CN108060360A - 抗疲劳性优良的高强度钢丝及其制造方法 - Google Patents

抗疲劳性优良的高强度钢丝及其制造方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种抗疲劳性优良的高强度钢丝及其制造方法。

Description

抗疲劳性优良的高强度钢丝及其制造方法
技术领域
本发明涉及一种抗疲劳性优良的高强度钢丝及其制造方法。
背景技术
线径为10mm～20mm的高强度线材通过热处理和加工制造成线径为10mm以下的高强度钢丝，高强度钢丝以各种形式用于整个产业以支撑负载。
典型的形式有用于悬索桥、斜拉桥等桥梁的钢丝绳、用于混凝土桥墩等以加强混凝土的PC钢丝、用于大型建筑物或结构物的钢丝绳、用于支撑海上油田或各种结构物的锚索(Anchor rope)等。
另外，高强度线材通过铅淬火(Lead Patenting)热处理制造成片层间距微小的珠光体结构，因为这在后续拉拔工艺时有利于加工硬化现象。
在利用所述高强度线材制造PC钢丝时，通常以80％～90％的总断面收缩量进行拉拔，此时珠光体结构根据总断面收缩量更微细化，从而在最终拉拔的钢丝上可以获得2000MPa以上的高强度。
通常，PC钢丝是将多条钢丝绞成钢绞丝来使用，在使用过程中材料受到风力、外部振动等而疲劳变形。因此，在确保结构物的稳定性方面上，确保材料的抗疲劳变形性能是非常重要的因素。
钢丝状态下评价上述机械特性的基本方法是进行反复弯曲试验(Reverse BendTest)，在具体给出的曲率半径(R)、弯曲角度条件下测定直至材料断裂的弯曲次数。
然而，在对高强度线材进行拉拔制成钢丝时，所述拉拔过程中产生的加工发热会引起组成珠光体片层结构的渗碳体的分解，从而引发碳原子再固溶于相邻的铁素体的现象。这种情况下，刚进入铁素体的碳原子与拉拔过程中产生的位错锁定而降低材料的延性，其结果存在材料的抗疲劳性变差的问题。
因此，为了得到抗疲劳性优良的高强度钢丝，需要在线材拉拔时，通过抑制加工发热最大限度地减少碳原子从渗碳体进入铁素体。
发明内容
技术问题
本发明的目的是提供一种线材拉拔时最大限度地减少渗碳体的分解而具有优良的抗疲劳性的钢丝及其制造方法。
技术方案
本发明一方面提供一种抗疲劳性优良的钢丝，其特征在于，按重量％计包含碳(C)：0.9％～1.1％、硅(Si)：0.6％～1.5％、锰(Mn)：0.2％～0.8％、铬(Cr)：0.2％～0.8％、铝(Al)：0.08％以下，余量为Fe和其它不可避免的杂质，并且再加热至250℃以上时在175℃～225℃的温度范围测出d2(ΔL/L)/dT2的峰值(peak)。
本发明另一方面提供一种抗疲劳性优良的钢丝的制造方法，所述方法包含制造具有所述合金组分的线材的步骤和对所述线材进行拉拔的步骤，并且所述拉拔时总断面收缩率为A时，断面收缩率达到A的80％以上的时刻起的拉拔道次控制为3次以上，所述断面收缩率达到A的80％以上的时刻起的拉拔时发热所导致的温度控制为200℃以下，所述总断面收缩率A为82％～90％。
发明效果
根据本发明，通过最大限度地减少线材拉拔时渗碳体的分解，可以提供不仅具有高强度而且抗疲劳性优良的钢丝。
附图说明
图1示出了本发明的一个实施例中发明材料和对比材料的按照温度的d2(ΔL/L)/dT2的峰值(peak)结果。
具体实施方式
本发明人发现，在制造抗疲劳性优良的钢丝时，抑制线材拉拔时碳原子从渗碳体进入铁素体，有利于确保抗疲劳性。因此，在本发明中，优化了线材拉拔时的加工道次条件和发热温度，这对提供抗疲劳性优良的钢丝具有技术性意义。
下面更详细地描述本发明。
根据本发明的一个方面的抗疲劳性优良的钢丝，优选按重量％计包含碳(C)：0.9％～1.1％、硅(Si)：0.6％～1.5％、锰(Mn)：0.2％～0.8％、铬(Cr)：0.2％～0.8％、铝(Al)：0.08％以下。
下面详细地描述如上控制本发明所提供的钢丝的合金组分的理由。在没有特别说明的情况下，各元素的含量表示重量％。
C：0.9％～1.1％
碳(C)在钢丝中是形成渗碳体的元素，所述渗碳体与铁素体一起形成层状结构的珠光体。而且，所述渗碳体与铁素体相比具有高强度，因此这样的渗碳体的分数越高钢丝的强度越增加。另外，层状结构的间距越均匀微小越能进一步提高钢丝的强度。
当增加C的含量时，渗碳体的分数会增加，片层间距变得微小，因此对提高钢丝的强度非常有效。为此，在本发明中，所述C的含量优选为0.9％以上。若所述C的含量低于0.9％，则作为原始组织无法形成微细的珠光体，当对这种线材以高加工量进行拉拔并确保强度时，有可能无法获得所希望的抗疲劳性。相反地，若所述C的含量高于1.1％，则先共析渗碳体的分数变得过大，存在难以控制拉拔时发热量的问题。
因此，在本发明中，所述C的含量优选控制在0.9％～1.1％。
Si：0.6％～1.5％
硅(Si)是固溶于基底组织铁素体使钢得到强化的元素。而且，所述Si在珠光体中的铁素体/渗碳体界面上形成富硅层，从而起到抑制拉拔时加工发热所导致的渗碳体崩塌(分解)的作用，其结果是抑制碳原子进入铁素体而与位错锁定的现象，具有避免拉拔后得到的钢丝抗疲劳性变差的效果。
为了充分得到上述的效果，所述Si的含量优选为0.6％以上。若所述Si的含量过多超过1.5％，则大大增加淬硬性，线材轧制后进行连续冷却以及为了LP热处理而奥氏体化之后进行连续冷却时可能会生成马氏体，存在难以控制拉拔时发热量的问题。
因此，在本发明中，所述Si的含量优选控制在0.6％～1.5％。
Mn：0.2％～0.8％
锰(Mn)是延迟珠光体相变的元素，具有在稍微缓慢的冷却速度下也可以使微细珠光体容易生成的效果。
为了上述的效果，所述Mn的含量优选为0.2％以上。若所述Mn的含量低于0.2％，则原始组织形成为不微细的珠光体，这样会在拉拔时增加加工量以确保强度的情况下，有可能无法获得所希望的抗疲劳性。相反地，若所述Mn的含量高于0.8％，则连续冷却工艺中会生可能成马氏体，存在难以控制拉拔时发热量的问题。
因此，在本发明中，所述Mn的含量优选控制在0.2％～0.8％。
Cr：0.2％～0.8％
铬(Cr)使珠光体的片层间距变得微小，而且Cr与所述Si一样具有拉拔时抑制渗碳体的分解使扭转性能变差的现象降至最低的效果。
为了充分得到上述的效果，有必要加入0.2％以上的Cr，但是如果所述Cr的含量大于0.8％，就会大大增加淬硬性，在连续冷却过程中可能会生成马氏体。另外，铬是高价位元素，存在制造成本上升的问题。
因此，在本发明中，所述Cr的含量优选控制在0.2％～0.8％。
Al：0.08％以下(0％除外)
铝(Al)与氧容易发生反应，是用于炼钢的脱氧反应的典型元素。但是，当钢中存在Al时，有可能助长夹杂物的形成，因此优选控制成钢中尽量不会残留。另外，所述Al在高温下参与碳的扩散反应，从而抑制在奥氏体化加热以及保持高温时C从渗碳体溶解到铁素体的反应，有可能助长未溶解的渗碳体残留的现象。
有鉴于此，在本发明中，所述Al优选加入0.08％以下，但0％除外。
满足所述的合金组分的本发明的钢丝还可以包含镍(Ni)、钴(Co)、钒(V)和钼(Mo)中一种以上元素，这些成分的含量优选控制成满足以下关系式1。
[关系式1]
3.6≤5.68Ni+3.46Co+72.83V+23.06Mo≤11
在所述关系式1中，Ni、Co、V、Mo表示各元素的重量含量。
所述的Ni、Co、V和Mo是对抑制渗碳体分解有效的元素，其在线材拉拔时使渗碳体稳定化，从而抑制所述渗碳体的分解。具体地，这些元素在渗碳体内部或者渗碳体和铁素体界面阻碍C的迁移，从而抑制渗碳体的分解及形状变化。
当表示所述Ni、Co、V和Mo之间的成分关系的所述关系式1的值小于3.6时，有可能钢丝的抗疲劳性变差，当该值大于11时，淬硬性会大大增加，在连续冷却工艺中可能会生成马氏体。如此，当生成马氏体时，存在拉拔时难以控制发热量的问题。
因此，本发明在加入一种以上所述元素时，其含量优选满足所述关系式1。
本发明的剩余成分为铁(Fe)。但是，在常规制造过程中来自原料或周围环境的杂质会无意间不可避免地被混入，因此不能排除这些杂质被混入。只要是所属领域的普通技术人员任何人都会知道这些杂质，因此在本说明书中不再赘述。
对于满足所述的合金组分的本发明的钢丝，优选再加热至250℃以上时在175℃～225℃的温度范围测出d2(ΔL/L)/dT2的峰值(peak)。
本发明在对线材进行拉拔加工制造钢丝时，通过优化加工条件，可以有效地抑制渗碳体的分解。然后，将本发明的钢丝再加热至特定温度以上，具体地再加热至250℃以上时，在175℃～225℃区段观察到d2(ΔL/L)/dT2的峰值(peak)。
假如，将钢丝再加热至250℃以上的状态下测定d2(ΔL/L)/dT2时，在175℃～225℃区段没有观察到峰值，则表示拉拔途中渗碳体已分解，存在钢丝的抗疲劳性变差的问题。
所述d2(ΔL/L)/dT2的定义和物理含义如下：
d2(ΔL/L)/dT2：基于温度变化的热膨胀系数的变化率(℃-2)
d(ΔL/L)/dT：基于温度变化的材料的延伸率变化率、热膨胀系数(℃-1)
ΔL/L：基于加热的材料的延伸率
ΔL：基于加热的材料的长度变化量(μm)
L：加热前原始材料的长度(μm)
如上所述，满足本发明所提出的合金组分以及再加热时在175℃～225℃的温度范围出现d2(ΔL/L)/dT2峰值(peak)的本发明的钢丝具有2000MPa～2500MPa的拉伸强度，并且在常温(大约20℃～28℃)下进行90度反复弯曲试验(Reverse Bend Test)时，确保弯曲次数为5次以上，因而具有优良的抗疲劳性。
下面详细地描述本发明的另一个方面的抗疲劳性优良的钢丝的制造方法。
本发明的钢丝可以如下制造：在制造满足所述的合金组分和关系式1的线材之后，经过对所述线材进行拉拔的工艺。
所述线材可以通过所属技术领域中已知的各种线材制造技术来制造，但是优选经过下述一系列工艺。
首先，制造满足所述的合金组分和关系式1的坯料后，优选经过对其进行均质化的加热工艺。
通过所述加热工艺，优选使坯料的微细组织变成奥氏体单相。
为此，优选在950℃～1100℃的温度范围进行加热。若所述加热温度低于950℃，则在后续的线材轧制时温度区域的确保变得困难，若所述加热温度高于1100℃，则产生氧化皮(scale)及脱碳现象加剧，存在表面质量变差的问题。
优选地，对根据所述工艺被加热的坯料进行线材轧制后冷却而制成线材。
此时，线材轧制优选在900℃～1000℃的温度范围进行终轧。若终轧温度低于900℃，则由于轧制负荷可能会发生轧辊损坏，若终轧温度高于1000℃，则奥氏体晶粒变粗，存在难以确保所希望的强度的问题。
然后，优选以5℃/s～25℃/s的冷却速度进行冷却而制成具有珠光体组织的线材。当所述冷却速度小于5℃/s时，除了珠光体组织之外，作为微细组织可能会形成先共析渗碳体等组织，且珠光体的片层间距变大，存在难以确保强度的问题。当所述冷却速度大于25℃/s时，有可能形成马氏体等硬质相(phase)。
对如上制成的线材进行拉拔，从而可以制造钢丝。在进行所述拉拔工艺之前，对所述线材还可以进行中间热处理，即奥氏体化和LP热处理。所述奥氏体化和LP热处理可以按照常规条件进行，因此本发明中对该条件不会进行特别限制。
另外，在本发明中，对所制造的线材进行拉拔时，当总断面收缩率为A时，断面收缩率达到A的80％以上的时刻起的拉拔道次优选控制为3次以上，而且所述断面收缩率达到A的80％以上的时刻起的拉拔时发热所导致的温度优选控制为200℃以下。
在线材拉拔时，渗碳体的分解是在断面收缩率超过总断面收缩率的80％(比例)时开始加剧，因此该时刻之后的拉拔道次的控制很重要。
若拉拔时断面收缩率达到所述A的80％以上的时刻起的拉拔道次少于3次，则渗碳体的分解进展很快，不仅难以确保延性，而且难以确保本发明中所希望的抗疲劳性。
另外，断面收缩率达到所述A的80％以上的时刻起的拉拔时发热所导致的温度优选控制为200℃以下。
若所述温度高于200℃，则渗碳体的分解被大大激活，钢丝的抗疲劳性变差的可能性变高，因此不可取。
在本发明中，如上所述进行拉拔时，优选以82％～90％的总断面收缩率进行拉拔。
具体地，在本发明中，为了确保拉拔后得到的钢丝的强度在2000MPa以上，且拉拔过程中使珠光体领域(colony)旋转以完成珠光体组织的再排列，优选以82％以上的总断面收缩率进行拉拔。但是，若所述总断面收缩率大于90％，则材料强度会变得过高，且位错的影响会变得很大，存在抗疲劳性变差的问题。
下面通过实施例更具体地描述本发明。但，下述实施例只是用于更详细地描述本发明，并非用于限制本发明的权利范围。本发明的权利范围取决于由权利要求书中记载的内容合理推导出的内容。
(实施例)
制造具有下表1所示的合金组分的坯料后，将所述坯料在1280℃下加热大约2小时，接下来在900℃以上的温度下进行线材轧制，扎制成线径为13mm。然后，水冷至900℃，再卷曲成环(ring)状，并在辊轮输送机上以8℃/s的冷却速度风冷至450℃，再空冷至常温，以制造出各线材。
在如上制造的线材中，对部分线材在1000℃下进行奥氏体化处理3分钟后，在580℃下进行铅浴热处理5分钟。
对所述未热处理的线材及热处理的线材均以82％～90％的总断面收缩率进行拉拔。此时，达到总断面收缩率的80％以上的时刻起至最终断面收缩率为止的拉拔道次(pass)如下表2所示。例如，表2示出了在线材拉拔时以90％的总断面收缩率进行拉拔的情况下，断面收缩率达到所述总断面收缩率的80％(比例)即72％以上的时刻起至最终断面收缩率为止的拉拔道次。
另外，测出达到所述总断面收缩率的80％以上的时刻起至最终断面收缩率为止的拉拔时发热所导致的温度并示于下表2中。
对于根据如上所述的完成拉拔的钢丝，测出常温拉伸强度，在常温20R条件下实施90°反复弯曲试验并测出弯曲次数，其结果示于下表2中。
对于已评价所述物性的相同钢丝，将拉拔过程中受到非常严重的变形可能会成为热膨胀数据的外部干扰的部分的表面下方150μm～200μm去除，以制成膨胀计试样，然后以10℃/s的升温速度加热至250℃，并测出d2(ΔL/L)/dT2。测定所述d2(ΔL/L)/dT2时，对是否在175℃～225℃的温度范围观察到峰值进行评价，其结果示于下表2中。
【表1】
在表1中，对比材料9至12是合金组分及关系式1满足本发明，但如下所述制造工艺不符合本发明的情形，是作为对比材料展示的。
【表2】
在表2中，道次表示断面收缩率达到总断面收缩率的80％以上的时刻起至最终断面收缩率为止进行的拉拔道次，最高发热温度是测出断面收缩率达到总断面收缩率的80％以上的时刻起至最终断面收缩率为止拉拔时发热所导致的温度后给出的最高温度。
如上表1和2所示，合金组分、关系式1和制造条件均满足本发明的发明材料1至17，其拉伸强度满足2000MPa～2500MPa，再加热后d2(ΔL/L)/dT2测定结果可以确认在175℃～225℃区域出现峰值(peak)。因此，反复弯曲试验时其次数均匀为5次以上，显示出抗疲劳性优良的结果。
相比之下，合金组分中C的含量不充分的对比材料1显示出钢丝的强度小于2000MPa。
对比材料2至4分别是Si、Mn、Cr的含量不充分的情形，因拉拔时渗碳体分解而无法得到充分的抑制，反复弯曲试验时其次数均少于5次，再加热时在175℃～225℃区域没有出现峰值(peak)。也就是说，对比材料2至4是抗疲劳性差的钢丝。
对比材料5至8分别是C、Si、Mn及Cr的含量过多的情形，由于难以控制拉拔时发热量，最高发热温度均高于200℃，再加热时在175℃～225℃区域没有出现峰值(peak)，反复弯曲试验时其次数少于5次。
另外，对比材料9至12是钢的合金组分及关系式1满足本发明的条件，但拉拔条件不符合本发明的情形。
其中，对比材料9是断面收缩率达到总断面收缩率的80％以上的时刻起的拉拔道次少于3次的情形，渗碳体分解没有得到充分的抑制，再加热时在175℃～225℃区域没有出现峰值(peak)，反复弯曲试验时其次数少于5次。
对比材料10是断面收缩率达到总断面收缩率的80％以上的时刻起的拉拔时发热所导致的温度高于200℃，因此再加热时在175℃～225℃区域没有出现峰值(peak)，反复弯曲试验时其次数少于5次，抗疲劳性差。
对比材料11是总断面收缩率小于82％的情形，强度小于2000MPa，没有满足目标强度。
对比材料12是总断面收缩率大于90％的情形，强度大于2500MPa，断面收缩率达到总断面收缩率的80％以上的时刻起的拉拔时发热所导致的温度高于200℃，因此再加热时在175℃～225℃区域没有出现峰值(peak)，反复弯曲试验时其次数少于5次，抗疲劳性差。
对比材料13至17是合金组分满足本发明，但关系式1的值没有满足本发明的情形。也就是说，没有充分加入有利于抑制渗碳体分解的元素，因此再加热时在175℃～225℃区域没有出现峰值(peak)，反复弯曲试验时其次数少于5次，抗疲劳性差。
对比材料19和20是关系式1的值大于11的情形，断面收缩率达到总断面收缩率的80％以上的时刻起的拉拔时发热所导致的温度高于200℃，因此再加热时在175℃～225℃区域没有出现峰值(peak)，反复弯曲试验时其次数少于5次，抗疲劳性差。
图1是发明材料1和对比材料2的再加热时基于温度的d2(ΔL/L)/dT2测定图，发明材料1在175℃～225℃出现峰值，而对比材料2在该温度区域没有出现峰值，在高于225℃的温度区域出现了峰值。

Claims (7)

1.一种抗疲劳性优良的钢丝，其特征在于：
按重量％计包含碳(C)：0.9％～1.1％、硅(Si)：0.6％～1.5％、锰(Mn)：0.2％～0.8％、铬(Cr)：0.2％～0.8％、铝(A1)：0.08％以下，余量为Fe和其它不可避免的杂质，
再加热至250℃以上时在175℃～225℃的温度范围测出d2(ΔL/L)/dT2的峰值，
其中，d2(ΔL/L)/dT2的定义和物理含义如下：
d2(ΔL/L)/dT2：基于温度变化的热膨胀系数的变化率(℃-2)
d(ΔL/L)/dT：基于温度变化的材料的延伸率变化率、热膨胀系数(℃-1)
ΔL/L：基于加热的材料的延伸率
ΔL：基于加热的材料的长度变化量(μm)
L：加热前原始材料的长度(μm)。
2.根据权利要求1所述的抗疲劳性优良的钢丝，其特征在于：
所述钢丝还包含镍(Ni)、钴(Co)、钒(V)和钼(Mo)中一种以上的元素，并且该些元素的含量满足以下关系式1，
关系式1：
3.6≤5.68Ni+3.46Co+72.83V+23.06Mo≤11
在所述关系式1中，Ni、Co、V、Mo表示各元素的重量含量。
3.根据权利要求1所述的抗疲劳性优良的钢丝，其特征在于：
所述钢丝具有2000MPa～2500MPa的拉伸强度，在常温下90度反复弯曲试验次数为5次以上。
4.一种抗疲劳性优良的钢丝的制造方法，其特征在于：
所述方法包含制造线材的步骤和对所述线材进行拉拔的步骤，所述线材按重量％计包含碳(C)：0.9％～1.1％、硅(Si)：0.6％～1.5％、锰(Mn)：0.2％～0.8％、铬(Cr)：0.2％～0.8％、铝(Al)：0.08％以下，余量为Fe和其它不可避免的杂质，
所述拉拔时总断面收缩率为A时，断面收缩率达到A的80％以上的时刻起的拉拔道次控制为3次以上，所述断面收缩率达到A的80％以上的时刻起的拉拔时发热所导致的温度控制为200℃以下，
所述总断面收缩率A为82％～90％。
5.根据权利要求4所述的抗疲劳性优良的钢丝的制造方法，其特征在于：
所述线材还包含镍(Ni)、钴(Co)、钒(V)和钼(Mo)中一种以上的元素，并且该些元素的含量满足关系式1，
关系式1：
3.6≤5.68Ni+3.46Co+72.83V+23.06Mo≤11
在所述关系式1中，Ni、Co、V、Mo表示各元素的重量含量。
6.根据权利要求4所述的抗疲劳性优良的钢丝的制造方法，其特征在于：
所述制造线材的步骤包含：制造坯料的步骤；在950℃～1100℃下加热所述坯料的步骤；将加热后的坯料在900℃～1000℃下进行最终线材轧制以制造线材的步骤；以及将所述线材以5℃/s～25℃/s的冷却速度进行冷却的步骤。
7.根据权利要求4所述的抗疲劳性优良的钢丝的制造方法，其特征在于：
所述方法还包含拉拔所述线材之前进行奥氏体化和LP热处理的步骤。
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