CN101331243B - 拉丝特性优良的高强度线材及其制造方法 - Google Patents

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Abstract

本发明可以得到一种拉丝加工性优良的线材，并以良好的生产效率、较高的成品率且廉价地提供一种以该线材为原材料的钢丝。将特定成分的硬钢线材热轧后，在特定的温度区域进行卷取，然后以规定的冷却速度进行钢丝韧化处理，由此得到加工性优良的高碳钢丝。还提供一种坯材拉丝性优良的高强度钢线材，其特征在于：珠光体组织的面积率为97％以上，余量为由贝氏体、伪珠光体、初析铁素体构成的非珠光体组织，珠光体块粒径为20μm～45μm。另外，还提供一种延展性优良的高碳钢丝，其特征在于：通过实施中间钢丝韧化处理和冷拉丝而制造，其拉伸强度为2800MPa以上。

Description

拉丝特性优良的高强度线材及其制造方法
技术领域
本发明涉及钢线材、钢丝及其它们的制造方法。更详细地说，例如涉及用作汽车的子午线轮胎、各种产业用带状物和软管的增强材料的钢索(steel cord)，进而涉及适于缝纫线(sewing wire)等用途的轧制线材及其制造方法，以及以上述的轧制线材为原材料的钢丝。
背景技术
作为汽车的子午线轮胎、各种带状物、软管的增强材料而使用的钢索用钢丝或者缝纫线用的钢丝，一般地是将热轧制后进行过调整冷却的线径(直径)为4～6mm的钢线材进行1次拉丝加工而使其直径为3～4mm，接着进行中间钢丝韧化处理(也称之为铅浴淬火处理)，进而进行2次拉丝加工而使其直径为1～2mm。此后，进行最终钢丝韧化处理，接着实施黄铜镀覆，进而进行最终湿式拉丝加工而使其直径为0.15～0.40mm。进一步利用扭绞加工将数根这样得到的极细钢丝捻合在一起而加工为捻合钢丝，由此便制作出钢索。
近年来，下述的实例逐渐增多：即为了降低制造成本而将上述的中间钢丝韧化处理予以省略，直接由进行过调整冷却的轧制线材进行拉丝，直至最终钢丝韧化处理的线径为1～2mm。为此，对于进行过调整冷却的轧制线材，已经要求具有由轧制线材进行的直接拉丝特性即所谓的坯材拉丝性(生引き性)，而且对于线材的高延展性和高加工性的要求也大大增加。
作为表示钢丝韧化处理线材的延展性的指标之一的拉深值(或断面收缩率)依存于奥氏体粒径，通过使奥氏体粒径微细化可以提高拉深值，所以人们进行了通过将Nb、Ti、B等碳化物或氮化物用作钉扎(pinning)粒子而使奥氏体粒径微细化的尝试。在日本专利第2609387号公报中，公开了含有选自Nb：0.01～0.1重量％、Zr：0.05～0.1重量％、Mo：0.02～0.5重量％之中的1种以上作为成分元素，以进一步提高极细钢丝的靭性延展性的技术。在特开2001-131697号公报中，也提出了通过NbC使奥氏体粒径微细化的方案。但是，这些添加元素由于价格昂贵，导致成本增加，而且Nb形成粗大的碳化物和氮化物，Ti形成粗大的氧化物，所以当拉丝到细小的线径，例如直径为0.40mm以下的线径时，往往会发生断线的现象。另外，根据本发明者的验证结果，在BN的钉扎中，越是对拉深值产生影响，就越难以使奥氏体粒径微细化。
再者，正如特开平8-3639号公报那样，也公开了通过降低钢丝韧化处理温度而将线材的组织调整为贝氏体、由此提高高碳线材的拉丝加工性的技术。但是，为了以在线的方式使轧制线材贝氏体化，必须浸渍在熔融盐等中，从而有可能导致成本升高，同时有可能使机械除鳞(mechanical descaling)性降低。
发明内容
本发明就是鉴于上述现状而完成的，其目的在于以良好的生产效率、较高的成品率且廉价地提供一种适于钢索和缝纫线等用途的坯材拉丝性优良的高强度线材。
可以解决上述课题的本发明的制造方法的构成为：下述(1)所示的钢丝、(2)～(3)所示的钢丝用钢材、(4)所示的线材的制造方法、以及(5)所示的高强度钢丝的制造方法。
(1)一种坯材拉丝性优良的高强度钢线材，其特征在于：珠光体组织的面积率为97％以上，余量为由贝氏体、伪珠光体、初析铁素体构成的非珠光体组织，珠光体块(pearlite block)粒径为20μm～45μm。
(2)(1)所述的高强度钢线材，其特征在于：以质量％计，含有C：0.70～1.10％，Si：0.1～1.5％，Mn：0.1～1.0％，Al：0.01％以下，Ti：0.01％以下，N：10～60质量ppm，B：(0.77×N(ppm)-17.4)质量ppm、或5质量ppm中的任一较高值～52质量ppm，余量为Fe和杂质。
(3)(2)所述的高强度钢线材，其特征在于：进一步含有选自Cr：0.03～0.5％，Ni：0.5％以下(不包括0％)，Co：0.5％以下(不包括0％)，V：0.03～0.5％以下，Cu：0.2％以下(不包括0％)，Mo：0.2％以下(不包括0％)，W：0.2％以下(不包括0％)，Nb：0.1％以下(不包括0％)之中的至少1种以上。
(4)(1)～(3)所述的高强度钢线材的制造方法，其特征在于：将具有(2)～(3)所述的化学组成的钢坯进行热轧后，在以下所示的温度Tmin～950℃的温度区域进行卷取，然后采用从800到600℃的冷却速度为5℃/s以上的冷却方法进行钢丝韧化处理；
在B(ppm)-0.77×N(ppm)＞0.0的情况下，Tmin为800℃，
在B(ppm)-0.77×N(ppm)≤0.0的情况下，Tmin为：
Tmin＝950+1450/(B(ppm)-0.77×N(ppm)-10)。
(5)延展性优良的高碳钢丝，其特征在于：其是通过对(1)～(3)所述的钢线材实施中间钢丝韧化处理和冷拉丝而制造得到的，其拉伸强度为2800MPa以上。
附图说明
图1表示非珠光体面积率、和因拉丝而断裂的平均实际应变之间的关系。
图2表示TS和因拉丝而断裂的平均实际应变之间的关系。
图3表示珠光体块粒径和因拉丝而断裂的平均实际应变之间的关系。
具体实施方式
本发明者就线材的化学组成和机械性质对拉丝加工性所产生的影响进行了反复的调查和研究，结果获得了如下的见解。
(a)为提高拉伸强度，可以增加C、Si、Mn、Cr等合金元素的含量，但是，由于这些合金元素含量的增加而导致拉丝加工工性的降低、即拉丝加工时的极限加工度的降低，所以断线的频率得以增加。
(b)拉丝加工性表现出与拉丝加工前、即热处理后的拉伸强度和断裂拉深值有很好的关联性，当拉深值在对应于拉伸强度的某一一定值以上时，可以得到极好的拉丝加工性。
(c)B与N形成化合物，固溶B量由总计的B量、N量以及珠光体相变前的加热温度所决定。固溶B在奥氏体晶界偏析，在钢丝韧化处理之际的、从奥氏体温度开始的冷却中，抑制从奥氏体晶界发生的贝氏体、铁素体、伪珠光体等微观组织粗大且强度低的组织的发生，特别是贝氏体的发生。在这些非珠光体组织当中，对拉丝性产生最坏影响的组织是贝氏体。在非珠光体组织之中，贝氏体所占比例为60％以上。如果固溶B较少，则上述效果不大，如果过剩，则在珠光体相变之前，将析出粗大的Fe23(CB)6，从而使拉丝加工性降低。
本发明就是根据上述的见解而完成的。
下面就本发明的各要件进行详细的说明。
线材的组织和机械性质：
根据本发明者的研究，钢丝韧化处理线材的坯材拉丝性与初析铁素体、伪珠光体、贝氏体这样的非珠光体组织的量相互关联，如果能够将这些非珠光体组织的体积率抑制在低于3％的水平，则可以抑制拉丝时早期龟裂的发生，从而使坯材拉丝性得以提高。对于非珠光体组织的减少，发现有效的方法是添加B，以及在热轧以后的卷取温度为以下所示的温度Tmin以上的温度区域进行卷取、之后采用从800到600℃的冷却速度为5℃/s以上的冷却方法进行钢丝韧化处理。
在B(ppm)-0.77×N(ppm)＞0.0的情况下，Tmin为800℃，
在B(ppm)-0.77×N(ppm)≤0.0的情况下，Tmin为：
Tmin＝950+1450/(B(ppm)-0.77×N(ppm)-10)
由此，可以得到非珠光体体积率低于3％、且坯材拉丝性优良的高强度线材。此外，珠光体块粒径依存于奥氏体粒径和珠光体相变温度(在连续冷却的情况下为冷却速度)，但在轧制线材的情况下，难以产生奥氏体粒径的极端粗大化，从而相变温度的影响较大。因此，所谓珠光体块粗大化，意味着相变温度较高(冷却速度较小)。当奥氏体晶粒发生粗大化时，则例如即使添加B，也由于生成粗大的非珠光体组织而导致坯材拉丝性的劣化。另外，即使相变温度过高，也在珠光体相变之前，于奥氏体晶界生成粗大的B碳化物，从而使坯材拉丝性劣化。另一方面，如果相变温度过低(冷却速度过快)，则TS变得过高，坯材拉丝性发生劣化。研究的结果发现：如果珠光体块粒径为20μm～45μm，则上述非珠光体组织以及粗大的B碳化物的生成受到抑制，同时TS也成为适当的值，从而可以抑制坯材拉丝性的劣化。此外，从除鳞性的角度考虑，卷取温度优选为950℃以下。
成分组成：
C：C是对提高线材的强度有效的元素，在其含量低于0.70％的情况下，难以稳定地将2800MPa以上的高强度赋予给最终产品，同时在奥氏体晶界促进初析铁素体的析出，从而使得到均匀的珠光体组织变得困难。另一方面，如果C的含量过多，则不但在奥氏体晶界生成网络状的初析渗碳体而在拉丝加工时容易发生断线，而且使最终拉丝后的极细线材的韧性和延展性显著地劣化。因此，C的含量设定为0.70～1.10质量％。
Si：Si是对提高强度有效的元素。进而作为脱氧剂也是有用的元素，以不含有Al的钢线材作为对象时也是必要的元素。如果低于0.1质量％，则脱氧作用过少。另一方面，如果Si量过多，则在过共析钢中也促进初析铁素体的析出，同时降低拉丝加工的极限加工度。进而使采用机械除鳞(以下简记为MD)法进行的拉丝工序变得困难。所以，Si的含量设定为0.1～1.5质量％。
Mn：Mn也与Si一样，是作为脱氧剂有用的元素。另外，对提高淬硬性以及提高线材的强度也是有效的。再者，Mn具有将钢中的S固定为MnS、以防止热脆性的作用。如果其含量低于0.1质量％，则难以获得上述的效果。另一方面，Mn是容易偏析的元素，如果超过1.0质量％，则尤其容易在线材的中心部偏析，在其偏析部生成马氏体和贝氏体，因而使拉丝加工性降低。因此，Mn的含量设定为0.1～1.0质量％。
Al0.01％以下：Al的含量规定为包括0％在内的0.01％以下，以便不会因生成硬质非变形的氧化铝系非金属夹杂物而导致钢丝的延展性和拉丝性的劣化。
Ti0.01％以下：Ti的含量规定为含有包括0％在内的0.01％以下，以便不会因生成硬质非变形的氧化物而导致钢丝的延展性和拉丝性的劣化。
N10～60ppm：N在钢中与B生成氮化物，具有防止加热时的奥氏体晶粒度粗大化的作用，其效果是通过使其含有10ppm以上而有效地发挥作用。但是，如果含量过多，则氮化物量过于增大，会使奥氏体中的固溶B量降低。再者，由于固溶N有可能促进拉丝中的时效，所以将其上限设定为60ppm。
B5或(0.77×N(ppm)-17.4)～50ppm：在B以固溶状态存在于奥氏体中的情况下，在晶界浓缩化而使铁素体、伪珠光体、贝氏体等非珠光体析出的生成受到抑制。另一方面，如果添加B太多，则在奥氏体中促进粗大的Fe23(CB)6碳化物的析出，从而对拉丝性产生不良影响。因此，B的含量的下限值设定为5或(0.77×N(ppm)-17.4)中的任一较大值，上限值设定为50质量ppm。
此外，作为杂质的P和S没有特别的规定，但从与以前的极细钢丝同样地确保延展性的角度考虑，各自优选为0.02％以下。
本发明所使用的钢线材以上述元素为基本成分，但为了进一步提高强度、韧性、延展性等机械特性，也可以积极地含有1种或者2种以上的如以下那样选择的容许添加元素。
Cr：0.03～0.5％、Ni：0.5％以下、Co：0.5％以下、V：0.03～0.5％、Cu：0.2％以下、Mo：0.2％以下、W：0.2％以下、Nb：0.1％以下(对于Ni、Co、Cu、Mo、W、Nb，任何一个都不包括0％)。下面就各元素进行说明。
Cr：0.03～0.5％ Cr在使珠光体的片晶间隔微细化、从而提高线材的强度和拉丝加工性等方面是有效的元素。为有效地发挥出这样的作用，优选添加0.03％以上。另一方面，如果Cr量过多，则相变结束时间延长，有可能在热轧线材中产生马氏体和贝氏体等的过冷组织，除此以外，在机械加工中也使除鳞性变差，所以其上限设定为0.5％。
Ni：0.5％以下Ni不太有助于线材的强度提升，但为提高拉丝材韧性的元素。为有效地发挥这样的作用，优选添加0.1％以上。另一方面，如果过剩地添加Ni，则相变结束时间延长，所以上限值设定为0.5％。
Co：1％以下Co在抑制轧制材的初析渗碳体的析出方面是有效的元素。为有效地发挥这样的作用，优选添加0.1％以上。另一方面，即使过剩地添加Co，其效果也达到饱和，这在经济上是浪费的，所以其上限值设定为0.5％。
V：0.03～0.5％V通过在铁素体中形成微细的碳氮化物，防止加热时的奥氏体晶粒的粗大化，使延展性得以提高，同时也有助于轧制后的强度提升。为有效地发挥出这样的作用，优选添加0.03％以上。但是，如果过于过剩地添加，则碳氮化物的形成量过于增加，同时碳氮化物的粒径也增大，所以上限设定为0.5％。
Cu：0.2％以下Cu具有提高极细钢丝的耐蚀性的效果。为有效地发挥这样的作用，优选添加0.1％以上。但是，如果过剩地添加，则与S发生反应而使CuS偏析于晶界中，所以在线材制造过程中，在钢锭和线材等上产生缺陷。为防止这样的不良影响，其上限设定为0.2％。
Mo：Mo具有提高极细钢丝的耐蚀性的效果。为有效地发挥这样的作用，优选添加0.1％以上。另一方面，如果过剩地添加Mo，则相变结束时间延长，所以上限值设定为0.2％。
W：W具有提高极细钢丝的耐蚀性的效果。为有效地发挥这样的作用，优选添加0.1％以上。另一方面，如果过剩地添加W，则相变结束时间延长，所以上限值设定为0.2％。
Nb：Nb具有提高极细钢丝的耐蚀性的效果。为有效地发挥这样的作用，优选添加0.05％以上。另一方面，如果过剩地添加Nb，则相变结束时间延长，所以上限值设定为0.1％。
拉丝条件：
通过对技术方案1所述的钢线材实施冷拉丝，可以得到一种以拉伸强度为2800MPa以上为特征的、延展性优良的高强度钢丝。冷拉丝的实际应变为3以上，优选为3.5以上。
实施例
下面举出实施例就本发明进行更具体的说明，本发明当然并不局限于下述的实施例，当然可以在能够符合本发明宗旨的范围内，适当地加以变更而进行实施，这些都包含在本发明的技术范围内。
将具有表1所示的化学成分的钢坯加热后，通过热轧而使其成为直径4～6mm的线材，在规定的温度下进行卷取后，通过Stelmor处理(斯太尔摩法，亦称为盘条轧制散卷冷却法)，实施了钢丝韧化处理。
为进行非珠光体体积率的测量，将轧制线材的L断面埋入树脂中后，用氧化铝加以研磨，并以饱和苦味醇液进行腐蚀，然后实施了SEM观察。SEM的观察区域设定为表层、1/4D、1/2D(D是线径)部，在各区域中，以3000倍的放大倍数任意拍摄10张面积为50×40μm的照片，并采用图像分析方法测量了渗碳体分散成粒状的伪珠光体部、板状渗碳体以比周围粗3倍以上的片晶间隔而分散的贝氏体部、以及沿奥氏体而析出的初析铁素体部的面积率，将这样测得的数值设定为非珠光体体积率。
珠光体块粒径是将线材的L断面埋入树脂中后，将该L断面切断并进行研磨，采用EBSP分析将以9°方位差的界面所包围的区域作为一个块粒子进行分析，从而得出由其平均体积求出的平均粒径。
钢丝韧化处理线材的坯材拉丝性是在采用酸洗除去氧化皮之后，准备10根通过磷化处理而赋予磷酸锌保护膜的长度为4m的线材，使用主偏角(approach angle)各25度的冲模，进行每1个道次的减面率为16～20％的单头式拉丝，求出拉丝断裂的极限线径和实际应变的平均值。
表1
Figure S05820517620061225D000101
表2
No.     线径/mm   卷取或加热温度/℃ 钢丝韧化处理方法     冷却速度/℃/s   钢丝韧化处理材料强度/MPa     块粒径/μm     拉深值/％     Tmin/℃     RAmin/％   非珠光体面积率/％   拉丝断裂线径/mm   拉丝断裂实际应变     备注
    1     5.5   860 Stelmor     11   1077     30     61     800     41   1.2   1.9   2.1
    2     5.5   880 Stelmor     11   1185     32     56     800     43   2.4   2.6   1.5
    4     5.5   930 Stelmor     11   1277     43     55     895     37   2.5   2.9   1.3
    5     5.0   850 Ste1mor     12   1375     22     41     800     47   2.5   2.8   1.2
    6     4.0   910 Stelmor     14   1442     37     38     888     35   2.8   2.4   1.0
    7     6.0   870 Stelmor     10   1324     29     56     800     44   2.8   2.9   1.5
    8     5.5   880 Stelmor     12   1196     28     55     871     45   1.3   2.7   1.4
    9     5.5   900 Stelmor     12   1203     35     56     891     41   2.2   2.7   1.4
    10     5.5   870 Stelmor     11   1169     24     57     800     46   2.1   2.4   1.7
    11     5.5   875 Stelmor     13   1196     31     54     864     43   1.9   2.6   1.5
    A     5.5   870 Stelmor     13   1274     32     49     848     43   1.9   2.9   1.3
    B     5.5   870 Stelmor     13   1274     27     51     860     46   1.7   2.9   1.3
    C     5.5   870 Stelmor     13   1353     30     41     848     43   1.7   2.9   1.3
    D     5.5   870 Stelmor     13   1353     28     46     860     44   1.5   2.9   1.3
    E     5.5   870 Stelmor     13   1195     31     44     862     43   1.6   2.8   1.3
    F     5.5   875 Stelmor     13   1196     32     45     871     43   1.8   2.9   1.3
    G     5.5   875 Stelmor     13   1274     29     46     873     45   2.1   2.9   1.3
    H     5.5   875 Stelmor     14   1345     32     46     868     42   2.0   2.9   1.3
    I     5.5   875 Stelmor     13   1353     35     42     870     40   1.6   3.0   1.2
    12     5.5   850 Stelnor     10   1128     30     33     894     43   3.5   3.7   0.8
    13     5.5   870 Stelmor     10   1169     34     39     919     42   4.5   3.4   1.0
    14     5.5   860 Stelmor     11   1270     38     56     800     40   3.9   3.5   0.9     初析θ
    15     5.5   870 Stelmor     12   1435     36     28     800     36   12.6   4.0   0.7     初析α
    16     5.5   870 Stelmor     11   1657     32     23     800     22   4.7   4.1   0.6     初析θ
    17     5.5   860 Stelmor     12   1352     26     39     800     45   3.8   3.6   0.8     显微马氏体
    18     5.5   820 Stelmor     11   1305     22     39     864     49   8.2   3.3   1.0
    19     5.5   905 Stelmor     11   1306     36     42     900     40   3.6   4.1   0.4     无B
    20     5.5   905 Stelmor     11   1186     32     41     900     43   2.4   3.1   1.1     无B
    21     5.5   885 Stelmor     40   1316     16     33     861     51   2.7   3.9   1.0   冷却速度大
    22     5.5   880 AP     2   1020     52     28     870     31   2.7   3.1   0.6   冷却速度小
表1表示了评价材料的化学组成，表2表示了试验条件、奥氏体粒径和以及机械性能。
在表1、2中，1～11、A～I为本发明钢，从12到22为比较钢。
12、18由于卷取温度低，所以在钢丝韧化处理前，析出B的氮化物和碳化物，从而不能确保固溶B量，故而是拉深值较低的例子。13和19～20由于B量低或者没有添加，所以是拉深值较低的例子。14是B量过剩，从而大量的B碳化物和初析渗碳体在奥氏体晶界析出，也是拉深值低的例子。15是Si量过剩，从而不能抑制初析铁素体析出的例子。16是C量过剩，从而不能抑制初析渗碳体析出的例子。17是Mn量过剩，从而不能抑制显微马氏体生成的例子。21是钢丝韧化处理时的冷却速度过高，TS相对于C量的比例过高，从而使延展性劣化的例子。因为冷却速度较高，所以块粒径发生微细化。22是钢丝韧化处理时的冷却速度较小，块粒径粗大化，从而使延展性劣化的例子。
图1表示本发明钢和比较钢的非珠光体面积率与因拉丝而断裂的实际应变的平均值之间的关系。本发明钢断裂的平均实际应变较高，表现出良好的坯材拉丝性。但是，由于拉丝极限也依赖于TS，所以在图2中表示了TS和因拉丝而断裂的平均实际应变之间的关系。即使按同样的TS进行比较，可知本发明钢平均实际应变较高，表现出良好的坯材拉丝性。图3是涉及在满足本发明范围内的化学成分、和加热条件的钢线材中，TS为1000～1300MPa范围的实施例。表示了珠光体块粒径和因拉丝而断裂的平均实际应变之间的关系。只要珠光体块尺寸为20μm～45um的范围，就表现出高的坯材拉丝性。
在图1～3中，◆表示本发明钢，□表示比较钢。
根据本发明，可以提供一种轧制线材，其适于用作汽车的子午线轮胎、各种产业用带状物和软管的增强材料的钢索的用途，进而适于缝纫线等的用途。

Claims (4)

1.一种坯材拉丝性优良的高强度钢线材，其特征在于：以质量％计，含有C：0.70～1.10％，Si：0.1～1.5％，Mn：0.1～1.0％，Al：0.01％以下，Ti：0.01％以下，N：10～60质量ppm，B：(0.77×N(ppm)-17.4)质量ppm、或5质量ppm中的任一较高值～52质量ppm，余量为Fe和杂质；其中，珠光体组织的面积率为97％以上，余量为由贝氏体、伪珠光体、初析铁素体构成的非珠光体组织，珠光体块粒径为20μm～45μm。
2.根据权利要求1所述的高强度钢线材，其特征在于：进一步含有选自Cr：0.03～0.5％，Ni：0.5％以下但不包括0％，Co：0.5％以下但不包括0％，V：0.03～0.5％，Cu：0.2％以下但不包括0％，Mo：0.2％以下但不包括0％，W：0.2％以下但不包括0％，Nb：0.1％以下但不包括0％之中的至少1种以上。
3.权利要求1或2所述的高强度钢线材的制造方法，将钢坯进行热轧后，在以下所示的温度Tmin～950℃的温度区域进行卷取，然后采用从800到600℃的冷却速度为5℃/s以上的冷却方法进行钢丝韧化处理；
在B(ppm)-0.77×N(ppm)＞0.0的情况下，Tmin为800℃，
在B(ppm)-0.77×N(ppm)≤0.0的情况下，Tmin为：
Tmin＝950+1450/(B(ppm)-0.77×N(ppm)-10)。
4.一种延展性优良的高碳钢丝，其特征在于：其是通过对权利要求1或2所述的钢线材实施中间钢丝韧化处理和冷拉丝而制造得到的，其拉伸强度为2800MPa以上。
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