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．上海大學省部共建特殊鋼冶金與制備國家重點實驗室,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行了室溫拉伸試驗,研究了試樣的拉伸性能和拉伸斷口形貌.結果表明:未包覆鋁SWRS７２A 鋼的屈服強度和抗拉強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度更高,但抗拉強度稍有下降,延伸率顯著下降;隨著外徑的增加,LB２０鋁包鋼芯線屈服強度逐漸減小,其屈服強度均大于 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.

關鍵詞:鋁包鋼芯線;冷拔;拉伸行為;屈服強度

中圖分類號:TG１４２．２１ 文獻標志碼:A 文章編號: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)點而廣泛應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[４].長期以來,鋁包鋼芯線的鋼鋁結合力問題在行業(yè)內備受關注[５],然而有關鋁包鋼芯線拉伸行為的研究鮮見報道.此外,隨著市場對鋁包鋼芯線抗拉強度的要求越來越高,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高碳鋼的鋁包鋼芯線,對其拉伸性能和斷口形貌進行了研究.

１ 試樣制備與試驗方法

試驗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 成 分 (質 量 分 數/％)為０． ７２C,０．２２Si,０．５１Mn,余 Fe;SWRS８２B 鋼盤條化學成分(質量分數/％)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→預拉→鉛浴熱處理(５５０ ℃)→酸洗→包覆→雙金屬拉拔→復繞→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.鋁包鋼芯線截面內圓為鋼絲,外環(huán)為鋁,如圖１所示.用標尺測量出外圓直徑(外徑)、外環(huán)寬度以及內圓半 徑,計 算 得 到 鋁 面 積 分 數 和 實 際 導 電 率(LB)[７].由表１可知,LB２７和LB２０鋁包鋼芯線的導電率分別不低于０．２７IACS和０．２０IACS,均滿足GB/T１７９３７－２００９中鋁包鋼芯線的指標要求.

在上述不同規(guī)格的經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 的標準拉伸試樣.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的標準拉伸試樣.試樣原始標距均為２５０mm.按照 GB/T１７９３７－２００９,使用Instron型拉伸試驗機對上述試 樣 進 行 室 溫 拉 伸 試 驗,在 彈 性 和 屈 服階段(應變?yōu)椋埃玻?拉伸速度為２ mm??min－１,當應變達到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,經砂紙打磨和絨布拋光后,使用 DM６０００Leica型光學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)對鋁鋼結合層進行微區(qū)成分分析。

２ 試驗結果與討論

２．１ 拉伸性能

由圖２ 可 以 看 出:經 ５５０ ℃ 鉛 浴 后 未 包 覆 鋁SWRS７２A 鋼的屈服強度和抗拉強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度更高,但抗拉強度稍有下降,延伸率顯著下降,斷裂時曲線具有臺階特征.

由圖３結合表２可以看出,隨著外徑的增大,LB２０鋁包鋼芯線屈服強度逐漸減小;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滑移現象,說明其拉伸行為主要和鋼芯有關;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,出現的斷裂臺階最明顯. 以鋁 的 屈 服 強 度 為 １００ MPa,按 照 混 合 率 法 則[７],計算出鋁包鋼芯線中鋼芯的屈服強度.從表 ２可以看出,LB２０鋁包鋼芯線及其中鋼芯的屈服強 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度較冷拔處理前均有大幅提 高,強化效果十分明顯.

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象,鋁鋼結合層出現開裂;鋼芯心部斷口呈現出等軸韌窩特征,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/滲碳體邊界局部應力集中,導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菊花形放射狀裂紋;斷口外層鋁存在明顯的頸縮現象,鋁鋼結合層未開裂;鋼芯心部在低倍下為準解理斷口,存在小的二次裂紋,但在高倍下仍呈現等軸韌窩特征,二次裂紋向垂直斷口的軸向擴展;鋼芯邊部沿徑向呈菊花放射狀,沿四周呈丘陵狀起伏,這與冷拔過程中因潤滑不良產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展并止于鋁鋼結合界面處.測量得到 LB２７鋁包鋼芯線鋁鋼結合層的厚度為１．５~２．５μm.由圖６可知,鋁鋼結合層的化學成分為鐵和鋁.鋁和鋼的結合機制受包覆擠壓過程中的壓合效應、鋁熱效應和擴散效應的影響[１０].鋁鋼結合層太厚,容易形成 FeAl等金屬間化合物,降低結合層的韌性.LB２７鋁包鋼芯線在拉伸過程中鋁鋼結合層沒有開裂,說明已實現良好的冶金結合,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出明顯的臺階特征.

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 菊 花 形 放 射 狀 裂 紋,這 與LB２７鋁包鋼芯線的相似;鋼芯內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鋁包鋼芯線鋼芯內部的菊花形放射狀裂紋同樣沿徑向柱狀晶界面向外擴展.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[１２],菊 花 狀 斷 口 的 形 成 與 該 纖 維 織 構 密 切 相關[１３],拉伸過程中的三向拉應力以及鋁包層的隔熱效應也促進了該斷口的形成.當鐵素體具有(１１０)纖維織構時,其徑向為‹００１›晶向并存在拉應力[８],

同時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 論

(１)經５５０ ℃鉛浴后未包覆鋁SWRS７２A 鋼的屈服強度和抗拉強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度更高,但抗拉強度稍有下降,延伸率顯著下降且斷裂時曲線具有臺階特征.

(２)隨著外徑增加,LB２０鋁包鋼芯線屈服強度逐漸減小;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明顯的臺階特征;LB２０鋁包鋼芯線及其中鋼芯的屈服強度均大于 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等軸韌窩特征,但冷拔前鋼芯邊部為拉長韌窩且鋁鋼結合層處開裂,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.