一种大桥缆索用高强耐腐蚀不锈钢覆层钢丝及其制备方法与流程

1.本发明涉及缆索钢丝技术领域，具体涉及一种大桥缆索用高强耐腐蚀不锈钢覆层钢丝及其制备方法。


背景技术：

2.随着大跨度桥梁首选桥型——斜拉桥、悬索桥等索承式桥梁的发展，对桥梁缆索用关键原材料——高强钢丝提出了更高的性能要求，研究新一代超高强度桥梁缆索用耐腐蚀钢丝以节约材料用量，降低生产成本，提高钢丝耐腐蚀寿命，适应特大跨度桥梁建设需要，已成为人们关注的重点之一。目前国内外悬索桥主缆索股普遍使用φ5.0mm系列1870mpa、l960mpa强度级别的镀锌钢丝，2013年建成的韩国李舜臣大桥主缆采用了φ5.25mm 1860mpa的镀锌钢丝，2015年建成的韩国蔚山大桥设计采用φ5.35mm 1960mpa镀锌钢丝；2018年建成的洞庭湖二桥设计采用φ5.25mm 1860pma镀锌钢丝，2019年建成的虎门二桥设计采用φ5.0mm 1960mpa镀锌钢丝。
3.然而国内外许多学者研究了悬索桥缆索用镀锌钢丝索在不同索内环境下的腐烛情况。结果表明，钢丝端部和锚固处更容易腐蚀，而中间部位腐蚀较轻。渡锌钢丝在相对湿度小于60％时不会发生腐烛，但相对湿度较高时非常容易腐烛。另外，大量盐分及高温情况下，钢丝均会发生显著的腐烛。随着使用年限的增加，镀锌钢丝逐步暴露出防腐层老化、锈蚀和断丝等问题，严重的会导致索断裂，引起桥梁倒塌事故。
4.因此有必要研制生产耐腐蚀性能更高的高强钢丝，以满足斜拉桥、悬索桥等索承式桥梁的长寿命需求。


技术实现要素：

5.本发明要解决的技术问题是提供一种大桥缆索用高强耐腐蚀不锈钢覆层钢丝，具有高强度、耐腐蚀性能优良、性能稳定的特点。
6.为了解决上述问题，本发明的技术方案如下：
7.一种大桥缆索用高强耐腐蚀不锈钢覆层钢丝，由不锈钢耐腐蚀外层与高强钢芯组坯后经热轧冷拔工艺成型，包括不锈钢耐腐蚀外层、高强钢芯和冶金结合过渡层，所述不锈钢耐腐蚀外层包覆在所述高强钢芯外周，所述不锈钢耐腐蚀外层与所述高强钢芯组坯后热轧使其接触面形成所述冶金结合过渡层；
8.所述大桥缆索用高强耐腐蚀不锈钢覆层钢丝直径为3-7mm，所述不锈钢耐腐蚀外层厚度为所述大桥缆索用高强耐腐蚀不锈钢覆层钢丝半径的1-8％，所述冶金结合过渡层的厚度为0.02mm-0.10mm；
9.所述高强钢芯由合金钢制成，其包括按重量百分比计的如下成分：
10.c:0.8-0.95％，si：0.8-1.3％，mn：0.6-0.9％，cr：0.2-0.4％，mo：0.05-0.2％，ni：0.1-0.3％，ti：0.02-0.08％，v：0.03-0.08％，al：0.02-0.06％，余量为fe及不可避免的杂质。
11.进一步地，所述不锈钢耐腐蚀外层选用2205、2304、2507、316l材料制成。
12.进一步地，所述高强钢芯采用直径不小于300mm的圆坯或长宽不小于300mm的方坯先热轧成φ160mm圆坯，再将高强钢芯圆坯进行表面处理后与不锈钢管进行复合组坯形成不锈钢复合钢坯。
13.本发明还提供一种大桥缆索用高强耐腐蚀不锈钢覆层钢丝的制备方法，包括如下步骤：
14.步骤s1，将钢坯轧制成圆坯形成高强钢芯，轧制变形量≥45％；其中高强钢芯包括按重量百分比计的如下成分：
15.c:0.8-0.95％，si：0.8-1.3％，mn：0.6-0.9％，cr：0.2-0.4％，mo：0.05-0.2％，ni：0.1-0.3％，ti：0.02-0.08％，v：0.03-0.08％，al：0.02-0.06％，余量为fe及不可避免的杂质；
16.步骤s2，按照预定尺寸制作好不锈钢钢管作为不锈钢耐腐蚀外层，并对不锈钢钢管的内表面和高强钢芯的外表面进行去杂除污的清洁处理；然后将不锈钢钢管和高强钢芯进行组装，得到不锈钢-高强钢复合钢坯；
17.步骤s3，将组装得到的不锈钢-高强钢复合钢坯放入真空封装设备内，启动设备抽真空，去除不锈钢耐腐蚀外层与高强钢芯之间的空气，使真空度≥10pa，并在真空封装设备内将不锈钢-高强钢复合钢坯的末端焊接封口；
18.步骤s4，将焊接密封后的不锈钢-高强钢复合钢坯在加热炉中加热至1050℃-1200℃，加热时间为2-3小时，保证所述不锈钢-高强钢复合钢坯内外温度均匀；
19.步骤s5，将加热后的不锈钢-高强钢复合钢坯出炉，然后在热连轧机上进行热轧，控制开轧温度在1000～1150℃，经过多道次的热轧后，将复合钢坯轧制成φ6～18mm的不锈钢覆层盘条，控制终轧温度在800-950℃；
20.步骤s6，将不锈钢覆层热轧盘条经多道次冷拔工艺，冷拔制成φ3～7mm的不锈钢覆层钢丝，并将钢丝回火处理，回火温度为200～400℃，保温24～48h；冷拔工艺中，各道次变形量为5-15％，冷拔拉丝速度为15-50m/min；
21.形成的不锈钢覆层钢丝包括不锈钢耐腐蚀外层、高强钢芯和冶金结合过渡层，所述不锈钢耐腐蚀外层包覆在所述高强钢芯外周，所述不锈钢耐腐蚀外层与所述高强钢芯组坯后热轧使其接触面形成所述冶金结合过渡层；
22.所述不锈钢耐腐蚀外层的厚度为0.05mm-1.0mm，所述不锈钢耐腐蚀外层厚度为所述复合钢丝直径的1％-8％，所述冶金结合过渡层的厚度为0.02mm-0.10mm。
23.进一步地，在冷拔工艺前，对不锈钢覆层盘条进行酸洗去除表面氧化皮后，再进行表面磷化处理。
24.进一步地，所述不锈钢耐腐蚀外层选用2205、2304、2507、316l材料制成。
25.进一步地，所述高强钢芯采用直径不小于300mm的圆坯或长宽不小于300mm的方坯热轧成φ160mm圆坯成型。
26.与现有技术相比，本发明提供的大桥缆索用高强耐腐蚀不锈钢覆层钢丝及其制备方法，有益效果在于：
27.本发明提供的大桥缆索用高强耐腐蚀不锈钢覆层钢丝，外层采用高强不锈钢，芯部采用高强低合金钢钢芯，制备得到的不锈钢覆层钢丝具有强度高、耐腐蚀性能优良、性能
稳定的特点，特别适用于斜拉桥、悬索桥等索承式桥梁缆索的制备。
附图说明
28.为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
29.图1为本发明的大桥缆索用高强耐腐蚀不锈钢覆层钢丝的结构示意图。
具体实施方式
30.为了使本技术领域的人员更好地理解本发明实施例中的技术方案，并使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面对本发明的具体实施方式作进一步的说明。
31.在本文中所披露的范围的端点和任何值都不限于该精确的范围或值，这些范围或值应当理解为包含接近这些范围或值的值。对于数值范围来说，各个范围的端点值之间、各个范围的端点值和单独的点值之间，以及单独的点值之间可以彼此组合而得到一个或多个新的数值范围，这些数值范围应该被视为在本文中具体公开。
32.实施例1
33.本实施例制备φ7.0mm不锈钢覆层钢丝，具体的制备工艺如下：
34.步骤s1，将钢坯轧制成圆坯形成高强钢芯，轧制变形量≥45％；其中高强钢芯包括按重量百分比计的如下成分：
35.c:0.88％，si：0.85％，mn：0.65％，cr：0.2％，mo：0.2％，ni：0.3％，ti：0.08％，v：0.03％，al：0.06％，余量为fe及不可避免的杂质；
36.通过在合金中加入适当的ti、v、al能够细化热轧盘条的晶粒、提高热轧盘条强度和塑性；适当的ni能有效提盘条基体的韧度，提高盘条的拉拔性能；适当的mo能提高钢丝的回火稳定性，同时提高钢丝强度。
37.将上述材料的合金350*400mm连铸坯加热到1050℃后热轧成φ160mm圆坯，形成高强钢芯，再将钢坯采用车削方法去除表面氧化、夹渣等缺陷，并加工到合适尺寸；
38.步骤s2，按照预定尺寸制作好不锈钢钢管作为不锈钢耐腐蚀外层，并对不锈钢钢管的内表面和高强钢芯的外表面进行去杂除污的清洁处理；然后将不锈钢钢管和高强钢芯进行组装，得到不锈钢-高强钢复合钢坯；
39.具体的，外层选用2205不锈钢，内径φ159mm的2205不锈钢管内壁采用酸洗处理去除内壁氧化层、杂质及油污；采用液压装置将步骤s1的高强钢芯钢坯套入2205不锈钢管内；
40.步骤s3，将组装得到的不锈钢-高强钢复合钢坯放入真空封装设备内，启动设备抽真空，去除不锈钢耐腐蚀外层与高强钢芯之间的空气，使真空度≥10pa，并在真空封装设备内将不锈钢-高强钢复合钢坯的末端焊接封口；
41.具体的，使用等离子或电子束焊接机将抽真空后的钢坯的两端进行焊接封装。
42.步骤s4，将焊接密封后的不锈钢-高强钢复合钢坯在加热炉中加热至1180℃，加热时间为2-3小时，保证所述不锈钢-高强钢复合钢坯内外温度均匀；
43.步骤s5，将加热后的不锈钢-高强钢复合钢坯出炉，然后在热连轧机上进行热轧，
控制开轧温度在1100℃，经过多道次的热轧后，将复合钢坯轧制成φ14mm的不锈钢覆层盘条，控制终轧温度在850℃；
44.并对热轧盘条进行酸洗除去表面的氧化皮后，再进行表面磷化处理；
45.步骤s6，将不锈钢覆层热轧盘条经9道次冷拔工艺，冷拔制成φ7mm的不锈钢覆层钢丝，并将钢丝回火处理，回火温度为270℃，保温36h；冷拔工艺中，各道次变形量为5-15％，冷拔拉丝速度为25m/min。
46.请参阅图1，为本发明的大桥缆索用高强耐腐蚀不锈钢覆层钢丝的结构示意图。本实施例制备得到的高强耐腐蚀不锈钢覆层钢丝包括不锈钢耐腐蚀外层1、高强钢芯2和冶金结合过渡层3，不锈钢耐腐蚀外层1包覆在高强钢芯2外周，不锈钢耐腐蚀外层1与高强钢芯2组坯后热轧使其接触面形成冶金结合过渡层3；
47.本实施例中，不锈钢覆层钢丝的直径为7mm，其中不锈钢耐腐蚀外层的厚度为0.175mm，所述不锈钢耐腐蚀外层厚度为所述复合钢丝直径的2.5％，所述冶金结合过渡层的厚度为0.05mm。
48.实施例2
49.本实施例制备φ5.0mm不锈钢覆层钢丝，具体的制备工艺如下：
50.步骤s1，将钢坯轧制成圆坯形成高强钢芯，轧制变形量≥45％；其中高强钢芯包括按重量百分比计的如下成分：
51.c:0.95％，si：1.1％，mn：0.85％，cr：0.3％，mo：0.15％，ni：0.3％，ti：0.08％，v：0.08％，al：0.05％，余量为fe及不可避免的杂质；
52.将上述材料的合金φ320mm连铸坯加热到1050℃后热轧成φ160mm圆坯，形成高强钢芯，再将钢坯采用车削方法去除表面氧化、夹渣等缺陷，并加工到合适尺寸；
53.步骤s2，按照预定尺寸制作好不锈钢钢管作为不锈钢耐腐蚀外层，并对不锈钢钢管的内表面和高强钢芯的外表面进行去杂除污的清洁处理；然后将不锈钢钢管和高强钢芯进行组装，得到不锈钢-高强钢复合钢坯；
54.具体的，外层选用2304不锈钢，内径φ159mm的2304不锈钢管内壁采用酸洗处理去除内壁氧化层、杂质及油污；采用液压装置将步骤s1的高强钢芯钢坯套入2205不锈钢管内；
55.步骤s3，将组装得到的不锈钢-高强钢复合钢坯放入真空封装设备内，启动设备抽真空，去除不锈钢耐腐蚀外层与高强钢芯之间的空气，使真空度≥10pa，并在真空封装设备内将不锈钢-高强钢复合钢坯的末端焊接封口；
56.具体的，使用等离子或电子束焊接机将抽真空后的钢坯的两端进行焊接封装。
57.步骤s4，将焊接密封后的不锈钢-高强钢复合钢坯在加热炉中加热至1200℃，加热时间为2小时，保证所述不锈钢-高强钢复合钢坯内外温度均匀；
58.步骤s5，将加热后的不锈钢-高强钢复合钢坯出炉，然后在热连轧机上进行热轧，控制开轧温度在1150℃，经过多道次的热轧后，将复合钢坯轧制成φ12mm的不锈钢覆层盘条，控制终轧温度在880℃；
59.并对热轧盘条进行酸洗除去表面的氧化皮后，再进行表面磷化处理；
60.步骤s6，将不锈钢覆层热轧盘条经10道次冷拔工艺，冷拔制成φ5mm的不锈钢覆层钢丝，并将钢丝回火处理，回火温度为270℃，保温36h；冷拔工艺中，各道次变形量为5-15％，冷拔拉丝速度为50m/min。
61.本实施例制备得到的高强耐腐蚀不锈钢覆层钢丝结构与实施例1基本相同，本实施例中，不锈钢覆层钢丝的直径为5mm，其中不锈钢耐腐蚀外层的厚度为0.2mm，所述不锈钢耐腐蚀外层厚度为所述复合钢丝直径的4％，所述冶金结合过渡层的厚度为0.03mm。
62.将实施例1、实施例2制备得到的高强耐腐蚀不锈钢覆层钢丝样品进行力学性能测试，测试结果如表1：
63.表1：高强耐腐蚀不锈钢覆层钢丝样品力学性能测试结果
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本发明提供的大桥缆索用高强耐腐蚀不锈钢覆层钢丝，外层采用高强不锈钢，芯部采用高强低合金钢钢芯，制备得到的不锈钢覆层钢丝具有强度高、耐腐蚀性能优良、性能稳定的特点，特别适用于斜拉桥、悬索桥等索承式桥梁缆索的制备。
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以上对本发明的实施方式作出详细说明，但本发明不局限于所描述的实施方式。对本领域的技术人员而言，在不脱离本发明的原理和精神的情况下对这些实施例进行的多种变化、修改、替换和变型均仍落入在本发明的保护范围之内。