5可以發(fā)現(xiàn)，應(yīng)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(xué)計量比的25%比較接近，同時與文獻(xiàn)[9]中報道的(24.3±0.2)%也基本一致。當(dāng)應(yīng)變率為1.967時，碳元素濃度值為24.14%?？梢?，樣品中的滲碳體在拉拔過程中比較穩(wěn)定， 并未造成碳原子的擴(kuò)散分解。隨著拉拔直徑的減小，當(dāng)應(yīng)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(wěn)定，另一部分則發(fā)生了擴(kuò)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(jìn)了滲碳體中碳原子的擴(kuò)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(kuò)散有著重要的影響。對于應(yīng)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(fā)生了擴(kuò)散，但擴(kuò)散量有所差異。通過對應(yīng)變率從0到3.875的鋼簾線樣品進(jìn)行分析，可以看出，隨著拉伸應(yīng)變率的增加，滲碳體中碳原子的擴(kuò)散能力逐漸增加，但是應(yīng)變率與擴(kuò)散程度并未呈現(xiàn)出明顯的線性關(guān)系，而滲碳體片層則出現(xiàn)出了不同程度的擴(kuò)散。

圖5 不同應(yīng)變率下碳元素濃度分布檢測區(qū)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(zhuǎn)性能有一定要求。一般認(rèn)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(dāng)滲碳體中碳含量減少太多，會造成鋼絲扭轉(zhuǎn)性能明顯下降。而扭轉(zhuǎn)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(zhuǎn)性能不合格的原因，進(jìn)而指導(dǎo)實際拉拔過程中參數(shù)的選擇和控制。

3 結(jié)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(jìn)行表征，發(fā)現(xiàn)，濕拉前滲碳體片層方向與拉拔方向呈45°角，隨著應(yīng)變率的增加，夾角逐漸減小，應(yīng)變率為1.0時減小到5°左右，應(yīng)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(yīng)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(yīng)變率的增加，部分滲碳體中碳原子出現(xiàn)擴(kuò)散分解，導(dǎo)致滲碳體中碳原子濃度降低，但濃度降低程度與應(yīng)變率并非嚴(yán)格的線性關(guān)系。

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