CN110295316B - 一种纺织起毛弹性针布钢线材及其制造方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种纺织起毛弹性针布钢线材，属于线材特钢技术领域。该线材满足抗拉强度：1000‑1200Mpa，面缩大于45％，满足上述拉伸性能的盘条具有的显微组织：索氏体含量85％以上，其余为铁素体，索氏体片层间距控制均匀：片层间距稳定0.08um‑0.20um，线材中非金属夹杂物按GB/T10561评定，Ds类夹杂物稳定在0.5级以下，可满足线材深度拉拔。φ5.5mm的该线材可拉拔成φ0.2mm规格的细钢丝，经淬火回火后制成弹性针布。

Description

一种纺织起毛弹性针布钢线材及其制造方法
技术领域
本发明涉及铁基特种线材，具体涉及纺织领域湿式起毛弹性针布用钢的盘条及其生产方法。
背景技术
近年来纺织起毛产品的需求不断增长，导致起毛弹性针布供不应求，高档起毛弹性针布钢丝用钢主要进口日本和德国，进口针布由于交货周期长、成本高等因素无法长期立足，国内迫切需要开发高档起毛弹性针布盘条。
起毛弹性针布钢丝加工工艺：5.5mm盘条—拉拔—热处理—拉拔至最终成品直径最细达0.2mm左右—钢丝淬、回火—成品。为避免材料在制针折弯和使用过程发生脆断现象，对弹性针布用盘条的质量提出较高要求：具体要有优异的拉拔性能，较高的表面质量、内在质量和高纯净度，成份设计具有较好的淬硬性、韧性和耐磨性、耐腐蚀性，金相组织奥氏体晶粒度细小，屈强比高。
公开专利号CN 105838981 A公开的一种针布用钢具体涉及到金属针布用钢技术领域，金属针布与弹性针布加工工艺对比，金属针布对材料的强度、硬度耐磨性要求高，而弹性针布对除上述要求外对材料的塑性、弹性和耐腐蚀性也有较高要求。金属针布成份设计选用在高碳钢中加入Nb、V、Ti微合金化，形成C、N化物达到细化晶粒，提高强度和耐磨性。钢中加入Nb、V、Ti类元素淬透性较强，增加回火稳定性，有二次硬化作用，塑性和韧性可能会降低，另外钢中添加Nb、V可提高奥氏体稳定性，冷却曲线右移，盘条冷却以及钢丝中间热处理过程很容易生成过冷组织，不利于钢丝的深度拉拔，导致材料拉拔加工硬化，降低拉拔性能。
发明内容
本发明的目的在于提供一种弹性针布钢，通过优化元素设计和关键成分含量获得组织性能良好、表面质量和内部质量优异的适合深度拉拔的针布钢盘条，该针布钢盘条经用户拉拔热处理(淬火+回火)后制成湿式起毛弹性针布，针布强度、硬度、韧性、耐磨性和使用寿命完全满足要求，同时满足深度拉拔，由5.5mm盘条可拉拔到0.2mm规格的钢针。
本申请通过选用在高碳钢中添加Cr和Al元素设计，Cr元素除了能提高钢的强度、耐磨性以外还有较高的屈服点、抗氧化性和耐腐蚀性，可以很好的满足湿式起毛弹性针布钢屈强比高、强度高、韧性好，耐腐蚀性好，使用寿命高等需求，同时在高碳钢中添加Cr元素更有利于索氏体化转变，缩小珠光体的片层间距，有利于细片状珠光体(索氏体)组织的形成及提高组织的均匀性，提高钢丝的拉拔性能。Al元素在钢中作为强脱氧剂可以有效减少钢中夹杂物数量，提高钢水纯净度，减少钢丝在折弯过程脆断，Al元素另一方面可以促进形核，抑制晶粒长大，起到细化晶粒作用，提高强度和韧性。
本申请设计针布钢线材的化学组分重量百分比：C：0.60～0.90％，Si：0.10～0.60％，Mn：0.50～1.0％，Cr：0.10～0.50％，Al：0.010～0.05％，S：≤0.010％，P：≤0.015％，Cu：≤0.05％，Ca：≤0.0010％，V≤0.005％，N：0.0010～0.0060％，Mo：≤0.02％，Ni：≤0.10％，B：≤0.0005％，余量为Fe及不可避免的杂质元素。
进一步优化，C：0.60～0.80％，Si：0.10～0.60％，Mn：0.30～0.90％，Cr：0.20～0.45％，Al：0.01～0.03％，S：≤0.010％，P：≤0.015％，Cu：≤0.05％，Ca：≤0.0010％，V≤0.005％，N：0.0010～0.0060％，Mo：≤0.02％，Ni：0.03～0.09％，B：≤0.0005％，余量为Fe及不可避免的杂质元素。
本发明的弹性针布钢线材化学元素作用机理如下：
C是钢中主要的强化元素，通过固溶强化和析出强化可明显提高钢的强度，随着C含量的增加，强度呈明显上升趋势，同时盘条经冷拔加工后硬化明显，有助于成品钢丝强度实现，若C含量低于0.60％，则钢中索氏体比例较低，线材拉拔性能不能很好满足要求，用户加工过后碳化物偏少，耐磨性能低。因此C含量为0.60％以上，优选为C在0.60％以上。另一方面，若C含量过高，索氏体比例高，线材强度高，线材拉拔加工硬化明显，同时在奥氏体晶界容易网状渗碳体，降低线材拉拔性能，导致钢丝在最终拉拔过程中韧性/延展性显著降低，因此更优选碳在0.8％以下。
Si作为脱氧剂加入钢中，与钢水中的FeO反应生成硅酸盐而被除去，使钢水纯净度更高，另外硅酸盐在线材中容易沿拉拔方向延伸变形，不会造成拉拔断线危害，硅在钢中溶于铁素体内，提高钢中固溶体的强度和冷加工硬化程度，Si同时能显著提高钢的弹性极限和屈强比。
Mn作为强脱氧剂加入到钢中，具有一定的脱氧能力，同时在钢中生成MnS夹杂物可变形性好，线材深度拉拔过程中MnS夹杂物变形性好不易造成拉拔断线，能提高钢的强度、硬度和淬透性和耐磨性，但Mn含量较高时有明显的回火脆性和促进晶粒长大作用，考虑到以上方面，本发明中Mn的重量百分比为0.30-0.90％。
Cr元素在钢中有重要作用：Cr是中等碳化物形成元素，在所有各种碳化物中，铬碳化物是最细小的一种，它可均匀地分布在钢中，能提高钢的淬透性、强度、硬度、屈服点和耐磨性，能改善钢的抗腐蚀能力和抗氧化作用而对韧性影响又不大。Cr能大大提高结构钢的强度和塑性，当Cr与Ni结合的钢中尤其显著。另一方面Cr能细化珠光体片层间距，有利于提高索氏体比例，有助于改善线材的拉拔性能，并抑制微裂纹的扩展。为了使上述效果充分的发挥，实践证明，Cr含量高于0.10％，优选为0.20％以上，从而明显改善了钢材的塑性指标，显著改善拉丝加工性能，若Cr含量过剩，则易生产未溶解的渗碳体相，使相变结束时间延长，易在热轧线材或拉拔钢丝中产生屈氏体、马氏体或贝氏体等过冷组织，强度过高，塑性变差，显著影响钢材的拉拔加工性，因此本发明使其上限规定为0.50％，优选为0.45％以下。
Al元素为强脱氧剂，加入钢中生成细碎的氧化物分散在钢中，达到脱氧去夹杂的目的，提高钢水纯净度。Al元素作为合金元素加入钢中，可以和钢中的N生成AlN，可以阻止奥氏体晶粒长大，起到细化晶粒作用。因此本发明控制Al：0.010～0.05％，更优选Al：0.01-0.03％
Ni元素能提高钢的强度、淬透性而又保持良好的塑性和韧性。镍对酸碱有较高的耐腐蚀能力，在高温下有防锈和耐热能力。Ni另一方面可以阻止高温时晶粒的增长，仍可保持细晶粒组织。本发明优选Ni0.10％以下，更优选Ni在0.03％以上，可保证材料的耐腐蚀性。
S元素通常在钢中是有害元素，使钢产生热脆性，降低钢的延展性和韧性，钢中S％含量高，容易生成CaS、MnS等夹杂物污染钢水，因此本发明要求S％控制在0.01％以下。
P元素一般在钢中是有害元素，P虽然能提高钢材的强度和硬度但是会引起塑性和冲击性能显著降低，特别是在低温环境下使钢材明显变脆，通常称“冷脆”。本发明要求P在0.015％以下。
上述纺织起毛弹性针布钢线材的制造方法，步骤如下，
(1)按照设计成分备料，炼钢采用转炉或电炉冶炼，然后转精炼炉精炼，在转炉出钢和精炼前期按目标上限要求添加Al粒，精炼时配备合成渣充分脱氧去夹杂物，LF精炼过后匹配RH或VD炉真空处理进一步脱气去夹杂，真空处理后期，对夹杂物进行变性处理，保证夹杂物的低熔点和可变形性，易于上浮去除，连铸中间包采用高性能中包渣，进一步吸附夹杂物，保证钢水纯净度。钢水浇注成大方坯或小方坯，经上述工艺冶炼的钢水纯净度高，坯料轧制成线材，非金属夹杂物按GB/T10561评定，Ds类夹杂物能够稳定小于0.5级；
(2)将小方坯轧制成线材；或者先将大方坯开坯成中间坯，坯料在1200℃以上高温加热扩散，优选1250℃以上高温扩散，高温时间保证4小时以上，有效解决材料均质性和致密性问题，盘条碳偏析均匀性好，中间坯经剥皮处理，然后轧制成线材；
(3)吐丝，吐丝温度在830～950℃；
(4)斯太尔摩冷却线风冷，风冷过程实现索氏体的转变，本钢中添加Mn、Cr元素，增加了奥氏体稳定性，使钢的CCT曲线往右下移动，索氏体相变温度降低，相变开始时间延后，促进了细片状珠光体的形成，得到强度和塑性优异的线材。在线调整风机风量保证吐丝900℃左右到650℃之间冷却速率大于15℃/s，保证盘条650℃以上快速冷却抑制渗碳体的析出，650℃—580℃之间适当降低风机风量，保证索氏体充分相变，更优地，通过控制风机风量，保证盘条在590℃-630℃温度区间相变，避免580℃以下低温相变生成球状珠光体和贝氏体等低温组织，提高细化珠光体比例，提高线材拉伸性能。
优选地，将钢水连铸成大方坯或小方坯，更优选采用大方坯，连铸配备有结晶器电磁搅拌和末端电磁搅拌，同时配备有动态轻压下装备，采用低过热度浇注技术，中间包过热度稳定在15-25℃之间，可有效改善铸坯中心偏析问题，采用专用的高碳钢结晶器保护渣，有效保证铸坯表面质量。
进一步地，步骤2，轧制前将坯料在加热炉内再加热，设置高温段加热温度在1100℃以上，优选1150℃以上，保证铸坯有足够温度和时间扩散，总加热时间110min以上，均热段时间40min以上，对铸坯中C、Mn、Cr元素的扩散和均匀化起重要作用。高压水除鳞后开始轧制：开轧温度为1000～1150℃，轧制速度设定95～120m/s，坯料经粗轧、中轧、精轧总共36-39道次轧制。
以环境温度10℃为例，步骤4控冷工艺，调整斯太尔摩冷却线上1-7号风机风量：设置辊道速度0.75-0.90m/s，设定1-7号风机开启度：1号：50-80％，2号：40-60％，3号：20-30％，4号：20-30％，5号：20-30％，6号：20-30％，7号：10-20％；保证吐丝温度-650℃之间冷却速率大于15℃/s，3#风机以后适当降低冷却速率，将盘条相变温度控制在590℃-630℃温度区间，盘条经上述风冷辊道后，形成均匀的索氏体组织，索氏体含量85％以上，其余为铁素体，索氏体片层间距在0.08mm-0.20mm。
与现有技术相比，本发明的优点在于：基于该化学成分和生产方法，获得的盘条索氏体含量组织均匀，索氏体比例在85％以上，片层间距在0.08-0.20um，盘条抗拉强度在1100-1200Mpa之间，面缩在45-60％范围，能够满足深度拉拔，由5.5mm盘条可拉拔到0.2mm规格的线材，经淬火回火获得高性能起毛弹性针布。
附图说明
图1为本发明实施例1针布钢线材的组织示意图；
图2为本发明实施例1针布钢线材的微观组织示意图，图中可看出索氏体片层间距；
图3为本发明实施例2针布钢线材的组织示意图；
图4为本发明实施例2针布钢线材的微观组织示意图，图中可看出索氏体片层间距。
具体实施方式
以下结合附图实施例对本发明作进一步详细描述。
实施例1
熔炼100吨钢水，进行连铸，制作截面尺寸200mm×200mm的连铸坯，所得连铸坯的化学成分按照质量百分比计包括：C：0.65-0.70％，Si：0.20～0.30％，Mn：0.70～0.80％，Cr：0.20～0.30％，Al：0.015～0.03％，S：≤0.010％，P：≤0.015％，Cu：≤0.05％，Ca：≤0.0010％，V≤0.005％，N：0.0010～0.0060％，Mo：≤0.02％，Ni:0.02-0.10％，B：≤0.0005％，余量为Fe及不可避免的杂质元素。
把连铸坯加热至1110℃以上，炉内残氧量控制在6％以下，保温5小时出炉，高压水除鳞后进行轧制：开轧温度为1000～1100℃，轧制过程分39道次轧制，轧制速度设定100m/s，吐丝温度控制在830～950℃；轧制结束后，盘条经斯太尔摩冷却线风冷，为实现冷却辊道上均衡的冷却速率，需根据季节环境温度，调整冷却线上1-7号风机风量，环境温度10℃，辊道速度0.75-0.90m/s开始，设定1-7号风机开启度：1号：50-80％，2号：40-60％，3号：20-30％，4号：20-30％，5号：20-30％，6号：20-30％，7号：10-20％；保证900℃-650℃之间冷却速率大于15℃/s，3#风机以后适当降低冷却速率，将盘条相变温度控制在590℃-630℃之间，盘条经上述风冷辊道后，形成均匀的索氏体组织，索氏体含量85％以上，其余为铁素体，索氏体片层间距在0.08mm-0.12mm之间。盘条下线后试样经时效处理，检测盘条的力学性能和组织，盘条的力学性能指标如下：抗拉强度1180Mpa，面缩：55％；盘条的金相组织为图1、2所示的均匀的索氏体组织，索氏体比例85％以上。
实施例2
熔炼100吨下述所示化学成分组成的钢，进行连铸，制作截面尺寸390mm*510mm的连铸坯，所得连铸坯的化学成分按照质量百分比计包括：C：0.70-0.75％，Si：0.2～0.30％，Mn：0.6～0.7％，Cr：0.15～0.25％，Al：0.015～0.03％，S：≤0.010％，P：≤0.015％，Cu：≤0.05％，Ca：≤0.0010％，V≤0.005％，N：0.0010～0.0060％，Mo：≤0.02％，Ni:0.02-0.10％，B：≤0.0005％，余量为Fe及不可避免的杂质元素。
将连铸坯在1250℃左右高温加热扩散，高温保证4小时以上，然后开坯成210mm*210mm的中间坯，中间坯经剥皮处理，把连铸坯加热至1110℃以上，炉内残氧量控制在6％以下，保温4小时出炉，高压水除鳞后进行轧制：开轧温度为1000～1100℃，轧制过程分39道次轧制，轧制速度设定125m/s，吐丝温度控制在850～950℃；轧制结束后，盘条经斯太尔摩冷却线风冷，为实现冷却辊道上均衡的冷却速率，需根据季节环境温度，调整冷却线上1-7号风机风量，环境温度35℃，辊道速度0.70-0.85m/s开始，设定1-7号风机开启度：1号：80-90％，2号：70-80％，3号：50-60％，4号：40-50％，5号：40-50％，6号：30-40％，7号：30-40％；保证900℃-650℃之间冷却速率大于15℃/3，3#风机以后适当降低冷却速率，将盘条相变温度控制在590℃-630℃之间，使索氏体充分相变，盘条经上述风冷辊道后，形成均匀的索氏体组织，索氏体含量85％以上，其余为铁素体，索氏体片层间距在0.10mm-0.16mm之间。盘条下线后试样经时效处理，检测盘条的力学性能和组织，盘条的力学性能指标如下：抗拉强度1160Mpa，面缩：48％。盘条的金相组织为图3、4所示的均匀的索氏体组织，索氏体比例85％以上。
除上述实施例外，本发明还包括有其他实施方式，凡采用等同变换或者等效替换方式形成的技术方案，均应落入本发明权利要求的保护范围之内。

Claims (11)

1.一种纺织起毛弹性针布钢线材的制造方法，其特征在于：步骤如下，
（1）按照设计成分备料，采用转炉或电炉冶炼，然后转精炼炉精炼，在转炉出钢和精炼前期按目标上限要求添加Al粒，精炼时配备合成渣充分脱氧去夹杂物，LF精炼过后匹配RH或VD炉真空处理进一步脱气去夹杂，钢水浇注成大方坯或小方坯，坯料轧制成线材后，非金属夹杂物按GB/T10561评定，Ds类夹杂物小于0.5级；
（2）将小方坯轧制成线材；或者先将大方坯开坯成中间坯，中间坯经剥皮处理，然后轧制成线材；
（3）吐丝，吐丝温度在830～950℃；
（4）斯太尔摩冷却线风冷，风冷过程实现索氏体的转变，在线调整风机风量保证吐丝到650℃之间冷却速率大于15℃/s，650℃～580℃相变区间适当降低风机风量，让索氏体充分相变；
所述线材满足抗拉强度：1000-1200Mpa，面缩大于45%，满足上述拉伸性能的盘条具有的显微组织：索氏体含量85%以上，其余为铁素体，索氏体片层间距控制均匀：片层间距稳定0.08um-0.20um，线材中非金属夹杂物按GB/T10561评定，Ds类夹杂物稳定在0.5级以下，可满足线材深度拉拔；
该线材化学组分重量百分比：C：0.60～0.90%，Si：0.10～0.60%，Mn：0.50～1.0%，Cr：0.10～0.50%，Al：0.010～0.05%，S：≤0.010%，P：≤0.015%，Cu：≤0.05%，Ca：≤0.0010%，V≤0.005%，N：0.0010～0.0060%，Mo：≤0.02%，Ni：≤0.10%，B：≤0.0005%，余量为Fe 及不可避免的杂质元素。
2.根据权利要求1所述的纺织起毛弹性针布钢线材的制造方法，其特征在于：φ5.5mm的该线材可拉拔成φ0.2mm规格的细钢丝，经淬火回火后制成弹性针布。
3.根据权利要求1所述的纺织起毛弹性针布钢线材的制造方法，其特征在于：线材面缩：45～60%。
4. 根据权利要求1所述的纺织起毛弹性针布钢线材的制造方法，其特征在于：该线材化学组分重量百分比：C：0.60～0.80%，Si：0.10～0.60%，Mn：0.30～0.90%，Cr： 0.20～0.45%，Al：0.01～0.03%，S：≤0.010%，P：≤0.015%，Cu：≤0.05%，Ca：≤0.0010%，V≤0.005%，N：0.0010～0.0060%，Mo：≤0.02%，Ni：0.03～0.09%，B：≤0.0005%，余量为Fe 及不可避免的杂质元素。
5.根据权利要求1所述的纺织起毛弹性针布钢线材的制造方法，其特征在于：将钢水连铸成大方坯或小方坯。
6.根据权利要求1所述的纺织起毛弹性针布钢线材的制造方法，其特征在于：步骤（2）中，将大方坯加热至1200℃以上，高温保温4小时以上，进行高温扩散。
7.根据权利要求1所述的纺织起毛弹性针布钢线材的制造方法，其特征在于：步骤（4），通过控制风机风量，保证盘条在590℃-630℃温度区间进行相变。
8.根据权利要求1所述的纺织起毛弹性针布钢线材的制造方法，其特征在于：步骤（2），轧制前将坯料在加热炉内再加热，设置高温段温度在1100℃以上，总加热时间110min以上，均热段时间40min以上，高压水除鳞后开始轧制：开轧温度为1000～1150℃，轧制速度设定95～120m/s，坯料经粗轧、中轧、精轧总共36—39道次轧制。
9.根据权利要求8所述的纺织起毛弹性针布钢线材的制造方法，其特征在于：再加热温度的高温段温度在1150℃以上。
10.根据权利要求1所述的纺织起毛弹性针布钢线材的制造方法，其特征在于：步骤（4），调整斯太尔摩冷却线上1-7号风机风量：设置辊道速度0.75-0.90m/s，环境温度10℃，设定1-7号风机开启度：1号：50-80%，2号：40-60%，3号：20-30%，4号：20-30%，5号：20-30%，6号：20-30%，7号：10-20%；保证吐丝温度-650℃之间冷却速率大于15℃/s，3号风机以后适当降低冷却速率，将盘条相变温度控制在590℃-630℃温度区间，盘条经上述风冷辊道后，形成均匀的索氏体组织，索氏体含量85%以上，其余为铁素体，索氏体片层间距在0.08um-0.20um。
11.根据权利要求1所述的纺织起毛弹性针布钢线材的制造方法，其特征在于：步骤（4），调整斯太尔摩冷却线上1-7号风机风量：设置辊道速度0.75-0.90m/s，环境温度35℃，设定1-7号风机开启度：1号：80-90%，2号：70-80%，3号：50-60%，4号：40-50%，5号：40-50%，6号：30-40%，7号：30-40%；保证吐丝温度-650℃之间冷却速率大于15℃/s，3号风机以后适当降低冷却速率，将盘条相变温度控制在590℃-630℃温度区间，盘条经上述风冷辊道后，形成均匀的索氏体组织，索氏体含量85%以上，其余为铁素体，索氏体片层间距在0.08um-0.20um。
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