CN102575312A

CN102575312A - 具有优良拉拔性能的拉拔用线材、超高强度钢丝及其制备方法

Info

Publication number: CN102575312A
Application number: CN2010800418807A
Authority: CN
Inventors: 金铉镇; 朴秀东; 石炳契; 李忠烈
Original assignee: Posco Co Ltd
Current assignee: Posco Holdings Inc
Priority date: 2009-11-03
Filing date: 2010-10-22
Publication date: 2012-07-11
Also published as: JP2013510234A; WO2011055919A2; KR101309881B1; KR20110048744A; JP5521052B2; WO2011055919A3

Abstract

一种具有优良拉拔性能的线材，包括以重量％计的0.8-1.0％的C、0.3-0.7％的Mn、0.2-0.6％的Cr和余量的Fe及不可避免的杂质。一种制备超高强度钢丝的方法，包括：第一热处理步骤，加热一种具有上述钢组成的线材，并将该加热的线材保持在1100-1200℃；第二热处理步骤，保持该加热的线材在900-1000℃；将第二热处理步骤的线材在540-640℃实施铅淬火的步骤；和拉拔经铅淬火的线材的步骤。

Description

具有优良拉拔性能的拉拔用线材、超高强度钢丝及其制备方法

技术领域

本发明涉及一种用于大直径高强度钢丝的拉拔用线材(wire rod)、一种钢丝及其制备方法，更具体而言，涉及一种具有优良拉拔性能的拉拔用线材，其可在不添加Si的情况下确保超高强度和扭转特性，涉及一种超高强度钢丝及其制备方法。

背景技术

近年来，随着工业化的进步，连接大陆和岛屿的跨海桥梁正在建成，以增加一个国家的领土的利用效率。这类桥梁是超长跨距桥，具有超过2km的中央跨距。在超长跨距桥中，使用大直径高强度钢丝来承载负荷。此外，由于大陆架油田已逐渐枯竭，已在进行在深海领域中勘探或开采油田的工作。在这类企业中，也使用大直径高强度钢丝。

大直径高强度钢丝的典型实例包括在吊桥或斜拉桥的线缆或隧道工程中用于加强混凝土的PC钢丝、用于大型建筑物或结构的线缆，以及用于支撑海上油田或多种结构的锚索。此外，为满足多种工业中的不同需求，钢丝需要具有高强度。此外，当钢丝实际应用于桥梁或建筑物时，其通过将几股钢丝拧绕在一起以束的形式使用，因此它们还需具有优良的扭转特性(torsion characteristics)。

钢丝的强度由拉丝之前钢材的强度和拉丝过程中通过加工硬化而增加的钢强度来保证。如本领域所已知，钢丝的强度与延性有关，例如当拉丝之前钢材的强度较高时，拉丝限度降低，由此使加工硬化的量相对较小。另一方面，当钢丝强度较低时，加工硬化的量相对较大，因为其拉拔限度可增加。此外，随着钢的加工硬化量变大，钢材的延性快速降低，由此使其扭转特性劣化。

因此，在现有技术中，为不使其扭转特性劣化，钢丝以这样一种方式制备：在拉丝之前使钢材的强度最大化，而不是通过拉丝增加其强度。一般，拉拔用钢丝的强度已通过Si的固溶强化效应而最大化，所述Si以给定量或更大量包含在钢丝中。但是，当拉拔这类钢丝时，钢丝的延性降低，由此劣化了其扭转特性。此外，由于线材的拉拔限度较低，与作为最终产品的钢丝的直径对应的拉拔用线材应单独制备，由此降低了其生产率。

因此需要具有所有优良强度和扭转特性的钢丝。为此目的，需要对能通过增加拉丝限度确保强度而不会使扭转特性劣化的方法进行研究。

发明内容

技术问题

本发明的一个方面提供了一种具有优良拉拔性能的线材、一种具有优良抗拉强度和扭转特性的超高强度钢丝，及其制备方法。

技术方案

根据本发明的一个方面，提供了一种具有优良拉拔性能的拉拔用线材，该线材中包含以重量％计的0.8-1.0％的C、0.3-0.7％的Mn、0.2-0.6％的Cr和余量的Fe及不可避免的杂质。

所述线材可具有由颗粒尺寸为100μm或更大的原奥氏体(prioraustenite)形成的精细珠光体组织。

所述珠光体组织可具有100nm或更小的层间距，其中所述层间距的偏差为50nm或更小。

根据本发明的另一个方面，提供了一种以每道次(pass)30％或更小的压下率且总压下率为85％或更大来拉拔上述线材而制备的超高强度钢丝。

所述钢丝可为具有2000MPa或更高抗拉强度的超高强度钢丝。

钢丝在因扭转而断裂时可具有矩形断面形状，并且具有20次/100D(D：钢丝直径)或更大的扭转次数。

根据本发明的另一个方面，提供了一种制备超高强度钢丝的方法，该方法包括：第一热处理步骤，加热一种线材，该线材包含以重量％计的0.8-1.0％的C、0.3-0.7％Mn、0.2-0.6％的Cr和余量的Fe及不可避免的杂质，并将该加热的线材保持在1100-1200℃；第二热处理步骤，保持该加热的线材在900-1000℃；将第二热处理步骤的线材在540-640℃实施铅淬火的步骤；和拉拔经铅淬火的线材的步骤。

第一热处理步骤可保持5分钟或更久。

通过第一热处理步骤，线材可包含具有100μm或更大颗粒尺寸的原奥氏体。

拉拔步骤可以每道次30％或更小的压下率且总压下率为85％或更大而进行。此外，其也可以1.0-3.0％的拉拔应变而进行。

有益效果

根据本发明，可提供一种具有2000MPa或更高抗拉强度和优良扭转特性的超高强度钢丝。此外，可使用直径与钢丝直径相同的材料提供具有多种直径的钢丝。

附图说明

图1为展示本发明实施例1和对比实施例1的珠光体中层间距内的分布的图表。

图2为展示在各温度下的转变完成时间的一组TTT曲线图，其通过将具有0.92C-0.5Mn-0.6Cr合金组分的样品的原奥氏体颗粒尺寸分别控制为44.9μm(a)和110.6μm(b)，然后将试样在540-640℃的铅浴中进行恒温转变而获得。

具体实施方式

钢丝的强度可由拉丝之前钢材的强度和拉丝过程中通过加工硬化而产生的强度来保证。在含有Si的常规钢丝中，Si分布于铁素体(ferrite)组织中，用于发挥固溶强化效应，从而增加拉丝之前钢材的强度。但是，所述线材虽具有高强度，但其延性较低，为此，在拉丝过程中其拉拔量降低，且其扭转特性也不足。为解决这类缺陷，根据本发明，使用不含Si的拉拔用线材来提供超高强度钢丝。由于该拉拔用线材不含Si，其无法获得由Si产生的固溶强化效应。但是，在拉拔之后具有改进的强度和扭转特性的超高强度钢丝可通过如下方式提供：增加线材的奥氏体化温度以增大原奥氏体的平均颗粒尺寸，从而延迟其珠光体的转变，由此获得精细且均匀的珠光体，这样增加了线材的拉丝量的限度。

本文所用术语“线材”涉及一种经铅淬火的状态，术语“钢丝”涉及一种通过拉拔所述线材获得的状态。

下文中，将详细描述本发明各组分。

C(碳)：0.8-1.0wt％

C是添加至钢材中以确保钢材强度的一种基本元素。如果C的含量小于0.8wt％，则珠光体组织中渗碳体的分率将相对较低，从而无法确保钢所需的最低强度。但是如果C的含量大于1.0wt％，则在铅淬火过程中可在线材中产生先共析渗碳体(proeutectoid cementite)，从而明显降低线材的拉拔性能。为此，C的含量可限制在0.8-1.0wt％。

Mn(锰)：0.3-0.7wt％

Mn是一种包含于钢中有利于通过增加钢的淬透性来确保钢的强度的一种元素。如果Mn的含量小于0.3wt％，则将难以获得钢所需的足够强度和淬透性。如果Mn的含量大于0.7wt％，则将明显延迟奥氏体向珠光体的转变，使得钢在完成转变之前被水冷却，由此而不利地产生马氏体。为此，Mn的含量可限制在0.3-0.7wt％。

Cr(铬)：0.2-0.6wt％

Cr是一种在强化固溶体、稳定渗碳体和改进抗氧化性方面有效且还可用于使珠光体层间距精细(fine)的元素。如果Cr的含量小于0.2wt％，则使珠光体层间距精细的效果将不充分，且将难以实现稳定渗碳体的效果。另一方面，如果Cr的含量大于0.6wt％，则将增加时间-温度-转变曲线(TTT曲线)上的鼻温(nose temperature)和使珠光体组织中渗碳体的形状不均一，由此难以获得精细和均一的珠光体。为此，Cr的含量可限制在0.2-0.6wt％。

在本发明的钢组成中，其余组分为铁(Fe)。此外，无法排除非预期的杂质，因为它们可能不可避免地在常规钢制备工艺过程中由原料或由周围环境引入钢中。这些杂质对钢制备领域的任何技术人员而言是可以理解的，因此所有杂质将不在本文中具体描述。

但是，在杂质中，氧(O)、磷(P)和硫(S)将在下文进行简要描述，因为它们是被经常提及的杂质。

O(氧)：0.0015wt％或更少

O的含量限制在0.0015wt％或更少。如果O的含量大于0.0015wt％，则基于氧化物的非金属夹杂物变得粗糙，由此降低钢的拉拔性能。

P：0.02wt％或更少

P是一种在钢制备过程中不可避免地包含在钢中的元素。因为P在晶界偏析会降低钢的韧性，因此其含量可控制在可能的最低水平。虽然理论上有利的是限制P的含量为0％，但是在制备过程中P不可避免地会被添加到钢中。为此，重要的是控制P含量的上限。在本发明中，P含量的上限可为0.02wt％。

S：0.02wt％或更少

S是一种在钢制备过程中不可避免地包含在钢中的元素。它是一种低沸点元素，在晶界偏析会降低钢的韧性。此外，其可以形成硫化物，硫化物对钢的拉拔性能具有不利影响。为此，S的含量可控制在可能的最低水平。虽然理论上有利的是限制S的含量为0％，但是在制备过程中S不可避免地会被添加到钢中。为此，重要的是控制S含量的上限。在本发明中，S含量的上限可为0.02wt％。

本发明中，钢组成中优选不含Si。即使当作为杂质所含的Si的量为0.1wt％或更小时，仍可确保本发明所追求的钢丝的强度和扭转特性。如上文所述，Si分布于铁素体结构中从而降低了铁素体结构的延性，由此降低了钢的拉拔性能。为此，钢丝中不含Si，这样可显著提高其拉拔性能。但是，钢丝强度的降低——因钢丝中不含Si而产生——可如下文所述通过在拉丝过程中使用加工硬化而进行补充。虽然本发明的钢丝中存在高的加工硬化程度，但是可确保钢丝的延性，使得其扭转特性良好，因为钢丝中不含Si。

本发明线材的精细结构包括由100μm或更大颗粒尺寸的原奥氏体形成的珠光体组织。所述珠光体组织根据下文所述制备方法形成。此外，珠光体组织可具有100nm或更小的层间距，其中层间距的偏差优选为50nm或更小。为此，本发明可提供一种线材，其由于精细的珠光体组织而具有优良的拉拔性能，即使其不含Si。

下文将描述本发明的制备方法。

本发明提供一种制备超高强度钢丝的方法，该方法包括：第一热处理步骤，加热一种线材，该线材包含以重量％计的0.8-1.0％的C、0.3-0.7％的Mn、0.2-0.6％的Cr和余量的Fe及不可避免的杂质，并将该加热的线材保持在1100-1200℃；第二热处理步骤，保持该加热的线材在900-1000℃；将第二热处理步骤的线材在540-640℃实施铅淬火的步骤；和拉拔经铅淬火的线材的步骤。

图2为展示在各温度下的转变完成时间的一组TTT曲线图，其通过将各线材在540-640℃的铅浴中进行恒温转变而获得，一种情形中将原奥氏体的颗粒尺寸通过常规热处理方法控制在44.9μm(图2(a))，一种情形中将原奥氏体的颗粒尺寸通过本发明的热处理方法控制在110.6μm(图2(b))。给定组分的共析温度为733℃，使用Thermocalc——一种热力学计算程序——计算得到。当由共析温度计算珠光体转变的过冷度时，可以看到，相比原奥氏体颗粒尺寸为44.9μm的情形，原奥氏体颗粒尺寸为110μm时线材表面和中心之间的过冷度的差值更小。即，在原奥氏体颗粒变粗时，线材表面和中心之间的温度差较小。在本发明中，下文将描述使原奥氏体颗粒粗化的方法。

热处理步骤

在本发明中，实施两个热处理步骤，之后立即进行铅淬火。首先，可实施第一热处理步骤，其中将线材加热(奥氏体化)至1100-1200℃并保持在该温度。此处，保持时间可为5分钟或更久。原奥氏体颗粒的平均颗粒尺寸可通过升高线材的奥氏体化温度和将该材料在该温度下保持5分钟或更久而粗化至100μm或更大。但是，鉴于处理装置的功能(functioning)和经济因素，奥氏体化温度可限制在1200℃，且可适当限制保持时间的上限。此外，也可根据温度和时间范围确定原奥氏体颗粒尺寸的上限。

由于在第一热处理步骤之后线材表面和中心的冷却速率彼此不同，因此可在900-1000℃对线材实施第二热处理步骤以使冷却速率彼此相等。在第一热处理步骤之后，可通过任何冷却方法冷却线材，可以是空气冷却。当线材表面和中心的冷却速率保持在相同水平时，线材表面和中心处的珠光体转变在基本相同的温度时开始，由此可使线材表面和中心之间的精细结构的差异最小化，从而确保均一的精细结构。

此外，在通常的铁素体组织中，当原奥氏体的颗粒尺寸增加时，铁素体晶粒的尺寸也将增加，由此将降低铁素体组织的强度和延性。但是，在珠光体组织的情况下，珠光体组织的层间距与原奥氏体颗粒尺寸无关，而仅由珠光体组织的过冷度决定，所述过冷度是决定珠光体组织的强度和延性的一个主要微结构因素。为此，需对珠光体组织实施铅淬火(热处理)。

铅淬火步骤

对已实施了第一和第二热处理步骤的线材进行铅淬火。此处，所述铅淬火步骤优选在540-640℃、更优选在580-600℃的温度下进行。当线材在上述温度范围内进行恒温转变时，可得到精细的珠光体组织。珠光体组织的层间距小于100nm，且层间距的偏差可控制在50nm或更小。

拉拔步骤

对经铅淬火的线材进行拉拔。该拉拔步骤可以每道次30％或更小的压下率且总压下率为85％或更大而进行。此外，由于可充分确保拉丝的限度，因此可使用直径与钢丝直径相同的材料以多种压下率来制备具有多种直径的钢丝。线材的拉丝应变(ε)可为1.0-3.0％。

根据上述制备方法制备的钢丝可具有2000MPa或更大的抗拉强度。此外，其可具有25次/100D(D：钢丝直径)或更大的扭转次数，且在因扭转而断裂时具有矩形断面形状。断裂故障是由多种因素造成的，但如果线材不适合于拉丝，则将出现多种微结构失效，包括螺旋形、剪切形(shearshape)、圆锥形和撕裂形。在本发明中，由于在拉拔之前，线材的内部和外部结构是均一的，因此可得到具有很大程度的扭曲的钢丝。此外，钢丝中的断裂形状属于正常状态，垂直于钢丝的长度方向。

下文，将参照实施例详细描述本发明。

(实施例)

将一个具有下表1所示组分(省略了P、S和O)的铸锭铸成坯段，然后将其轧制成片材。将该片材切成直径为13Φmm的线材。在本发明的实施例1和2中，将线材加热至1100℃，在该温度保持10分钟，空气冷却至1000℃，然后在590℃铅淬火5分钟。在对比实施例1中，将线材加热至1000℃，在该温度保持10分钟，在590℃铅淬火5分钟。对线材的抗拉强度进行测量，测量结果示于下表2中。将线材拉拔至直径为7.44Φmm(压下率：67.2％)、5.95Φmm(压下率：79.1％)、5.32Φmm(压下率：83.3％)、4.92Φmm(压下率：85.7％)、4.40Φmm(压下率：88.5％)和3.96Φmm(压下率：90.7％)，对经拉拔的各线材的抗拉强度和扭转次数(断裂形状)进行测量，测量结果示于下表2中。此外，对本发明实施例1和对比实施例1的各自的层间距进行测量，测量结果示于可以比较间距大小的图表——图1中。

表1

	C(wt％)	Si(wt％)	Mn(wt％)	Cr(wt％)
					本发明实施例1	0.92	0.0	0.5	0.3
本发明实施例2	0.92	0.0	0.5	0.6
					对比实施例1	0.92	1.3	0.5	0.3

从上表1可以看出，对比实施例1所含Si的量为1.3wt％，高于本发明所限定的含量范围的上限。本发明实施例1和2满足本发明所限定的所有组分及其含量。

表2

从上表2可以看出，本发明实施例1和2不含具有固溶强化效应的Si，在热处理之后但在拉拔之前，线材的抗拉强度比对比实施例1低约200MPa。但是，由于本发明实施例1和2的层间距及层间距偏差较小，因此在拉拔的初始阶段其加工硬化速率较高。本发明实施例1和2中的直径为7.44Φmm(压下率：67.2％)或更大的线材，可具有与对比实施例1基本相同的抗拉性。

当对扭转次数和断裂形状的改变进行检测时，本发明实施例1和2均展示出良好的正常状态(断裂形状垂直于线材的长度方向)，而直径为5.32Φmm(总压下率：83.3％)或更大的对比实施例1的线材出现断裂失效。与对比实施例1相比，本发明实施例1和2的压下率增加了12％(79％→91％)，而本发明实施例1和2的应变增加了约153％(1.56→2.41)。

从图1中可以看出，本发明实施例1和2的层间距小于对比实施例1，且内外偏差也较小。

虽然已结合示例性实施方案对本发明进行了展示和描述，但对本领域技术人员而言明显的是，在不偏离所附权利要求限定的本发明主旨和范围的情况下，可进行改进和改变。

Claims

1.一种具有优良拉拔性能的拉拔用线材，该线材中包含以重量％计的0.8-1.0％的C、0.3-0.7％的Mn、0.2-0.6％的Cr和余量的Fe及不可避免的杂质。

2.权利要求1的线材，其中所述线材含有由具有100μm或更大颗粒尺寸的原奥氏体形成的精细珠光体组织。

3.权利要求1的线材，其中所述珠光体组织具有100nm或更小的层间距，其中所述层间距的偏差为50nm或更小。

4.一种超高强度钢丝，通过以每道次30％或更小的压下率且总压下率为85％或更大拉拔权利要求1-3中任一项的线材而制备。

5.权利要求4的超高强度钢丝，其中所述钢丝的抗拉强度为2000MPa或更高。

6.权利要求4的超高强度钢丝，其中所述钢丝在因扭转而断裂时具有矩形断面形状，并且具有20次/100D(D：钢丝直径)或更大的扭转次数。

7.一种制备超高强度钢丝的方法，该方法包括：

第一热处理步骤，加热一种线材，该线材包含以重量％计的0.8-1.0％的C、0.3-0.7％Mn、0.2-0.6％的Cr和余量的Fe及不可避免的杂质，并将该加热的线材保持在1100-1200℃；

第二热处理步骤，保持该加热的线材在900-1000℃；

将第二热处理步骤的线材在540-640℃实施铅淬火的步骤；和

拉拔经铅淬火的线材的步骤。

8.权利要求7的方法，其中所述第一热处理步骤保持5分钟或更久。

9.权利要求7的方法，其中通过第一热处理步骤，所述线材包含100μm或更大颗粒尺寸的原奥氏体。

10.权利要求7的方法，其中所述拉拔步骤以每道次30％或更小的压下率且总压下率为85％或更大而进行。

11.权利要求7的方法，其中所述拉拔步骤以1.0-3.0％的拉拔应变(ε)而进行。