钢丝性能（精选4篇）
钢丝性能 篇1
随着国内吊装设备的改进,吊装负荷不断增大,对钢丝绳这种吊装关键部件提出了更高的要求,要求钢丝绳具有更好的耐摩擦特性,钢丝绳厂家在致力于提高钢丝绳本身质量的同时,也开始关注润滑油脂对于其摩擦特性及寿命的影响。然而,在国内,大家都在关切钢丝绳润滑脂的高滴点,以及低温性能等[1—3],关于钢丝绳润滑脂摩擦学性能的研究一直没有受到重视。然而,在钢丝绳运行过程中,在加载、卸载过程时引起钢丝绳伸长量的变化,当相互接触的任意两根钢丝的变形不同步时,它们之间发生相对滑动,钢丝表面在摩擦力的作用下发生磨损,一般情况下钢丝间相对滑动量为微米量级,由此引起的磨损被称为微动磨损[4]。微动磨损中摩擦系数的大小与微动振幅、微动时间、接触载荷、接触状态、磨屑等因素相关,这些摩擦形式的存在,是引起钢丝绳断裂的一个重要因素。
实际运行中的另外一种形式的摩擦则是钢丝绳与滑轮之间的摩擦,这种摩擦的增大会导致钢丝的变细甚至断裂;当每一捻距中的断丝根数超过一定数量时,钢丝绳就要报废[5,6]。为了有效控制钢丝绳因摩擦产生的破坏作用,本文通过实验室调样,对样品进行摩擦系数的测定,根据所得数据,分析总结,得出影响钢丝绳润滑脂摩擦系数的几个因素。
1 试验部分
1.1 实验原料
试验所用的埃克森美孚PAO10合成油、克拉玛依炼油厂KH150BS环烷基基础油、尼纳斯公司T110环烷基基础油、大庆石化石蜡基基础油10CST、兰州石化中间基基础油减压四线、兰州石化基础油A、稠化剂B、兰州石化聚乙烯等均为工业原料,使用前未经过任何处理。
1.2 钢丝绳润滑脂的制备
将规定量的基础油、稠化剂和添加剂加入反应器中,升温至100℃脱水2 h;继续升温至140℃,恒温搅拌3 h,停搅拌、静置冷却至室温。取样分析样品的摩擦系数。
1.3 摩擦学性能的测试
采用奥地利安东帕公司的Physica MCR 301所附带的球与三板摩擦系统(包括:Peltier控温系统:控温范围-40~200℃,测量定位系统、样品台,测量转子,PTFE、不锈钢样品片)进行钢丝绳润滑脂摩擦系数的测试。将脂样放置于样品台上,测量转子下降到测量位置,进行钢丝绳润滑脂摩擦系数的测量,测量温度为:25℃,速度为:0.05~1 400 mm/s,法向力为:10 N。
2 结果与讨论
2.1 基础油类型对钢丝绳润滑脂摩擦系数的影响
使用几种黏度相近、类型不同的基础油(基础油的族组成见表1),加入10%的微晶蜡作为稠化剂,分别制得脂样脂A、脂B、脂C、脂D,按照1.2所示实验方法调制出钢丝绳润滑脂样品,几种基础油的黏度和类型见表1。测试所得样品的摩擦系数见图1。
从图1与表1的对照可以看出,当运动速度小于1 mm/s的情况下,几种基础油调制的钢丝绳润滑脂的摩擦系数μ的大小顺序为:脂C、脂A>脂D>脂B,即:10cst、PAO10>减四线>T110,说明在运动速度很小条件下,石蜡基基础油具有较高的摩擦系数,可能是由于其中含有的蜡在低转速条件下起主要增摩作用的原因。
当运动速度在1~10 mm/s时,几种基础油调制的钢丝绳润滑脂的摩擦系数μ大小趋近,这时,推测是基础油黏度的大小影响着钢丝绳脂的摩擦系数。
当运动速度大于100 mm/s时,石蜡基基础油调制的钢丝绳润滑脂(脂B)的摩擦系数下降到最小,而环烷基基础油T110调整的样品的摩擦系数曲线出现上扬趋势,不同的族组成在此时影响着摩擦系数的大小。而合成油调制的钢丝绳润滑脂样品的摩擦系数在整个摩擦过程中的表现并不优良,其他两种基础油调制的样品的摩擦系数都出现了稳定上升趋势。因此,选择钢丝绳润滑脂基础油时,应该将微动条件摩擦特性和滑动条件综合考虑,以便选择能够提供合理摩擦系数的钢丝绳润滑脂。
2.2 基础油黏度对钢丝绳润滑脂摩擦系数的影响
选择环烷基基础油KH150BS以及T110为基础油,加入10%的微晶蜡调样,分别生产钢丝绳脂E和钢丝绳脂B。测试基础油黏度不同,对于钢丝绳润滑脂样品的摩擦系数影响,基础油黏度及组成见表1,所得影响趋势见图2。
从图2可以看出,虽然两种基础油的黏度相差较大,利用这两种油品调制的钢丝绳润滑脂在摩擦附件起动时的摩擦系数相差很小,μ值都在0.08左右,但是随着摩擦附件相对运动速度的增大,大黏度油品调制的润滑脂摩擦系数明显增大,这说明在钢丝绳润滑脂中,基础油黏度对于钢丝绳润滑脂的摩擦系数有很大影响,基础油黏度越大,调制的钢丝绳润滑脂样品的摩擦系数越大。因此,黏度较大的基础油调制的样品的摩擦系数明显大于黏度较小的基础油。
2.3 添加剂对钢丝绳润滑脂摩擦系数的影响
黏度指数改进剂用于钢丝绳润滑脂中,能够提高钢丝绳润滑脂的耐温特性,使得钢丝绳润滑脂能在低温下不冻裂,高温下不流淌;但是,黏度指数改进剂的加入对于钢丝绳润滑脂摩擦学性能的影响却未见报道,试验采用的对比样脂F(未加入黏度指数改进剂的钢丝绳润滑脂样品)、脂G(加入10%的黏度指数改进的钢丝绳润滑脂样品),所得样品的测试结果见图3。
从图3的对比可以看出,当运动速度小于1mm/s时,添加10%黏度指数改进剂的钢丝绳润滑脂样品的摩擦系数μ微大于不添加的钢丝绳润滑脂样品;当转速大于1 mm/s时,添加了黏度指数改进剂的钢丝绳润滑脂样品的摩擦系数μ明显小于没有添加黏度指数改进剂的样品,说明黏度指数改进剂能够有效降低钢丝绳润滑脂在运动过程中的摩擦系数。
2.4 不同材质的摩擦件对钢丝绳润滑脂摩擦系数的影响
钢丝绳润滑脂除了受到丝与丝、股与股之间的小位移摩擦外,还受到绳与滑轮之间的大位移摩擦,并且滑轮的材质也有金属与非金属之分。实验选用了金属片与非金属(PTFE)片,测试同一样品在不同摩擦附件之间的摩擦系数,测试所得的摩擦曲线见图4。
图4中,脂CS曲线代表脂C在金属与金属间的摩擦系数变化趋势,脂C曲线代表脂C在金属与PTFE间的摩擦系数变化趋势,从实验曲线可看出,同一样品,在金属与金属间产生的摩擦大于金属与PTFE片之间的摩擦,这可能是由于PTFE天生具有很好的润滑效果[7,8]的原因。
3 结论
(1)在较低的运动速度下,环烷基基础油具有较好的减摩效果,而在相对速度较大的条件下,石蜡基基础油具有较好的减摩效果。
(2)不同黏度的同类基础油调制的钢丝绳润滑脂,在起动时具有相近的减摩效果,随着摩擦附件相对运动速度的增大,黏度较大的基础油调制的样品的摩擦系数明显大于小黏度基础油调制的样品。
(3)黏度指数改进的加入,在低运动速度条件下起到微弱的增摩作用,当转速增大,黏度指数改进剂的减摩效果显而易见。
(4)同一钢丝绳润滑脂样品在金属与PTFE间的减摩效果好于金属与金属间的减摩效果。
参考文献
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锂皂用于钢丝绳防护脂的性能研究 篇2
钢丝绳一般使用烃基润滑脂进行润滑与防护, 烃基润滑脂通过固体烃类与基础润滑油按比例混合经升温脱水而得到,烃类形成的晶体在润滑油中交错成网络析出,使润滑油失去流动性,形成膏状润滑脂。这种润滑脂具有以下优点: 1具有优良的化学安定性和胶体安定性,不会因稠化剂变质分解而使脂丧失稠度; 2烃基润滑脂亲油憎水能力强,几乎不溶于水,也不乳化,可有效阻止水和空气透过脂层侵入物体面; 3烃基润滑脂添加不同物质后,可进一步提高润滑、防锈、耐压抗磨等性能。
通用锂基润滑脂具有良好的抗水性、机械安定性、防锈性能等而适用于机械设备的滚动、滑动轴承及其他摩擦部位的润滑,其次由于其皂颗粒相对柔软,在受到外力作用时,易发生变形等特点,在工业上应用很广泛,但很少用于钢丝绳脂的润滑和防护, 在一次与客户技术交流过程中,有客户提出,锂皂是否能够应用与钢丝绳的润滑与防护? 通过对比锂皂和固体烃类稠化剂加入带同一基础油中的性能对比,得出锂皂基润滑脂在钢丝绳中应用的优缺点。
1 试验部分
1. 1 试验用基础油
采用尼纳斯公司T110型环烷基基础油,具体性能见表1。
1. 2 试验用稠化剂
试验采用的矿物固体烃类稠化剂A、合成固体烃稠化剂B、氢氧化锂以及12 - 羟基硬脂酸等原材料性能数据见表2 ~ 表5。
1. 3 样品制备
固体烃类钢丝绳脂的制备: 称量好两份等质量的基础油,分别加热至100℃脱水1 h后,在两种基础油中分别加入稠化剂A、稠化剂B,继续升温至 ( 145±5) ℃搅拌2 h,停搅拌,样品自然冷却,进行性能分析。
锂皂基润滑脂的制备: 将约50% 的基础油和12羟基硬脂酸加入到试验釜中升温至60 ~ 90℃,加入氢氧化锂水溶液,升温至75 ~ 100℃,皂化30 min, 升温至120 ~ 170℃脱水,升温至200 ~ 205℃时恒温5 ~ 10 min; 加入余量油进行急冷; 降至约160℃时进行分散; 继续降温至约90℃出釜,样品自然冷却,进行性能分析。
2 试验结果与讨论
2. 1 锂皂基润滑剂与烃基润滑剂调制钢丝绳脂的 性能对比
钢丝绳的传统分析项目中,滴点、低温性以及滑落试验是三大主要性能。钢丝绳脂涂覆于钢丝绳表面,在经过夏天太阳烘烤、摩擦生热后,其最高温度可达到50 ~ 60℃,此时,滴点高的润滑脂高温性能好,不会发生流淌、滴落,能够很好地黏附于钢丝绳表面,润滑和防护钢丝绳; 冬天,钢丝绳脂需具有优良的低温性能,在-30℃条件下具有润滑与防护效果,不皲裂,不掉落; 黏附性能是野外作业的提升类钢丝绳脂的一项重要性能指标,黏附性能好的润滑脂能够粘附于钢丝绳表面不脱落,从而长期有效的防护和润滑钢丝绳,提高钢丝绳的使用寿命。表6列出了锂皂与烃类稠化剂三大主要性能以及防水性的对比。
从表6的性能对比可以看出: 稠化剂A在 - 30℃时低温性能合格,但是其滴点较低,高温使用性能不好; 稠化剂B的高温使用性能和低温性能都能达到钢丝绳脂的使用要求,但是与锂皂基润滑脂相比, 其半固体成分润滑剂的柔韧性差,所以在 - 40℃时,其低温性能不合格; 而锂皂基润滑脂不但高温性能良好,而且在低温下表现出更好的抗脆裂性能,可使用于温度跨度较大的工况; 无论是烃基稠化剂制备的钢丝绳脂还是锂皂制备的钢丝绳脂,其滑落试验的结果均为六面不滑,黏附性能较好。
目前国内钢丝绳脂的标准中,没有对其进行抗水性能的 测试要求,而加拿大 帝国石油 公司的Hildebrant和Slack等人在国际润滑脂协会第58届年会上提出[3],对钢丝绳脂做抗水喷雾测试,以测试在有水存在工况下脂的性能,所使用的ASTM D4049方法等效于国内行标SH / T 0643—1997( 2005) 的测试方法,对钢丝绳脂的抗水性能进行测试,从而确定产品在有水存在情况下的使用效果,烃类稠化剂B具有更好的抗水性能,而锂皂抗水性能不佳,在水冲刷条件下,有83. 9% 的样品被冲掉,会导致其防护的钢丝绳处于裸露或半裸露状态,从而生锈、断裂等。因此,采用将锂皂与烃基润滑脂进行混兑的方式,以试图改进烃基润滑脂高低温性能不好的缺陷。
2. 2 锂皂基润滑剂与烃基润滑剂调制钢丝绳脂混 兑实验一
以上钢丝绳的三大主要性能以及防水性能的对比得出,除了防水性之外,锂皂在钢丝绳脂三大传统性能测试中均表现出良好的性能,因此,将烃基稠化剂调制的润滑脂与锂皂基润滑脂按照比例进行混兑,测试混兑所得样品的三大主要性能及防水性,具体实验方案及测试结果见表7。
从表7的混兑实验可以看出,将锂皂以5% 的比例加入到烃基钢丝绳脂后,钢丝绳脂的滑落试验结果为六面不滑,与基础脂A和基础脂B相比,没有受到锂皂加入的影响,而滴点、低温性以及抗水喷雾性能都有所改善,这就使得产品具有更宽的使用温度范围,并且抗水喷雾性能与原来烃基钢丝绳脂相比,不但没有受到锂皂的影响而降低,反而出现稍有变好的趋势,两种润滑脂所使用的基础油是同一批次的基础油,因此,分析认为是稠化剂不同导致了这种情况的出现,对稠化剂A与锂皂进行扫描电镜测试,分别见图2和图3。
从稠化剂A与锂皂稠化剂结构图可以看出,锂皂具有更长的麻花状皂纤维结构,而稠化剂A的纤维短小且分布不太均匀,但是纤维之间相互紧挨,更为致密,而这种致密的纤维能够阻止水汽的浸入,从而具有更好的防水性,锂皂这种较长的麻花状纤维在有水冲刷时,容易发生滚动,所以抗水喷雾性差。但是将锂皂与烃基稠化剂A进行混合后,锂皂含量较少,分布于烃基稠化剂之间,被这种致密的结构包围,在水冲刷条件下很难发生移动,且能缠绕住烃基脂中的大纤维,使其不发生移动,因此,抗水喷雾性能得到改善。
2. 3锂皂基润滑剂与烃基润滑剂调制钢丝绳脂混兑实验二
增大锂皂在烃基脂中的混入比例,调制样品,对样品进行性能测试,实验方案及分析结果见表8。
从表8的数据可以看出,锂皂混兑比例增大,样品的滑落试验仍然不受影响,滴点提高,低温性变好,但是抗水喷雾性变差,根据两种稠化剂电镜图片可以推断出,当锂皂加入比例增大时,烃基稠化剂A就被分散的分布于锂皂的麻花状纤维之间,形成类似网兜兜住石头的结构,因此在受到冲刷时,麻花状的网兜主结构发生移动,在致密的烃基皂纤维重力作用下,增大了这种移动,样品更多的流失,抗水喷雾变差。
3 结论与建议
1) 与烃基稠化剂相比,锂皂在高、低温性能以及黏附性能方面均表现卓越,但是抗水喷雾性能较差。
2 ) 锂皂以5% 的比例加入到烃基稠化剂中时, 所调制的样品各项性能均好于烃基润滑脂,特别是抗水性能不但没有降低,反而变的更好。
3) 当锂皂的加入比例变大后,样品滴点明显升高幅度很大,而其抗水性能却发生大很大改变,比单纯的锂皂的抗水喷雾都要 差,流失量达 到98% 以上。
4) 建议在烃基脂中加入一少部分的锂皂,可以提升样品高低温性能的同时,还能够改善样品的抗水喷雾性能。
5) 在钢丝绳脂测试项目中加入抗水喷雾一项, 检测脂在有水存在工况下的使用性能。
参考文献
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钢丝性能 篇3
钢丝绳在煤矿应用广泛,它的性能对煤矿的安全生产有着重要的影响。因此,钢丝绳在使用前,必须对其进行严格的抽样检测与评估。目前,钢丝性能检测主要采用人工操作的方式,将需要检测的钢丝拉断,检测其最大抗拉力,再根据其它参数由人工计算钢丝性能。这种方式存在以下弊端:(1) 若最大抗拉力通过机械读盘来读取,则会带来不同人员的读数误差;(2) 检测效率低,操作人员每次拉断都要进行人工记录和计算;(3) 不便对钢丝性能相关参数的整体数据进行统计和管理。针对目前钢丝性能检测中存在的问题,本文提出了一种利用PLC和工控机组成的PROFIBUS-DP钢丝性能检测系统的设计方法。该系统通过拉力传感器由PLC检测拉力,大大减少了由人工读数带来的误差,同时工控计算机利用组态软件WinCC和数据库SQL Server 2000可以实现拉力数据的自动记录与钢丝性能相关参数的计算,以及数据的数据库管理。
1 系统组成
该系统通过检测钢丝最大拉断力来计算钢丝的其它性能参数。通过操作按钮控制直流电机运转;经过齿轮传动系统控制钢丝拉断装置将钢丝拉断,与此同时,拉力传感器检测钢丝拉力,通过计算机分析最大钢丝拉断力,然后进行其它参数的计算。整个检测系统按功能可分成3个层次:现场设备层、设备控制层和管理监控层,其组成框图如图1所示。
(1) 现场设备层:
由传感器和执行部件组成,主要包括轮辐式拉力传感器、钢丝拉断传动系统、直流电机及DDS直流电机调速系统等设备。这些输入、输出设备作为CPU226控制系统的数字量I/O点、模拟量I/O点接入现场总线。
(2) 设备控制层:
由分布在工作现场的各个S7-200控制系统和主控制台的S7-315 PLC构成。每个S7-200控制系统由PLC CPU模块CPU226、模拟量输入模块EM231、模拟量输出模块EM232和PROFIBUS-DP模块EM277组成。这些S7-200控制系统利用各自模块EM277的DP端口,通过1根屏蔽双绞线与主控制台S7-315 PLC构成整个PROFIBUS-DP现场总线网络。其中,S7-315 PLC作为主站,决定总线的传输速率,为每个子站分配网络地址。所有S7-200 PLC通过EM277模块作为子站,负责现场的信息采集并向主站发送有关信号,具体地执行各自的控制命令。
(3) 管理监控层:
作为检测系统的人机交互接口,通过安装有西门子公司WinCC组态软件的工业控制计算机实现对钢丝拉断装置的状态监测、参数设定和报警显示等。
2 系统软件设计
系统软件是根据系统的功能要求编制的,包括PLC控制软件、上位机图形监控软件和数据库设计3个部分。
2.1 PLC控制软件
PLC控制软件编程采用SIEMENS专用的STEP7语言,以完成硬件的组态与参数设置、通信的定义、编写用户程序、测试启动及维护、文件建档等任务。该软件全面的帮助功能和丰富的指令集、预先编制的功能块、采用集中存储方式的数据块功能及符号表统一管理功能使得编程快捷简便。尤为重要的是STEP7 采用模块化结构及标准功能块调用方式,把许多分立的功能块(FB) 、程序块(PB) 、组织块(OB) 、顺序块(SB)和数据块(DB)组织起来,增强了程序的可读性和易维护性。PLC 控制软件采用级式语言编制而成,完成对整个系统的控制,按功能结构可分成以下几个模块:通信参数初始化模块、公共数据处理模块、信息显示模块和DDS直流电机调速系统控制模块。其中,通信参数初始化模块实现了在系统开始运行时对通信参数初始化、分配I/O点、规定输入输出模块的起始地址及点数的功能;公共数据处理模块集中处理输入数据,得到中间结果供信息显示模块和DDS控制模块使用,以简化程序。公共数据处理模块还负责接收上位机的控制信息,与操作台的信息进行综合,并向上位机提供信息;DDS控制模块负责控制钢丝拉断装置中安装的直流电机的程序,结合面板上的操作按钮控制电机的启动、停止、正转、反转,其转动的速度可调节。PLC控制程序流程如图2所示。
2.2 上位机图形监控软件
组态软件WinCC是一个集成的人机界面系统和监控管理系统,它提供了适用于工业的图形显示、消息报警、过程值归档以及报表打印等模块,具有高性能的过程耦合、快速的画面更新以及可靠的数据管理功能。其特性之一是全面开放,各系统集成商可用WinCC作为其系统扩展的基础,通过开放接口开发自己的应用软件。另外,WinCC中的ANSIC语言脚本及其提供的与数据库之间的接口更增加了其应用功能,可充分满足用户的复杂要求。
在该系统中,需要监控的设备比较多,让所有的设备都显示在1张画面中不太可能,可将设备按照处理工艺的功能步骤分级在多张画面内,画面之间的切换用WinCC 中按钮的鼠标动作来实现。按照系统功能要求,上位机图形监控包括以下画面:(1) 钢丝拉断装置1、2监控画面,该画面中有操作电机的鼠标按钮、状态显示以及自动记录最大拉断力的报表窗口;(2) 直流电机速度设定画面,根据现场工艺要求,钢丝拉断装置的传动速度有快慢2种速度,而且要求这2种速度是可调节的,以满足对不同直径的钢丝性能检测的要求,通过该画面可以设定直流电机的转速,从而满足钢丝拉断装置的传动速度;(3) 报表打印画面,当1股钢丝检测完毕后,点击弹出报表打印画面,在此画面中可实现打印这股钢丝中所有单根钢丝的性能参数,这些参数包括钢丝直径、最大抗拉力、最大抗拉强度,以及整股钢丝的平均参数等等;(4) 历史查询画面,点击该画面可实现钢丝性能的历史检测记录查阅,可根据钢丝检测时间或钢丝编号进行查阅,同时提供打印功能。
2.3 数据库设计
数据库设计以降低数据冗余、保证数据完整性及一致性和提高数据并发性能力为原则。本系统数据库共有7个表,主要的数据表有3个:钢丝拉力表、钢丝拉力临时表、钢丝直径表。它们之间的关系:每当拉断一段钢丝时,钢丝拉力表和钢丝拉力临时表就相应增加1条钢丝数据记录,当1组钢丝样本检测结束时,钢丝拉力临时表的数据也随之消失,而钢丝拉力表中的数据将永久保存;钢丝直径表是用于存储当前测试钢丝样本的直径,通过保存钢丝的直径可以计算钢丝的性能参数。这3个表与其它表一起完成复杂的表间查询功能以及实现强大的报表处理功能。在WinCC组态软件中,通过其提供的控件,在组态画面中用户可以方便地访问数据库、编辑数据库,可以通过数据库查询窗口对数据库中的数据进行查询,并可将查询结果按照表格的方式打印出来。
3 结语
本文介绍的矿用钢丝性能智能检测系统采用工控机和PLC组成的PROFIBUS-DP现场总线控制系统实现矿用钢丝性能参数的检测,由PLC控制钢丝拉断装置的运行和钢丝拉断力的检测,大大提高了系统工作可靠性,减小了检测误差;采用工控机的组态软件和数据库完成检测数据的自动记录与计算,同时提供报表打印功能,提高了系统的检测效率。该系统目前已投入实际运用,运行状况良好,性能稳定可靠,减少了操作人员的记录数据的烦琐,大大提高了工作效率,同时减少了读数误差,提高了系统的检测精度,具有一定的推广和应用价值。该系统的设计,对同类产品的性能检测,如矿用胶带抗拉强度的检测等,有一定的参考价值。
摘要：针对目前检测矿用钢丝性能参数存在检测误差大、检测效率低和数据不便管理等弊端,文章提出了一种基于PROFIBUS-DP总线的矿用钢丝性能检测系统的设计方法,介绍了该系统的硬件组成、软件设计及系统特点。该系统采用三层网络结构实现对钢丝拉断装置的监视和控制,通过组态软件WinCC和数据库完成对钢丝性能参数的计算与统计,提高了系统的检测精度,具有一定的应用价值。
关键词：矿用钢丝,性能检测,组态软件,数据库,PROFIBUS-DP
参考文献
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钢丝性能 篇4
关键词：钢丝,珠光体,冷拔,显微组织,抗拉强度
0 引言
珠光体钢丝经过大应变变形之后可获得较高的强度, 可以作为大桥缆索、高层建筑以及轮胎加强钢帘线等工程结构材料, 被广泛用于国民经济的各个部门。珠光体钢丝在冷变形过程中钢丝内部形成大量位错, 晶粒细化, 珠光体片层间距减小, 从而产生强化效果, 已有研究表明, 其强度可提高到5.7GPa[1]。目前, 对于珠光体钢大应变变形的研究主要集中在冷拔过程中微观组织结构的变化, 大量研究[2,3,4,5]表明珠光体钢丝在拉拔过程中, 铁素体片条和渗碳体片条逐渐转向拉拔方向, 片层间距减小, 铁素体内部位错密度增加, 渗碳体片层减薄。渗碳体在变形过程中表现出一定的塑性, 与铁素体协调变形, 当渗碳体尺寸低于某个临界值时会部分甚至完全溶解[6,7,8]。Wong J N等人[9]用穆斯堡谱定量地分析了渗碳体的溶解现象, 发现在室温变形过程中渗碳体的溶解可达到20%~50%, 渗碳体溶解时存在一个门槛值, 当应变量超过这个值时, 渗碳体才开始溶解。Hono[10]采用3DAP测试钢丝中碳原子的分布, 应变为5.1的钢丝组织由过饱和固溶碳原子的纳米级铁素体显微组成, 没有明显的片条渗碳体, 渗碳体片条基本全部溶解。
关于冷拔过程中微观组织结构的变化已进行了大量研究, 但是对不同碳含量对冷变形珠光体钢丝显微组织和力学性能影响的研究还很少见。然而, 钢丝中的碳含量对钢丝在冷拔过程中显微组织的演变具有很大影响。为此, 本文对比研究三种热处理工艺相同碳含量不同的珠光体钢丝, 从而探讨不同碳含量对冷变形珠光体钢丝显微组织和力学性能的变化。
1 实验材料及方法
钢丝样品取自贵州钢绳股份有限公司生产现场, 钢丝样品化学成分SWRH67A为Fe-0.63%C-0.53%Mn-0.18%Si、SWRH72A为Fe-0.7%C-0.52%Mn-0.17%Si、SWRH82B为Fe-0.758%C-0.5%Mn-0.18%Si。三种钢丝的热处理工艺和冷拔工艺完全一致, 钢丝直径分别为2.67mm、2.40mm、2.15mm、1.91mm, 相应的累计应变量分别为ε=0、ε=0.21、ε=0.43、ε=0.67。
拉伸试样将其截成160mm, 在MTS810拉伸试验机上以2mm/min的速度于室温下进行拉神试验, 测试三种钢丝不同应变量的抗拉强度;SEM样品经180~1000#金相砂纸逐级打磨, 再用7μm、5μm、1μm金刚石抛光剂逐级进行机械抛光, 得到钢丝中心的纵截面金相试样, 然后用4% (体积分数) 硝酸酒精腐蚀后在ZEISS SUPRA55场发射扫描电镜 (SEM) 下观察不同应变条件下珠光体形貌的变化。
2 实验结果及分析
2.1 碳含量和应变量对钢丝显微组织的影响
图1为三种高碳钢变形前的SEM形貌图, 由图可以看出, SWRH67A钢组织由珠光体和大量的铁素体组成, SWRH72A钢由珠光体和少量的铁素体组织组成, SWRH82B钢典型的共析钢索氏体组织, 呈等轴状。变形前, 三种钢中的珠光体组织片层平直, 且各相邻珠光团片层排列无明显的择优取向性。
图2为珠光体变形后的SEM形貌像, 应变量为0.21时, 珠光体团界明显, 珠光体片层间距变化很小, 内部的渗碳体出现滑移和剪切变形。原始珠光体组织中珠光体片条随机取向, 垂直于拉拔方向或与拉拔方向有一定夹角的渗碳体片条阻碍位错滑移的作用较大, 因此在变形初期珠光体片层减小得很慢[6]。
当应变量增加到0.43时 (图3) , 在拉拔变形的作用下, 三种钢中的珠光体团逐渐发生弯曲和扭转变形, 珠光体组织开始出现方向性, 珠光体片层开始转向拉拔方向且延拉拔方向被拉长, SWRH67A钢和SWRH72A钢中珠光体团周围的铁素体组织区域开始形成裂纹。
当应变量达到0.67时 (图4) , 三种钢中的珠光体团发生弯曲和扭转的程度越来越剧烈, 在拉拔方向的珠光体片层被进一步拉长, 在SEM形貌图中已不能观察到珠光体团形态, 这时的渗碳体表现出良好的塑性, 与铁素体片协调变形[11]。与拉拔方向呈一定角度的渗碳体片层逐渐转向拉拔方向, 与拉拔方向垂直的渗碳体片层碎化明显, 同时可以看到组织中具有大量的S带, SWRH67A钢和SWRH72A钢中铁素体区域的裂纹加深。
由图1到图4组织SEM图可以看出, 随着应变量的增加, 三种钢丝中的组织发生显著变化, 大部分珠光体片层逐渐转向拉拔方向, 最后在拉拔方向被拉长, 渗碳体发生滑移或剪切变形;当珠光体团较大且珠光体片与拉拔方向夹角较大时, 会出现S-band, 且S-band夹角随累计应变量增大而减小。可以看出, 与拉拔方向平行的珠光体层间距随应变量的增加减薄较快;反之, 其它取向的珠光体层间距减薄较慢。钢丝中的珠光体组织片层较细, 铁素体组织片层较大, 在SWRH67A钢和SWRH72A钢中的铁素体不均匀地分布在珠光体团周围, 在变形过程中, 随着应变增加, 逐渐形成裂纹。
2.2 碳含量和应变量对钢丝力学性能的影响
显微组织的改变与珠光体钢的机械性能密切相关, 图5为三种不同碳含量的钢丝的抗拉强度随应变量的变化, 由图5可以看出, 三种碳含量的钢丝均随着拉拔应变量的增加, 其抗拉强度逐渐增加, 在相同的应变量下, 钢中的碳含量越高, 其抗拉强度越大。
3 讨论
大应变珠光体钢丝的强化机制主要是细晶强化、位错强化、固溶强化, 即主要受珠光体的层片组织、铁素体中的位错及碳原子对位错运动的钉扎效应等因素控制。珠光体钢丝在冷拔过程中, 珠光体团发生拉伸、扭转变形, 铁素体片条和渗碳体片条逐渐转向拉拔方向, 片层间距减小, 铁素体中位错密度增加, 从而使珠光体钢丝随着应变量的增加, 其强度逐渐增加。从珠光体变形前的SEM图看到, 随着碳含量的增加, 钢丝中珠光体组织增多, 钢丝中的珠光体组织片层较细, 铁素体组织片层较大, 因此在变形前, 钢丝随着其碳含量的增加, 其抗拉强度逐渐增加。在变形过程中, 由于SWRH67A钢和SWRH72A钢中的铁素体组织分布不均匀, 随着应变量增加, 逐渐形成裂纹, 其铁素体组织越多, 形成的裂纹增加。从而在相同的应变量下, 钢丝中的碳含量越高, 其抗拉强度越大。
4 结论