CN108103394B - 拉拔加工性优良的高强度热处理线材及其制造方法 - Google Patents

Abstract

公开了一种拉拔加工性优良的高强度热处理线材及其制造方法，其按重量％计包含C：0.80％～1.2％、Si：0.2％～1.5％、Mn：0.2％～0.8％、可溶Al：0.02％～0.05％、P：0.015％以下、S：0.015％以下、N：0.002％～0.01％、O∶0.01％以下，余量为Fe和其它不可避免的杂质，作为主要组织包含珠光体，珠光体团尺寸的标准偏差为5μm以下。

Description

拉拔加工性优良的高强度热处理线材及其制造方法

技术领域

本发明涉及一种拉拔加工性优良的高强度热处理线材及其制造方法。

背景技术

用作桥梁缆索或固定海洋结构物的系泊索(mooring cable)的高碳钢丝由片层间距微小的全珠光体组织组成，然而仅通过一般的斯太尔摩(stelmor)冷却难以得到全珠光体组织，因此通常是在通过斯太尔摩(stelmor)冷却制造线材后，通过对线材进行奥氏体化热处理以及浸渍于接近600℃的铅浴或者盐浴中等温转变的韧化(patenting)热处理来得到全珠光体组织。

另外，目前随着对线材产品的高强度化要求不断提高，钢中的碳含量趋于增加，而钢中的碳含量的增加会使奥氏体转变为珠光体的速度加快，通过韧化(patenting)热处理均匀地控制珠光体组织的技术已经到了极限。因此，尽管对可更快地从线材带走热量的介质进行了许多研究，但是仍没有开发出与使用熔融铅一样有效的热处理方法。

发明内容

技术问题

本发明的目的之一是提供一种拉拔加工性优良的高强度热处理线材及其制造方法。

技术方案

本发明一方面提供一种热处理线材，其按重量％计包含C：0.80％～1.2％、Si：0.2％～1.5％、Mn：0.2％～0.8％、可溶铝(Sol.Al)：0.02％～0.05％、P：0.015％以下、S：0.015％以下、N：0.002％～0.01％、O：0.01％以下，余量为Fe和其它不可避免的杂质，作为主要组织包含珠光体，珠光体团尺寸的标准偏差为5μm以下。

本发明另一方面提供一种热处理线材的制造方法，其包含以下步骤：准备线材，所述线材按重量％计包含C：0.80％～1.2％、Si：0.2％～1.5％、Mn：0.2％～0.8％、可溶铝(Sol.Al)：0.02％～0.05％、P：0.015％以下、S：0.015％以下、N：0.002％～0.01％、O：0.01％以下，余量为Fe和其它不可避免的杂质；在加热炉中对所述线材进行奥氏体化；将所述奥氏体化的线材送入400℃～500℃的一次等温转变槽进行快速冷却；以及将所述快速冷却的线材送入550℃～650℃的二次等温转变槽进行等温热处理，以获得作为主要组织包含珠光体的热处理线材。

发明效果

作为本发明的各种效果之一，本发明的热处理线材具有强度及拉拔加工性优良的优点。

本发明的各种有利的优点和效果并不限于上述内容，这一点可以在描述本发明的具体实施方式的过程中更容易理解。

附图说明

图1为使用线材的TTT曲线示意性地示出根据本发明的热处理的曲线图。

图2的(a)为示出根据本发明提出的热处理的线材的温度历程的曲线图，图2的(b)为示出根据现有的韧化热处理的线材的温度历程的曲线图。

图3的(a)为观察发明例1的热处理线材的表面状态的图片，图3的(b)为观察比较例1的热处理线材的表面状态的图片。

具体实施方式

本发明的发明人为了提高高强度线材的拉拔加工性进行了深入研究，在此过程中认识到通过线材的显微组织确保全珠光体组织并控制珠光体团尺寸偏差，就可以使线材的拉拔加工性最大化，在此基础上完成了本发明。

进一步地，作为一种用于控制珠光体团尺寸偏差的方案，还发明了如下方法：奥氏体化的线材为对象进行两次韧化热处理，其中一次等温转变槽的温度设置为比珠光体转变温度低100℃～150℃，以提高冷却速率，同时确保多个转变而形成晶核的晶种(seed)，而且在一次等温转变槽中开始转变之前，从一次等温转变槽中取出后送入温度为珠光体转变温度的二次等温转变槽。由此，还发现通过如上所述的方法可以提供一种具有珠光体团尺寸偏差得到严格控制的全珠光体组织的线材。

下面详细描述根据本发明的一个方面的拉拔加工性优良的高强度热处理线材。

首先，详细描述本发明的高强度热处理线材的合金成分及较佳的含量范围。提前说明的是，除非另有说明，后述的各成分的含量均以重量为准。

C：0.80％～1.2％

C增加珠光体钢中渗碳体的分数并减少片层间距，对强度增加最有效。为了抑制降低拉拔加工性的先共析铁素体的生成，优选包含0.80％以上，有鉴于确保强度，更优选包含0.90％以上。但是，当C含量过多时，析出特定量以上的先共析渗碳体，从而降低拉拔加工性，因此C含量的上限优选限制在1.2％，当考虑通常的冷却速率时，优选限制在1.1％。

Si：0.2％～1.5％

Si在奥氏体相变为珠光体时选择性地分配到铁素体而引起铁素体的固溶强化，并阻止C从先共析渗碳体融化到铁素体中，从而稳定地保持先共析渗碳体的形状。为了得到上述的效果，优选包含至少0.2％以上，为了得到稳定的效果，优选包含0.6％以上。但是，当Si含量过多时，等温转变时的转变结束所需的时间拖延过长，有鉴于此，Si含量优选限制在1.5％，更优选限制在1.3％以下。

Mn：0.2％～0.8％

Mn是提高钢的淬硬性的元素，Mn的作用是根据线材的线径使奥氏体稳定，以避免在冷却过程中出现先共析相。因此，Mn的量取决于其他合金成分的协调性、线材的线径、冷却方法等，为了确保基本的淬硬性效果，优先包括0.2％以上，更优选包含0.3％以上。但是，当Mn含量过多时，淬硬性增加过多，从而导致在等温转变槽中无法完成相变，可能会产生低温组织，因此Mn含量的上限优选限制在0.8％，更优选限制在0.6％。

Al：0.02％～0.05％

Al与Si相同是铁素体固溶强化元素，同时Al与钢中的氮(N)结合而形成AlN析出物，从而在线材轧制时抑制奥氏体晶粒成长。为了得到这种效果，优选包含0.02％以上，更优选包含0.025％以上。但是，当Al含量过多时，作为高熔点夹杂物的Al₂O₃夹杂物变得粗大，对拉拔加工性带来不利影响，因此Al成分的上限优先限制在0.05％。

P：0.015％以下(包括0％)

P在钢铁中是典型的杂质，当钢中包含P时会降低钢的韧性，因此建议积极去除。但是，为了把P控制在特定水平以下，需要投入的成本和工作量会成倍增加，因此P含量的上限优选限制在0.015％左右。

S：0.015％以下(包括0％)

S是不可避免地混入钢中的杂质，与P同样，需要积极去除。因为S会与钢中的Mn、Fe等结合在晶界或中心部形成MnS、FeS等粗大夹杂物，因此S含量的上限优选限制在0.015％。

N：0.002％～0.01％

N与钢中的Al反应析出AlN的析出物，从而抑制奥氏体成长使钢变得微细且拉拔加工性优异。为了得到这种效果，优选包含至少0.002％以上，更优选包含0.003％以上。但是，当N含量过多时，N作为填隙元素引起时效硬化，因此拉拔加工时也会成为拉拔加工性下降的原因。因此，N含量的上限优选限制在0.01％，更优选限制在0.009％。

O∶0.01％以下(包括0％)

O是不可避免地混入钢中的杂质，当O含量过多时，各种形状的氧化夹杂物会生成及成长，因此成为降低拉拔加工性的因素。因此，O含量的上限优选限制在0.01％，更优选限制在0.006％。

本发明的余量成分是铁(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。

另外，除了所述组分之外，并不排除添加有效的成分，例如，还可以包含Cr。

Cr：0.2％～0.8％

Cr是使珠光体的片层间距变得微小以增加强度并提高拉拔加工性的元素。为了得到这种效果，优选包含0.2％以上，更优选包含0.3％以上。但是，当Cr含量过多时，会阻止C的扩散导致先共析渗碳体以分裂的形状出现，因此Cr含量的上限优选为0.8％，更优选为0.7％。

下面详细描述本发明的高强度热处理线材的显微组织。

本发明的高强度热处理线材的主要特征在于，作为主要组织包含珠光体，珠光体团尺寸的标准偏差为5μm以下。通过将珠光体团尺寸的标准偏差确保在如上所述的范围，可以同时确保优良的强度和优良的拉拔加工性。

根据一示例，珠光体团的平均尺寸可以为15μm以下(0μm除外)，珠光体团的最大尺寸可以为20μm以下(0μm除外)。珠光体团的平均尺寸和最大尺寸控制在如上所述的范围时，具有大幅提高拉拔加工性的优点。

本发明的高强度热处理线材的显微组织优选为全珠光体组织(约99.45面积％以上的珠光体)，除了作为主要组织包含珠光体外，不排除包含余量的贝氏体、先共析渗碳体及先共析铁素体等第二相。但是，当存在第二相时，拉拔加工过程中变形会集中，导致拉拔加工性降低，因此，第二相的面积率之合优选控制在0.55％以下(包括0％)。

本发明的高强度热处理线材的线径可以为10～15mmΦ，但并不限于此。

本发明的高强度热处理线材具有强度及拉拔加工性优良的优点，根据一示例，对本发明的高强度热处理线材进行拉拔且每道次断面收缩率为10％～20％，总断面收缩率为80％～90％时，加工硬化率为1200以上，拉伸强度可以为2200MPa。

如上所述的本发明的热处理线材可以通过各种方法制造，对该制造方法没有特别限制。但是，作为一优选实施例，可以根据如下所述的方法制造。

图1为使用线材的TTT曲线示意性地示出根据本发明的热处理的曲线图。下面参考图1详细说明本发明的另一个方面的拉拔加工性优良的高强度热处理线材的制造方法。

首先，准备具有前述的合金体系的线材后，在加热炉中进行奥氏体化处理。实施该步骤的目的是确保完全均质化的奥氏体组织。在本发明中，对奥氏体化处理前的线材的组织、物性、线径等没有特别限制，例如所述线材可以是通过一般的线材轧制工序制成的线径为5.5～17mmΦ的线材。

根据一示例，加热炉的温度可以为950℃～1100℃。如果加热炉的温度低于950℃，高碳钢不会被奥氏体化，可能留存未溶解的组织，相反地，如果高于1100℃，则导致表面脱碳或产生过多的氧化皮等问题。

根据一示例，奥氏体化可以进行3～5分钟。如果不足3分钟，可能奥氏体化不充分，相反地，如果超过5分钟，可能因奥氏体晶粒成长导致拉拔加工性降低。

然后，将奥氏体化的线材送入一次等温转变槽进行快速冷却。实施该步骤的目的是通过提高冷却速率来抑制高温下转变的粗大珠光体被混入，并同时确保多个转变而形成晶核的晶种(seed)。

一次等温转变槽的温度设为图1的TTT曲线下部的转变延迟区段。如果一次等温转变槽的温度过高，则难以获得充分提高冷却速率的效果，相反地，如果该温度过低，则在后续的工序中，即等温热处理时温度上升所需的时间过长，所以存在上贝氏体组织被混入的风险。因此，一次等温转变槽的温度需要设为既能获得冷却速率充分得到提高的效果又在等温热处理时的温度上升所需的时间不会过长，这可能根据合金成分体系略有不同，但是根据一示例，可以为400℃～500℃，优选可以为430～470℃。

如果快速冷却时间过短，存在线材的表面部分和中心部分之间出现温度差的风险，因此为了将线材充分热处理，需要确保特定时间。但是，如果快速冷却时间过长，则在某些情况下，可能进入到上贝氏体转变区段。因此，优选将线材充分热处理并在开始贝氏体转变之前结束快速冷却，根据一示例，快速冷却可以进行10秒～30秒，优选可以进行15秒～20秒。

根据一示例，优选从加热炉中取出奥氏体化的线材后2秒内送入一次等温转变槽。这是为了控制大气中线材的不均匀过冷，如果超过2秒，则可能在大气中空气冷却而形成先共析渗碳体。

然后，将一次等温冷却的线材送入二次等温转变槽进行等温热处理以获得作为主要组织包含珠光体的热处理线材。实施该步骤的目的是使先前工序中生成的转变而形成晶核的晶种(seed)成长为全珠光体组织。

此时，二次等温转变槽的温度优选为550℃～650℃，更优选为580℃～620℃。如果二次等温转变槽的温度不足550℃，可能上贝氏体被混入，或者珠光体生长不顺利导致拉拔加工性变差。相反地，如果超过650℃，可能珠光体片层间距变宽导致线材的物性劣化。

如果等温热处理时间过短，则转变未结束的状态下会离开二次等温转变槽，因此存在发生低温组织的风险。相反地，如果等温热处理时间过长，则珠光体组织内的先共析渗碳体变得不稳定，可能会导致拉伸强度及拉拔加工性变差。因此，有需要根据线材的组分、线径等适当地控制等温转变时间，根据一示例，等温热处理可以进行30秒～300秒，优选可以进行30～200秒。

根据一示例，优选地，将快速冷却的线材从一次等温转变槽中取出后在2秒内送入二次等温转变槽。这是为了控制大气中线材的不均匀过冷，如果超过2秒，则材料被过冷而产生低温组织，并且拉拔加工性可能降低。

下面通过实施例更具体地描述本发明。但是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。本发明的权利范围是由权利要求书中描述的内容以及从其合理推断的内容来确定。

(实施例1)

将具有下表1的组分的线材(线径13mmΦ)在1000℃的加热炉中进行奥氏体化热处理约4分钟，并分别适用现有的韧化热处理或根据本发明的韧化热处理，然后分析显微组织，评价机械特性，其结果示于下表2。其中，现有的韧化热处理是将奥氏体化热处理后的线材在2秒内浸渍于600℃的铅浴并等温热处理180秒，根据本发明的韧化热处理是将奥氏体化热处理后的线材在2秒内浸渍于450℃的铅浴进行快速冷却，然后在贝氏体相变开始前取出并在2秒内浸渍于600℃的铅浴进行等温热处理180秒。

【表1】

【表2】

由表2可以确认，当适用本发明提出的热处理时，所有成分体系的拉伸强度提高100MPa以上。考虑到具有全珠光体组织的线材的拉伸强度通常受片层间距的影响并且珠光体组织的片层间距由线材的合金组分和等温转变温度决定，发明例和比较例出现这样的差别估计是因为通过一次等温转变槽的温度控制在较低水平，相变组织的晶种(seed)更加活化且产生更多。

图2的(a)为示出根据本发明提出的热处理的线材的温度历程的曲线图，图2的(b)为示出根据现有的韧化热处理的线材的温度历程的曲线图。图2的(a)及(b)分别是将根据发明例1和比较例1的线材奥氏体化后进行韧化热处理前，以表面温度为准，在950℃至700℃的温度范围内进行冷却时测量表面温度的结果。图2的(b)中获得了41.78℃/sec左右的冷却速率，而图2的(a)中获得了53.06℃/sec左右的冷却速率，由此可知，根据本发明的热处理时，冷却速率提升约10℃/sec以上。

图3的(a)是观察发明例1的热处理线材的表面状态的图片，图3的(b)是观察比较例1的热处理线材的表面状态的图片。由图3的(b)可知，通常，韧化热处理时，铅会粘在线材的表面上，因此在后续的工序中必需进行洗铅的工序。然而，由图3的(a)可知，适用本发明提出的热处理的热处理线材在温度相对低的一次等温转变槽及温度相对高的二次等温转变槽中进行热处理，在此过程中表面的铅自然脱落，因此可以省略热处理后洗铅的工序，由此进一步具有提高生产效率并减少费用的优点。

(实施例2)

针对实施例1的比较例2和发明例2的热处理线材，适用相同的道次规程进行拉拔，此时测量加工硬化率、最终可达到的拉拔强度以及当时的RA，并将其结果示于下表3。加工硬化率是使用拉拔加工时通常用于解释加工硬化率的Embury-Fisher解释公式(式1)进行测量，并在下式1中取exp(ε/4)的系数部分。

式1：

【表3】

参见表3可知，发明例2和比较例2在加工硬化率上呈现出显著差异，拉拔加工时加工极限也呈现出显著差异。这种差异是由于热处理后的显微组织被控制得更加致密，由此可以确认到，通过本发明的热处理可以加工超高强度、直径大的线材。

以上，对本发明的实施例进行了详细描述，然而本发明的权利要求范围并不局限于此，而在不超出权利要求书中记载的本发明的技术思想的范围内，可以进行各种修改或变更，并对于本领域的技术人员而言是显而易见的。

Claims (11)

1.一种热处理线材，其按重量％计包含C：0.80％～1.2％、Si：0.2％～1.5％、Mn：0.2％～0.8％、可溶Al：0.02％～0.05％、P：0.015％以下、S：0.015％以下、N：0.002％～0.01％、0：0.01％以下，余量为Fe和其它不可避免的杂质，

包含按面积％计，99.45％以上，包括100％，的珠光体，珠光体团尺寸的标准偏差为5μm以下，

当进行拉拔且每道次断面收缩率为10％～20％，总断面收缩率为80％～90％时，加工硬化率为1200以上，拉伸强度为2200MPa以上。

2.根据权利要求1所述的热处理线材，其中，

珠光体团的平均尺寸为15μm以下，但0μm除外。

3.根据权利要求1所述的热处理线材，其中，

珠光体团的最大尺寸为20μm以下，但0μm除外。

4.根据权利要求1所述的热处理线材，其中，

按面积％计，由99.45％以上，包括100％，的珠光体及0.55％以下，包括0％，的第二相组成，所述第二相包括贝氏体、先共析渗碳体及先共析铁素体。

5.根据权利要求1所述的热处理线材，其按重量％计还包含Cr：0.2％～0.8％。

6.一种热处理线材的制造方法，其包含以下步骤：

准备线材，所述线材按重量％计包含C：0.80％～1.2％、Si：0.2％～1.5％、Mn：0.2％～0.8％、可溶Al：0.02％～0.05％、P：0.015％以下、S：0.015％以下、N：0.002％～0.01％、0：0.01％以下，余量为Fe和其它不可避免的杂质；

在加热炉中对所述线材进行奥氏体化；

将所述奥氏体化的线材送入400℃～500℃的一次等温转变槽进行快速冷却；以及

将所述快速冷却的线材送入550℃～650℃的二次等温转变槽进行等温热处理，以获得包含按面积％计，99.45％以上，包括100％，的珠光体的热处理线材。

7.根据权利要求6所述的热处理线材的制造方法，其中，

所述加热炉的温度为950℃～1100℃，所述奥氏体化进行3～5分钟。

8.根据权利要求6所述的热处理线材的制造方法，其中，

将所述奥氏体化的线材从所述加热炉中取出后在2秒内送入所述一次等温转变槽。

9.根据权利要求6所述的热处理线材的制造方法，其中，

所述快速冷却进行10秒～30秒，并在贝氏体转变开始前结束。

10.根据权利要求6所述的热处理线材的制造方法，其中，

将所述快速冷却的线材从所述一次等温转变槽中取出后在3秒内送入所述二次等温转变槽。

11.根据权利要求6所述的热处理线材的制造方法，其中，

所述等温热处理进行30秒～300秒。

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