日本高强度棒、线材的简介
日本高强度棒、线材的简介
（一）棒、线材可加工为多种产品
棒、线材除直接用于建筑外，还可加工为各种部件以用于其它方面。以常见的汽车为例，每辆车大约使用棒、线材150Kg左右，约为车重的10％。其中如发动机部件（曲轴、凸轮轴和阀弹簧等）和驱动系统部件（各种齿轮、螺旋轴等）用材料都离不开棒、线材。“行驶、转弯和停车”是汽车的基本动作，支持这些动作的某一个部件万一破损，则汽车将停止行驶，由此可见它们的重要性。
另外，作为汽车轮胎的补强材料，过去多用一些有机纤维，后来改用子午线钢丝后汽车轮胎的刚性有了明显的提高，因此近年来汽车行驶中的轮胎破损泄气事故大为减少；现在作为标准产品使用的Φ0.3mm子午线钢丝通过高强度化（年产30万t），对节约资源与改善轮胎性能作出了明显的贡献。据统计，子午线钢丝1975年用量为～2万t，到了1985年即猛增至10万t、1995年续升至20万t、到2005年则升至30万t，可见其发展的迅速。
在建筑物和钢结构方面，高强度棒、线材也开始得到了广泛应用，其中如电线杆立柱和砼类用补强材及吊桥、斜拉桥用钢缆等，它们的强度为一般钢筋的3～4倍，由此也带来许多好处。
此外，由棒、线材制成的各种螺栓、螺母和弹簧等，也在机械行业为首的各个方面广泛得到应用；甚至连我们常见的钢琴线、吉他弦和钓鱼丝等生活用品也是由线材加工而成。尽管它们最终产品的形状和性能不同，但共同点是都由钢制的棒、线材加工而成。新日铁生产棒、线材的有室兰钢铁厂、釜石钢铁厂和君津钢铁厂，线材产品的分类和用途如表1。
表1棒、线材的分类和用途
分类规格名称JIS符号主要用途
普通线材软钢线材SW(－)RM钉、钢丝、钢丝圈等
特殊线材硬钢线材
钢琴丝线材
弹簧钢线材
极低碳钢线材SW(－)RH
SW(－)RS
SUP
钢绳、轮胎钢丝、辐条钢丝
子午线钢丝、桥梁用钢丝、砼紧缩用钢线
悬架弹簧、阀门弹簧
玻璃封入用钢丝
冷加工用线材冷轧用线材
低合金钢弹簧线材
磨光钢用线材
钢筋砼用线材SW(－)RH
SCM
SGD
SD各种钢栓、螺母、机械部件
各种钢栓、螺母、机械部件
磨光棒、线材
钢筋
（二）作为半成品供应的棒线材
棒、线材和其它热轧钢材的不同之处在于其以热轧状态的半成品供应，然后由汽车生产厂和部件生产厂等用户经各种加工和热处理后成为最终产品；而中厚板、薄板、钢管和H型钢等钢材则由钢铁厂轧制而成一定形状和强度的成品钢材供应。
以弹球的加工过程为例简介如下：钢铁厂生产的线材送至二次加工工厂，经过冷拔加工－>模压成球－>粗磨光－>表面刻印－>热处理－>研磨－>镜面磨光－>镀铬后形成产品。小小的弹球断面为3层不同的结构：表层3um为镀铬层，下部1mm厚处为经渗碳处理后含碳量达0.8％的马氏体组织，内部为含碳仅0.2％的铁素体＋马氏体的软组织。上述结构使弹球表面硬度高而抗冲击性强，内部则由于可吸收冲击而使球不易破裂。这种渗碳处理在使用、棒线材生产齿轮等部件时也得到应用。
此外，弹球的尺寸、重量、加工精度取决于模压成球工序，一般尺寸公差控制在0.01mm、重量误差在0.01g之内。为此，对所用线材的加工性的要求非常严。由此可看出棒、线材和其它钢材的不同之处。
（三）考虑加工工序采取的调整冷却
一般棒、线材制成的部件，所用材料的费用仅占部件生产成本的20％（其余80％为锻造20％、切削40％、热处理10％和其它10％）。由于二次加工的成本高，因此钢材的开发应着眼于有利于二次加工。即使最终产品要求强度高，但也要求钢厂供应的棒、线材“容易加工以利于简化加工工序”。换言之，提供的棒、线材要和最终产品要求的高强度相反、即要软一些，从而形成了矛盾。为了达到这一要求，采取了“调整冷却”技术。通常对热轧后的钢材进行快冷后强度提高，缓冷后则强度下降。“缓冷”设备即对轧后的线材盘卷保温使其缓慢冷却以降低强度，例如螺栓是用线材在室温下冷锻成形的，加工时的钢材必须较软以使其容易成形。为此，对热轧材采取上述缓冷措施以提高其冷锻性，加工后再通过热处理提高其强度而达到要求的水平。
由于各种产品要求的强度不同，冷却方式也有很多种。除上述的“缓冷”设备外，还有送入空气较快冷却的“空冷”、穿过550℃盐浴冷却的“DLP”和穿过热水冷却的“EDC”等冷却方法。其中“DLP”设备对要求强度高的高碳钢的强度和延伸性调整效果明显，有利于用户再以后的韧化处理中简化工序，特别是使用不含铅等金属的盐浴，不仅导热性好，且附着在线材上的盐也可用热水简单冲洗除去并回收后再利用，且比铅浴处理的污染小。
（四）通过组织控制掌握钢材的强度
如上所述，应将棒、线材的特性适应用户的加工性为第一条件，但由于使用目的和用途十分广，最终产品要求的强度水平在300～5000MPa的范围内。例如钢丝和铁丝网用普通线材仅为300MPa，而上述的汽车轮胎用子午线钢丝和切断硅片用钢丝锯则需要高达4000MPa的高强度线材。为此，棒、线材的化学成分和结晶组织也呈多样化，因为钢铁随着含碳量的上升而强度提高，但在薄板和中厚板制品中则需要考虑相应的延伸性，因此含碳量一般保持在0.2％以下。但棒、线材为适应多种强度的要求，含碳量的范围扩大到0.01～1.1％之间；在如此广范围的含碳量下影响强度、延伸性和韧性的组织形态也呈多样化。
现在汽车制造厂为了减排CO2，正普遍采取车体轻型化以降低油耗的措施，近日在用比重小的铝合成的高强度铝合金材料，对所用材料的简单评价则采用单位重量的比强度（抗拉强度/比重）。
一般称为高强度钢的800～1200MPa的钢材，其比强度也不如铝合金，但是钢铁材料有各种组织形态，作为提高钢材强度的方法有“细晶强化”、“固溶强化”、“析出强化”和“位错强化”等组织控制技术。以细晶强化为例说明如下，即将通常铁素体20～30um的结晶进行细化以提高其强度的方法，特别是把晶粒直径细化到1um以下时强度上升的效果十分明显（具体见表2）。将该组织微细化技术和加工热处理组合，有可能达到极限强度，现已据此开发出了与铝合金匹敌的“超高强度钢”。
表2铁素体晶粒细化和强度的关系
晶粒直径（um）1251020304050
0.2C％强度（MPa）920700400325280240230220
固溶强化指多量的C、N等侵入型原子和Si、Mn等置换性元素增加结果引起的硬化现象，析出强化则是由于化合物增加、位错强化则由加工产生的钢材中位错数增加所引起的硬化现象。
（五）追求强度极限的高碳钢丝
在棒、线材制品中，追求极限强度的材料为高碳钢丝，现以桥梁用钢丝对其工艺技术说明如下。
二次加工企业对热轧半成品在要求其加工性好的同时为提高强度而实施韧化处理，该项技术于19世纪取得英国专利。这种热处理采用在导热性好的金属浴中进行等温且均匀化的热处理，使常温下钢中存在的铁素体和渗碳体组织转变为奥氏体，然后再通过快速冷却使之变态为珠光体（由渗碳体和铁素体2相组成的层状组织）。该方法产生的珠光体组织中由渗碳体相互间的间隔（即片层的厚度）来决定线材的强度，厚度越小则强度越高。假如在未进行韧化处理冷却至常温时，片层的厚度不均匀导致拉丝加工性降低，最终的强度也降低。为此，韧化处理对要求高强度的钢材生产是不可缺少的工艺过程。
钢铁组织由高温到低温的过程中，奥氏体生成珠光体并长大；但从950℃快速冷却到550℃的低温时，则变成均匀的珠光体，由硬而脆的渗碳体相和软且延伸性好的铁素体相按同一方向并列组成；而对汽车板等加工性好的材料则生成较软的铁素体单相。
若能将韧化处理省略，则给用户简化加工带来很大好处，上面提到的“DLP”设备便可起到这一作用，即在550℃盐浴下均匀调整冷却，使其在半成品时就转变为珠光体。对于砼紧缩用高强钢丝的生产，新日铁也通过“DLP”设备处理为用户省去韧化处理创造了条件。在桥梁用钢丝的生产中，经韧化处理后，为便于拉丝加工先经酸洗、磷酸锌皮膜处理的“润滑”处理后，再在室温下分多段进行拉丝加工。即将热轧后的Φ13mm的线材半成品冷拉减细至Φ7mm，最后为提高耐蚀性再进行镀锌处理。但轮胎补强用子午线钢丝则加工工序较多，即使用Φ5.5mm的线材，经拉丝加工为Φ3mm的钢丝，经中间韧化处理后，再拉丝至Φ1.5mm的钢丝，再经最终韧化处理和镀黄铜（可提高和橡胶的密接性）处理，最终再拉丝至Φ0.3mm并由5支组成成品。采取中间韧化处理的原因是防止由Φ5.5mm一次拉丝至Φ1.5mm时，可能由于韧性差而产生断线。总之，所有的钢材高强度化时，都会随着强度的上升而延伸性下降，因此可实用化的高强度极限关键在于延伸性，高强度用高碳钢丝的关键技术也是如何保持延伸性。
（六）丝径越细强度越高的高碳钢丝
钢丝的强度和丝径有明显的关系，如桥梁用钢丝等的丝径为Φ5～7mm，其强度为2000MPa以下，而丝径为Φ0.2～0.4mm的轮胎用子午线钢丝则强度高达4000MPa左右。通过钢丝的高强度化，有利于降低建设成本和减轻轮胎的重量。
钢丝直径缩小时，由于拉丝加工时施加的压力，随着其变细程度（形变加工量）的加大使得强度相应加大，这便是其根本的原理。由于钢种的不同虽有一定的差别，但在韧化处理后强度达1200～1500MPa的钢丝继续拉丝时其强度仍持续提高。桥梁用钢丝等的形变量为1.5左右，子午线钢丝的形变量则高达3.5～4，其加工形变量与强度的关系见表3。
表30.82％C钢的加工形变量与强度的关系
加工形变量（％）012345
抗拉强度（MPa）120017002000280035004300
这一原理可由钢铁的组织变化来说明，铁素体相间隔的宽度（即片层的厚度）越小则强度上升。因为刚经韧化处理后的钢丝，其铁素体和渗碳体的结晶方向随机而呈不规则状态，通过拉丝加工强度高的渗碳体和延伸性好的铁素体的结晶均按拉丝方向变得整齐一致，因此钢丝越细时片层的厚度越小而强度越高。如钢中铁素体的粒径为Φ10～30um，作为国家项目开发中的“超级金属（高强度钢）”也仅为0.5～0.8um的水平；而钢丝在韧化处理后的片层厚度仅为0.1um左右（1200～1500MPa），最先进的子午线钢丝经过约20次的拉丝后变为0.01um，相应的强度也上升至4500MPa。
轧制后的结晶方向若一致可提高强度的性质是钢材的共同现象，但薄板等产品在轧制时结晶只向轧制方向延伸而不向宽度方向延伸，因此随着方向的不同结晶粒径也不同。而线材的拉丝加工所使用的冷拔模具，采用和轧制方式不同的强压由四周均匀对线材挤压，因此结晶只能向拉丝方向发展，其结果使片层均匀而厚度变小，使强度快速提高。为施加强压的超高强度钢丝，拉丝时多用超高硬度的金刚石制模具。不锈钢弹簧
（七）高强度化的关键是珠光体的转变
如上所述，高碳钢的珠光体比低碳普通钢的铁素体单相的强度要高的多。由此可知，珠光体在较小的拉丝变形量下易得到高强度，故成为工业化的重要因素。反之，对纯铁无论施加多强的压力进行冷拉丝加工也难以实现高强度化的效果。
关于珠光体通过拉丝加工可快速提高强度的机理，目前尚未完全清楚。一个重要的原因为，通过拉丝加工使结晶微细化后的片层厚度变薄的“细晶强化”，还有加工使位错数量加大而硬化的“位错强化”都起到了重要的作用，这和对钢丝连续弯曲时该处变硬的现象相同。
对于其它组织，如拉丝前无晶界的渗碳体经拉丝加工微细化至纳米级水平后强度也可提高的“渗碳体细晶强化”；还有稳定金属华的渗碳体（Fe3C）经拉丝加工而被分解，分解后的碳附着于位错使其不易移动致使强度提高的“固溶强化”等。过去只知道在大外力作用下金属化合物会分解，近来又发现渗碳体全部被分解的现象，因此引起各方的重视。
新日铁作为高碳钢丝开发的先行者，把渗碳体分解所产生的强度和延伸性变化作为重要的研究课题，并通过研究其机理开发高强度钢丝。
渗碳体分解机理未查明的原因是：铁是过细的组织，经强加工后的渗碳体也是几个纳米的过细组织，一般的仪器是难以观察到的，因此对其机理难以说明。但现在通过可放大100万倍的可对纳米组织解析的“高分解能透过型显微镜”和原子观测器，对点状并列的单个铁原子和铁素体，渗碳体的组织均可观察清楚，使研究有了很大的进展，有望不久的将来可得到解决。
（八）强度和延伸性对立的挑战
为使高碳钢丝实用化，不仅是强度，还必须解决造成破断的延伸性不足的问题。从两者的关系来看，桥梁用钢丝当强度超过2000MPa时其延伸性快速下降，即可实用化的最高强度应和延伸性保持平衡。单从技术上看，如单纯追求强度还可以进一步提高，但考虑延伸性的明显下降，现在子午线钢丝的极限强度也只规定在4000MPa以下。
具有高延伸性的钢丝，对钢丝断面均匀的施加压力进行热断试验时，经数十次扭转后拉丝的垂直方向呈整齐的断面而破断（正常破断），但延伸性低的钢丝在扭力变形的初期即沿拉丝垂直方向产生龟裂（扭裂），这种现象的发生称为影响高强度化的重要原因。还有丝径较大时，在2000MPa左右即产生扭裂，而在丝径小时则到4000MPa还未产生，对此称之为“丝径效果”。对于产生扭裂的原因有多种说法，据研究渗碳体的分解是主要的原因。
（九）尽可能减少拉丝加工的高强度钢材
用兼顾钢材强度和延伸性的加工工序在对钢丝高强度化时，首先通过韧化处理使强度提高，再通过增大拉丝加工（加工形变）以提高单位形变的强度增加量（加工硬化率），还有如桥梁用钢丝等还应采取一些措施抑制由于镀锌（450℃）和发蓝处理等加热产生的强度下降。
采取上述方法保持高强度化的同时，还应防止延伸性下降，即从保持延伸性可避免扭裂的因果关系出发，经试验结果证明，采取韧化处理材的高强度化和减少拉丝加工量以提高加工硬化率的方法，比提高拉丝加工量对保持延伸性更为有效。例如，最终强度目标为2000MPa的场合，对低韧化处理后的强度（1000～1300MPa水平）材，通过增加拉丝加工量达到目标时易发生扭裂；若对1400MPa的韧性处理材适当减少拉丝加工量时则不会发生。由此可看出采取后者对高强度下保持必要的延伸性较为有效。精密弹簧
韧化处理材的强化方法也有很多种，其代表的方法为合金化。即在钢中增加碳、钒、铬、硅等元素的含量均可提高强度。其中通用的基本方法为增加碳含量；硅可在铁素体的固溶强化方面起到积极的作用；铬则在韧化处理时可使片层的厚度微细化使得提高强度得效果明显。还有在高碳钢（含C0.82％）中加入0.2～0.5％的铬，则对提高拉丝加工时的加工硬化率非常明显，因此十分有利于高碳钢丝的高强度化。关于在子午线钢丝和桥梁用钢丝方面的应用在前期的文章中已有介绍。