田嘉治１,鄭成明２,江澤超２,田青超２

(１．上海材料研究所檢測中心,上海 ２００４３７;

２．上海大學(xué)省部共建特殊鋼冶金與制備國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,上海 ２００４４４)

    摘 要:采用鋁連續(xù)擠壓包覆法用 SWRS７２A 鋼和 SWRS８２B鋼分別制備了 LB２７和 LB２０鋁包鋼芯線,制備冷拔前后的試樣并對其進(jìn)行了室溫拉伸試驗(yàn),研究了試樣的拉伸性能和拉伸斷口形貌.結(jié)果表明:未包覆鋁SWRS７２A 鋼的屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度均高于包覆鋁后冷拔前的;和未包覆鋁SWRS７２A 鋼相比,LB２７鋁包鋼芯線的屈服強(qiáng)度更高,但抗拉強(qiáng)度稍有下降,延伸率顯著下降;隨著外徑的增加,LB２０鋁包鋼芯線屈服強(qiáng)度逐漸減小,其屈服強(qiáng)度均大于 LB２７鋁包鋼芯線的;LB２０鋁包鋼芯線的斷口形貌和 LB２７鋁包鋼芯線相似,但其鋼絲邊部存在剪切唇.

關(guān)鍵詞:鋁包鋼芯線;冷拔;拉伸行為;屈服強(qiáng)度

中圖分類號(hào):TG１４２．２１ 文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A 文章編號(hào):１０００Ｇ３７３８(２０１９)０９Ｇ００２３Ｇ０５

０ 引 言

     鋁包鋼芯線因具有弧垂小、載流量大、電力損耗少、防腐性能好和使用壽命長等優(yōu)點(diǎn)而廣泛應(yīng)用于各種電壓等級的高壓架空輸電線路[１].鋁包鋼芯線可以采用鋁片軋包法、熱浸鍍鋁法、鋁粉擠壓燒結(jié)法、鋁連續(xù)擠壓包覆法來制備[２].其中,鋁連續(xù)擠壓包覆法應(yīng)用更廣泛[３].在該方法中,為保證軟的鋁層和硬的鋼芯在拔制過程中同步、等比例拉伸變形,常采用壓力潤滑技術(shù)[４].長期以來,鋁包鋼芯線的鋼鋁結(jié)合力問題在行業(yè)內(nèi)備受關(guān)注[５],然而有關(guān)鋁包鋼芯線拉伸行為的研究鮮見報(bào)道.此外,隨著市場對鋁包鋼芯線抗拉強(qiáng)度的要求越來越高,盤條用鋼也在向高碳鋼方向發(fā)展[６].為此,作者采用鋁連續(xù)擠壓包覆法制備了不同牌號(hào)高碳鋼的鋁包鋼芯線,對其拉伸性能和斷口形貌進(jìn)行了研究.

１ 試樣制備與試驗(yàn)方法

    試驗(yàn)材料為寶鋼股份有限公司提供的規(guī)格為?５mm 的SWRS７２A鋼盤條以及規(guī)格為?３~６mm的SWRS８２B鋼盤條,兩種鋼盤條組織均為珠光體,SWRS７２A 鋼 盤 條 化 學(xué) 成 分 (質(zhì) 量 分 數(shù)/％)為０．     ７２C,０．２２Si,０．５１Mn,余 Fe;SWRS８２B 鋼盤條化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)/％)為０．８２C,０．２２Si,０．７７Mn,余Fe.包覆材料為由江蘇常鋁鋁業(yè)股份有限公司提供的１０６０工業(yè)純鋁.鋁包鋼芯線采用鋁連續(xù)擠壓包覆法制備,其試制工藝流程為:原材料→預(yù)拉→鉛浴熱處理(５５０ ℃)→酸洗→包覆→雙金屬拉拔→復(fù)繞→檢測→入庫,拉拔速度為７．５ m??min－１.將SWRS７２A鋼盤條包覆鋁后得到規(guī)格為?４．６mm 的鋁包鋼芯線,將其冷拔后制得規(guī)格為?３．０ mm 的LB２７鋁包鋼芯線.將 SWRS８２B 鋼盤條包覆鋁后得到規(guī)格為?(４．５~８)mm 的鋁包鋼芯線,將其冷拔后得到規(guī)格為?(１．６~４)mm 的 LB２０鋁包鋼芯線.鋁包鋼芯線截面內(nèi)圓為鋼絲,外環(huán)為鋁,如圖１所示.用標(biāo)尺測量出外圓直徑(外徑)、外環(huán)寬度以及內(nèi)圓半 徑,計(jì) 算 得 到 鋁 面 積 分 數(shù) 和 實(shí) 際 導(dǎo) 電 率(LB)[７].由表１可知,LB２７和LB２０鋁包鋼芯線的導(dǎo)電率分別不低于０．２７IACS和０．２０IACS,均滿足GB/T１７９３７－２００９中鋁包鋼芯線的指標(biāo)要求.

    在上述不同規(guī)格的經(jīng)５５０ ℃鉛浴后未包覆鋁SWRS７２A 鋼盤條、包覆鋁后冷拔前鋁包鋼芯線和成品LB２７鋁包鋼芯線上沿縱向截取長度為５００mm 的標(biāo)準(zhǔn)拉伸試樣.在５５０ ℃鉛浴后未包鋁 SWRS８２B鋼盤條和不同外徑(?１．６,?２．５,?３．０,?４．０mm)的成品 LB２０鋁包鋼芯線上沿縱向截取長度為５００mm的標(biāo)準(zhǔn)拉伸試樣.試樣原始標(biāo)距均為２５０mm.按照 GB/T１７９３７－２００９,使用Instron型拉伸試驗(yàn)機(jī)對上述試 樣 進(jìn) 行 室 溫 拉 伸 試 驗(yàn),在 彈 性 和 屈 服階段(應(yīng)變?yōu)椋埃玻?拉伸速度為２ mm??min－１,當(dāng)應(yīng)變達(dá)到１．５％后,拉伸速度 以 ２ mm??s－１ 勻 速 增至２５mm??min－１.分別在鋁包覆SWRS７２A 鋼拉拔前后以及鋁包覆SWRS８２B鋼芯線拉拔后等試樣 上 截 取 金 相 試樣,經(jīng)砂紙打磨和絨布拋光后,使用 DM６０００Leica型光學(xué)顯微鏡觀察截面形貌.使用 Qunta４５０型掃描電鏡(SEM)觀察拉伸試樣的斷口形貌,使用附帶的能譜儀(EDS)對鋁鋼結(jié)合層進(jìn)行微區(qū)成分分析。

２ 試驗(yàn)結(jié)果與討論

２．１ 拉伸性能

     由圖２ 可 以 看 出:經(jīng) ５５０ ℃ 鉛 浴 后 未 包 覆 鋁SWRS７２A 鋼的屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度均高于包覆鋁后冷拔前的;和５５０ ℃鉛浴后未包覆鋁 SWRS７２A鋼相比,LB２７鋁包鋼芯線的屈服強(qiáng)度更高,但抗拉強(qiáng)度稍有下降,延伸率顯著下降,斷裂時(shí)曲線具有臺(tái)階特征.

    由圖３結(jié)合表２可以看出,隨著外徑的增大,LB２０鋁包鋼芯線屈服強(qiáng)度逐漸減小;不同規(guī)格的LB２０鋁包鋼芯線拉伸曲線均較光滑,在塑性變形階段未出現(xiàn)滑移現(xiàn)象,說明其拉伸行為主要和鋼芯有關(guān);在斷裂階段,除規(guī)格為?１．６ mm 的 LB２０鋁包鋼 芯線外,其他三種規(guī)格的在斷裂前拉伸曲線均具樣外包鋁層較厚,出現(xiàn)的斷裂臺(tái)階最明顯. 以鋁 的 屈 服 強(qiáng) 度 為 １００ MPa,按 照 混 合 率 法 則[７],計(jì)算出鋁包鋼芯線中鋼芯的屈服強(qiáng)度.從表 ２可以看出,LB２０鋁包鋼芯線及其中鋼芯的屈服強(qiáng) 度均大于 LB２７鋁包鋼芯線的,LB２７和 LB２０鋁包 鋼芯線中鋼芯屈服強(qiáng)度較冷拔處理前均有大幅提 高,強(qiáng)化效果十分明顯. 

２．２ 斷口形貌

    由圖４可見:包覆鋁后冷拔前鋁包 SWRS７２A鋼芯線拉伸斷口外層鋁存在明顯的頸縮現(xiàn)象,鋁鋼結(jié)合層出現(xiàn)開裂;鋼芯心部斷口呈現(xiàn)出等軸韌窩特征,鋼芯邊部斷口有拉長韌窩,說明斷裂源于鋼芯心部,是由微孔聚集引起的韌性斷裂.微孔聚集在鐵素體/滲碳體邊界局部應(yīng)力集中,導(dǎo)致滲碳體片層斷裂后形成韌窩[８].

     由圖５可以看出:LB２７鋁包鋼芯線拉伸斷口呈現(xiàn)菊花形放射狀裂紋;斷口外層鋁存在明顯的頸縮現(xiàn)象,鋁鋼結(jié)合層未開裂;鋼芯心部在低倍下為準(zhǔn)解理斷口,存在小的二次裂紋,但在高倍下仍呈現(xiàn)等軸韌窩特征,二次裂紋向垂直斷口的軸向擴(kuò)展;鋼芯邊部沿徑向呈菊花放射狀,沿四周呈丘陵?duì)钇鸱?這與冷拔過程中因潤滑不良產(chǎn)生的菊花狀斷口類似[９].

     這是由于在鉛浴熱處理過程中溫度升高后鋼芯表面熱量無法及時(shí)散出所致,說明斷裂源于鋼芯心部,

    沿徑向柱狀晶界面向外擴(kuò)展并止于鋁鋼結(jié)合界面處.測量得到 LB２７鋁包鋼芯線鋁鋼結(jié)合層的厚度為１．５~２．５μm.由圖６可知,鋁鋼結(jié)合層的化學(xué)成分為鐵和鋁.鋁和鋼的結(jié)合機(jī)制受包覆擠壓過程中的壓合效應(yīng)、鋁熱效應(yīng)和擴(kuò)散效應(yīng)的影響[１０].鋁鋼結(jié)合層太厚,容易形成 FeAl等金屬間化合物,降低結(jié)合層的韌性.LB２７鋁包鋼芯線在拉伸過程中鋁鋼結(jié)合層沒有開裂,說明已實(shí)現(xiàn)良好的冶金結(jié)合,從而可有效緩沖鋁包鋼芯線的斷裂,使拉伸曲線在斷裂階段呈現(xiàn)出明顯的臺(tái)階特征.

    由圖７可以看出:規(guī)格為?２．５mm 的 LB２０鋁包鋼芯線 拉 伸 斷 口 呈 現(xiàn) 菊 花 形 放 射 狀 裂 紋,這 與LB２７鋁包鋼芯線的相似;鋼芯內(nèi)靠近鋁層處存在和斷口成４５°的剪切唇,規(guī)格為?１．６mm 的同位置處剪切唇更明顯;規(guī)格為?２．５mm 的 LB２０鋁包鋼芯線鋼芯內(nèi)部的菊花形放射狀裂紋同樣沿徑向柱狀晶界面向外擴(kuò)展.珠光體鋼盤條在冷拔過程中滲碳體發(fā)生溶解碎化[１１],鐵素體晶體沿拉伸方向具有(１１０)纖維織構(gòu)[１２],菊 花 狀 斷 口 的 形 成 與 該 纖 維 織 構(gòu) 密 切 相關(guān)[１３],拉伸過程中的三向拉應(yīng)力以及鋁包層的隔熱效應(yīng)也促進(jìn)了該斷口的形成.當(dāng)鐵素體具有(１１０)纖維織構(gòu)時(shí),其徑向?yàn)?lsaquo;００１›晶向并存在拉應(yīng)力[８],

同時(shí)纖維柱間鐵素體晶界薄弱,這促使了開裂的發(fā)生[１２].綜上,判斷在拉伸過程中鋼芯心部先形成微孔,微孔聚集后形成裂紋源;在裂紋擴(kuò)展區(qū),源于鋼芯心部的多條裂紋沿柱狀晶界向試樣邊緣快速擴(kuò)展并撕裂,形成菊花形放射狀裂紋并在瞬斷區(qū)形成剪切唇.

３ 結(jié) 論

    (１)經(jīng)５５０ ℃鉛浴后未包覆鋁SWRS７２A 鋼的屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度均高于包覆鋁后冷拔前的;和５５０ ℃鉛浴后未包覆鋁SWRS７２A 鋼相比,LB２７鋁包鋼芯線的屈服強(qiáng)度更高,但抗拉強(qiáng)度稍有下降,延伸率顯著下降且斷裂時(shí)曲線具有臺(tái)階特征.

    (２)隨著外徑增加,LB２０鋁包鋼芯線屈服強(qiáng)度逐漸減小;在斷裂階段,除規(guī)格為?１．６mm 的 LB２０鋁包鋼芯線外,其他三種規(guī)格的在斷裂前拉伸曲線均呈現(xiàn)明顯的臺(tái)階特征;LB２０鋁包鋼芯線及其中鋼芯的屈服強(qiáng)度均大于 LB２７鋁包鋼芯線的,LB２７和LB２０鋁包鋼芯線中鋼芯的屈服強(qiáng)度較冷拔前均有大幅提高.

    (３)用SWRS７２A 鋼制備的 LB２７鋁包鋼芯線在冷拔前后斷口中鋼芯心部均呈現(xiàn)等軸韌窩特征,但冷拔前鋼芯邊部為拉長韌窩且鋁鋼結(jié)合層處開裂,冷拔后鋼芯邊部沿徑向呈菊花形放射狀,鋁鋼結(jié)合層未開裂;LB２０鋁包鋼芯線的斷口形貌和 LB２７鋁包鋼芯線相似,區(qū)別是 LB２０鋁包鋼芯線的鋼芯邊部存在剪切唇.