CN110819903B - 扭结特性优异的钢丝、钢丝线材及它们的制造方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种扭结特性优异的钢丝、钢丝线材及它们的制造方法，无需另外的等温转变热处理，即可进行拉拔加工。根据本发明的一个实施例的钢丝线材，以重量％计，所述线材包含C：0.6％至1.0％、Si：0.1％至0.5％、Mn：0.2％至0.6％、sol.Al：0.02％至0.05％、P：小于等于0.015％、S：小于等于0.015％、N：0.002％至0.01％、0：小于等于0.002％及余量的Fe和其他杂质，横截面的微细组织在从表面至1％以内的深度包含面积分数为5％至15％的铁素体，余量包含珠光体。

Description

扭结特性优异的钢丝、钢丝线材及它们的制造方法
技术领域
本发明涉及一种扭结特性优异的钢丝、钢丝线材及它们的制造方法。更详细地，本发明涉及一种通过控制脱碳层的深度可确保扭结特性的扭结特性优异的钢丝、钢丝线材及它们的制造方法。
背景技术
胎图钢丝线材使用高碳钢，在高碳钢线材的情况下，利用接近共析成分的碳钢制成具有珠光体组织的线材，其线径为4.5mm至5.5mm，并实施等温转变热处理，以生成适于拉拔加工的微细珠光体。然后，为了制成线径为1.2mm至1.4mm的钢丝，经多个步骤进行拉拔加工，并镀上黄铜制成钢丝。
然而，在此情况下，拉拔加工时加工硬化集中于线材的表面部，难以确保微细组织的延展性。此外，拉拔加工过程中线材横截面上产生的变形量的不均匀导致变形集中于钢丝的表面部，从而造成表面部产生微细的缺口(notch)以及应力集中，存在出现发生破裂的扭曲不良的问题。
发明内容
技术问题
本发明旨在提供一种扭结特性优异的钢丝、钢丝线材及它们的制造方法，对脱碳层进行控制，以在制造线材之后，无需等温转变热处理，即可进行线材拉拔加工。
技术方案
根据本发明的一个实施例的钢丝线材，以重量％计，所述钢丝线材包含C：0.6％主1.0％、Si：0.1％主0.5％、Mn：0.2％主0.6％、sol.Al：0.02％至0.05％、P：小于等于0.015％、S：小于等于0.015％、N：0.002％至0.01％、0：小于等于0.002％及余量的Fe和其他杂质，横截面的微细组织在从表面至线径1％以内的深度的脱碳层中包含面积分数为5％至15％的铁素体，余量包含珠光体。
此外，根据本发明的一个实施例，所述脱碳层的深度可为从表面30μm至55μm。
此外，根据本发明的一个实施例，拉拔加工时截面收缩率可为35％至45％。
此外，根据本发明的一个实施例，所述线材的线径可为4.5mm至5.5mm。
根据本发明的另一个实施例的钢丝线材的制造方法，其包含：将坯料在1100℃至1200℃下加热60分钟至120分钟的步骤，以重量％计，所述坯料包含C：0.6％至1.0％、Si：0.1％至0.5％、Mn：0.2％至0.6％、sol.Al：0.02％至0.05％、P：小于等于0.015％、S：小于等于0.015％、N：0.002％至0.01％、0：小于等于0.002％及余量的Fe和其他杂质；对经所述加热的坯料进行轧制的步骤；将经所述轧制的线材在800℃至900℃下卷取的卷取步骤；对经所述卷取的线材进行冷却使其包含微细珠光体的冷却步骤。
此外，根据本发明的一个实施例，所述冷却步骤包含：将经所述卷取的线材以大于等于20℃/s的冷却速度冷却至400℃的第一次冷却步骤；将经所述第一次冷却的线材以小于等于5℃/s的冷却速度冷却至200℃的第二次冷却步骤；以及将经所述第二次冷却的线材以小于等于1℃/s的冷却速度冷却至常温的第三次冷却步骤。
此外，根据本发明的一个实施例，所述第三次冷却后的线材横截面微细组织的脱碳层的深度可为30μm至50μm。
根据本发明的又一个实施例的扭结特性优异的钢丝，以重量％计，所述钢丝包含C：0.6％至1.0％、Si：0.1％至0.5％、Mn：0.2％至0.6％、sol.Al：0.02％至0.05％、P：小于等于0.015％、S：小于等于0.015％、N：0.002％至0.01％、0：小于等于0.002％及余量的Fe和其他杂质，横截面的微细组织以面积分数计形成于表面的脱碳层的5％至15％包含铁素体，拉伸强度大于等于2000MPa，延伸率大于等于7％。
此外，根据本发明的一个实施例，所述钢丝的线径可为1.2mm至1.4mm。
根据本发明的又一个实施例的扭结特性优异的钢丝的制造方法，其包含：将坯料在1100℃至1200℃下加热60分钟至120分钟的步骤，以重量％计，所述坯料包含C：0.6％至1.0％、Si：0.1％至0.5％、Mn：0.2％至0.6％、sol.Al：0.02％至0.05％、P：小于等于0.015％、S：小于等于0.015％、N：0.002％至0.01％、0：小于等于0.002％及余量的Fe和其他杂质；对经所述加热的坯料进行轧制的步骤；将经所述轧制的线材在800℃至900℃下卷取的卷取步骤；对经所述卷取的线材进行冷却使其包含微细珠光体的冷却步骤；对经所述冷却的线材以35％至45％的截面收缩率进行拉拔的拉拔步骤。
此外，根据本发明的一个实施例，所述冷却步骤可包含：将经所述卷取的线材以大于等于20℃/s的冷却速度冷却至400℃的第一次冷却步骤；将经所述第一次冷却的线材以小于等于5℃/s的冷却速度冷却至200℃的第二次冷却步骤；以及将经所述第二次冷却的线材以小于等于1℃/s的冷却速度冷却至常温的第三次冷却步骤。
此外，根据本发明的一个实施例，可对经所述冷却的线材进行拉拔步骤，并不进行另外的等温转变热处理。
发明效果
根据本发明实施例的扭结特性优异的钢丝、钢丝线材及它们的制造方法，在制造钢丝时，不需要另外的等温转变热处理，即可进行拉拔加工，同时可提供扭结特性改善的线材。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例。下述实施例旨在向本发明所属领域的普通技术人员充分传递本发明的思想。本发明不限于下述实施例，还能以其他方式具体实施。
另外，当描述为某一部分“包含”某一构成要素时，除非有特别相反的记载，否则表示还可包含其他构成要素，并不是排除其他构成要素。
除非上下文中另有明确规定，否则单数形式也意在包含复数形成。
根据本发明的一个实施例的钢丝线材，以重量％计，所述钢丝线材包含C：0.6％至1.0％、Si：0.1％至0.5％、Mn：0.2％至0.6％、sol.Al：0.02％至0.05％、P：小于等于0.015％、S：小于等于0.015％、N：0.002％至0.01％、0：小于等于0.002％及余量的Fe和其他杂质。
下面描述限制本发明实施例的合金成分元素含量值的理由，对下述成分的％是指重量％。
C(碳)的含量为0.6％至1.0％。
C是提高线材强度的元素。在珠光体系列钢中，当C增加0.01％时，强度会提高100MPa左右。但是，在过共析成分的情况下，C含量越增加奥氏体的热力学稳定性越不稳定，需要较快的冷却速度，以使奥氏体转变成珠光体，由于实际可行的冷却速度受到限制，因此C含量越增加强度增加效果越降低。当C含量小于0.6％时，由于渗碳体的分数少，拉拔加工后难以具有预定的强度。因此，C的含量应大于等于0.6％。但是，当C的含量过大时，由于产生过多的先共析渗碳体，将C的上限设定为1.0％。根据本发明的一个实施例，C的含量为0.6％至1.0％。
Si(硅)的含量为0.1％至0.5％。
Si在从奥氏体转变成珠光体时大部分固溶于铁素体中，几乎不会分布在渗碳体中。此外，Si作为扩散速度低于C的元素，当大量固溶有Si时，珠光体转变整体上变慢。因此，Si具有使珠光体的片层间距细化的效果，而且因为固溶于铁素体中具有固溶强化效果，所以Si是具有强度增加效果的元素。因此，Si的含量应大于等于0.1％。但是，当Si的含量大于0.5％时，由于拉拔加工性变得不充分，将Si的上限设定为0.5％。根据本发明的一个实施例，Si的含量为0.1％至0.5％。
Mn(锰)的含量为0.2％至0.6％。
Mn是为了根据线材冷却性能将淬透性保持在适当的水平而加入的元素。当Mn的加入量小于0.2％时，难以确保淬透性，因此加入大于等于0.2％的Mn。但是，当Mn的加入量大于0.6％时，有可能与C一起在偏析部生成马氏体组织，因此Mn的上限设定为0.6％。根据本发明的一个实施例，Mn的含量为0.2％至0.6％。
Sol.Al(铝)的含量为0.02％至0.05％。
Al是对珠光体中的铁素体引起固溶强化效果可使片层组织的片层间距细化的元素。因此，Al的含量大于等于0.02％。但是，Al作为与钢中的氧发生反应而形成氧化性夹杂物的元素，在线径细的高碳钢产品的情况下，Al是拉拔加工中因夹杂物而产生裂纹导致断线的元素。因此，Al的上限设定为0.05％。根据本发明的一个实施例，Al的含量为0.02％至0.05％。
P(磷)的含量小于等于0.015％。
P作为不可避免含有的杂质是降低钢的延展性导致拉拔加工性下降的元素。因此，优选控制成P含量尽量低。从理论上讲，P的含量控制成0％是有利的，但是在制造工艺上必然会含有P。因此，对P含量的上限进行控制非常重要，本发明中P含量的上限定设为0.015％。
S(硫)的含量小于等于0.015％。
S作为不可避免含有的杂质，将会偏析到晶界而降低钢的延展性，并形成钢中硫化物而导致抗延迟断裂性及应力松弛特性恶化。因此，优选控制成S含量尽量低。从理论上讲，S的含量控制成0％是有利的，但是在制造工艺上必然会含有S。因此，对S含量的上限进行控制非常重要，本发明中S含量的上限设定为0.015％。
N(氮)的含量为0.002％至0.01％。
N是在拉拔加工中固定于珠光体中铁素体上所形成的位错而导致时效硬化的元素。因此，优选控制成N含量尽量低。从理论上讲，N的含量控制成0％是有利的，但是在制造工艺上必然会含有N。因此，根据本发明的一个实施例，N的含量设定为0.002％至0.01％。
0(氧)的含量小于等于0.002％。
0是与各种杂质结合而形成氧化性夹杂物并降低拉拔加工性的元素。因此，优选控制成0含量尽量低。从理论上讲，0的含量控制成0％是有利的，但是在制造工艺上必然会含有0。因此，根据本发明的一个实施例，0的含量设定为小于等于0.002％。
根据本发明的一个实施例的钢丝线材的横截面的微细组织在从表面至线径1％以内的深度的脱碳层中可包含面积分数为5％至15％的铁素体，余量可包含珠光体。
此外，根据本发明的一个实施例的钢丝线材的脱碳层的深度可为从表面30μm至55μm。
过去尝试过连线材的表面部都控制成珠光体。但是，在此情况下，拉拔加工时表面部过度加工硬化，弯曲或扭结试验中容易产生缺口，所以经常出现不良。因此，在本发明中，尝试在从表面1％以内的深度上形成脱碳层，以便可包含面积分数为5％至15％的铁素体。为此，当制造线材时，加热温度设定为1100℃至1200℃，加热时间设定为60分钟至120分钟。
此外，根据本发明的一个实施例的钢丝线材的线径可为4.5mm至5.5mm。对根据本发明的一个实施例的钢丝线材进行拉拔加工时，截面收缩率可为35％至45％。因此，对根据本发明的一个实施例的钢丝线材进行拉拔加工时，钢丝的线径可为1.2mm至1.4mm。
此外，钢丝的横截面的微细组织以面积分数计形成于表面的脱碳层的5％至15％可包含铁素体。
另外，钢丝的拉伸强度可大于等于2000MPa，延伸率可大于等于7％。
下面描述根据本发明的一个实施例的钢丝线材以及利用它的扭结特性优异的钢丝的制造方法。
根据本发明的一个实施例的钢丝线材的制造方法，其包含：将钢坯在1110℃至1200℃下加热60分钟至120分钟的步骤，以重量％计，所述钢坯包含C：0.6％至1.0％、Si：0.1％至0.5％、Mn：0.2％至0.6％、sol.Al：0.02％至0.05％、P：小于等于0.015％、S：小于等于0.015％、N：0.002％至0.01％、0：小于等于0.002％及余量的Fe和其他杂质；对经所述加热的坯料进行轧制的步骤；将经所述轧制的线材在800℃至900℃下卷取的卷取步骤；对经所述卷取的线材进行冷却使其包含微细珠光体的冷却步骤。
为了制造线材，通过连铸制造出具有160mm×160mm的正方形截面且长度为8m至12m的钢坯。然后，将钢坯放入加热炉在1110℃至1200℃下加热60分钟至120分钟。
过去是在尽量低的温度下进行加热，以防止钢坯加热时在表面部产生脱碳层。然而，如此连表面部都控制成珠光体时，拉拔加工中表面部会过度硬化，进而存在弯曲或扭结特性下降的问题。因此，在本发明中，将钢坯的加热温度控制在1100℃至1200℃。此外，将加热时间设定为60分钟至120分钟。这是为了在表面部均匀地引起脱碳。如果加热温度高于1200℃或者加热时间长于120分钟，则脱碳层发展得过深导致发生断线，进而拉拔加工性变差。相反地，如果加热温度低于1100℃或者加热时间短于60分钟，则不会生成脱碳层，因此线材轧制时会发生形状不均匀。通过这样的工艺，可确保从表面30μm至50μm的脱碳层。
加热后进行轧制。轧制采用常规的方法。然后，在800℃至900℃下卷取轧制后的线材。
卷取温度相当于对线材进行风冷时开始冷却的温度。此外，通过控制卷取温度，可以控制微细组织。对卷取温度的控制可重复如下过程：线材轧制过程中利用水来降低正在轧制的线材温度，并利用较快的轧制速度所导致的加工发热来提升温度。卷取温度低的情形是基于水的冷却量多的情形，而卷取温度高的情形是控制成冷却量少且加工发热增加。当卷取温度低于800℃时，因水冷而过于冷却的表面部的微细组织可能会变得不均匀。因此，卷取温度应大于等于800℃。相反地，当卷取温度高于900℃时，钢坯的表面上可能会生成较厚的氧化皮(scale)。在此情况下，后续拉拔工艺中进行酸洗时有可能氧化皮清除不太顺利，进而拉拔加工性可能会下降，因此卷取温度的上限设定为900℃。根据本发明的一个实施例，卷取温度为800℃至900℃。
卷取后实施冷却步骤，使得包含微细的珠光体。
冷却步骤可分为三个步骤。也就是说，冷却步骤可包含：将卷取后的线材以大于等于20℃/s的冷却速度冷却至400℃的第一次冷却步骤；将经第一次冷却的线材以小于等于5℃/s的冷却速度冷却至200℃的第二次冷却步骤；以及将经第二次冷却的线材以小于等于1℃/s的冷却速度冷却至常温的第三次冷却步骤。
冷却步骤是为了将微细组织控制成适于拉拔加工以在拉拔工艺中无需实施等温转变热处理以及确保材料特性的最重要的工艺。将卷取后的线材冷却至400℃的第一次冷却步骤是奥氏体转变成珠光体的区段，冷却速度快才能抑制产生先共析渗碳体以及确保均匀且微细的珠光体。因此，需要以尽可能快的速度进行冷却。如果冷却速度小于20℃/s，则在中心偏析部等处沿奥氏体晶界产生先共析渗碳体，有可能导致拉拔加工性下降。因此，在第一次冷却步骤中以大于等于20℃/s的冷却速度进行冷却。由此，可以确保珠光体作为线材的微细组织。
对于第一次冷却后进行的第二次冷却步骤，由于转变结束且需要消除通过第一次冷却中的快速冷却从奥氏体转变成珠光体而产生的内部残留应力，应该进行缓慢冷却。因此，在小于等于5℃/s的冷却速度下进行缓慢冷却。
对于第二次冷却后进行的第三次冷却，在小于等于1℃/s的冷却速度下进行极其缓慢的冷却，以通过水冷和相变等释放出残留在钢中的氢。
冷却步骤后进行用于制造钢丝的拉拔步骤。此时，根据本发明的一个实施例，无需实施拉拔之前的另外的等温转变热处理，可以直接进行拉拔加工。由于拉拔加工，线材的截面会减少35％至45％。由此，可制造出线径为1.2mm至1.4mm的钢丝。
下面通过实施例具体描述本发明，但下述实施例只是用于详细描述本发明的示例而已，本发明的权利范围不限于下述实施例。
实施例
通过连铸生产钢坯后，在加热炉中按照下表1的条件进行加热。以重量％计，所述钢坯包含0.8％的C、0.2％的Si、0.3％的Mn，并具有160×160mm的正方形截面以及长度为8m～12m。接着，在相同的条件下轧制成线径为5.5mm。然后，按照下表1的条件进行卷取和冷却。对实施冷却的线材以每道次15％的压缩率重复进行拉拔加工，以制作成线径为1.3mm的钢丝。
[表1]
Figure BDA0002161376180000101
表2示出了按照表1的条件制作的线径为5.5mm的线材的拉伸强度、截面收缩率、横截面的脱碳深度和从表面部至55μm深度的铁素体面积分数。
[表2]
Figure BDA0002161376180000102
Figure BDA0002161376180000111
表3示出了拉拔加工之前的线材酸洗不良率以及将线径为5.5mm的线材拉拔加工成线径为1.3mm之后的拉伸强度、延伸率、扭曲试验时的不良率、扭结试验时的不良率。
对于扭曲试验，使用长度为线径的400倍(520mm)的样品，将其一端固定后，拿住另一端进行旋转时，如果发生断裂的面沿垂直方向整齐地断裂，则被测定为合格。如果裂开或者沿斜线断裂，则被测定为不良。
对于扭结试验，通过试验人员拿住钢丝的两端卷成猪尾形状后以拉扯的方式进行试验。此时，如果断裂，则不合格，如果没有断裂，则被测定为合格。
[表3]
Figure BDA0002161376180000112
如上表2和表3所示，根据本发明实施例，可以制造出截面收缩率为35％至45％，脱碳深度为从表面30μm至50μm，表面部的铁素体面积分数为5％至15％的线材。此外，根据本发明实施例，不会产生线材的酸洗不良率，线材拉拔加工而成的钢丝具有大于等于2000MPa的拉伸强度且具有大于等于7％的延伸率。另外，扭曲试验和扭结试验时不会产生不良率。
相比之下，对比例1由于钢坯的加热温度低，脱碳层的深度形成得较浅，铁素体的面积分数小于5％。因此，扭结试验中产生了不良率。
对比例2由于钢坯的加热温度高，氧化皮形成得较厚，因而产生了酸洗不良。因此，拉拔加工是在氧化皮没有被完全清除的状态下进行，所以拉拔加工时产生表面不良，进而扭曲试验和扭结试验中产生了不良。
对比例3由于钢坯的加热时间长，氧化皮形成得较厚，因而产生了酸洗不良。因此，拉拔加工是在氧化皮没有被完全清除的状态下进行，所以拉拔加工时产生表面不良，进而扭曲试验和扭结试验中产生了不良。
对比例4由于卷取温度低，线材轧制中或者线材轧制后卷取时所进行的风冷时产生先共析渗碳体，所以线材的截面收缩率小于30％。因此，在拉拔加工之后，延伸率、扭曲和扭结特性低。
对比例5由于第一次冷却速度慢，冷却过程中珠光体形成得粗大，所以截面收缩率小于35％。因此，延伸率、扭曲和扭结特性低。
对比例6由于第二次冷却速度和第三次冷却速度快，从奥氏体转变成珠光体时所产生的内部残留应力没有得到消除，钢内部的氢没有得到释放，所以截面收缩率小于35％。因此，延伸率、扭曲和扭结特性低。在对比例6的情况下，如果从制造线材后到拉拔加工前预留足够的时间进行拉拔加工，就可以解决较差的加工性。但是，在此情况下，存在制造时间变长的问题。
如上所述，上面描述了本发明的示例性实施例，但本发明不限于上述的实施例，所属技术领域的普通技术人员应当理解在不超出权利要求书的概念和范围的情况下可以进行各种改变、替代和变换。

Claims (9)

1.一种钢丝线材，其特征在于：
以重量％计，所述钢丝线材包含C：0.6％至1.0％、Si：0.1％至0.5％、Mn：0.2％至0.6％、sol.Al：0.02％至0.05％、P：小于等于0.015％、S：小于等于0.015％、N：0.002％至0.01％、O：小于等于0.002％及余量的Fe和其他杂质，
横截面的微细组织在从表面至线径1％以内的深度的脱碳层中包含面积分数为5％至15％的铁素体，余量包含珠光体，
拉拔加工时截面收缩率为35％至45％。
2.根据权利要求1所述的钢丝线材，其特征在于：
所述脱碳层的深度为从表面30μm至55μm。
3.根据权利要求1所述的钢丝线材，其特征在于：
所述线材的线径为4.5mm至5.5mm。
4.一种钢丝线材的制造方法，其特征在于，所述制造方法包含：
将坯料在1100℃至1200℃下加热60分钟至120分钟的步骤，以重量％计，所述坯料包含C：0.6％至1.0％、Si：0.1％至0.5％、Mn：0.2％至0.6％、sol.Al：0.02％至0.05％、P：小于等于0.015％、S：小于等于0.015％、N：0.002％至0.01％、O：小于等于0.002％及余量的Fe和其他杂质；
对经所述加热的坯料进行轧制的步骤；
将经所述轧制的线材在800℃至900℃下卷取的卷取步骤；
对经所述卷取的线材进行冷却使其包含微细珠光体的冷却步骤，
所述冷却步骤包含：
将经所述卷取的线材以大于等于20℃/s的冷却速度冷却至400℃的第一次冷却步骤；
将经所述第一次冷却的线材以小于等于5℃/s的冷却速度冷却至200℃的第二次冷却步骤；以及
将经所述第二次冷却的线材以小于等于1℃/s的冷却速度冷却至常温的第三次冷却步骤。
5.根据权利要求4所述的钢丝线材的制造方法，其特征在于：
所述第三次冷却后的线材横截面微细组织的脱碳层的深度为30μm至50μm。
6.一种扭结特性优异的钢丝，其特征在于：
以重量％计，所述钢丝包含C：0.6％至1.0％、Si：0.1％至0.5％、Mn：0.2％至0.6％、sol.Al：0.02％至0.05％、P：小于等于0.015％、S：小于等于0.015％、N：0.002％至0.01％、O：小于等于0.002％及余量的Fe和其他杂质，
横截面的微细组织以面积分数计形成于表面的脱碳层的5％至15％包含铁素体，
拉伸强度大于等于2000MPa，延伸率大于等于7％。
7.根据权利要求6所述的扭结特性优异的钢丝，其特征在于：
所述钢丝的线径为1.2mm至1.4mm。
8.一种扭结特性优异的钢丝的制造方法，其特征在于，所述制造方法包含：
将坯料在1100℃至1200℃下加热60分钟至120分钟的步骤，以重量％计，所述坯料包含C：0.6％至1.0％、Si：0.1％至0.5％、Mn：0.2％至0.6％、sol.Al：0.02％至0.05％、P：小于等于0.015％、S：小于等于0.015％、N：0.002％至0.01％、O：小于等于0.002％及余量的Fe和其他杂质；
对经所述加热的坯料进行轧制的步骤；
将经所述轧制的线材在800℃至900℃下卷取的卷取步骤；
对经所述卷取的线材进行冷却使其包含微细珠光体的冷却步骤；以及
对经所述冷却的线材进行拉拔时截面收缩率为35％至45％的拉拔步骤，
所述冷却步骤包含：
将经所述卷取的线材以大于等于20℃/s的冷却速度冷却至400℃的第一次冷却步骤；
将经所述第一次冷却的线材以小于等于5℃/s的冷却速度冷却至200℃的第二次冷却步骤；以及
将经所述第二次冷却的线材以小于等于1℃/s的冷却速度冷却至常温的第三次冷却步骤。
9.根据权利要求8所述的扭结特性优异的钢丝的制造方法，其特征在于：
对经所述冷却的线材进行拉拔步骤，并且不进行另外的等温转变热处理。
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