广 告
特殊钢研发系列报道
特殊钢是先进装备制造业的基础材料，是高端制造业发展的重要保障。但是特殊钢的需求量小、品种多、生产技术含量高，影响了我国特殊钢高端产品的开发。为促进我国特殊钢产业的高质量发展，世界金属导报特组织特殊钢研发进展系列专题报道，重点介绍特殊钢的发展趋势及新品种开发，以飨读者。
为了实现汽车轻量化和提高燃油效率，日本开发了高强钢丝帘线用钢。研制高强钢丝帘线所面临的问题是同时获得高强度和良好的延展性。为了解决这一问题，分析了拉拔过程中组织和力学性能的变化，研究了拉拔过程中的开裂机理，对提高拉拔钢丝的延展性进行了探讨。在此基础上，采用1.0%C过共析钢和二次加工技术，试制了4400MPa级钢丝帘线。本文介绍了这些研究事例和开发的高强钢丝帘线用钢。
1前言
钢丝帘线是一种高强度部件，用作轮胎、软管等橡胶制品的补强材料。图1为轮胎截面示意图。钢丝帘线主要用于皮带、胎体等，全世界使用量达到每年200万吨以上。钢丝帘线作为补强材料，首先要求的是强度性能。图2所示为用于钢丝帘线的高强钢丝的抗拉强度变化情况。1970年左右抗拉强度为2800MPa左右，其后逐年提高，至20世纪90年代中期已经开发出了4000MPa级材料，是市面上销售的具有最高强度的钢材产品。然而，对汽车业界的燃料消耗和负载能力改进的需求仍然很高，为了实现轮胎轻量化、降低滚动阻力和提高负载能力，要求钢丝帘线进一步高强度化。而随着强度增加，加工性和延展性下降。抑制延展性下降是实现钢丝帘线进一步高强度化面临的最大问题。
本文介绍了钢丝帘线进一步高强度化进程中面临的课题、拉拔时的力学性能和组织变化行为，以及使用过共析钢开发的高强钢丝帘线。
2高强钢丝帘线面临的问题
2.1高强钢丝帘线用钢所需性能
钢丝帘线是将高碳钢进行拉拔和热处理减径，最终拉拔至直径0.15-0.39mm的极细的高强钢丝，并捻线加工而成，图3示出钢帘线生产工序。如上所述，钢丝帘线首先需要的性能是强度。提高高碳钢丝强度的主要方法有三种：①提高拉拔前的铅浴淬火材料的强度；②增加拉拔加工量；③强化拉拔加工时的加工硬化能力。通过将这些强化机理有机结合，可得到高强钢丝。另外，通过增加C含量及添加Cr，可以实现钢丝的高强度化。
以上的强化机理中，钢丝帘线这种极细钢丝的高强度化的重点是通过拉拔加工实现加工硬化。极细高强钢丝的强度通过在最终的拉拔加工工序（湿式拉拔）总面缩率97%以上的强加工得到，该加工硬化在抗拉强度中占比非常大，达到65%。也就是说，通过强加工进行加工硬化是实现钢丝帘线的高强度化必须的过程。另外，湿式拉拔后，在最终工序——捻线加工中，将受到大的扭转应力及弯曲应力。此外，在一次拉拔的干式拉拔中，要求具有高加工性，可减径至进行热处理所要求的直径。因此，钢丝帘线用钢还需要可承受这些制造工序的延展性。该延展性的评估指标包括拉伸试验时的面缩率和扭转试验时的纵裂（分层）的发生等。
2.2碳含量与高强钢丝延展性的关系
碳含量与拉拔加工性的关系如图4所示。这里的拉拔加工性用拉伸试验时的面缩率（≥35%）、扭转试验时至断开的次数（>25转）判断。由于碳含量的增加，拉拔加工性下降，或者说由于小应变导致延展性下降。如果拉拔加工性下降，则在干式拉拔工序无法将线材拉拔到所需的粗细，需要进行中间铅浴淬火，导致生产效率下降。另外，还有可能，在湿式拉拔工序，拉拔加工量下降，导致高强钢丝的抗拉强度不足或捻线工序发生断线。
2.3线径和高强钢丝延展性的关系
高强钢丝的延展性还与钢丝的线径有关。随着线径变小，面缩率下降的应变提高。扭转试验中分层的发生也显示出同样的倾向。有研究指出，随着初期线径变粗，由于小应变而发生分层。这是所谓的线径效果，该机理尚未明确，但提出了通过细径化减少表层与中心的组织差异以及通过拉拔方式的差异（粗径线材为干式拉拔，细径线材为湿式拉拔）引起加工发热和散热不同而降低应变时效的效果等方案。或者说，钢丝帘线的生产中，干式拉拔和湿式拉拔，在拉拔时，延展性下降和组织行为各异。因此，为了实现钢丝帘线的高强度，明确干式拉拔和湿式拉拔时的力学性能和组织变化行为，在各工序提高延展性非常重要。
3拉拔时的力学性能和组织的变化行为
3.1珠光体钢的组织和力学性能
钢丝帘线用钢材为高碳钢珠光体组织。如图5所示，珠光体钢为硬质的渗碳体与软质的铁素体层状排列组织，由铁素体结晶方位一致的珠光体块、渗碳体方向统一的珠光体团、渗碳体的层间距构成。关于组织和力学性能的关系，层间距对抗拉强度有影响，珠光体块大小（下文简称为PBS）对延展性（面缩率）有影响。
3.2干式拉拔中的延展性提高
3.2.1干式拉拔材力学性能与显微组织的关系
层间距、PBS对干式拉拔材抗拉强度、面缩率的影响如图6、图7所示。试验材料采用直径5.5mm的SWRH82A，用铅浴淬火控制PBS和层间距。PBS以35μm为界，拉拔材的力学性能存在很大差异。PBS为35μm以上时，真应变1.0-1.2以上情况下，面缩率急剧下降到10%左右，加工硬化率也下降。其后面缩率显示为低值，真应变2.0以上时，抗拉强度也出现下降，且越是PBS粗大化，这种倾向就越明显。而PBS为30μm以下时，尽管PBS对抗拉强度的影响较小，但真应变3.0左右的面缩率下降情况由于PBS的细化而略有提高。
关于层间距对拉拔材力学性能的影响，无论何种水平，加工硬化率相同的情况下，真应变3.0以下时，拉拔材抗拉强度均上升；真应变3.0以上时则下降。面缩率在真应变2.5以上时迅速下降，但随着层间距的细化（抗拉强度提高），面缩率下降的真应变下降。
因此，为了确保珠光体钢拉拔材的延展性，将PBS控制在30μm以下、层间距粗大化的方法较为有效。
3.2.2拉拔初期延展性下降的机理分析
PBS为35μm以上时，在拉拔初期面缩率急剧下降。其主要原因是拉拔初期生成裂纹并继续发展的缘故。拉拔材中心部L断面的宏观观察结果显示，PBS为35μm以上时，在第一道次（面缩率17%）时，在中心部位生成裂纹并继续发展。裂纹周边部位的SEM（扫描电镜）组织观察结果显示，裂纹的发生长大在与拉拔成45°的剪切方向，且在裂纹部位附近，可确认在同一珠光体块内同一方向出现层状组织偏移的样貌。周边的组织尽管也可确认裂纹、层状组织的偏移，但生成并不均匀，而显示出集中生成在特定区域的样貌。对该裂纹和层状组织偏移的发生机理进行了更为详细的分析。
3.2.3珠光体钢的裂纹生成·长大机理
拉拔时作用于钢材的应力状态，表层部位为剪应力，中央部位为拉应力。因此，为了分析中央部位裂纹的生成机理，对拉应力作用时的局部塑性变形状态和组织变化进行了分析。
通过DIC（Digit al Image Cor-rel at ion）测定了拉应力发生作用时的局部应变分布。如图8所示，应变并不均匀，呈现出不均匀的分布状态。另外，应变量在同一珠光体块内也发生变化，可知塑性变形依靠的是珠光体团。
拉伸方向与铁素体滑移系的关系（施密特因子）及拉伸方向与层的取向性对该应变量的变化产生影响。伴随着施密特因子的上升，应变量有增加的趋势，局部应变分布受到铁素体滑移系的活跃度影响。施密特因子高的情况下，层状渗碳体的取向和拉伸方向的关系也导致应变量的差异。确认层状渗碳体的取向与拉伸方向成0°及90°的情况下应变量小；成45°的情况下应变量大。
在以上认识的基础上，考察了珠光体受到拉应力时的塑性变形。施密特因子大且拉应力与层的取向成45°时，由于位错的移动未受到约束，塑性变形量增大，发生渗碳体、铁素体结晶的变形或旋转。而施密特因子高但拉伸方向与层的取向为0°或90°时，即使铁素体内生成位错，但在渗碳体晶界受到约束，无法发生塑性变形，不发生渗碳体、铁素体的结晶旋转。而且当拉应力发生作用时，在渗碳体晶界的位错堆积量增加且拉伸方向和层状渗碳体的取向平行时，渗碳体受到拉应力，再结合位错的堆积，渗碳体在滑移线上被破坏、连结，直至向层状组织的剪切方向生成偏移及裂纹。拉拔时的中心部位也出现同样的现象，因此发生裂纹。
将PBS对应变量的影响示于图9。粗大的PBS，在层取向为45°部位局部应变量增加；而如果PBS细微，则应变量小且波动少。也就是说，由于PBS的粗大化增加了应变分布的不均匀性。由于这种应变不均匀性的增加，也增加了局部拉应力的不均匀性，助长了上述的行为，粗大的PBS导致裂纹的生成。
3.3湿式拉拔中的延展性提高
3.3.1高强钢丝延展性下降的主要原因
高强钢丝的延展性下降体现在面缩率的下降及扭转时的纵裂（分层）。这些延展性下降的主要原因之一是层状渗碳体分解导致的局部时效脆化。
图10所示为对SWRS92A实施湿式拉拔制成的直径0.2mm极细高强钢丝（真应变ε：4.16）时效处理时的力学性能变化。通过150℃的时效处理，尽管抗拉强度提高，但面缩率下降，扭转时发生了分层，扭转值（至断裂的扭转次数）也出现了下降。
通过3DAP针对时效处理时组织变化，分析了碳元素的分布状态，结果表明，尽管未处理拉拔材的碳维持层状，但进行150℃时效处理则渗碳体分解，碳元素均匀分散到铁素体中。图10中的力学性能变化也同样是由于渗碳体分解导致的。
3.3.2改善高强钢丝延展性的方法
渗碳体分解的机理是由于位错与C的相互作用强，C向铁素体中的位错移动、固定而推动的应变时效。如果认为局部性的渗碳体分解是C向位错移动，那么作为抑制措施，可考虑减少位错（应变量）和降低加工发热的方法。
提高淬火材料的强度和强化加工硬化率可有效减少应变量。研究显示，从钢材成分出发，C和Cr是有效提高淬火材料的强度和加工硬化率的元素。但C含量上升时，如前所述除拉拔加工性下降外，还会出现如先共析渗碳体这种新的课题，需要引起注意。
对于降低加工发热，研究人员探讨了从模具形状、润滑膜、道次计划、后张力等二次加工中的对策，提出了通过提高润滑性能和降低模具角度等提高延展性的方法。
但是，如果过度抑制渗碳体分解，将造成抗拉强度的下降。图11示出了拉拔速度与拉拔材力学性能的关系。随着拉拔速度的降低，面缩率得到改善，分层也得到抑制，延展性提高。然而，在拉拔速度小于100m/min的情况下，对延展性的改善不大，只是抗拉强度下降。这种力学性能的变化是由于伴随着拉拔速度的改变、加工发热及动态应变时效导致的渗碳体分解的状态差异造成的。因此，并不是需要完全抑制渗碳体分解，而是应使其达到一个最合理的状态。进行了渗碳体分解，发现铁素体中C含量1%以上时发生分层。
综上所述，要得到强度和延展性良好的高强钢丝，重要的是通过优化拉拔条件，将渗碳体分解控制在合理的范围。然而，伴随着钢丝的高强度化，拉拔时出现加工发热提高、易于出现时效等，不同的钢材需相应采用不同的二次加工方法。或者说为了进一步提高钢丝帘线的强度，不仅需要进行钢材开发，还需要从二次加工技术方面进行开发。
4采用过共析钢实现钢丝帘线高强度化的探讨
作为高强钢丝帘线用钢，开发了如表1所示的C含量超过0.9%的过共析钢。通过将这些过共析钢与二次加工技术结合，试制了高强钢丝。图12所示为各钢种应变量与高强钢丝抗拉强度的关系。调整分层时的线径，改变应变量，将高强钢丝线径统一为直径0.2mm，这样，无论哪个钢种均获得了无分层、抗拉强度4000MPa以上和延展性良好的高强度钢丝。尽管由于C含量增加和Cr的添加发生分层而应变量下降，但发生分层的强度得到了提高，能改善强度与延展性的平衡。最终使用102C+Cr材料，在实验室条件下，得到了不发生分层且抗拉强度达到4400MPa的高强钢丝。
5结语
通过对拉拔加工时的力学性能和组织进行详细的分析，探讨了拉拔时力学性能及改善高强钢丝延展性的方法，介绍了用过共析钢试制的高强钢丝帘线用钢。最终采用C含量超过1.0%的过共析钢材和二次加工技术的优化，试制成功了不发生分层的4400MPa高强钢丝。但是，分层等延展性下降的机理并未完全明确。为了获得更高强度，需要探明这些延展性降低的机理，确立抑制延展性下降的技术。近年来，随着分析技术不断进步，传统上无法分析的纳米级别的组织变化变得可视化。今后，将利用这些分析技术，明确延展性下降的机理，为钢丝帘线进一步实现高强度化和高延展性等功能做出努力。
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