日本高強度棒、線材的簡介
日本高強度棒、線材的簡介
（一）棒、線材可加工為多種產品
??? 棒、線材除直接用于建筑外，還可加工為各種部件以用于其它方面。以常見的汽車為例，每輛車大約使用棒、線材150Kg左右，約為車重的10％。其中如發動機部件（曲軸、凸輪軸和閥彈簧等）和驅動系統部件（各種齒輪、螺旋軸等）用材料都離不開棒、線材。“行駛、轉彎和停車”是汽車的基本動作，支持這些動作的某一個部件萬一破損，則汽車將停止行駛，由此可見它們的重要性。
??? 另外，作為汽車輪胎的補強材料，過去多用一些有機纖維，后來改用子午線鋼絲后汽車輪胎的剛性有了明顯的提高，因此近年來汽車行駛中的輪胎破損泄氣事故大為減少；現在作為標準產品使用的Φ0.3mm子午線鋼絲通過高強度化（年產30萬t），對節約資源與改善輪胎性能作出了明顯的貢獻。據統計，子午線鋼絲1975年用量為～2萬t，到了1985年即猛增至10萬t、1995年續升至20萬t、到2005年則升至30萬t，可見其發展的迅速。
??? 在建筑物和鋼結構方面，高強度棒、線材也開始得到了廣泛應用，其中如電線桿立柱和砼類用補強材及吊橋、斜拉橋用鋼纜等，它們的強度為一般鋼筋的3～4倍，由此也帶來許多好處。
??? 此外，由棒、線材制成的各種螺栓、螺母和彈簧等，也在機械行業為首的各個方面廣泛得到應用；甚至連我們常見的鋼琴線、吉他弦和釣魚絲等生活用品也是由線材加工而成。盡管它們最終產品的形狀和性能不同，但共同點是都由鋼制的棒、線材加工而成。新日鐵生產棒、線材的有室蘭鋼鐵廠、釜石鋼鐵廠和君津鋼鐵廠，線材產品的分類和用途如表1。
??? 表1棒、線材的分類和用途
??? 分類規格名稱JIS符號主要用途
??? 普通線材軟鋼線材SW(－)RM釘、鋼絲、鋼絲圈等
??? 特殊線材硬鋼線材
??? 鋼琴絲線材
??? 彈簧鋼線材
??? 極低碳鋼線材SW(－)RH
??? SW(－)RS
??? SUP
??? 鋼繩、輪胎鋼絲、輻條鋼絲
??? 子午線鋼絲、橋梁用鋼絲、砼緊縮用鋼線
??? 懸架彈簧、閥門彈簧
??? 玻璃封入用鋼絲
??? 冷加工用線材冷軋用線材
??? 低合金鋼彈簧線材
??? 磨光鋼用線材
??? 鋼筋砼用線材SW(－)RH
??? SCM
??? SGD
??? SD各種鋼栓、螺母、機械部件
??? 各種鋼栓、螺母、機械部件
??? 磨光棒、線材
??? 鋼筋
??? （二）作為半成品供應的棒線材
??? 棒、線材和其它熱軋鋼材的不同之處在于其以熱軋狀態的半成品供應，然后由汽車生產廠和部件生產廠等用戶經各種加工和熱處理后成為最終產品；而中厚板、薄板、鋼管和H型鋼等鋼材則由鋼鐵廠軋制而成一定形狀和強度的成品鋼材供應。
??? 以彈球的加工過程為例簡介如下：鋼鐵廠生產的線材送至二次加工工廠，經過冷拔加工－>模壓成球－>粗磨光－>表面刻印－>熱處理－>研磨－>鏡面磨光－>鍍鉻后形成產品。小小的彈球斷面為3層不同的結構：表層3um為鍍鉻層，下部1mm厚處為經滲碳處理后含碳量達0.8％的馬氏體組織，內部為含碳僅0.2％的鐵素體＋馬氏體的軟組織。上述結構使彈球表面硬度高而抗沖擊性強，內部則由于可吸收沖擊而使球不易破裂。這種滲碳處理在使用、棒線材生產齒輪等部件時也得到應用。
??? 此外，彈球的尺寸、重量、加工精度取決于模壓成球工序，一般尺寸公差控制在0.01mm、重量誤差在0.01g之內。為此，對所用線材的加工性的要求非常嚴。由此可看出棒、線材和其它鋼材的不同之處。
??? （三）考慮加工工序采取的調整冷卻
??? 一般棒、線材制成的部件，所用材料的費用僅占部件生產成本的20％（其余80％為鍛造20％、切削40％、熱處理10％和其它10％）。由于二次加工的成本高，因此鋼材的開發應著眼于有利于二次加工。即使最終產品要求強度高，但也要求鋼廠供應的棒、線材“容易加工以利于簡化加工工序”。換言之，提供的棒、線材要和最終產品要求的高強度相反、即要軟一些，從而形成了矛盾。為了達到這一要求，采取了“調整冷卻”技術。通常對熱軋后的鋼材進行快冷后強度提高，緩冷后則強度下降。“緩冷”設備即對軋后的線材盤卷保溫使其緩慢冷卻以降低強度，例如螺栓是用線材在室溫下冷鍛成形的，加工時的鋼材必須較軟以使其容易成形。為此，對熱軋材采取上述緩冷措施以提高其冷鍛性，加工后再通過熱處理提高其強度而達到要求的水平。
??? 由于各種產品要求的強度不同，冷卻方式也有很多種。除上述的“緩冷”設備外，還有送入空氣較快冷卻的“空冷”、穿過550℃鹽浴冷卻的“DLP”和穿過熱水冷卻的“EDC”等冷卻方法。其中“DLP”設備對要求強度高的高碳鋼的強度和延伸性調整效果明顯，有利于用戶再以后的韌化處理中簡化工序，特別是使用不含鉛等金屬的鹽浴，不僅導熱性好，且附著在線材上的鹽也可用熱水簡單沖洗除去并回收后再利用，且比鉛浴處理的污染小。
??? （四）通過組織控制掌握鋼材的強度
??? 如上所述，應將棒、線材的特性適應用戶的加工性為第一條件，但由于使用目的和用途十分廣，最終產品要求的強度水平在300～5000MPa的范圍內。例如鋼絲和鐵絲網用普通線材僅為300MPa，而上述的汽車輪胎用子午線鋼絲和切斷硅片用鋼絲鋸則需要高達4000MPa的高強度線材。為此，棒、線材的化學成分和結晶組織也呈多樣化，因為鋼鐵隨著含碳量的上升而強度提高，但在薄板和中厚板制品中則需要考慮相應的延伸性，因此含碳量一般保持在0.2％以下。但棒、線材為適應多種強度的要求，含碳量的范圍擴大到0.01～1.1％之間；在如此廣范圍的含碳量下影響強度、延伸性和韌性的組織形態也呈多樣化。
??? 現在汽車制造廠為了減排CO2，正普遍采取車體輕型化以降低油耗的措施，近日在用比重小的鋁合成的高強度鋁合金材料，對所用材料的簡單評價則采用單位重量的比強度（抗拉強度/比重）。
?一般稱為高強度鋼的800～1200MPa的鋼材，其比強度也不如鋁合金，但是鋼鐵材料有各種組織形態，作為提高鋼材強度的方法有“細晶強化”、“固溶強化”、“析出強化”和“位錯強化”等組織控制技術。以細晶強化為例說明如下，即將通常鐵素體20～30um的結晶進行細化以提高其強度的方法，特別是把晶粒直徑細化到1um以下時強度上升的效果十分明顯（具體見表2）。將該組織微細化技術和加工熱處理組合，有可能達到極限強度，現已據此開發出了與鋁合金匹敵的“超高強度鋼”。
??? 表2鐵素體晶粒細化和強度的關系
??? 晶粒直徑（um）1251020304050
??? 0.2C％強度（MPa）920700400325280240230220
??? 固溶強化指多量的C、N等侵入型原子和Si、Mn等置換性元素增加結果引起的硬化現象，析出強化則是由于化合物增加、位錯強化則由加工產生的鋼材中位錯數增加所引起的硬化現象。
??? （五）追求強度極限的高碳鋼絲
??? 在棒、線材制品中，追求極限強度的材料為高碳鋼絲，現以橋梁用鋼絲對其工藝技術說明如下。
??? 二次加工企業對熱軋半成品在要求其加工性好的同時為提高強度而實施韌化處理，該項技術于19世紀取得英國專利。這種熱處理采用在導熱性好的金屬浴中進行等溫且均勻化的熱處理，使常溫下鋼中存在的鐵素體和滲碳體組織轉變為奧氏體，然后再通過快速冷卻使之變態為珠光體（由滲碳體和鐵素體2相組成的層狀組織）。該方法產生的珠光體組織中由滲碳體相互間的間隔（即片層的厚度）來決定線材的強度，厚度越小則強度越高。假如在未進行韌化處理冷卻至常溫時，片層的厚度不均勻導致拉絲加工性降低，最終的強度也降低。為此，韌化處理對要求高強度的鋼材生產是不可缺少的工藝過程。
??? 鋼鐵組織由高溫到低溫的過程中，奧氏體生成珠光體并長大；但從950℃快速冷卻到550℃的低溫時，則變成均勻的珠光體，由硬而脆的滲碳體相和軟且延伸性好的鐵素體相按同一方向并列組成；而對汽車板等加工性好的材料則生成較軟的鐵素體單相。
??? 若能將韌化處理省略，則給用戶簡化加工帶來很大好處，上面提到的“DLP”設備便可起到這一作用，即在550℃鹽浴下均勻調整冷卻，使其在半成品時就轉變為珠光體。對于砼緊縮用高強鋼絲的生產，新日鐵也通過“DLP”設備處理為用戶省去韌化處理創造了條件。在橋梁用鋼絲的生產中，經韌化處理后，為便于拉絲加工先經酸洗、磷酸鋅皮膜處理的“潤滑”處理后，再在室溫下分多段進行拉絲加工。即將熱軋后的Φ13mm的線材半成品冷拉減細至Φ7mm，最后為提高耐蝕性再進行鍍鋅處理。但輪胎補強用子午線鋼絲則加工工序較多，即使用Φ5.5mm的線材，經拉絲加工為Φ3mm的鋼絲，經中間韌化處理后，再拉絲至Φ1.5mm的鋼絲，再經最終韌化處理和鍍黃銅（可提高和橡膠的密接性）處理，最終再拉絲至Φ0.3mm并由5支組成成品。采取中間韌化處理的原因是防止由Φ5.5mm一次拉絲至Φ1.5mm時，可能由于韌性差而產生斷線。總之，所有的鋼材高強度化時，都會隨著強度的上升而延伸性下降，因此可實用化的高強度極限關鍵在于延伸性，高強度用高碳鋼絲的關鍵技術也是如何保持延伸性。
（六）絲徑越細強度越高的高碳鋼絲
??? 鋼絲的強度和絲徑有明顯的關系，如橋梁用鋼絲等的絲徑為Φ5～7mm，其強度為2000MPa以下，而絲徑為Φ0.2～0.4mm的輪胎用子午線鋼絲則強度高達4000MPa左右。通過鋼絲的高強度化，有利于降低建設成本和減輕輪胎的重量。
??? 鋼絲直徑縮小時，由于拉絲加工時施加的壓力，隨著其變細程度（形變加工量）的加大使得強度相應加大，這便是其根本的原理。由于鋼種的不同雖有一定的差別，但在韌化處理后強度達1200～1500MPa的鋼絲繼續拉絲時其強度仍持續提高。橋梁用鋼絲等的形變量為1.5左右，子午線鋼絲的形變量則高達3.5～4，其加工形變量與強度的關系見表3。
??? 表30.82％C鋼的加工形變量與強度的關系
??? 加工形變量（％）012345
??? 抗拉強度（MPa）120017002000280035004300
??? 這一原理可由鋼鐵的組織變化來說明，鐵素體相間隔的寬度（即片層的厚度）越小則強度上升。因為剛經韌化處理后的鋼絲，其鐵素體和滲碳體的結晶方向隨機而呈不規則狀態，通過拉絲加工強度高的滲碳體和延伸性好的鐵素體的結晶均按拉絲方向變得整齊一致，因此鋼絲越細時片層的厚度越小而強度越高。如鋼中鐵素體的粒徑為Φ10～30um，作為國家項目開發中的“超級金屬（高強度鋼）”也僅為0.5～0.8um的水平；而鋼絲在韌化處理后的片層厚度僅為0.1um左右（1200～1500MPa），最先進的子午線鋼絲經過約20次的拉絲后變為0.01um，相應的強度也上升至4500MPa。
??? 軋制后的結晶方向若一致可提高強度的性質是鋼材的共同現象，但薄板等產品在軋制時結晶只向軋制方向延伸而不向寬度方向延伸，因此隨著方向的不同結晶粒徑也不同。而線材的拉絲加工所使用的冷拔模具，采用和軋制方式不同的強壓由四周均勻對線材擠壓，因此結晶只能向拉絲方向發展，其結果使片層均勻而厚度變小，使強度快速提高。為施加強壓的超高強度鋼絲，拉絲時多用超高硬度的金剛石制模具。不銹鋼彈簧
??? （七）高強度化的關鍵是珠光體的轉變
??? 如上所述，高碳鋼的珠光體比低碳普通鋼的鐵素體單相的強度要高的多。由此可知，珠光體在較小的拉絲變形量下易得到高強度，故成為工業化的重要因素。反之，對純鐵無論施加多強的壓力進行冷拉絲加工也難以實現高強度化的效果。
??? 關于珠光體通過拉絲加工可快速提高強度的機理，目前尚未完全清楚。一個重要的原因為，通過拉絲加工使結晶微細化后的片層厚度變薄的“細晶強化”，還有加工使位錯數量加大而硬化的“位錯強化”都起到了重要的作用，這和對鋼絲連續彎曲時該處變硬的現象相同。
??? 對于其它組織，如拉絲前無晶界的滲碳體經拉絲加工微細化至納米級水平后強度也可提高的“滲碳體細晶強化”；還有穩定金屬華的滲碳體（Fe3C）經拉絲加工而被分解，分解后的碳附著于位錯使其不易移動致使強度提高的“固溶強化”等。過去只知道在大外力作用下金屬化合物會分解，近來又發現滲碳體全部被分解的現象，因此引起各方的重視。
新日鐵作為高碳鋼絲開發的先行者，把滲碳體分解所產生的強度和延伸性變化作為重要的研究課題，并通過研究其機理開發高強度鋼絲。
??? 滲碳體分解機理未查明的原因是：鐵是過細的組織，經強加工后的滲碳體也是幾個納米的過細組織，一般的儀器是難以觀察到的，因此對其機理難以說明。但現在通過可放大100萬倍的可對納米組織解析的“高分解能透過型顯微鏡”和原子觀測器，對點狀并列的單個鐵原子和鐵素體，滲碳體的組織均可觀察清楚，使研究有了很大的進展，有望不久的將來可得到解決。
??? （八）強度和延伸性對立的挑戰
??? 為使高碳鋼絲實用化，不僅是強度，還必須解決造成破斷的延伸性不足的問題。從兩者的關系來看，橋梁用鋼絲當強度超過2000MPa時其延伸性快速下降，即可實用化的最高強度應和延伸性保持平衡。單從技術上看，如單純追求強度還可以進一步提高，但考慮延伸性的明顯下降，現在子午線鋼絲的極限強度也只規定在4000MPa以下。
??? 具有高延伸性的鋼絲，對鋼絲斷面均勻的施加壓力進行熱斷試驗時，經數十次扭轉后拉絲的垂直方向呈整齊的斷面而破斷（正常破斷），但延伸性低的鋼絲在扭力變形的初期即沿拉絲垂直方向產生龜裂（扭裂），這種現象的發生稱為影響高強度化的重要原因。還有絲徑較大時，在2000MPa左右即產生扭裂，而在絲徑小時則到4000MPa還未產生，對此稱之為“絲徑效果”。對于產生扭裂的原因有多種說法，據研究滲碳體的分解是主要的原因。
??? （九）盡可能減少拉絲加工的高強度鋼材
??? 用兼顧鋼材強度和延伸性的加工工序在對鋼絲高強度化時，首先通過韌化處理使強度提高，再通過增大拉絲加工（加工形變）以提高單位形變的強度增加量（加工硬化率），還有如橋梁用鋼絲等還應采取一些措施抑制由于鍍鋅（450℃）和發藍處理等加熱產生的強度下降。
??? 采取上述方法保持高強度化的同時，還應防止延伸性下降，即從保持延伸性可避免扭裂的因果關系出發，經試驗結果證明，采取韌化處理材的高強度化和減少拉絲加工量以提高加工硬化率的方法，比提高拉絲加工量對保持延伸性更為有效。例如，最終強度目標為2000MPa的場合，對低韌化處理后的強度（1000～1300MPa水平）材，通過增加拉絲加工量達到目標時易發生扭裂；若對1400MPa的韌性處理材適當減少拉絲加工量時則不會發生。由此可看出采取后者對高強度下保持必要的延伸性較為有效。精密彈簧
??? 韌化(hua)(hua)(hua)處(chu)理材的(de)(de)強(qiang)(qiang)(qiang)化(hua)(hua)(hua)方法(fa)也有(you)很多(duo)種，其代表的(de)(de)方法(fa)為(wei)合金化(hua)(hua)(hua)。即在(zai)鋼中增加(jia)(jia)碳(tan)、釩、鉻、硅等元(yuan)素的(de)(de)含(han)(han)量(liang)均可提高(gao)(gao)強(qiang)(qiang)(qiang)度。其中通用(yong)的(de)(de)基本方法(fa)為(wei)增加(jia)(jia)碳(tan)含(han)(han)量(liang)；硅可在(zai)鐵素體的(de)(de)固溶強(qiang)(qiang)(qiang)化(hua)(hua)(hua)方面起到積極的(de)(de)作用(yong)；鉻則(ze)在(zai)韌化(hua)(hua)(hua)處(chu)理時可使片(pian)層的(de)(de)厚度微細(xi)化(hua)(hua)(hua)使得(de)提高(gao)(gao)強(qiang)(qiang)(qiang)度得(de)效果明顯。還有(you)在(zai)高(gao)(gao)碳(tan)鋼（含(han)(han)C0.82％）中加(jia)(jia)入0.2～0.5％的(de)(de)鉻，則(ze)對提高(gao)(gao)拉絲加(jia)(jia)工(gong)時的(de)(de)加(jia)(jia)工(gong)硬化(hua)(hua)(hua)率非(fei)常明顯，因此十分有(you)利于高(gao)(gao)碳(tan)鋼絲的(de)(de)高(gao)(gao)強(qiang)(qiang)(qiang)度化(hua)(hua)(hua)。關于在(zai)子午線鋼絲和(he)橋梁用(yong)鋼絲方面的(de)(de)應用(yong)在(zai)前(qian)期的(de)(de)文章(zhang)中已有(you)介紹。