单向纤维晶强化超高强度钢丝制备

D0I:10.13374/j.issn1001-053x.1998.06.011 第20卷第6期 北京科技大学学报 Vol.20 No.6 1998年12月 Journal of University of Science and Technology Beijing Dec.1998 单向纤维晶强化超高强度钢丝制备 谢建新 王自东吴春京 胡汉起李静媛常国威 北京科技大学材料科学与工程学院，北京100083 摘要提出了将连续定向凝固技术与低祖强塑性加工相结合，制备连续纤维晶强化超高强度钢 丝的思想，并在实验室成功地制备了具有单向柱状晶组织的铸铁与不绣钢铸棒，证实了违续定向 凝固技术用于钢铁材料是可行的。 关键词连续定向凝固；纤维状晶体：钢丝：强加工 分类号TG14;TG214:TG335.6 钢丝的超高强度化是实现悬索桥与斜拉吊桥大跨度化的关键，目前世界上悬索桥的最大 跨度为1991m(日本明石海峡大桥)，其主钢缆用钢丝（中5mm镀锌钢丝）的强度为 1760MPa,部分吊索用钢丝的强度达1960MPa,均代表目前世界上桥用钢丝的最高强度水 平，如能将钢丝的强度提高至4000~5000MPa,加之结构轻量化的效果，悬索桥的最大跨度 可达5000~6000m,斜拉吊桥的跨度可达2000~3000m,可见其经济与社会效益十分巨 大.然而，由于现行桥用钢丝一般为含碳0.70%~0.80%的珠光体组织，其夹杂的控制存在界 限，组织控制与大形变加工技术未能取得突破，要获得4000MP以上强度的实用超高强度 桥用钢丝几乎是不可能的， 因此，在凝固与加工过程中，如能通过采用新技术，例如可实现高纯净化、超细化与超均 质化的凝固技术，后续大变形强加工等技术，控制钢丝的组织与性能，以突破现行钢丝强度的 限界，将具有十分重要的实际意义.为此，作者等人提出如下新思路：采用连续定向凝固技术 制备具有单向柱状晶组织的铸棒，然后通过低温强加工方法（或称无再结晶大塑性变形方 法)，获得具有细小单向纤维状晶体强化的超高强度钢丝，本文介绍了这一思想，并对其可行 性进行了讨论. 1连续定向凝固技术 近年来发展起来的加热型结晶器连续定向凝固方法(Ohno Continuous Casting,简称 OCC法)，可以获得具有连续单向柱状晶的铸造组织，其纵向力学性能非常优异，被认为非 常适合于难加工材料的管、棒材和较为复杂断面型材的直接铸造成形，对于发展超级钢盘条、 高强度钢丝也具有重要应用前景，北京科技大学铸造研究所金属凝固研究小组经过10余年 的努力，对此方法进行了改造和发展，不但在有色合金方面，对黑色金属的连续铸造也进行了 大量探索，现已可以成形具有连续单向柱状晶组织的不锈钢和铸铁制品， 图1是连续定向凝固成形的基本原理图.与常规铸造方法不同，对结晶器不进行强制冷 却，并通过加热使结晶器的温度达到被铸金属的熔点以上，通过在结晶器出口附近的强制冷 1998-03-18收精 谢建新男，40岁，教授博土

第 2 0卷 第 6期 19 9 8年 1 2月 北 京 科 技 大 学 学 报 JO u r n a l o f Uu i v e r s i yt o f 歇 i e n e e a n d T ec h o o l o yg eB ij i o g V 0 1 . 20 】k C 。 N O . ` 1 9 8 单向纤维晶强化超高强度钢丝制备 谢建新 王 自东 吴春京 胡汉起 李静媛 常国威 北京科技大学材料科学与工程学院 , 北京 10 0 83 摘要 提 出了将 连续定 向凝 固技术 与低 温强塑性加工相 结合 , 制备连续纤 维晶强化超高强度 钢 丝的思想 , 并在 实验室成功地 制备了 具有单 向柱状晶组织 的铸铁 与不锈钢铸棒 , 证实 了连续 定 向 凝固技术 用于钢铁材料是可行的 . 关锐 词 连续定 向凝固 ; 纤维状 晶体 ; 钢丝 ; 强加工 分类号 T G 1 4 ; T C挽1 4 ; T G 3 35 . 6 钢丝 的超 高强 度化是 实现悬索桥 与斜拉吊桥大跨度化 的关键 . 目前世界 上 悬索桥 的最 大 跨 度 为 1 9 9l m ( 日 本 明 石 海 峡 大 桥 ) , 其 主 钢 缆 用 钢 丝 帅 5 ~ 镀 锌 钢 丝 ) 的 强 度 为 1 7 6 0 侧P[ a , 部分 吊索用钢丝 的强 度 达 1 9 60 侧 IP a , 均 代表 目前世 界 上桥 用 钢 丝 的最 高强 度水 平 . 如能将钢丝的 强度提高至 4 0 0 0 一 5 0 0 0 侧IP a , 加之结构轻量化的效果 , 悬 索桥的最大跨度 可 达 5 0 0 0 ~ 6 0 0 0 m , 斜拉 吊桥 的跨度可达 2 0 0 ~ 3 0 0 m , 可见 其经济 与 社会效益 十分巨 大 . 然 而 , 由于现行桥用钢丝一 般为含碳 0 . 70 % 一 0 . 80 % 的珠 光体组 织 , 其夹杂的控制存在 界 限 , 组织 控 制 与大 形 变 加工 技术 未 能取得 突破 , 要 获得 4 0 0 侧 P[ a 以 上 强 度 的 实用 超 高强度 桥用 钢丝 几乎 是不 可 能的 . 因此 , 在凝 固与 加工过 程 中 , 如能通过 采用 新技术 , 例如可 实现 高纯净化 、 超细 化与超均 质 化 的凝 固技 术 , 后 续大变形强 加工等技 术 , 控制钢丝 的组织 与性 能 , 以突破 现行 钢丝强度的 限界 , 将具有 十分重 要 的实际意 义 . 为此 , 作者等人提 出如下 新思路 : 采用连 续定 向凝固技术 制 备具 有 单 向柱 状 晶 组 织 的铸棒 , 然 后 通 过低 温 强 加 工 方 法 (或 称无 再结晶大 塑性变形 方 法 ) , 获得 具 有 细小 单 向纤 维状 晶体强化 的超 高强 度钢丝 . 本文 介绍了这 一思 想 , 并对其可 行 性 进行 了讨论 . 1 连续定 向凝 固技术 近 年 来 发 展 起 来 的加 热型 结 晶 器 连 续 定 向凝 固 方 法 (O hn o oC n it ~ us C as it gn , 简称 oc c 法 l)[ 泪 , 可 以 获得 具有连 续 单向柱状 晶的铸造组 织 , 其纵向力学 性能非常优异 , 被 认 为非 常适合于 难加工材 料的管 、 棒材 和 较为复杂 断面型 材的 直接铸造成形 , 对于发展超 级钢盘条 、 高强度钢丝也 具有 重 要 应用 前 景 . 北京 科 技大 学铸造研 究 所 金属凝 固研究小 组经 过 10 余年 的努力 , 对此方法 进行 了改 造 和发 展 , 不 但 在有色合金 方面 , 对黑 色金 属的连续铸造也 进行 了 大量探 索 , 现 已 可以成 形具有连 续单 向柱 状晶组织 的不 锈钢和铸铁制 品 . 图 1 是连续定 向凝 固成形 的基 本原理 图 . 与 常规铸造 方 法不 同 , 对结晶 器不 进行强 制 冷 却 , 并 通过加 热使结晶器 的温 度达 到 被铸金属 的 熔点 以 上 , 通 过 在结晶器 出 口 附近 的 强 制冷 19 98 刁 3 一 铭 收稿 谢建新 男 , 40 岁 , 教授 博士 DOI: 10. 13374 /j . issn1001 -053x. 1998. 06. 011

Vol.20 No.6 谢建新等：单向纤维晶强化超高强度钢丝制备 ·557· 却，或同时对结晶器进行分区加热与控制，可使结晶器内金属沿长度方向具有很高的温度梯 度，热量主要沿拉锭方向单向传输，从而实现 定向凝固，获得单向连续柱状晶材料，柱状晶 的尺寸（晶粒直径）可以通过施加外加电磁 金属熔体 场，对结晶器内液固界面进行干扰来控制. 连续定向凝固方法的主要特点是：(1)结 感应图 晶器出口端与冷却区间有悬殊的温差和很大 发热体 控制 的温度梯度，型内金属熔体的热量主要沿拉 结晶器 锭方向单向传输，造成有利于单向凝固的条 冷却 件，可铸造成形长度不受限制的细小柱状晶 铸锭 红外测温 组织：(2)在连续定向凝固过程中，由于固液界 引锭 面保持平整，或向液体中凸出，凝固过程中析 出的气体和夹杂不断排向液体，铸品气孔、夹 图1连续定向凝固的基本原理示意图 杂缺陷少；（③）高温金属熔体可以进行充分补缩，铸品中不会产生缩孔、松缩等缺陷，组织致 密；（④）由于强制冷却作用，柱状晶粒细小，枝晶间距缩短，铸品成分分布均匀，消除了宏观偏 析 2超高强度钢丝制备的基本思路 单向纤维晶强化超高强度钢丝制备的基本思路是（如图2所示）：利用连续定向凝固法制 备具有细小单向柱状晶组织的铸锭，然后通过低温强加工技术，获得所需直径的钢丝.这里所 说的低温强加工技术主要包括两个方面的要点：首先是连续定向凝固成形后的所有塑性加工 与热处理均在低于再结晶温度下进行，包括低温轧制、冷轧、低温退火、拉拔、回复退火等，以 保证原来的单向柱状晶组织在最终加工后仍为连续的纤维状晶粒；其次，使连续定向凝固棒 材的后续累计延伸塑性变形程度（真应变）达到ε≥4~6，即铸棒与最终线材（钢丝）的断面积 比达到50~400以上，钢丝中单向纤维状晶体的直径达到10~1μm以下.采用上述加工方法， 预计对于悬索桥用钢丝，可使其抗拉强度达到3000MPa以上，而对于汽车轮胎用钢帘线，可 使其抗拉强度达到5000MPa以上， 低温强加工 O无再结晶温轧 O冷轧 O强制润滑拉拔 0回复退火 0 O变形组织 0真应变≥4~6 图2单向纤维晶强化超高强度钢丝成形的概态

V o l . 2 0 饨 ) . 6 谢建新等 : 单向纤维晶强化超高强度钢丝制备 , 或 同 时 对结 晶 器进 行分 区 加热与控 制 , 可使结晶 器 内金 属沿 长 度方 向具有 很高的温度 梯 , 热t 主要 沿拉锭 方 向单 向传输 , 从 而实 现 却度 定 向凝 固 , 获得 单 向连 续柱 状 晶 材料 . 柱状 晶 的 尺 寸 (晶粒 直 径 ) 可 以 通 过 施 加 外 加 电 磁 场 , 对结晶器 内液 固界面进 行 干扰来控 制 . 连续 定向凝 固方法 的 主要特 点是 : l( )结 晶器 出 口 端 与冷却 区 间有 悬殊 的温 差 和很 大 的 温 度 梯 度 , 型 内金 属 熔体的 热 t 主要 沿 拉 锭 方 向单 向传输 , 造 成 有 利于 单向凝 固 的条 件 , 可 铸造 成 形 长度 不受 限制 的 细 小 柱状 晶 组织 ; (2 )在 连 续定 向凝固 过程 中 , 由于 固液界 面保持平 整 , 或向液 体 中凸 出 , 凝 固过程 中析 出 的气体和 夹杂不 断排 向液 体 , 铸品气 孔 、 夹 金属 熔体 感应 圈 热体 结 晶器 卜目 二 . 、 、 几~ 二二 二 . 几飞 飞~ 门 「扛扛衬) 乡二扛扛衬) 乡乡冬冬二 l 扛扛. } } 工扛弓弓于} 父 l l - - - - 一 - - - - - 一 一 l 〔 二扛, 〕 二扛扛班乡二乡乡二扛扛 I 「 父 屯舀 仁仁 艾 于 扛 父 扛, 仁 卫 仁 艾 仑 艾 于 扛 介 扛川扛 1 . l , ~ ~ - 一 ~ ~ ~ ~ - 一 ~ ~ ~ l 厂二` { I 一 ~ ~ ~ 检侧与 控制 . 一 ~ ~ 一 l蔓份 l 二:- :.- :=- 卜丫二 点 圈1 连续定向凝固的基本原 理示意图 杂缺 陷少 ; ( 3) 高温 金 属熔体可 以 进行充 分补缩 , 铸 品 中不 会 产生 缩孔 、 松缩 等缺 陷 , 组 织 致 密 ; (4 ) 由于 强制 冷却作用 , 柱状晶粒 细小 , 枝 晶间距缩短 , 铸品成 分分 布 均匀 , 消 除 了宏 观偏 析 . 2 超商强度钢丝制备的基本思 路 单 向纤 维 晶强化超高强度 钢丝制 备的基本思 路是 (如图 2 所示 ) : 利用 连续定向凝 固法 制 备具有 细小 单向柱状晶组织 的铸锭 , 然后通 过低温 强加 工技术 , 获 得所 需 直径 的钢 丝 . 这 里 所 说的低 温强 加工 技术主要包括两个方面的要 点 : 首 先是 连续定 向凝 固成形后 的所有塑性 加 工 与热处理 均在 低 于再 结 晶温 度下进 行 , 包括低 温 轧制 、 冷轧 、 低温退 火 、 拉拔 、 回复退火等 , 以 保证 原 来的单 向柱 状晶组 织 在最终加工后仍为连续的纤维 状晶粒 ; 其次 , 使连 续定向凝 固棒 材 的后 续累计延伸塑性 变形 程度 (真应变 )达到 。 之 4 ~ 6 , 即铸棒与最终线材 (钢丝 ) 的 断面 积 比达到 50 一 40 0 以上 , 钢丝 中单向纤 维状晶体的直径 达到 10 一 1“ m 以 下 . 采用 上述加 工 方法 , 预计对于 悬索桥用 钢丝 , 可使其抗拉强度达到 3 0 0 倒IP a 以上 , 而 对于 汽车轮胎 用钢帘线 , 可 使其抗拉强 度达 到 5 o o N P[ a 以上 . l l r 飞气 于二气厂七汽户 ~ 气才几甲公气少飞代了几尸 - , - 户- , ~ , 产 ~ . , . 州 l l 肚 ~ ~ l{ 低沮强加工 0 无再结晶温轧 0 冷轧 0 强制润滑拉拔 O 回 复退 火 丹 0 变形组织 0 真应变之 4 一 6 圈2 单向纤维 . 强化超高强度钢丝成形的概态

减经安二0， 深 "L 1

V o l . 2 0 饨) . 6 谢建新等 :单向纤维晶强化超高强度钢丝制备 , 或 同 时 对结 晶 器进 行分 区 加热与控 制 , 可使结晶 器 内金 属沿 长 度方 向具有 很高的温度 梯 , 热t 主要 沿拉锭 方 向单 向传输 , 从 而实 现 却度 定 向凝 固 , 获得 单 向连 续柱 状 晶 材料 . 柱状 晶 的 尺 寸 (晶粒 直 径 ) 可 以 通 过 施 加 外 加 电 磁 场 , 对结晶器 内液 固界面进 行 干扰来控 制 . 连续 定向凝 固方法 的 主要特 点是 : l( )结 晶器 出 口 端 与冷却 区 间有 悬殊 的温 差 和很 大 的 温 度 梯 度 , 型 内金 属 熔体的 热 t 主要 沿 拉 锭 方 向单 向传输 , 造 成 有 利于 单向凝 固 的条 件 , 可 铸造 成 形 长度 不受 限制 的 细 小 柱状 晶 组织 ; (2 )在 连 续定 向凝固 过程 中 , 由于 固液界 面保持平 整 , 或向液 体 中凸 出 , 凝 固过程 中析 出 的气体和 夹杂不 断排 向液 体 , 铸品气 孔 、 夹 金属 熔体 感应 圈 热体 结 晶器 卜目 二 . 、 、 几~ 二二 二 . 几飞 飞~ 门 「扛扛衬) 乡二扛扛衬) 乡乡冬冬二 l 扛扛. } } 工扛弓弓于} 父 l l - - - - 一 - - - - - 一 一 l 〔 二扛, 〕 二扛扛班乡二乡乡二扛扛 I 「 父 屯舀 仁仁 艾 于 扛 父 扛, 仁 卫 仁 艾 仑 艾 于 扛 介 扛川扛 1 . l , ~ ~ - 一 ~ ~ ~ ~ - 一 ~ ~ ~ l 厂二` { I 一 ~ ~ ~ 检侧与 控制 . 一 ~ ~ 一 l蔓份 l 二:- :.- :=- 卜丫二 点 圈1 连续定向凝固的基本原 理示意图 杂缺 陷少 ; ( 3) 高温 金 属熔体可 以 进行充 分补缩 , 铸 品 中不 会 产生 缩孔 、 松缩 等缺 陷 , 组 织 致 密 ; (4 ) 由于 强制 冷却作用 , 柱状晶粒 细小 , 枝 晶间距缩短 , 铸品成 分分 布 均匀 , 消 除 了宏 观偏 析 . 2 超商强度钢丝制备的基本思 路 单 向纤 维 晶强化超高强度 钢丝制 备的基本思 路是 (如图 2 所示 ) : 利用 连续定向凝 固法 制 备具有 细小 单向柱状晶组织 的铸锭 , 然后通 过低温 强加 工技术 , 获 得所 需 直径 的钢 丝 . 这 里 所 说的低 温强 加工 技术主要包括两个方面的要 点 : 首 先是 连续定 向凝 固成形后 的所有塑性 加 工 与热处理 均在 低 于再 结 晶温 度下进 行 , 包括低 温 轧制 、 冷轧 、 低温退 火 、 拉拔 、 回复退火等 , 以 保证 原 来的单 向柱 状晶组 织 在最终加工后仍为连续的纤维 状晶粒 ; 其次 , 使连 续定向凝 固棒 材 的后 续累计延伸塑性 变形 程度 (真应变 )达到 。 之 4 ~ 6 , 即铸棒与最终线材 (钢丝 ) 的 断面 积 比达到 50 一 40 0 以上 , 钢丝 中单向纤 维状晶体的直径 达到 10 一 1“ m 以 下 . 采用 上述加 工 方法 , 预计对于 悬索桥用 钢丝 , 可使其抗拉强度达到 3 0 0 倒IP a 以上 , 而 对于 汽车轮胎 用钢帘线 , 可 使其抗拉强 度达 到 5 o o N P[ a 以上 . l l r 飞气 于二气厂七汽户 ~ 气才几甲公气少飞代了几尸 - , - 户- , ~ , 产 ~ . , . 州 l l 肚 ~ ~ l{ 低沮强加工 0 无再结晶温轧 0 冷轧 0 强制润滑拉拔 O 回 复退 火 丹 0 变形组织 0 真应变之 4 一 6 圈2 单向纤维 . 强化超高强度钢丝成形的概态

Vol.20 No.6 谢建新等：单向纤维晶强化超高强度钢丝制备 ·559· 4结束语 考虑到未来大跨度悬索桥、斜拉吊桥对钢丝超高强度化的要求，本文提出了将连续定向 凝固技术与低温强加工技术相结合，制备具有单向纤维晶组织的超高强度钢丝的思想，并对 其可行性进行了初步讨论.已在实验室成功地制备了具有单向柱状晶组织的铸铁与不锈钢铸 棒，证实了连续定向凝固技术用于钢铁材料是可行的.今后拟继续探讨不同合金成分铸棒的 连续定向凝固成形规律与合理的士艺参数，以及铸棒低温强加工技术的有关基础问题. 参考文献 1 Ohno A.Ohno A.Continuous Casting of Single Crystal in Ingots by the OCC Process.J of Metals, 1986,38(1):14 2 Ohno A.加装铸型左用~大連續鑄造法OCC.日本金需學會會報，1984,23(9)：773 3袁军平，电渣感应连续定向凝固工艺的研究：[硕士学位论文].北京：北京科技大学，1998 Fabrication of Unidirectional Fibrous Crystal Reinforced Super High Strength Steel Wire Xie Jianxin Wang Zidong Wu Chunjing Hu Hangi Li Jingyuan Chang Guowei Materials Science and Engineering School,UST Beijing,Beijing 100083,China ABSTRACT In order to enhance greatly the strength of steel wires used for suspension bridge,stayed-cable bridge and tyre cord,a new method combining continuous unidirec- tional solidification process with low temperature(under recrystallization temperature)large deformation plastic working.is presented for producing super high strength steel wires. The cast iron and stainless steel continuous cast ingots with unidirectional columnar crys- tals have been fabricated successfully.It is confirmed that the continuous unidirectional solidification process can be used for the forming of iron and steel materials. KEY WORDS continuous unidirectional solidification;unidirectional fibrous crystal;steel wire;low temperature deformation

v .lo 2 0 No .6 谢 建新等 : 单向纤维晶强化超高强 度钢丝制备 . 5 59 . 4 结束语 考 虑到 未 来大 跨度悬 索桥 、 斜 拉 吊桥 对钢 丝超 高强 度化 的要求 , 本 文 提 出了将 连 续定 向 凝 固技 术 与低 温强加 工技 术相 结合 , 制备具 有 单向纤 维 晶组 织 的超 高 强度 钢 丝 的思想 , 并 对 其可行性进行了初步 讨论 . 已 在实验 室成功 地制备 了具有 单 向柱 状晶 组织 的铸 铁 与不锈 钢铸 棒 , 证实 了连续定向凝固技 术 用于钢 铁材料 是 可行 的 . 今 后 拟继 续 探讨不 同合金成 分铸棒 的 连 续定 向凝固成形 规律 与合理的土艺参数 , 以及 铸棒 低温 强加 工技 术 的有 关基础 问题 . 参 考 文 献 1 0 hn o A . O h n o A . oC int n uo us C as it n g o f S i n g l e C yr s at l i n 1 n g o st by het 0 C C P cor e s s . J o f M e alt s , 1 98 6 , 38( l ) : 14 2 o ho o A . 加 熟 绮型 含用 ` 、 亡 速 演绮 造法 ( X {C . 日本 金 周攀 舍曹 报 , 19 8 4 , 2 3 (9) : 7 3 3 袁军平 . 电渣 感应连续定向凝 固工 艺的研究 : 〔硕士 学位论文1 . 北京 : 北京科 技大 学 , 19 9 8 F ab r i e at i o n o f U n i d i r e e t i o n a l F i b r o u s C yr s t a l R e i n fo r e e d S u P e r H i g h S tr e n g th S t e e l Wi r e 茉` iJ a n 加 Wa n g 乙do n g Wu hC u nj in g uH aH n q i jI iJ n gy u a n hC a n g G u o w e i M a et ir al s S e i e nc e a nd E n gi n e e ir n g S e h o o l , U S T B e ij i n g , B e ij i n g 10 0 0 8 3 , C ih n a A B ST R A C T I n o dre r ot e n h a cn e g re at ly ht e s tre n g ht o f s te e l w ire s u s e d of r s u s pe n s i o n ibr d g e , s ayt e d 一 e ab l e b ir d g e an d yt er e o dr , a ne w m e t h de e o m b iin n g e o n it n u o u s u in d i er c - it o n al s o lid iif e a it o n P cor e s s w iht l ow et m pe r a ut er ( u n d e r er e yr s at lli z a it o n et m pe ar ut er ) l agr e d e fo mr iat on lP as it e 讨o ikr n g . 1 5 p er s e n et d fo r p or du e i n g s u 详 r ih g h s etr n g ht s et e l w i er s . Th e e as t ior n an d s iat n l e s s s et e l c o n it im o u s e as t i n g o st w iht un id i er e it o n a l c o l um n a r e yr s - alt s h va e be e n af b ir e a et d s u e e e s s fu lly . It 1 5 e o n if mr e d ht a t ht e e o n it n u o u s u n iid er c it o n al s o liid if e iat o n P cor e s s e an be us e d fo r ht e fo mu n g o f i r o n an d s et e l m a et ir al s . K E Y W O R D S e o n it n u o u s u in d i er e it o n a l s o liid if e a it o n ; u n i d i er c it o n al if b r o u s e yr s at l ; s et e l w i er ; l ow et 扣 pe r a ut r e d e fo mr a it o n