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