悬索桥和斜拉桥是现代大跨度桥梁的主要建筑形式。桥梁缆索则是现代大跨度桥梁的主要承载件。桥梁缆索用钢丝是由高强度热镀锌(锌铝)钢丝制成[1]。由于使用场合对于寿命和稳定性的极端要求,使得桥梁缆索热镀钢丝的力学和耐腐蚀性能不断提升,并成为金属制品中技术含量最高的品种之一。长期以来,高强度桥梁缆索钢丝的制造技术被日本新日铁等公司所垄断。
高强度桥梁缆索用钢丝的生产工艺流程图如图1所示[2]。高碳钢盘条首先经过热轧,然后通过斯太尔摩控冷或等温淬火处理,再依次经酸洗磷化,冷拉拔形变,热浸镀和稳定化处理等工艺处理,最后得到高强度桥梁缆索钢丝。
图1 桥梁缆索用钢丝的生产流程[2]
桥梁缆索钢丝的强度随着桥梁跨度的增加和钢丝生产技术的发展而不断提升。建于1883年的美国布鲁克林大桥是世界上第一座采用钢丝作为主缆的现代悬索桥,主跨为500 m,主缆钢丝强度约为1200 MPa;1909年建成的美国纽约乔治曼哈顿大桥,主跨为1280 m,主缆钢丝强度为1400 MPa;建于1957年的美国密歇根州的麦基诺大桥,主跨为1158 m,主缆钢丝强度达到1500 MPa。20世纪80年代前,桥梁缆索用热浸镀钢丝强度主要为l570 MPa级。到了上世纪末期,国际上大跨径悬索桥强度基本都达到了1670 MPa。个别桥梁开始采用1770 MPa的主缆,如1998年建成的全球最大跨度悬索桥——日本明石海峡大桥(主跨1991 m)首次采用1770 MPa级主缆索股。
中国现代悬索桥的发展虽然起步较晚,但进步迅速。1995年建成的广东汕头海湾大桥,主跨452 m,被誉为中国第一座大跨度现代悬索桥,其主缆索股强度约为1570 MPa;建于1996年的西陵长江大桥(主跨900 m)、1999年的虎门大桥(主跨为888 m)和1999年的江苏江阴长江大桥(主跨为1385 m)的主缆钢丝强度均约为1600 MPa。2005年竣工的江苏润扬长江公路大桥南汊大桥(主跨1490 m),其主缆钢丝强度提高到了1670 MPa。2008年建成的舟山西堠门跨海大桥(主跨1650 m),其主缆强度达到1770 MPa(其中一条主缆钢丝采用国产盘条生产)。
随着桥梁缆索用丝研究的深入,钢丝的耐蚀性得到广泛的关注。对桥梁缆索钢丝的强度要求不断提高,使用热镀锌铝合金镀层替代热镀锌层也成为关注的重点。2018年建设的杨泗港大桥(主跨为1700 m),采用直径6.2 mm、1960 MPa级热镀锌铝钢丝作为主缆索。2020年建成的沪苏通长江公铁大桥,采用直径7 mm,2000 MPa级热镀锌铝钢丝。正在建设的深中通道伶仃洋大桥(主跨1666 m),设计使用6 mm,2060 MPa级的热镀锌铝镁/锌铝钢丝作为主缆。更高强度(2100 MPa级以上)和高耐蚀的桥梁缆索钢丝正在研发之中。
由于超高强度钢丝是由高碳钢盘条经冷拉拔形变制成,高碳钢盘条合理的成分设计是获得高强度钢丝的基础。目前,超高强度桥梁缆索钢丝的成分设计主要有两种思路:1)日本新日铁推出的“超高碳高硅盘条”,即w(C)约为0.97 w(C)%,w(Si)控制在1.0%左右。这是由于日本新日铁公司的连铸坯尺寸大,可通过大压缩比减轻连铸碳偏析。2)国内钢企推出的“高碳微合金化盘条”,即w(C)为0.92%左右,w(Si)控制在0.8%-1.2%,适当提高Mn含量,并采用Cr微合金化。
C元素是钢铁材料最重要的合金元素。提高碳含量可以增加高碳钢盘条的起始强度,从而更容易获得高强度钢丝。通常随着碳含量的增加,碳钢在热轧状态下的硬度会直线上升,而塑性和韧性则会降低。这是由于碳含量增加,强化相渗碳体的体积分数也随之增加[3]。在亚共析范围内,碳对抗拉强度的提高效果随着碳含量增加;超出共析范围后,盘条的抗拉强度的提高效果会随碳含量的增加而减缓,甚至降低。因此,桥梁缆索钢丝用高碳钢盘条的w(C)一般控制在0.82%-1.0%。
作为常用的脱氧剂,Si一般固溶于铁素体中起到固溶强化的作用,提高钢丝的强度。Si还能提高淬透性和抗回火软化能力,增加冷加工硬化率。Si元素的抗回火软化作用,对降低冷拉钢丝在热镀过程中的强度损失是非常有益的。随着Si含量的增加,钢的抗拉强度提高,屈服点提高,但伸长率下降,面缩率和冲击韧性显著降低[4]。因此,超高强度桥梁缆索钢丝用高碳钢盘条的w(Si)控制在1.0%左右。
Mn作为炼钢时的脱氧剂,能够与钢中的FeO反应成为Mn O进入炉渣。使钢中氧含量降低,并使脱氧产物更充分上浮,以减少钢中氧化物夹杂,提高钢的强度和硬度。一般认为,钢中Mn含量可以降低钢的下临界点,增加奥氏体冷却时的过冷度,细化珠光体组织以改善其机械性能。
Mn作为高碳盘条重要的合金元素,既可增加钢中珠光体含量,又能固溶于铁素体中起到固溶强化作用,还可以溶入渗碳体,形成合金渗碳体,具有提高钢的淬透性和耐磨性的作用。但过量的Mn会降低钢断面收缩率和延伸率,降低钢的塑性和韧性,还有增加晶粒粗化和回火脆性的不利倾向[5]。因此,桥梁缆索钢丝用高碳钢盘条的w(Mn)一般不高于1.0%。
Cr是钢中重要的碳化物形成元素。适量的Cr可以增加珠光体转变渗碳体时的形核,细化珠光体组织,从而强化珠光体钢丝。Cr会部分固溶在铁素体内,起到固溶强化的作用。Cr又能置换Fe原子形成合金渗碳体(Fe,Cr)3 C,起到析出强化的作用[6]。但是Cr含量过高会使钢丝在扭转变形时出现分层断裂[7]。此外,过高的Cr含量会导致渗碳体稳定性增加,影响热镀钢丝的扭转性能[6]。因此,桥梁缆索钢丝用高碳钢盘条w(Cr)应控制在0.6%以下。
V是钢中重要的碳化物形成元素,能与钢中的C和N等元素形成细小的碳化钒或碳氮化物等化合物,存在于渗碳体中起到强化作用。同时,V也可以细化奥氏体晶粒和珠光体片层间距。但V含量过高会导致析出的碳氮化物颗粒增多,降低钢材的塑性[8]。在冷拉拔过程中,由于V强化渗碳体而降低珠光体形变协调性,会加剧渗碳体的碎化,影响钢丝的力学性能[9]。因此,不建议把V作为微合金化元素;若要添加V元素,w(V)应控制在0.06 w%以下。
一般认为,高碳钢盘条最适合拉拔形变的组织是珠光体组织。细小的珠光体片层间距可同时获得较高的强度和良好的塑性,此外,可以使拉拔形变过程中组织的形变更协调。因此,超高强度桥梁缆索钢丝用盘条要求索氏体化率达到90%以上。对于高强度(＜1960 MPa级)桥梁缆索钢丝,高碳钢盘条采用斯太尔摩风冷工艺生产;对于超高强度(≥1960 MPa级)桥梁缆索钢丝,高碳钢盘条采用盐浴或铅浴处理,获得均匀的索氏体化组织。
高碳钢盘条里等轴状的片状珠光体组织如图2(a)所示。在冷拉拔形变过程中,平行于拉拔方向(D.R.)的珠光体(图2(b)“A”区)通过层片减薄变形;与拉拔方向呈较小夹角的珠光体层片(图2(b)“B”区),通过旋转调整到与拉拔方向平行;垂直于拉拔方向的珠光体层片(图2(b)“C”区)则通过弯折断裂,实现变形。如图2(c)所示,拉拔形变后的珠光体组织为平行排列的片状珠光体,中间夹杂着弯折或碎化的渗碳体[10]。
图2 不同拉拔应变量下的珠光体组织形貌[10]
珠光体中硬而脆的渗碳体,在拉拔形变过程中表现出一定的变形能力。高碳钢盘条中的渗碳体为单晶片,如图3(a)所示。经过大应变量冷拉拔变形,钢丝中的渗碳体逐渐转变为多层梯度结构,即铁素体/渗碳体界面为非晶组织(图3(b)“c”位置),芯部为纳米多晶(图3(b)“a”位置)[11]。
图3 珠光体中渗碳体的高分辨透射电镜形貌照片[11]
由于冷拉拔钢丝处于热力学非平衡状态,所以对温度控制非常敏感。热镀过程中,冷拉钢丝与熔融的锌或锌铝合金在450℃左右接触,相当于对钢丝进行了退火处理,会导致钢丝的微观组织结构发生变化。研究表明,热镀过程中,非晶态渗碳体会转变为纳米晶态渗碳体[12],片状渗碳体会发生球化现象[13],从而影响钢丝的力学性能。
桥梁缆索用钢丝的强度是工程设计时的主要依据,包括抗拉强度和屈服强度。钢丝强度的提高,可以减少材料用量,降低桥梁缆索自重。据统计,桥梁缆索用钢丝抗拉强度每提高100 MPa可节约桥梁建设总投入的1%左右[14]。目前,1960 MPa级热镀锌铝钢丝作为桥梁缆索钢丝的主导产品,更高强度(2100 MPa级以上)桥梁缆索钢丝正在研发之中。
获得超高强度桥梁缆索钢丝的主要途径包括:1)提高盘条的起始强度:提高碳含量和微合金化,或减小晶粒度和珠光体层片间距;2)减小热镀过程中的强度损失:增加Si含量提高钢材的抗回火软化能力,或降低热镀温度和热镀时间;3)增加拉拔形变量从而获得高强度。其中,增加冷拉变形量虽能提高钢丝强度,但热镀过程中的强度损失会较多,且可能造成钢丝抗疲劳强度降低等问题。
虽然大跨度桥梁在建设、使用中会承受一定的扭转应力,但桥梁缆索钢丝扭转门槛值设定为12-14圈(100d,d为钢丝直径)是值得商榷的。由于在相当长的时间里,我国企业生产的桥梁缆索钢丝难以获得优异的扭转性能,业界认为高扭转值是日本企业为桥梁缆索行业设定的技术壁垒。
扭转试验常用于评估珠光体钢丝的剪切强度和剪切断裂应变[12]。抗扭转性能是钢丝在固定方向扭转时的塑性变形能力,可以显示出钢丝内部组织的不均匀性、表面缺陷及内部缺陷。从本质上来说,扭转性能是钢丝内外缺陷的综合体现,对于保证桥梁缆索钢丝质量是非常重要的。
作者研究团队系统研究了扭转断口的形貌特征[15],钢丝内部残余应力[16],热镀时间[13]等影响扭转性能的关键因素。提出通过调控大形变渗碳体的微结构[12,17],有效解决了桥梁缆索用热镀钢丝扭转性能低的难题,为我国桥梁缆索热镀钢丝的完全国产化作出了贡献。研究成果指导了江阴华新钢缆有限公司生产出1960-2100 MPa级桥梁缆索热镀钢丝[18]。
桥梁缆索钢丝要承受潮湿的大气环境,甚至酸雨的侵蚀,要求其具有良好的耐腐蚀性能。热浸镀金属保护镀层是目前最有效的方法之一。镀层作为牺牲阳极,实现了对钢丝的阴极保护[19]。
金属保护镀层的发展进程[20]如图4所示。最早应用的热镀保护金属是纯Zn镀层,具有良好的耐大气腐蚀特性。但是由于纯Zn镀层存在质软、孔隙率较高、形成的腐蚀产物疏松不致密等缺点,在纯Zn镀层中加入Al元素开发的Zn-Al镀层可以有效提高保护效果。商业化应用的有Galvalume合金镀层(Zn-55%Al-1.6%Si)和Galfan合金镀层(Zn-5%Al-RE)[21]。与纯Zn镀层相比,Zn-Al合金镀层的硬度更高,且有着更优异的防腐能力。在盐雾试验中,Zn-Al共晶合金镀层的耐腐蚀能力约为纯Zn镀层的3倍。这是由于Al的电极电位为-1.66 V,比Zn更低(Zn的电极电位为-0.76 V,Fe的电极电位为-0.44 V),所以能提供更好的电化学防护。另外,Al极易氧化成氧化铝钝化层,该钝化层具有良好的抗大气腐蚀、抗水和抗高温氧化的能力。在腐蚀介质中,镀层中的Zn被渐渐地腐蚀后,Al的含量相对提高,富铝区域又生成均匀的氧化铝层,进一步抑制了腐蚀作用,所以整体系统在后期的腐蚀速率会明显降低。
图4 镀层的发展进程[20]
近年来,热镀保护金属镀层正朝多元合金化方向发展。Zn-Al-Mg镀层是研究最多的体系,其耐蚀性是Zn-Al系镀层2-5倍。日本钢铁研究中心研制的Superzinc(Zn-4.5%Al-0.1%Mg)合金镀层、日本新日铁公司开发的DymaZnic(Zn-0.2%Al-0.5%Mg)合金镀层和Super Dyma(Zn-11%Al-3%Mg-0.2%Si)合金镀层都具有极高的耐腐蚀性能。主要是由于加入的Mg元素细化了共晶组织,使表面的氧化膜更加致密,同时抑制了晶间腐蚀的发生,提高了镀层的耐腐蚀性[1]。作者研究团队也研发了桥梁缆索用系列热镀Zn-Al-Mg合金镀层[22-23],已在深中通道用缆索钢丝中得到应用。
随着我国钢铁冶炼技术和金属制品生产控制技术的不断提升,超高强度桥梁缆索用热镀钢丝不仅实现了完全国产化,还引领了行业的技术发展。未来超高强度桥梁缆索用热镀钢丝预计会面临以下挑战:
1)成分设计和组织控制:随着桥梁缆索用热镀钢丝强度的进一步提升(2100 MPa级已在应用之中),现有成分体系已难以满足高强度钢丝的生产。所以针对更高强度桥梁缆索用热镀钢丝成分体系和组织控制技术的研究亟待展开。
2)Zn-Al-Mg合金镀层的研发与应用:开展针对生产Zn-Al-Mg合金镀层的研发工作,包括对于热镀温度和时间、成分均匀性等工艺探索,以及使用场景的应用研究。
3)桥梁缆索用热镀钢丝的应力腐蚀研究:随着钢丝强度等级的提高,对其表面缺陷的敏感性不断增加。由于桥梁缆索用热镀钢丝经常处于潮湿环境下工作,其腐蚀破坏已引起人们的广泛关注,有待于系统性地开展针对桥梁缆索用热镀钢丝的成分、强度等级、环境对其腐蚀破坏影响因素的研究。
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