超高强度钢丝及其热处理

■ 孙宁，冯伟年

在相同荷载条件下，提高钢丝强度，可以减少钢丝的用量，20世纪末强度达4000MPa的钢帘线就已经在工业中得到应用，其后5000MPa的超高强度钢丝也在研制。钢丝的强度主要是由其化学成分、热处理后的组织和拉拔的变形率三个参数共同决定的，钢的纯净度则是其必需的条件。

1. 钢的化学成分

众所周知，高碳钢丝的强度大于低碳钢丝。碳对钢丝强度的影响最明显，钢丝的强度随着含碳量增加而提高，伸长率和面缩率则下降；冷塑性变形的加工性随之降低。高强度钢丝中的含碳一般在共析点附近，或略高过共析成分。

高强度钢丝中，碳之外较少有合金成分（弹簧钢丝、轴承钢丝等特殊用途的除外）。 高强度钢丝在冷拔前都要进行等温处理索氏体化，大部分合金元素会使奥氏体等温转变的C曲线右移，使得等温分解的孕育期和分解的完成时间都会增加，现在钢丝行业中仍主要以铅槽作为等温分解设备，由此铅浴炉将要成倍地加长，一般是无法实现的。

超高强度钢帘线中一般加入0.3%左右的Cr（质量分数），使得在提高强度的同时，较少地降低减面率。这是因为铬可以阻滞片状渗碳体向球状渗碳体转化，减缓渗碳体的长大，增强冷态变形的强化作用，有较高硬化率，在相同的变形量条件下，可以提高强度。铬对变形强化的影响如图1所示，铬对面缩率的影响如图2所示。由于铬也会使C曲线向右移，因此在索氏体处理过程中要比碳钢的等温时间长。

图2 铬对面缩率的影响（0.82%碳钢）

2. 热处理

钢丝热处理的目的是为后续进一步拉拨提供冷变形的组织准备。在获得高塑性的同时具有适当的强度，并在此基础上经变形强化达到最终的强度。据相关文献可知：强度4000MPa的钢帘线，其热处理强化的贡献率为35%（1400MPa），拉拔强化为65%（2600MPa）。索桥用钢丝的热处理强化贡献率为68%，拉伸强化为32%，其最终强度为2000MPa，如图3所示。由此可见，热处理是高强度钢丝生产中的重要环节。

（1）索氏体化 高强度钢丝的预备热处理一般是索氏体化。索氏体是细小片状铁素体和弥散渗碳体的混合物，在变形过程中，铁索体伸长，片间距减小。

图1 铬对强度的影响

图3 不同直径、不同强度钢丝的铅浴淬火与钢丝拉拔的强化率1—直径0.2mm，强度2800MPa2—直径0.2mm，强度4000MPa3—直径5mm，强度2000MPa

由索氏体的片间距与过冷度的关系可知，索氏体等温分解的过冷度越大，则片间距越小，强度相应提高。目前钢丝生产中的索氏体化，主要是将钢丝加热到900℃左右，然后浸入500～560℃的铅浴中等温分解。随着高温钢丝的不断进入，铅浴温度逐渐升高，其入口处温度最高，过冷度也是不断变化的，由此导致热处理后钢丝的通条性不好，性能不均匀。

（2）晶粒度 晶粒细化是强化的手段之一，快速加热在热处理过程中可得到超细晶粒。接触电加热和感应加热都是适用于钢丝热处理的快速加热方式。低碳钢的晶粒尺寸与面缩率的关系曲线如图4所示，从中可看出，细晶粒的面缩率明显大于粗晶粒的面缩率，说明细晶粒组织可经受更大的变形率，变形量越大，则强度越高。

（3）设备与工艺 钢丝快速感应加热索氏体化成套设备，将f2.19mm的82B钢丝进行索氏体化处理，加热速度800℃/s左右，保温2s，加热温度860℃左右；水雾冷却索氏体化，冷却温度600℃，冷却时间0.8s。晶粒度为12～14级，索氏体的片间距100～200 nm，索氏体化率大于95%，抗拉强度σb= 1199 MPa，伸长率δ=13.5%， 面缩率55%，然后拉拔至f0.55mm，减面率为93.7%，抗拉强度σb=2520MPa，进一步拉拔至f0.42mm，减面率为96.3%，抗拉强度σb=3030MPa。其中热处理强化占39.2%，拉拔变形的强化为60.8%。由于缺乏模具未做进一步的拉拔，因快速加热导致晶粒的细化，使拉拔的变形率达96.3%。

（4）下贝氏体化 钢丝索氏体化后，可以获得良好的塑性，适应于进一步拉拔变形，但是索氏体的强度很少能超过1300MPa，对于超高强度钢丝，显然无法满足需要。

下贝氏体化的强度比索氏体化高20%～40%，可达1400～1800 MPa，仍然有良好的塑性，按热处理强化占35%的比例，则下贝氏体经拉拔强化后的强度可达4500～5000MPa，是超高强度钢丝最有可选择前景的热处理方法。

高碳钢丝加热至奥氏体化后，在350℃至Ms之间等温分解为下贝氏体。

提高下贝氏体的塑性，以适应进一步的拉拔变形，是获得超高强度的重要步骤。

等温分解后的下贝氏体进行快速加热回火，采用感应加热快速回火，加热时间0.5～1s，加热速度大于500℃/s，可避免碳化物的积聚、粗大，导致塑性下降。索氏体与下贝氏体热处理和拉拔后的性能对比见附表。

图5 0.9%碳钢压缩比对强度的影响

3. 加工强化

钢丝的强度是由最终的拉拔强化决定的，变形率与强化之间在压缩比为ε=90%左右时，近似地呈线性关系。当ε＞90%后，强化作用陡然上升。要获得3500 MPa以上，压缩比应大于95%（见图5）。

进行大变形量的拉拔，有如下的条件：

（1）高的治金质量，高的钢材纯洁度。杂质、气体特别是非金属夹杂物要控制在规定的范围内，要用Ca-Si脱氧，最好采用电磁搅拌，减少偏析。

（2）当总变形量的压缩比95%以上时，应采用多次小变形量拉拔，每次拉拔的减面率为13%～17%。

（3）最后拉拔前的热处理，应当是超细晶粒的，或经快速回火的下贝氏体，其中没有残留奥氏体。

图4

索氏体与下贝氏体热处理和拉拔后的性能对比

（4）钢丝的表面应有良好的润滑及合理的拉丝模结构。

4. 结语

超高强度钢丝是在充分发挥热处理和拉拔加工的基础上得到的，热处理是为钢丝拉拔前具有高塑性和较高强度提供预备组织，为钢丝进行高变形率的加工拉拔增加变形强化创造条件。

（1）采用快速加热奥氏体化，加热速度为500℃/s以上，获得晶粒度为12～14级的超细晶粒组织。

（2）等温热处理时应采用快速冷却，从奥氏体冷却到等温区的时间为0.5～1s，获得间距小的层状索氏体，避免出现先析渗碳体。

（3）在等温转变区应有足够的等温转变时间，使过冷奥氏体得以充分转变。

（4）由于下贝氏体的强度比索氏体高20%～40%，塑性接近，采用下贝氏体作为拉拔前的预备组织，是生产超高强度钢丝的新方向。

当下贝氏体处理后的强度σb=1600MPa时，拉拔强化的贡献为65%，则最终强度可达4500MPa。有文献报道： 80钢丝经240～250℃等温处理后的强度可达2100～2200MPa，在此基础上拉拔变形，则钢丝强度可望达到或超过5000MPa。