高性能预应力钢丝钢铰线稳定化处理工艺研究

李琳涛 周伟东

摘要：对高强度预应力钢丝稳定化处理的生产工艺进行研究，探索稳定化处理钢丝的特性，为实现温度自动控制提供一定的理论依据。研究了稳定化处理工艺对产品的力学性能尤其是抗应力松弛性能的影响。结果表明：制定的生产方法和工艺制度完全能满足高强度低松弛预应力钢丝的质量要求。

关键词：低松弛；预应力钢丝；稳定化处理；力学性能

中图分类号：F2文献标识码：A文章编号：16723198（2014）19019002

1前言

预应力钢丝钢铰线属于新一代先进结构材料，与传统的钢材相比，具有强度高、抗松驰性能好、节省钢材、提高结构刚度及稳定性等优点，在建筑、现代装备、轨道车辆、汽车、制造、水利水电工程、核电和风电设备等领域应用十分广阔。然而，随着各应用领域的发展，其对预应力钢丝钢铰线的强度、抗松驰稳定性和耐腐蚀性等综合性能的要求也越来越高，特别是在一些高端应用领域，例如高速铁路、核电工业等，我国现行业所提供的预应力钢材已不能满足市场需求。因此，为满足我国高铁、核电等尖端领域的重大需求和关键材料国产化问题，有必要制定合理的工艺，从而获得稳定的符合要求的预应力钢丝钢绞线。

2实验方法及生产工艺

目前，我司生产的预应力钢丝钢绞线主要是：将常温拉拔生产7684钢丝钢绞线，在公司改进的拉拔机组上完成一定量的拉拔变形（根据公司产品需要制定的工艺）的同时，采用中频感应加热对产品进行在线回火处理（稳定化处理）。

材料的力学性能参照国家标准“GB/T228.1-2010金属材料室温拉伸试验方法”进行拉伸试验。产品组织结构由扫描电镜（SEM）进行检测。松弛试验在YJR-300型拉伸应力松弛试验机上进行。

2.1原料

所用原料82B（Φ13mm盘条），成品钢丝公称直径为Φ9.00mm。原料的化学成分、力学性能等符合国标及客户需求以。

2.2稳定化处理工艺流程

与其他公司大体相同，工艺主要是：钢丝钢绞线拉拔开卷→多辊拉拔→中频感应加热回火→水冷、吹干→拉拔→分剪→取样检验→卷取→包装→入库。

3稳定化处理的工艺特性

钢丝钢绞线整体温度与中频感应炉加热功率以及加热时间有关。根据公司针对各个产品所制定的工艺，感应加热时间约在1.2～2s之间，回火温度选择为350～400℃。因为钢丝钢绞线是在拉拔生产过程中且在相对较大的张力状态下进行稳定化处理，为了防止钢丝钢绞线因过热造成拉断，本公司稳定化处理功率密度为0.15～0.25kW/cm2。

3.1稳定化处理温度与功率

在生产过程中，为了实现钢丝钢绞线稳定化处理温度的准确性，而且实现自动化处理及检测，采用红外测温仪（测温范围300～600℃，测温精度±1%）在线测温。根据感应加热炉的加热原理，当外部电压不稳定，或者生产中钢丝钢绞线拉拔速度发生变化，均会导致钢丝稳定化处理温度产生波动和变化。因此，在制定生产工艺时，根据各种规格的产品计算出加热功率与温度之间的关系，制定合适的稳定化处理温度。图1为Φ9.0mm钢丝钢绞线在拉拔线速度为60m/min时的功率与温度特性曲线。根据图1，我们可看出，随稳定化处理温度升高，所需的功率相对增加值在逐渐减小，功率与稳定化处理温度属于单调递增但非线性的关系。

3.2稳定化处理速度与功率

在制定加工工艺的过程中，根据钢丝钢绞线的品种和规格的多样性，采取不同的加工速度，据此，就需要了解钢丝钢绞线拉拔速度与中频加热炉的加热功率的关系。图2为Φ9.0mm钢丝钢绞线加工速度与功率特性曲线。根据图2，我们可以看出，当稳定化处理温度一定，钢丝钢绞线回火时的功率随着钢丝的拉拔加工线速度增加而增加，几乎是线性关系。本司不断优化生产工艺，在生产优质产品的同时也能达到节能降耗的目的。

4稳定化处理工艺对力学性能的影响

4.1稳定化处理工艺对强度及弯曲性能的影响

根据用户的需求以及目前市场需要，钢丝钢绞线要具有较高的屈服强度、较高的抗拉强度以及良好的塑性。产品性能主要满足：屈服强度RL≥1330MPa，抗拉强度Rm≥1570Mpa，断后延伸率A≥3.0%，1000h应力松弛率≤25%。经过拉拔成形为Φ9.0mm的钢丝钢绞线，经过不同的稳定化处理工艺，再经过水冷并吹干，根据国标要求截取试样（每种工艺取3个样，数据取平均值），在拉伸试验机上进行拉伸试验以及180°反复弯曲试验（反弯R=20mm），试验结果如表1所示。由表1可知，屈服强度、抗拉强度随回火温度提高而下降，延伸率和反复弯曲次数均随回火温度提高而增加。根据样品试验及计算结果，稳定化处理温度由350℃增加到390℃，其σ0.2下降了约48MPa（3.07%），σb下降了59.9MPa（3.4%）。根据试验结果可知，钢丝钢绞线经稳定化处理工艺后综合性能都得到明显的改善，而且每种规格的钢丝钢绞线抗拉强度均增加100MPa以上。分析其原因，主要是因为预应力钢丝钢绞线经过高于70%的冷变形后，钢丝钢绞线组织发生变化，特别是位错密度急剧增加。而且根据扫描电镜分析其组织结构以及晶粒尺寸，发现钢丝钢绞线经过拉拔后出现了加工织构，其晶粒取向改变并沿加工方向拉长。钢丝钢绞线经过稳定化处理后，位错密度及存在形式、渗碳体的组织状态发生了明显的变化。根据理论分析可知，由于微观结构内柯氏气团的形成，位错被钉扎，导致晶体内可动位错数量显著降低，位错从溶质气团中脱钉出来所需应力大大增加，因此大大提高了钢丝钢绞线的强度。

4.2稳定化处理回火温度对应力松弛率的影响

经过成形拉拔的钢丝，稳定化处理的张力可从自动化生产设备的控制PC机获取。表2为生产Φ9.0mm钢丝在不同温度稳定化处理10h的应力松弛结果。根据表2，我们发现，随回火温度升高，应力松弛率开始有所下降后又慢慢增加。根据试验结果数据显示，本试验条件下所取规格的钢丝钢绞线在380℃温度稳定化处理工艺条件下具有最好的应力松弛结果：在380℃稳定化处理时，Φ9.0mm钢丝10h应力松弛率R为0.78。表2Φ9.0mm钢丝在不同回火温度下的应力松弛率

序号回火温度（℃）应力松弛率/%（10h试验值）13601.0823700.933800.7843900.78554000.788根据本试验制定的稳定化处理工艺，各试验数据结果显示钢丝钢绞线的力学性能（小量塑性变形抗力、松弛稳定性、疲劳强度等）可大大提高。经过各个试验数据比对后，制定出合适的稳定化处理工艺，得到合格的产品，特别是经过稳定化处理后的钢丝钢绞线在短时、长时（松弛稳定性）以及循环载荷作用条件下，小量塑性变形抗力都增加。根据理论分析，对于含高碳钢，冷拉后经过稳定化处理，因为钢中含有极少量的氮元素，使得钢丝钢绞线在经过稳定化处理时，缺陷密度和分布发生了改变，最细密的有缺陷的Fe3C片发生局部溶解，位错被碳氮原子钉扎，析出物从不稳定状态转变为稳定的状态（相当于形变时效）。拉拔时受到拉伸应力，造成很强的溶质定向溶解，从而提高了组织的稳定性，钢丝抗应力松弛的能力显著提高，松弛稳定性相应也增加。

5结论

（1）在一定匀速拉拔工艺条件下，钢丝钢绞线稳定化处理温度与中频加热功率紧密相关，其关系呈非线性关系；稳定化处理温度一定，钢丝的拉拔速度与中频加热功率呈近线性关系。

（2）钢丝经过稳定化处理后，随加热温度增加，强度有所下降，但塑性增加。与未回火相比，经过稳定化处理后的钢丝钢绞线综合性能得到明显改善。

（3）经过稳定化处理，钢丝钢绞线的抗应力松弛能力得到提高，而且满足低松弛要求。本试验在380℃左右稳定化处理效果最佳。

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