用于连续制造钢丝的方法与设备
技术领域
本发明涉及一种用于连续制造钢丝的方法和设备、以及这种钢丝和利用多根这种钢丝所形成的帘线。
背景技术
钢线或帘线能够用作在制造弹性体材料(例如用于制造轮胎、管件、传送带、传动带和缆绳的半成品)时的结构增强元件。所述钢丝也能够用于切割材料。
帘线通常由通过将多根合适的钢丝的布置成帘线而制成。
通常,用于制造轮胎的钢丝包括由至少一层金属层涂覆的钢芯,除了有利于和提高所述金属丝所经受的拉伸方法以外,所述金属层提供对下层钢免受腐蚀的防护并且用于提供将金属丝或包括所述金属丝的帘线合适地粘附到弹性体材料上,所述金属丝或帘线被橡胶涂覆所述弹性体材料。
在制造钢丝的技术领域中,文献US6228188、US7354493和US2009030803涉及用于通过热处理制造很高耐抗性丝线的方法和系统。
发明内容
钢丝的制造通常提供一系列的连续加工和处理,至少包括:第一拉伸,在此期间使得所述钢丝变成适于机加工和后续处理的直径;奥氏体化,在此期间所述钢丝被加热到950-1100℃的温度,并且被保持在该温度下足够钢结构完全成为奥氏体的一段时间;退火,在此期间所述钢丝被迅速冷却至大约550-600℃,并且被保持在该温度下足够钢结构基本成为珠光体的一段时间;涂覆处理,例如镀铜,其中所述钢丝被涂覆金属或金属合金例如铜和锌;拉伸,其中所述钢丝的直径被减小到最终所需的值。在接下来的详细描述中,我们还将使用术语奥氏体来指代具有基本完全奥氏体结构的钢,珠光体来指代具有基本完全珠光体结构的钢。
在退火期间,只要初始冷却足够快,所述钢丝的结构从奥氏体(碳在γ-铁中的固溶体)向珠光体(由铁素体和渗碳体的片晶形成)的期望相变就的确发生,否则奥氏体不转变为珠光体而转变为贝氏体(由铁素体和渗碳体或复合碳化物的颗粒所形成的针状聚集体),这是非期望的钢结构,这是由于其不适于随后的拉伸:这意味着,如果其结构包括相当数量的贝氏体,则钢丝在拉伸之后的机械特性不是最佳的,。
本申请人已经反之发现,试图获得非常快速的冷却可能在现实中为适得其反的,这是由于在执行能够在钢丝中获得在奥氏体-珠光体相变中的期望微结构的正确热量移除的固有困难。
例如,从奥氏体化温度的非常快速的冷却使得很难控制在钢丝的表面部分与内部部分之间沿径向方向的结构一致性。
本申请人已经发现,即使在使钢丝经受慢速冷却时,在所述钢丝在高温下奥氏体化之后能保持钢丝的奥氏体结构。
因此,本申请人由此已经发现,可能的是缓慢降低钢丝的温度,保持其奥氏体结构,并且随后以较简单的方式使其快速冷却——由于较低的起始温度——从而导致从奥氏体向珠光体的期望相变,从而形成钢丝,所述钢丝一旦被拉伸具有优异的机械特性(例如高的耐抗性,高的伸长率和高的抗扭和抗疲劳性)。
本申请人已经发现,形成所述钢丝的珠光体主要具有层状微结构而非分散的微结构,并且再次发现这种层状结构为精细的;通过术语“精细的”,其意为表示其中间距小于大约100nm的层状微结构。
本申请人已经将该精细的层状珠光体微结构次归因于该钢丝耐受随后拉伸的更大能力。
根据其第一方面,本发明涉及用于制造钢丝的方法,包括:
-设置钢丝;
-使所述钢丝奥氏体化;
-使所述钢丝退火。
优选地,所述方法包括
-拉伸所述钢丝。
在用于制造钢丝的方法中,所述钢丝的所述退火包括:
-将所述钢丝缓慢冷却到第一预定温度;
-将所述钢丝快速冷却到第二预定温度。
使所述钢丝退火包括将所述钢丝保持在所述第二预定温度下。
本申请人已经能够发现,在所述缓慢冷却期间,所述钢丝基本保持其奥氏体结构不变;利用随后的快速冷却,所述钢丝被带至其中其能够开始奥氏体结构转变为珠光体结构的相变的条件。
由于所述快速冷却在所述钢丝具有相对于在奥氏体化结束时所具有的温度(900-1000℃)的较低温度(即第一预定温度(720-800℃))时开始,所述状态变化的开始也能够在较低的温度下、在(500-600℃)的第二预定温度下,即在用于基本完全的期望转变为珠光体的理想条件下发生。
在其第二方面,本发明涉及一种用于生产钢丝的设备,
所述设备包括:
-所述钢丝的入口部段;
-所述钢丝的奥氏体化部段;
-所述钢丝的退火部段。
所述设备还包括:
-所述钢丝的拉伸部段。
所述退火部段包括:
-第一子部段,所述第一子部段适于将所述钢丝缓慢冷却到第一预定温度;
-第二子部段,所述第二子部段与所述第一子部段分开和不同,适于将所述钢丝快速冷却到所述第二预定温度并且随后将其保持在所述第二预定温度。
本发明的另外的方面涉及按照本发明的所述第一方面的方法所获得的钢丝、用于使用这种钢丝制造钢帘线的方法以及利用该方法所获得的钢帘线。
优选地,用于奥氏体化的钢丝具有0.5-3.5mm的直径。
优选地,所述钢丝的奥氏体化在900-1000℃的温度下进行。
优选地,所述钢丝的所述缓慢冷却被执行至从大约720℃至大约800℃的第一预定温度范围。
优选地,所述缓慢冷却在4-10s的时间段内进行。
优选地,拉伸所述钢丝被执行,直到所述钢丝具有0.1-2mm的直径,甚至更优选地为0.1-0.6mm的直径。
优选地,所述钢丝的所述快速冷却被执行到从大约550℃至大约600℃的第二预定温度范围。
优选地,所述快速冷却在0.5-2s的时间段内进行。
优选地,将所述钢丝基本保持在从大约550℃至大约600℃的所述第二预定温度范围下执行至少3s的时间段。
优选地,在拉伸所述退火后的钢丝之前,所述方法包括利用至少金属或金属合金层涂覆所述钢丝。
优选地,所述钢丝的这种涂覆被执行以使所述钢丝镀铜。
优选地,所述缓慢冷却在空气中执行。通过空气,在本说明书中,其意为主要包括空气的气体氛围,但是例如由于在那些温度条件下先前执行的机加工或者在其后立即发生的机加工或者由于钢材本身而进行的机加工,其不排除存在其他第二气体物质。所述缓慢冷却由此不需要复杂的冷却系统;其足以确保适于对温度的期望降低所必要的带走热量的空气交换。
在本发明的优选实施例中,所述快速冷却在熔融镀铅槽(molten leadbath)中进行。该系统使得能以相对简单的方式获得期望的稳定快速降低,这是由于铅的热导率并且由于合适调节熔融铅的温度的可能性。
在本发明的优选实施例中,所述快速冷却通过喷洒冷却液体进行。该系统容许在所述快速冷却期间对所述设备的后续部段中的更好的温度控制。
在本发明的优选实施例中,将所述钢丝保持在预定温度下在熔融镀铅槽中进行。该系统使得能够以相对简单的方式带走对于奥氏体向珠光体转变所必要的大量热量。
在本发明的优选实施例中,将所述钢丝保持在预定温度下通过喷洒冷却液体执行。该系统容许在从奥氏体向珠光体的相变期间在保持温度期间对温度的最佳控制,从而使得能够在所述相变发生的同时跟踪所产生的热量。
在本发明的优选实施例中,在奥氏体化期间,所述钢丝达到950℃的最高温度。实际上,已经发现,随后的缓慢冷却的设置使得能够在略微低于通常使用的温度下执行奥氏体化;其构想的是——对在根据本发明的方法期间能够发生的物理现象的不提供解释——奥氏体化能够在所述缓慢冷却期间完成。
更优选地,在奥氏体化期间,所述钢丝达到930℃、甚至更优选地920℃的最高温度。已经发现,利用这些温度,所述钢丝在向珠光体的相变开始时基本完全奥氏体化。通过确保该条件,就通过减小在奥氏体化期间的温度所获得的就制造成本而言的优点是明显的。
在本发明的优选实施例中,在所述缓慢冷却期间,所述钢丝达到大约740-760℃的最低温度。
优选地,在所述缓慢冷却期间,所述钢丝达到大约750℃的最低温度。
在本发明的优选实施例中,在所述快速冷却期间,所述钢丝达到550-650℃的最低温度。
优选地,在所述快速冷却中,所述钢丝达到580-600℃的最低温度。
在本发明的优选实施例中,所述钢丝的涂覆包括:
-施加铜涂层;
-施加锌涂层;
-使所施加的铜和锌热扩散。
在本发明的优选实施例中,所述拉伸为在潮湿条件下的拉伸。
在本发明的优选实施例中,所述退火部段的所述第一子部段包括由所述钢丝穿过的处于受控气氛下的腔室。
在本发明的优选实施例中,所述退火部段的所述第二子部段包括由所述钢丝穿过的熔融镀铅槽。
在本发明的优选实施例中,所述退火部段的所述第二子部段包括具有至少一个喷雾器的腔室以用于利用冷却液体喷雾喷洒所述钢丝。
在本发明的优选实施例中,所述退火部段的所述第二子部段包括由所述钢丝穿过的熔融镀铅槽,随后为具有至少一个喷雾器的腔室以用于利用冷却液体喷雾喷洒所述钢丝。
附图说明
从下面参照附图对其优选实施例的描述,本发明的另外的特征和优点应当变得更加清晰。在这些附图中:
-图1为根据本发明的设备的绘图;
-图2为根据本发明的实施例的、图1的设备的一部分的绘图;
-图3为根据本发明的另一实施例的、图1的设备的一部分的绘图;
-图4为根据本发明的又一实施例的、图1的设备的一部分的绘图;
-图5为示出了在根据本发明的方法期间的钢丝的温度的路径;
-图6为示出了对钢丝所执行的测试的结果的表。
具体实施方式
用于制造高耐抗性钢丝F的设备100包括钢丝的入口部段110、奥氏体化部段120、退火部段130、镀铜部段140和拉伸部段150。退火部段130又包括第一子部段131和与所述第一子部段131分开且不同的第二子部段135。
在第一子部段131中,钢丝F在4-10s的时间段内被缓慢冷却至介于720℃与800℃之间的第一预定温度范围。在第二子部段135中,钢丝在0.5-2s的时间段内被快速冷却至介于550℃与600℃之间的第二预定温度范围,并且随后被基本保持在介于550℃与600℃之间的所述第二预定温度范围下至少3s的时间段。
通过表述“基本保持在所述第二预定温度下”,其意为被保持在预定温度的大约30℃或者优选地20℃的温度范围内。这种温度变化与奥氏体-珠光体相变的反应放热(这导致再辉(recalescence)现象)相关,在相变期间的钢丝的温度的增大趋势。
优选地,退火部段130的第一子部段131包括由钢丝F穿过的受控气氛腔室132。
在图2中所示的优选实施例中,退火部段130的第二子部段135包括由钢丝F穿过的熔融镀铅槽136。
在图3中所示的另一优选实施例中,退火部段230的第二子部段235包括具有至少喷雾器238的腔室237以用于利用冷却液体喷雾来喷洒钢丝F。
在图4中所示的又一优选实施例中,退火子部段330的第二子部段335包括由钢丝F穿过的熔融镀铅槽336,随后为具有至少一个喷雾器338的腔室337以用于利用冷却液体喷雾来喷洒钢丝F。
利用设备100,能按照根据本发明的方法制造用于增强弹性体材料(例如轮胎)的高耐抗性钢丝F。所用的钢材为含有0.2%-1.0%的C(碳)、优选地为0.6%-0.95%的C的钢材。
更具体地,根据本发明的方法提供了:设置具有直径为0.5-3.5mm的钢丝F;其在900-1000℃的温度下奥氏体化;其退火;其镀铜;其拉伸到0.1-2mm的直径,优选地0.1-0.6mm的直径。此外,退火包括在4-10s的时间段内在700-800℃的温度下缓慢冷却钢丝F;其在0.5-2s的时间段内在550-600℃的温度下快速冷却;将其保持在550-600℃的温度下至少3s的时间段。
以这种方式实现的退火确保钢丝在退火后的结构为大多具有精细片层微结构的珠光体组织。
优选地,钢丝F的配置在入口部段110中发生,其在奥氏体化部段120中奥氏体化,其在退火部段130中退火,在子部段131中缓慢冷却,在子部段135中快速冷却且保持在在子部段135中。
优选地,所述缓慢冷却在腔室132中在空气中进行。
在优选实施例中,所述快速冷却在熔融镀铅槽136中进行。
在优选实施例中,所述快速冷却通过在腔室237中由喷雾器238喷洒冷却液体进行。
在优选实施例中,温度的保持在熔融镀铅槽136、336中进行。
在优选实施例中,温度的保持通过由喷雾器238、338将冷却流体喷洒到腔室237、337内进行。
优选地,所述冷却液体为水。
优选地,在所述奥氏体化时,钢丝F达到950℃的最高温度,更优选地930℃,并且甚至更优选地920℃。
优选地,在所述缓慢冷却期间,钢丝F达到740-760℃的第一预定最低温度,更优选地大约750℃。
优选地,在所述快速冷却时,钢丝F达到550-650℃的第二预定最低温度,更优选地580-600℃。
优选地,镀铜包括铜涂层的施加,锌涂层的施加,以及使所施加的铜和锌热扩散。
优选地,拉伸为在潮湿条件下的拉伸。
示例
已经利用不同的制造条件进行测试以便确认本发明的效果。具体地,将通过使钢丝AISI SAE1080(C=0.80%)经受以下退火和拉伸步骤的作用下所获得的结果进行比较:
1*)根据现有技术的快速退火(在大约2s内快速冷却直到珠光体的转变开始,并且将其保持在600℃下的熔融铅中直到珠光体转变完成,在离开奥氏体化处理后立即执行)。
2*)根据现有技术的快速退火(在580℃下的熔融铅中快速冷却1s并且将其保持在620℃的熔融铅中直到珠光体转变完成,在离开奥氏体化处理后立即执行);
3*)根据现有技术的缓慢退火(在590℃下的熔融铅中初始冷却大约1s并且将其保持在空气中直到珠光体转变完成);
4Λ)根据本发明的退火,在5s内初始缓慢冷却到750℃,随后通过喷洒冷却液体在1s内快速冷却到580℃并且将其保持如此直到珠光体转变完成;
5Λ)根据本发明的退火,在5s内初始缓慢冷却到750℃,随后在熔融铅中在1s内快速冷却到590℃并且将其保持如此直到珠光体转变完成。
在图6的表中,示出了以下数据。
在退火之前:丝线的初始直径mm(D0)。
在退火之后和镀铜之前:抗拉强度N(Fm),韧性N/mm2(Rm);%的断裂伸长率(AT);%的片状珠光体(Pl);%的零散珠光体(Pf);%的贝氏体(B);间距nm(sp)。
在拉伸之后:最终直径mm(D traf),抗拉强度N(Fm traf);韧性N/mm2(Rm traf);%的断裂伸长率(elongation to rupture)(At traf)。
测试参数的确定按照ISO标准6892-1:2009进行。
将对利用根据现有技术的方法所制造的钢丝执行的测试1*、2*、3*与对利用根据本发明的方法所制造的钢丝执行的测试4Λ、5Λ进行比较使得能够突出在根据本发明的方法的钢丝中的退火之前和退火的最后的机械质量的提高。还应当注意的是,在根据本发明的方法所制造的钢丝中的微结构就精细珠光体和片层间距而言如何决定性地更好。
本申请人也已经能够由于利用根据本发明的方法所制造的钢丝而获得在布置帘线方法中的显著改进。
例如:对于帘线2+1×0.22HT即由捻搓到一起的三根具有0.22mm直径的涂覆高耐抗性钢的基本钢丝所形成的帘线,已经发现对于所生产的帘线每279km发生断裂,相比之下,利用常规退火制造的帘线每150km发生断裂。
因此,将对1000km所制造的帘线所执行的焊缝数量已经相对于6.7焊缝的标准下降到3.6。
有利地,根据本发明的用于制造钢丝的方法使得能够:
-对具有更低C含量(例如0.7%而非0.8%)的钢进行加工而同时仍然获得最终的机械特性;
-对基本具有相同C含量的材料执行所述方法,但是开始于具有更小直径的线材以便利用更低数量步骤进行拉伸或者获得钢丝的直径的更小减小率,由此获得其更低的硬化。