帘线钢丝湿拉过程渗碳体扩散行为研究

沈 奎 麻 晗 于学森 王 雷 刘文庆

(1.江苏省沙钢钢铁研究院，江苏张家港 215625；2.上海大学微结构重点实验室，上海 200444)

钢帘线主要用于汽车轮胎子午线增强用骨架材料，主要以中高碳钢为主，碳质量分数一般在0.72%以上，其显微组织不能有影响使用的异常组织，如贝氏体和马氏体，要求组织以索氏体为主[1]。钢帘线的生产通常需要经过粗拉、热处理、中拉、镀铜、湿拉以及合股等工序，凭借金属冷拉变形技术，使得φ5.5 mm盘条最终拉拔到φ0.12～0.4 mm钢丝。随着拉拔道次的增加，索氏体片层间距逐渐减小，铁素体相和渗碳体相的界面就越多，阻碍位错运动，加工硬化程度增加，从而提高了钢丝的强度。据报道,目前钢帘线的强度可达4 000 MPa以上[2- 3]。

本文采用三维原子探针层析技术(3DAPT)对钢帘线在不同应变条件下湿拉时钢中渗碳体的分解进行了研究，主要包括应变量对渗碳体片层的方向、片层厚度、铁素体和渗碳体的片层间距以及渗碳体中碳原子的浓度的影响。

1 试验材料及方法

试验材料为某厂生产的85级帘线钢丝，其化学成分如表1所示。生产工艺流程为转炉冶炼→LF精炼→大方坯连铸→开坯→高速线材轧制→控冷→φ5.5 mm盘条→粗拉至φ1.32 mm→盐浴处理(980 ℃奥氏体化+585 ℃盐浴)→中拉至0.87 mm→盐浴处理→镀铜→湿拉至φ0.12 mm。以成品尺寸0.12 mm为例，计算其应变率ε为3.878，计算方法为ε=ln(Ai/Af)，Ai和Af分别为拉拔开始和最终产品的横截面积。为了研究不同应变条件下渗碳体的分解情况，从湿拉的22道次中，选择5道次进行研究，如表2所示。

表1 试验用帘线钢的化学成分(质量分数)Table 1 Chemical composition of the steel wire for cord (mass fraction) %

表2 湿拉过程拉拔道次及应变率Table 2 Drawing pass and strain rate during

首先将钢帘线表面的镀层采用砂纸打磨干净，然后采用电解抛光的方法制备三维原子探针(3DAP)针尖样品[4- 5]，电解样品长20 mm左右。在密度较大的惰性溶液上层加入6～8 mm厚的电解液(25%HClO4+75%C2H4O2溶液，体积分数，下同)，将样品垂直放入电解液中进行电解抛光，直至上下部分分离，得到针尖状样品，如图1(a)所示。试验要求样品尖端曲率半径<100 nm，还需进行显微电解抛光，如图1(b)所示。显微电解抛光时用铂丝弯曲成小环作为负极，环中保留一小滴电解液(2%HClO4+98%C6H14O2溶液)，将极细的丝状样品插入带有电解液的环中，在样品和铂丝间通以脉冲电源，利用短暂时间的电解抛光来完成针尖样品形状修饰。APT采集数据时，样品冷却至50 K，脉冲电压频率为200 kHz，脉冲分数为15%，所得数据由Cameca公司的IVAS3.6软件分析。

2 试验结果与讨论

2.1 渗碳体方向随应变率的变化

图2为钢帘线在不同应变条件下湿拉时钢中碳原子的三维空间分布，其中深色为碳原子偏聚的渗碳体区，浅色为碳原子贫瘠的铁素体区，样品的长度方向即为拉拔方向。未进行湿拉时，应变率ε=0， 钢的组织仍为索氏体， 渗碳体和铁素体交替分布，此时，钢丝拉拔方向与渗碳体片层平面方向的夹角α约为45°，如图2(a)所示；随着应变率增加至1.007，渗碳体片层方向与拉拔方向的角度减小为5°，如图2(b)所示；当应变率进一步增加至1.967及以上时，渗碳体片层基本与拉拔方向一致，角度变为0°，如图2(c)～2(e)所示。通常，当应变增加到一定数值时，渗碳体片层的方向将逐步与拉拔方向一致[6]。但目前很少有仪器能够直观地来证明这一点，但本文采用三维原子重构可以很明显地反映出渗碳体在拉拔过程中方向的变化情况。

图1 3DAP针状样品制备示意图Fig.1 Preparation methods of needle samples for 3DAP

图2 渗碳体片层随应变率的变化Fig.2 Variation of lamellar cementite orientation with strain rate

2.2 渗碳体厚度及间距随应变率的变化

图3所示为渗碳体片层厚度和间距的测量方法示意图。在帘线钢中，渗碳体片层通常呈平行状态，选择合适的区域，使得分析范围能够涵盖垂直于两个渗碳体片层，沿着垂直于片层进行碳元素的面扫和线扫。图3(a)为应变率为0时的碳元素的扫描范围示意图，根据碳元素的原子浓度分布，对渗碳体的厚度和片层间距进行测量和计算。为了便于计算和比较，通常定义某个元素浓度峰的半高宽作为该元素的片层厚度，若该元素存在多个浓度峰值，取其平均值作为最终片层厚度，两个元素浓度峰之间的距离为片层间距。图3(b)为应变率为0时两个渗碳体片层之间碳元素的浓度分布，按照上述定义，当拉拔直径为0.834时，样品渗碳体厚度在9.8 nm左右，渗碳体片间距为55.8 nm。采用这种测量方法，对其余4个应变率下样品的渗碳体片层厚度和间距进行了测量。当应变率为1.967时，只检测到一个渗碳体片层，因此无法对片层间距进行测量；当应变率为3.078和3.878时，其测量峰值并非相同，因此采用多次测量取平均值的方法进行确定。

按照图3所示的检测方法，对图2中应变率为1.007、1.967、3.078和3.878的渗碳体区进行检测，发现大部分样品中可以检测到两个及两个以上片层， 但应变率为1.967时出现异常。 图4为不同应变率所对应碳元素的浓度分布。可以计算出应变率为1.007、1.967、3.078和3.878时对应的渗碳体厚度分别为5.6、7.9、5.2和3.3 nm，片层间距分别为62、未测到、17.8和15.9 nm。Michael Z[7]曾指出，φ1.5 mm未变形的过共析钢钢丝中渗碳体的片层间距在65 nm左右，与本文的检测结果基本一致。 随着应变率增加到3.878时，片层间距为15 nm左右，这与文献[7- 8]中报道的类似应变率下片层间距为10～15 nm比较接近。

图3 ε=0时渗碳体片层厚度及间距测定方法示意图Fig.3 Schematic diagram of measurement method for cementite lamellar spacing and thickness illustrated by applying sample with ε=0

图4 不同应变率下碳元素浓度分布Fig.4 Distribution of carbon concentration with different strain rates

2.3 渗碳体中碳原子的扩散行为

表3为不同应变条件下测得的碳浓度的宽度值、渗碳体和铁素体相界面间厚度值以及碳浓度的峰值。其中渗碳体和铁素体相界面间厚度值为碳浓度峰值底部宽度与其半高宽的差值，但本文只测量了碳浓度值在19.18%(原子分数，下同)以上的峰值。为了保证试验结果的准确性，每个样品至少测量两个数据，取最大值和最小值，对应的检测区域如图5所示。

表3 不同应变率对应的渗碳体和铁素体相界面间厚度值以及碳浓度的峰值Table 3 Interface thickness between cementite and ferrite and the carbon concentration peaks value with differernt strain rates

结合表3和图5可以发现，应变率为0和1.967时，样品的碳浓度范围为21.11%～24.14%，这与渗碳体中碳浓度按化学计量比的25%比较接近，同时与文献[9]中报道的(24.3±0.2)%也基本一致。当应变率为1.967时，碳元素浓度值为24.14%。可见，样品中的渗碳体在拉拔过程中比较稳定， 并未造成碳原子的扩散分解。随着拉拔直径的减小，当应变率为3.078时，测得碳浓度的最大值和最小值分别为24.84%和8.08%，显然部分渗碳体仍然比较稳定，另一部分则发生了扩散分解，虽然这些渗碳体相邻，但其分解程度差异较大，可能是由于渗碳体/铁素体相界面附近位错密度较大，位错与渗碳体中碳原子相互作用，增加了界面处的自由能，促进了渗碳体中碳原子的扩散。研究表明[10]，渗碳体的片层间距和厚度对碳原子的分解扩散有着重要的影响。对于应变率为3.875的样品，测得其碳浓度峰值最大和最小值分别为19.18%和12.53%， 此时， 渗碳体中的碳原子均发生了扩散，但扩散量有所差异。通过对应变率从0到3.875的钢帘线样品进行分析，可以看出，随着拉伸应变率的增加，渗碳体中碳原子的扩散能力逐渐增加，但是应变率与扩散程度并未呈现出明显的线性关系，而渗碳体片层则出现出了不同程度的扩散。

图5 不同应变率下碳元素浓度分布检测区域Fig.5 Cylinder- shaped analyzed region of five samples with differernt strain rates

通常，对于钢帘线或者胎圈钢丝，会对其扭转性能有一定要求。一般认为，渗碳体中碳含量减少，铁素体中碳含量增加会显著影响钢丝的韧性，当渗碳体中碳含量减少太多，会造成钢丝扭转性能明显下降。而扭转性能不合格的原因通常很难分析，通过本文试验方法，可以有效地分析钢丝扭转性能不合格的原因，进而指导实际拉拔过程中参数的选择和控制。

3 结论

(1)采用三维原子探针对钢帘线湿拉过程中渗碳体的变化进行表征，发现，湿拉前渗碳体片层方向与拉拔方向呈45°角，随着应变率的增加，夹角逐渐减小，应变率为1.0时减小到5°左右，应变率提高至1.007以上时，渗碳体片层方向与拉拔方向基本平行。

(2)随着钢丝直径的减小，拉伸应变率的提高，渗碳体厚度逐渐减薄，片层间距减小。

(3)钢丝在拉拔过程中随着应变率的增加，部分渗碳体中碳原子出现扩散分解，导致渗碳体中碳原子浓度降低，但浓度降低程度与应变率并非严格的线性关系。

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