高强度高扭转桥索用镀锌钢丝及其制备工艺

摘要

本发明公开了一种高强度高扭转桥索用镀锌钢丝及其制备工艺，属于桥梁缆索用线材技术领域。具体制备工艺包括：1)选用优质盘条；2)单道次或多道次预拉拔：单道次预拉拔的压下率≤20％，多道次预拉拔的前道次压下率大于后道次压下率；3)离线热处理：采用盐浴、铅浴或水浴中的一种对步骤2)得到的盘条进行热处理；4)制丝得到成品镀锌钢丝。本发明设计的制备工艺，相对于现有常规盘条的制备工艺，并不改变离线热处理及制丝等工艺参数，操作简便，可行性较强；并且得到的镀锌钢丝抗拉强度不小于1860MPa，扭转性能体现为扭转次数不小于18次，满足桥索服役要求。

说明书

技术领域

本发明涉及线材及其生产方法，属于桥梁缆索用线材技术领域，具体地涉及一种高强度高扭转桥索用镀锌钢丝及其制备工艺。

背景技术

高强度镀锌钢丝因其具有优异的力学性能与良好的防腐能力，被广泛应用于桥梁缆索、悬索等重要场合。高强度镀锌钢丝是以高碳珠光体钢盘条为原料，先经过多道次连续冷拉拔形变获得超高强度钢丝，然后再进行热浸镀锌处理，在钢丝表面获得连续、结合良好的热镀锌层，从而获得良好的耐腐蚀性能。

由于高强度珠光体钢丝经大形变量塑性变形，其内部存在较高的形变储存能(主要以残余应力、高密度位错等形式存在)，对加热过程极其敏感。在钢丝的热镀锌过程中(镀锌温度一般在440℃～460℃，时间为20秒～40秒)，高强度钢丝的残余应力、位错等将会发生一系列变化。由于钢丝表面直接接触450℃左右液态锌，而内部需要经过热传递才能达到同样的温度，由于镀锌时间短，常常导致钢丝表面和内部经历的加热过程不一致，导致原本较均匀的残余应力会变得分布不均，宏观表现为钢丝扭转性能急剧降低。

目前，采用国产高碳钢盘条生产的大桥缆索用高强度镀锌钢丝，不能满足标准要求的指标主要是热镀锌钢丝(标准样品，长度为100d，d-钢丝直径)的扭转圈数低于14圈(一般在3～11圈)，而高强度钢丝镀锌前的扭转圈数一般都能达到25圈以上。大桥缆索用高强度镀锌钢丝的扭转指标成为限制国产高碳钢盘条大规模应用的关键因素。

如中国文献期刊“纪念《金属制品》创刊40周年暨2012年金属制品行业技术信息交流会”公开了大跨度桥梁缆索用高性能镀锌钢丝的研发，对于大跨度桥梁缆索用高性能钢丝是在具有高强度级别要求的同时，又兼有高扭转、低松弛性能的产品。选用宝钢、新日铁桥梁缆索镀锌钢丝专用盘条，采用先进的生产工艺技术，具体工艺流程为：优质盘条→酸洗→高压冲洗→中温磷化→水洗→皂化→烘干→旋转放线→Φ1 200mm×9直进式拉丝机拉拔→Φ1 400mm大工字轮收线→镀锌放线→脱脂→水帘密封酸洗→复合助镀→烘干→热镀锌→擦拭→风冷和水冷→花篮架收线→伸缩式放线→光整→工字轮收线→稳定化工字轮放线→交叉矫直→第一张紧→可移动中频加热→控制冷却→第二张紧→牵引→可调节收线→打捆→检验→包装→入库。解决了高扭转与低松弛的矛盾，并且提高了镀锌钢丝的强度，生产出符合大跨度桥梁发展要求的高性能预应力镀锌钢丝。该产品的抗拉强度分别为1670，1770，1860MPa三个级别；扭转≥8～14次；松弛率≤2.5％；疲劳试验≥200次；自然矢高≤15mm/m；锌层面质量≥300g/m2；硫酸铜试验≥4次；锌层附着力缠绕≥8圈；延伸率≥4.0％；反复弯曲≥5次。

又如中国发明专利申请(申请公布号：CN105803176A，申请公布日：2016-07-27)公开了一种提高大桥缆索用镀锌钢丝扭转性能的方法，具体的选用高碳珠光体盘条，依次进行酸洗、磷化、冷拉拔、镀锌、稳定化处理得到成品镀锌钢丝；拉拔后钢丝强度在1 850MPa～2050MPa，扭转断裂圈数≥20圈；冷拉拔后对钢丝进行低温回火处理后再镀锌，低温回火处理温度为200℃～260℃，时间为24h～48h，且低温回火处理为采用热风或高压蒸汽加热。这种对钢丝进行长时间低温回火的方法对组织均匀性改善不大，且在实际生产过程中操作难度较大，不适合工程化应用。

对于2000MPa是目前全球实用性桥索镀锌钢丝的最高强度要求，据报道，目前新日铁采用在线盐浴控冷工艺生产的盘条以能够成功试制出满足要求的镀锌钢丝。然而，国内主要的桥索盘条生产厂家多采用的是斯太尔摩风冷处理工艺，风冷的均匀性较盐浴冷却更差，因此导致试制钢丝扭转性能不稳定，不能完全满足要求。目前，对国产斯太尔摩风冷盘条进行再次离线热处理，以改善盘条的组织均匀性已在国内桥索行业达成共识，再次离线热处理有多种工艺，例如，盐浴处理、铅浴处理和水浴处理等。如中国发明专利申请(申请公布号：CN107227427A，申请公布日：2017-10-03)公开了φ7.0mm2000MPa级镀锌钢丝及其制造方法，该制造工艺包括对盘条检验阶段、酸洗磷化阶段、拉丝阶段、热镀阶段、稳定化阶段的优化，使镀锌钢丝具有大直径、高强度、高塑韧性的特点，即使镀锌钢丝具有直径φ7.0±0.07mm、抗拉强度Rm≥2000MPa、屈服强度Rp0.2≥1790MPa、延伸率A≥4％、弯曲(次/180°)≥8、缠绕(3d×8圈)不断裂、扭转(次/360°)≥8的特点，满足市场对镀锌钢丝的强度和塑韧性要求。即斯太尔摩风冷盘条经过再次离线热处理后的组织均匀性显著提升，试制镀锌钢丝的扭转性能较热处理前大幅度提高，然而也并未达到完全满足要求，主要表现仍为扭转性能不稳定，盘条的组织均匀性有待进一步提高。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明提供了一种可以不改变现有桥索用镀锌钢丝的主流生产工序，但能提高并稳定试制镀锌钢丝的扭转性能的制备工艺。

为实现上述目的，本发明公开了一种高强度高扭转桥索用镀锌钢丝的制备工艺，包括如下步骤：

1)选用高碳珠光体盘条；

2)单道次或多道次预拉拔：控制各道次预拉拔的压下率≤20％(不为零)，多道次预拉拔的前道次压下率大于后道次压下率，保证预拉拔的整体压下量≥12％；预拉拔过程中控制拉速≤1.5m/s，且预拉拔的模前温度不超过40℃，预拉拔的模后温度不超过130℃(避免温度太高不利于盘条内部组织的均匀化)；

3)离线热处理：采用盐浴、铅浴或水浴中的一种对步骤2)得到的所述盘条进行奥氏体化处理和等温热处理；

4)制丝工艺处理得到成品镀锌钢丝。

进一步地，步骤2)中，预拉拔后的盘条表面无肉眼可见的连续性划伤或划伤深度不超过0.10mm，且盘条椭圆度不超过0.4mm。

同时还要保证预拉拔后的盘条的表面显微组织应以变形珠光体为主，不应该含有马氏体或贝氏体等过热组织。所述预拉拔在离线热处理之前，其目的是加大盘条内部储能，保证盘条在接下来的热处理过程中组织转变更为剧烈，热处理后的盘条组织更为均匀。并且拉拔处理过程中盘条会产生加工硬化效应，其强度会出现上升，上升幅度与拉拔过程中的压缩率直接相关，有现有的成熟理论公式进行计算。

优选的，控制各道次预拉拔的压下率大于9％，但小于等于20％。

进一步地，步骤3)中，所述奥氏体化处理的温度大于950℃，保温时间超过1min；等温热处理的温度为450～600℃，保温时间大于50s；其目的是保证盘条内部组织进行剧烈转化。

进一步地，步骤3)中，所述离线热处理后盘条的表面显微组织为均一的索氏体组织，且盘条的强度同圈差不超过40MPa，以此保证最终制备得到具备优良的抗拉强度与扭转性能的镀锌钢丝的。

进一步地，步骤1)中，所述高碳珠光体盘条按照质量百分比控制各组分的含量为C≥0.77％，Si:0.2～1.1％，Mn:0.3～0.9％。

对于桥索用镀锌钢丝，一般要求其具备较高的抗拉强度，而C、Si及Mn元素含量的合理控制在一定程度上可以提高钢板的强度。本发明是根据试制钢丝的强度进行化学成分的合理选择和设定。

进一步地，所述高碳珠光体盘条的表面显微组织中无马氏体和贝氏体组织，抗拉强度控制为1100～1600MPa，面缩大于等于30％。

进一步地，步骤4)中，所述制丝工艺依次包括酸洗、磷化、多道次冷拉拔、热镀、稳定化及集卷。

优选的，酸洗磷化过程中要保证盘条表面的氧化铁皮清除干净，表面具备拉丝条件；

多道次冷拉拔过程采用6～9个道次，拉丝的模前和模后温度分别不超过45℃和140℃，拉丝速度约1.0～2.5m/s；

热镀过程的介质温度范围为440～470℃，热镀速度不超过12m/min；

稳定化过程中加热温度不超过420℃，拉速低于220m/min，其中稳定化处理使制备得到的镀锌钢丝具备低松弛性能要求。

为了更好的实现本发明的技术目的，本发明还公开了采用上述制备工艺制备得到的高强度高扭转桥索用镀锌钢丝，它的直径为5.0～7.5mm，抗拉强度≥1860MPa，扭转性能中的扭转次数≥18次。

因此，本发明公开的制备方法在一定程度上解决了抗拉强度与扭转性能不能同时兼顾的问题，制备得到的镀锌钢丝符合大跨度桥梁的发展要求。

本发明针对于现有的斯太尔摩风冷盘条的扭转性能不稳定的问题，突破了现有的技术瓶颈，在选用的高碳珠光体盘条离线热处理前进行预拉拔处理，以加大盘条内部储能，因此盘条在接下来的热处理过程中组织转变更为剧烈，热处理后的盘条组织更为均匀，保证了制得的镀锌钢丝的扭转性能更加优良且稳定。

本发明的有益效果主要体现在如下几个方面：

1、本发明设计的制备工艺，相对于现有常规盘条的制备工艺，并不改变离线热处理及制丝等工艺参数，操作简便，可行性较强；

2、本发明设计得到的镀锌钢丝在一定程度上解决了钢丝的强度和扭转作为一对相互矛盾的指标存在的问题，制备得到的镀锌钢丝直径为5.0～7.5mm，抗拉强度≥1860MPa，扭转性能中的扭转次数≥18次，即兼具优良的抗拉强度和扭转性能，故制备得到的镀锌钢丝满足桥索服役要求，符合大跨度桥梁的发展要求。

附图说明

图1为本发明预拉拔前盘条的微观组织结构图(扫描电镜图)；

图2为本发明预拉拔后盘条的微观组织结构图(扫描电镜图)；

图3为本发明制备得到的镀锌钢丝的微观组织结构图(透射电镜图)。

具体实施方式

为了更好地解释本发明，以下结合具体实施例进一步阐明本发明的主要内容，但本发明的内容不仅仅局限于以下实施例。

实施例1

本实施提供了一种直径为7.0mm，抗拉强度为1960MPa级的镀锌钢丝的制备工艺，具体过程如下：

1)选用优质盘条：选择直径15.0mm的高碳珠光体盘条，主要成分为C:0.89％、Si:0.28％、Mn:0.70％，盘条表面质量良好，无马氏体和贝氏体等异常组织，抗拉强度为1350MPa，面缩为32％。

2)单道次或多道次预拉拔：对直径15.0mm的盘条进行预拉拔处理，采用单道次进行拉拔，单道次压下率为12.89％，预拉拔过程中控制拉速为1.5m/s，且预拉拔的模前温度为35℃，预拉拔的模后温度为120℃；拉拔后盘条直径为14.0mm；并且，观察预拉拔后的盘条表面无肉眼可见的连续性划伤，盘条椭圆度为0.35mm；其中，结合图1和图2可知，在预拉拔之前，盘条的金相显微组织以珠光体为主，珠光体的片层生长方向不一致，相对较为杂乱。盘条经过预拉拔后，杂乱的珠光体片层沿拉拔方向发生一定的变形，珠光体生长方向较拉拔前更为一致，但由于预拉拔变形量较小，其珠光体片间距未见明显变化。珠光体生长方向的统一说明了原先异向生长的珠光体受到了拉拔变形的作用，其组织中存储了一定的能量，有利于后续离线热处理过程中的组织均匀化。

3)离线热处理：对预拉拔后的直径为14.0mm的盘条进行等温处理，热处理介质选用铅液，所述奥氏体化处理的温度大于950℃，保温时间为2min；等温热处理的温度为500℃，保温时间为60s，观察离线热处理后的盘条内部组织为均一的索氏体组织，且盘条的强度同圈差不超过40MPa；

4)制丝工艺处理得到成品镀锌钢丝：依次进行酸洗、磷化、多道次冷拉拔、热镀、稳定化及集卷，其中：

酸洗磷化过程中要保证盘条表面的氧化铁皮清除干净，表面具备拉丝条件；

多道次冷拉拔过程采用7个道次，拉丝的模前和模后温度分别不超过45℃和140℃，拉丝速度约1.5m/s；

热镀过程的介质温度范围为450～460℃，热镀速度不超过12m/min；

稳定化过程中加热温度不超过420℃，拉速低于220m/min，其中稳定化处理使制备得到的镀锌钢丝具备低松弛性能要求。

制备得到直径为7.0mm，镀锌钢丝抗拉强度≥2030MPa，扭转性能≥18圈，该镀锌钢丝满足桥梁缆索用镀锌钢丝的要求。且结合图3可知，镀锌钢丝的珠光体片间距较盘条更为细小，且生产方向一致性更强。由于拉拔过程中外来能量的植入使得盘条组织更为均匀，因此试制的镀锌钢丝组织均匀性也随之大幅度提高，扭转性能稳定性得以保证。

实施例2

本实施提供了一种直径为6.5mm，抗拉强度为1960MPa级的镀锌钢丝的制备工艺，具体过程如下：

1)选用优质盘条：选择直径14.0mm的高碳珠光体盘条，主要成分为C:0.91％、Si:0.38％、Mn:0.70％，盘条表面质量良好，无马氏体和贝氏体等异常组织，抗拉强度为1410MPa，面缩为30％。

2)单道次或多道次预拉拔：对直径14.0mm的盘条进行预拉拔处理，采用单道次进行拉拔，单道次压下率为13.78％，预拉拔过程中控制拉速为1.2m/s，且预拉拔的模前温度为30℃，预拉拔的模后温度为125℃；拉拔后盘条直径为13.0mm；并且，观察预拉拔后的盘条表面无肉眼可见的连续性划伤，盘条椭圆度为0.4mm；

3)离线热处理：对预拉拔后的直径为13.0mm的盘条进行离线热处理，热处理介质选用铅液，所述奥氏体化处理的温度大于950℃，保温时间超过1min；等温热处理的温度为550℃，保温时间为60s，观察离线热处理后的盘条内部组织为均一的索氏体组织，且盘条的强度同圈差不超过40MPa；。

4)制丝得到成品镀锌钢丝：依次进行酸洗、磷化、多道次冷拉拔、热镀、稳定化及集卷，其中：

酸洗磷化过程中要保证盘条表面的氧化铁皮清除干净，表面具备拉丝条件；

多道次冷拉拔过程采用6个道次，拉丝的模前和模后温度分别不超过45℃和140℃，拉丝速度约2.0m/s；

热镀过程的介质温度范围为445～455℃，热镀速度不超过12m/min；

稳定化过程中加热温度不超过420℃，拉速低于220m/min，其中稳定化处理使制备得到的镀锌钢丝具备低松弛性能要求。

制备得到直径为6.5mm，镀锌钢丝抗拉强度≥2010MPa，扭转性能≥21圈，该镀锌钢丝满足桥梁缆索用镀锌钢丝的要求。

实施例3

本实施提供了一种直径为5.5mm，抗拉强度为1860MPa级的镀锌钢丝的制备工艺，具体过程如下：

1)选用优质盘条：选择直径14.0mm的高碳珠光体盘条，主要成分为C:0.83％、Si:0.21％、Mn:0.75％，盘条表面质量良好，无马氏体和贝氏体等异常组织，抗拉强度为1340MPa，面缩为35％。

2)单道次或多道次预拉拔：对直径14.0mm的盘条进行预拉拔处理，采用两道次进行拉拔，第一道次拉拔后盘条直径为12.60mm，第一道次和第二道次压下率分别为19.0％和9.30％，保证预拉拔的整体压下量≥12％；预拉拔过程中控制拉速为1.0m/s，且预拉拔的模前温度为35℃，预拉拔的模后温度为120℃；拉拔后盘条直径为12.0mm；并且，观察预拉拔后的盘条表面无肉眼可见的连续性划伤，盘条椭圆度为0.30mm。

3)离线热处理：对预拉拔后的直径为12.0mm的盘条进行离线热处理，热处理介质选用铅液，所述奥氏体化处理的温度为1000℃，保温时间为1.5min；等温热处理的温度为550℃，保温时间为70s，观察离线热处理后的盘条内部组织为均一的索氏体组织，且盘条的强度同圈差不超过40MPa；

4)制丝得到成品镀锌钢丝：依次进行酸洗、磷化、多道次冷拉拔、热镀、稳定化及集卷，其中：

酸洗磷化过程中要保证盘条表面的氧化铁皮清除干净，表面具备拉丝条件；

多道次冷拉拔过程采用8个道次，拉丝的模前和模后温度分别不超过45℃和140℃，拉丝速度约1.5m/s；

热镀过程的介质温度范围为450～460℃，热镀速度不超过12m/min；

稳定化过程中加热温度不超过420℃，拉速低于220m/min，其中稳定化处理使制备得到的镀锌钢丝具备低松弛性能要求。

制备得到直径为5.5mm，镀锌钢丝抗拉强度≥1915MPa，扭转性能≥25圈，该镀锌钢丝满足桥梁缆索用镀锌钢丝的要求。

实施例4

本实施提供了一种直径为7.0mm，抗拉强度为1860MPa级的镀锌钢丝的制备工艺，具体过程如下：

1)选用优质盘条：选择直径16.0mm的高碳珠光体盘条，主要成分为C:0.80％、Si:0.21％、Mn:0.55％，盘条表面质量良好，无马氏体和贝氏体等异常组织，抗拉强度为1260MPa，面缩为36％。

2)单道次或多道次预拉拔：对直径16.0mm的盘条进行预拉拔处理，采用两道次进行拉拔，第一道次拉拔后盘条直径为14.80mm，第一道次和第二道次压下率分别为14.43％和10.52％，保证预拉拔的整体压下量≥12％；预拉拔过程中控制拉速为1.5m/s，且预拉拔的模前温度为40℃，预拉拔的模后温度为130℃；拉拔后盘条直径为14.0mm；并且，观察预拉拔后的盘条表面无肉眼可见的连续性划伤，盘条椭圆度为0.35mm；

3)离线热处理：对预拉拔后的直径为14.0mm的盘条进行离线热处理，热处理介质选用铅液，所述奥氏体化处理的温度大于950℃，保温时间超过1min；等温热处理的温度为500℃，保温时间为60s，观察离线热处理后的盘条内部组织为均一的索氏体组织，且盘条的强度同圈差不超过40MPa；

4)制丝得到成品镀锌钢丝：依次进行酸洗、磷化、多道次冷拉拔、热镀、稳定化及集卷，其中：

酸洗磷化过程中要保证盘条表面的氧化铁皮清除干净，表面具备拉丝条件；

多道次冷拉拔过程采用7个道次，拉丝的模前和模后温度分别不超过45℃和140℃，拉丝速度约1.5m/s；

热镀过程的介质温度范围为440～470℃，热镀速度不超过12m/min；

稳定化过程中加热温度不超过420℃，拉速低于220m/min，其中稳定化处理使制备得到的镀锌钢丝具备低松弛性能要求。

制备得到直径为7.0mm，镀锌钢丝抗拉强度≥1890MPa，扭转性能≥23圈，该镀锌钢丝满足桥梁缆索用镀锌钢丝的要求。

由上述实施例可知，本发明制备得到的镀锌钢丝直径为5.0～7.5mm，抗拉强度≥1860MPa，扭转性能中的扭转次数≥18次，即兼具优良的抗拉强度和扭转性能。

作为本领域技术人员公知的，钢丝强度上升的同时一般会降低其扭转性能，因此对于强度越大的产品，其扭转性能的一般控制难度也更大，其主要的原因是强度越大，越容易产生元素偏析，产品自身的均匀性越差，而扭转过程中容易产生内应力集中，进而导致扭转性能恶化。本申请克服了这个问题，在保证抗拉强度的基础上，主要针对于钢丝的扭转性能进行了改善，通过在离线热处理前进行拉拔，植入能量，使得材料在热处理过程中的组织转变更为剧烈，转变后的组织更为均匀，因此钢丝扭转性能更优。因此，本申请制备得到的镀锌钢丝满足桥索服役要求，符合大跨度桥梁的发展要求。

以上实施例仅为最佳举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。除上述实施例外，本发明还有其他实施方式。凡采用等同替换或等效变换形成的技术方案，均落在本发明要求的保护范围。