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