2 260 MPa高強度鋼絞線性能研究

侯杰文，王汝成

（甘肅省產品質量監督檢驗研究院，甘肅 蘭州 730000）

0 引言

近年來，隨著國內交通基礎建設及“一帶一路”要求的發展需要，高速公路以及鐵路等公共設施逐漸向偏遠山區不斷擴展，部分地區因地質條件復雜急需架設更大跨度的橋梁，并且對橋梁高強度、輕量化也提出更高要求，鋼絞線作為這類大型施工項目建設中所使用的重要基礎原料，其成本及質量的高低直接關系到建筑的建設成本和安全性。

目前國內橋梁建設中普遍使用的預應力混凝土用鋼絞線為GB/T 5224-2014《預應力混凝土用鋼絞線》中規定的15.20 mm強度為1 860 MPa級別鋼絞線，該標準中最高強度級別的鋼絞線也僅為1 960 MPa。由于新材料、新技術的不斷涌現，更大跨度、更輕量化、更高強度、更加安全的橋梁將會成為未來行業發展的必然趨勢，也是作為橋梁及建筑工程建設的重點工作，所以原有這些產品性能已不足以滿足工程領域的建設需求。通過改善新工藝、新技術研制出高性能預應力鋼絞線產品，促進節能減排以及生產、設計、施工的協同進步，以不斷適應市場需求的變化。

本次研究就是通過優化改進生產工藝、改變原材料的化學成分配比開發出強度為2 260 MPa級別的高性能鋼絞線，主要適用于更大跨度的橋梁，可減少鋼絞線使用數量、節約成本并提高強度。

1 工藝簡述

加工時首先選擇合適的熱軋圓盤條進行酸性、磷化等多項表面處理工序，接著對處理后的材料進行拉拔，拉拔工藝就是利用鋼絲塑性通過拉拔模具對鋼絲施加外力使其發生變形，生產出滿足使用尺寸、形狀、物理機械性能鋼絲的一種方法。根據鋼絲直徑及潤滑條件的不同，先采用固體潤滑粉進行粗拉和中拉產出直徑較大的鋼絲，再使其經過水箱拉絲機采用液態拉絲潤滑及降溫的濕拉方法獲得較細直徑的單根絲，最后通過合股機將直徑相近的7根鋼絲捻制成滿足需要的鋼絞線成品。

2 原材料優化

預應力鋼絞線要實現較高的破斷拉力，通過提高原料強化程度即改變原材料的化學成分是增大強度的最佳途徑。研究表明鋼材中主要元素Fe高達90%以上，其他元素含量較低但對鋼鐵的強度、塑性及韌性起著至關重要的作用，如C、Si元素可提高鋼材的強度，而Cr和V元素在進一步提高強度的基礎上可降低塑性、提高耐腐蝕性、韌性及耐磨性。此次選用新型87Si材料制造的熱軋圓盤條作為原料，通過調整圓盤條中碳、錳、硅、硫含量并加入適量的Cr和V，其與傳統82B材料化學成分比較見表1所列。

表1 盤條化學成分對比

通過對比可以看出新型材料C含量提升0.03%可增加盤條強度，Si含量提升較大在0.9%左右，其增加鐵制品中鐵素體比重進一步增大強度，但含量過大又會降低韌性及塑性，同時也會形成更多的硅酸鹽化合物造成拉拔時更易出現斷絲現象；Mn含量有所降低但不會對材料的塑性及韌性有太大影響；P、S含量也略有下降，在0.005%～0.010%之間，S不易與Fe發生化學反應主要以硫化物雜質形式存在，S、P過多均會使金相組織不均勻形成偏析，影響拉拔時的壓縮比并出現斷絲現象，所以應盡可能降低其含量。Cr和V的加入不僅可細化組織的晶粒且提高了材料內組織索氏體含量，還可減少盤條在拉拔過程中斷絲現象的出現，并且可以增加原材料的初始強度［1］，索氏體是盤條拉拔過程中需要的最佳理想組織，為鐵素體與滲碳體的混合物，取少量的盤條材料試樣在金相顯微鏡下放大1 000倍進行組織分析如圖1所示，從圖1中可以看出盤條芯部存在大量的索氏體加少量的珠光體、形態正常均勻。

圖1 盤條金相組織分析

通過改變盤條化學成分配比后對13 mm 87Si材料進行拉伸，材料的熱軋圓盤條工藝性能見表2所列。通過表2可以看出采用新型材料制成的盤條抗拉強度提升21.8%，斷后直徑增加、面縮率降低已明顯達到預期效果，這就為后階段拉拔出高強度鋼絲提供充分的材料基礎。

表2 盤條工藝性能比較

3 生產工藝優化

3.1 表面處理

表面處理工藝路線：盤條-一次酸洗-二次酸洗-清水沖洗-表面磷化-清水沖洗-表面皂化-加熱烘干。

酸洗是為了去除盤條表面氧化物雜質及鐵銹，酸液成分主要為鹽酸且濃度不得小于40 g/L，其中FeCl3濃度不應超過200 g/L，總酸洗時間控制在20 min以內，濃度太高或酸洗時間過長均會嚴重腐蝕樣品表面。一次酸洗時放在較低濃度的酸液中，當樣品表面的表皮掉落或者出現疏松現象時取出，接著放入濃度較高的酸液中進行二次酸洗，檢查表面若無一次酸洗時出現的皮渣即可停止。酸洗后必須用清水沖洗掉樣品表面的殘渣及殘留酸液，以防磷化時由于殘酸存在降低磷化膜厚度。

將清洗后的樣品進行表面磷化，磷化時間把控在4 min左右為宜，溫度或濃度過低會導致磷化效果不理想，這就會使拉拔到最后幾道次時出現磷化膜嚴重破損，鋼絲表面發亮等現象，會影響鋼絲的韌性、塑性以及抗腐蝕能力，因此要求磷化膜既能有足夠的厚度又能具有良好的附著力。為此我們選用一種優化處理后的中溫鋅系高磷專用磷化劑并適當提高磷化濃度，有效提高金屬與漆膜的附和力，其主要成分包括Zn2+、Fe2+、Fe3+、PO43-及少量促進劑、調整劑，當磷化溫度升至70℃～80℃之間時金屬離子與酸根離子結合達到飽和狀態，樣品表面開始陸續析出并牢固附著的晶體磷酸鹽沉淀，直到樣品表面生成一定厚度均勻（膜層厚度約為25μm左右）且細致的磷化膜后停止反應。該磷化膜能在拉拔過程中有效帶入潤滑劑［2］，從而極大程度降低鋼絲與模具之間摩擦力，使樣品表面光滑無微裂并延長模具使用壽命減少換模頻次提高生產率，降低拉拔過程中的斷絲情況，磷化后樣品表面光滑、無油污、油漆等雜物。

表面磷化后用清水沖洗再進行皂化處理，其主要作用是中和、加熱烘干及生成潤滑皮膜進一步提升潤滑效果，過程中嚴格控制皂化池溫度保持在60℃～70℃之間，皂化液PH值應大于8，防止皂化后表面過于干燥影響拉拔效果，表面處理過程參數見表3所列。

表3 表面處理過程參數

3.2 拉拔道次

盤條拉拔通過拔絲模時，受到軸向拉伸與徑向擠壓效果的同時作用，使其內部晶粒出現位錯運動產生塑性變形，因為金屬的塑性變形是通過位錯運動形成的，變形過程中位錯運動的阻力來自位錯本身，在冷加工金屬時依靠機械的物理方法使盤條晶粒發生滑移變形，其位錯交互能力加強、位錯密度及塑性變形阻力增大，這些現象又會彼此促進使其抗拉強度和硬度大幅度上升［3］，塑性降低呈硬鋼性。

為了提高鋼絞線強度，從盤條拉拔至半成品狀態后，直徑由13 mm減小到5 mm時總壓縮率高達87%，合理分配各道次的壓縮比不僅可以降低拉拔力及拉拔溫度，減少由于溫度升高所引起強度增大而塑性降低的不良后果，而且可以保證表面處理時磷化膜的潤滑效果，因此壓縮比的選擇是提高鋼絲強度的關鍵因素之一，維持總壓縮比不變調整每道次的壓縮比，研究不同道次壓縮比情況下對鋼絲抗拉強度的影響，具體如圖2所示。

從圖2中可以看出各道次壓縮比按照逐級遞增、逐級遞減、先增后減及先減后增的方式進行改變，以逐級遞減方式拉拔后樣品的抗拉強度最高，究其原因考慮為增大前幾道次壓縮比可以提高半成品強度，減小后幾道次壓縮比可以穩定強度，從微觀角度看金屬晶格滑移變形強化程度更大，因此根據以上研究結果按照表4分配各道次壓縮比，本次研究以13 mm 87Si熱軋圓盤條作為原材料，以3 m/s速度依次拉拔9次，拉拔過程參數及拉拔后鋼絲工藝性能見表4、表5所列。

圖2 壓縮比與鋼絲強度關系

表4 拉拔過程參數

表5 鋼絲工藝性能

4 鋼絞線成品制造

4.1 鋼絞線合股工藝流程

合股工藝流程：拉拔后鋼絲-捻制合股-中頻回火熱處理-自來水冷卻-風干-收線-層卷。

本次選用拉拔后直徑為5.04 mm～5.08 mm的鋼絲6根作為邊絲，直徑為5.22 mm～5.25 mm的鋼絲1根作為芯絲，通過合股機制成6邊絲與1芯絲的15.20 mm鋼絞線7×1結構，此時應打開收線裝置將樣品拉直，收線機張力不應過大避免造成排線過緊或跳動現象，同時對張緊輪也會有沖擊引起鋼絞線打滑；接著將合股后鋼絞線通過結構優化改造后的電磁感應中頻爐進行穩定化回火熱處理；最后再將成品經過水槽進行水冷，然后在室溫下利用風機送風系統進行表面風干處理，接著穿送過排線機再到層卷機卷盤，合股工藝參數見表6所列。

表6 合股工藝參數

電磁感應中頻爐主要作用是機械自動化清除拉拔后余留在樣品表面多余雜質或水分，可提高熱處理效果以增加鋼絞線強度，高溫回火能降低樣品內部的應力及硬度，在保證高強度的同時提高了樣品韌性和延展性［4］，結構優化后的特點如下：

首先在設備入口側壁上加裝表面清理裝置對樣品進行擦拭清理，可去除樣品表面多余的殘渣和水分；接著樣品進入爐內進行回火熱處理，內部增加了加熱電爐管采用電磁感應原理升溫，增加自動溫控器以提升控制精度，使溫度精確穩定在385±2℃，為了便于觀察溫度增設溫控顯示屏；最后采用水冷的方式對加熱管進行降溫，加入自動控制冷卻裝置以快速降低加熱管溫度，冷卻裝置中的冷卻管加入自來水環繞在加熱管周圍，加大了冷卻面積提高冷卻效率，并將使用后的冷卻水通過水泵抽取至水冷機降溫回流至儲水箱達到循環利用節水的目的［5］；最終得到直徑在15.1 mm～15.2 mm之間的高強度預應力鋼絞線成品，電磁感應中頻爐結構如圖3所示。

圖3 電磁感應中頻爐結構

4.2 成品鋼絞線工藝性能

優化工藝后制成的2 260 MPa級別鋼絞線在直徑和重量上與普通1 860 MPa級別鋼絞線接近，但強度和安全系數得到大幅度提高，通過表7工藝性能對比可以看出鋼絞線抗拉強度和應力松弛性能大幅提高，強屈比和最大力總伸長率有所下降，其他各項指標已高于現行國家標準GB/T 5224-2014《預應力混凝土用鋼絞線》對該類產品的技術要求。

表7 鋼絞線工藝性能對比

5 結論

通過對提高鋼絞線強度方法的分析及研究，掌握了影響鋼絞線強度的主要因素是材料的化學成分，其次通過優化表面處理工藝改善了盤條表面磷化后膜層質量，可使鋼絞線在拉拔過程中更加順利，并對拉拔過程的壓縮比參數控制分析進行工藝優化，對熱處理設備結構加以優化均穩定強化了鋼絞線的工藝性能，有效提升了鋼絞線的抗拉強度。

使用13 mm 87Si熱軋圓盤條作為原材料，應用酸洗、磷化、皂化等表面處理工藝，然后經過9道次拉拔后進行合股穩定化回火處理等工藝制成的鋼絞線，完全可以滿足企業標準Q/LSKT 001-202《高強度預應力混凝土用鋼絞線》中對2 260 MPa級別鋼絞線強度的要求［6］。

若在相同橋梁或斜拉索中使用該高強度鋼絞線，在滿足相同強度的要求下可減少鋼絞線及配套設施使用量，減輕橋梁及斜拉索重量、降低成本，在相同鋼材用量的前提下可提高建筑結構的安全系數，安全環保，如果企業應用這些研究成果可帶來較大的經濟效益。