CN111575601B - 一种超低碳钢及其制备方法、应用 - Google Patents

一种超低碳钢及其制备方法、应用 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种超低碳钢及其制备方法、应用，所述超低碳钢包括如下质量分数的化学成分：C：0.001～0.002％，Mn：0.03～0.05％，Si：≤0.005％，Al≤0.003％，P≤0.010％，S≤0.005％，Zr：0.01～0.05％，其余为Fe及不可避免的杂质。采用本发明制备的超低碳钢具备良好的抗拉强度和延伸率，抗拉强度为260～280MPa，延伸率为45％～55％，同时兼具良好的导电率，可达16.5～17.5％。

Description

一种超低碳钢及其制备方法、应用
技术领域
本发明属于铜包钢用超低碳钢线材生产技术领域，特别涉及一种超低碳钢及其制备方法、应用。
背景技术
超低碳钢是指碳含量≤0.002％的钢，超低碳钢线材是型钢中断面尺寸最小的一种。线材因以盘条交货，故又称为盘条。线材可用于做拉丝的原料，经过拉拔成为各种钢线，再经捻制成为钢线绳，或再经编织成为钢线网，或者再镀上一层铜形成复合线材铜包钢。其中，铜包钢线融合了钢的抗拉强度及韧性(为纯铜线的2倍)、铜的导电性能及高频特性，质量轻(比纯铜线轻12％)，无蠕变，经受得起风雪冰雹的袭击，经得起大跨度、盐雾和易腐蚀环境，所以能减少传输信息的畸变、失真，提高了传输质量。并且具有节约铜材、降低成本的优点，是纯铜线产品的替代品，被广泛应用于平行双芯电话用户通信的芯线，各种电子元器件的接插件，军用被复线芯线，电力传输和电话线路的架空线，电气化铁路、电气化轻轨接触网架空线，电力电缆的编织屏蔽线，铜包钢铰线承力索及吊弦，电力工业接地棒等。
为了保证铜包钢的导电性和强度，通常采用高洁净度超低碳钢作为铜包钢的核心，其由热轧盘条经过拉拔和镀铜加工成铜包钢，但是这种处理工艺使铜包钢强度高、塑性差、导电率低，影响了电子产品的制作和使用。
专利CN 201610858483.8公布了一种超低碳钢拉拔细丝的方法，包括第一阶段拉拔、再结晶退火和第二阶段拉拔工序；所述第一阶段拉拔工序，总变形量按线材轴向圆面积计算为75％～85％；再结晶退火工序，退火保温温度680～730℃，保温时间5～6h。其没有考虑最终工艺对强韧性及导电率的影响。
专利CN201310140054.3公布了一种镀锌碳素钢线的组合拉拔生产方法，其生产步骤如下：(1)将原料镀锌碳素钢线先经过1～3道干式拉拔；干式拉拔每道次的部分压缩率为5～25％；拉拔速度为2～15m/s；(2)将上述经过干式拉拔的镀锌碳素钢线再进行若干道次的湿式拉拔制得成品镀锌碳素钢线；湿式拉拔的部分压缩率为10～30％。解决湿式拉拔因润滑性能差导致产品质量低的缺点，从而实现钢线拉拔低成本、产品高性能的统一。
专利CN201010551421.5提供了一种钢线拉拔方法，其使用不同直径的卷筒进行拉拔，得到要求规格的细丝。该方法不进行中间热处理，无法避免成品丝加工硬化程度过高，对于要求低抗拉强度的产品不能使用。
以上方法均没有很好解决超低碳钢的高强、高韧、高导电率的实际问题。
发明内容
本发明提供了一种超低碳钢线及其制备方法、应用，以解决现有技术制备的铜包钢用钢线强度高、塑性差和导电率低，综合性能差的技术问题。
第一方面，本发明实施例提供了一种超低碳钢，所述超低碳钢包括如下质量分数的化学成分：
C：0.001～0.002％，Mn：0.03～0.05％，Si：≤0.005％，Al≤0.003％，P≤0.010％，S≤0.005％，Zr：0.01～0.05％，其余为Fe及不可避免的杂质。
进一步地，所述超低碳钢晶粒度等级为4.5～5.5级。
进一步地，所述超低碳钢的金相组织为铁素体。
进一步地，所述超低碳钢的直径为6.5～8.0mm。
第二方面，本发明实施例提供了上述的超低碳钢的制备方法，所述方法包括，
将热轧盘条进行拉拔变形，获得细丝盘卷；所述热轧盘条包括如下质量分数的化学成分：C：0.001～0.002％，Mn：0.03～0.05％，Si：≤0.005％，Al≤0.003％，P≤0.010％，S≤0.005％，Zr：0.01～0.05％，其余为Fe及不可避免的杂质；
将所述细丝盘卷在640～660℃下进行退火，保温600～840min，获得超低碳钢。
进一步地，所述退火中，采用随炉冷却，所述冷却结束温度为50～100℃。
进一步地，所述细丝盘卷的直径为1.2～1.6mm。
进一步地，所述拉拔变形包括干拉拔变形和湿拉拔变形，所述干拉拔变形道次为4～6道次，所述干拉拔变形总减面率为80～90％；所述湿拉拔变形道次为4～6道次，所述湿拉拔变形总减面率为70～80％。
进一步地，所述干拉拔变形中，每道次拉拔减面率为26～36％，所述湿拉拔变形中，每道次拉拔减面率为20～30％。
第三方面，本发明实施例提供了一种超低碳钢的应用，将上述的超低碳钢用于制作铜包钢。
本发明实施例中的一个或多个技术方案，至少具有如下技术效果或优点：
本发明实施例提供了一种超低碳钢及其制备方法、应用，超低碳钢包括如下质量分数的化学成分：C：0.001～0.002％，Mn：0.03～0.05％，Si：≤0.005％，Al≤0.003％，P≤0.010％，S≤0.005％，Zr：0.01～0.05％，其余为Fe及不可避免的杂质。控制低碳含量，超低碳钢变形性好，符合铜包钢的变形需求。在钢中加入适量的Zr，有利于钢中产生的Zr的氧化物在晶界钉扎，避免高温热加工过程中晶粒异常长大，使晶粒稳定在适当的水平，这种晶粒使钢线具备良好的抗拉强度和延伸率，抗拉强度为260～280MPa，延伸率为45％～55％，同时兼具良好的导电率，可达16.5～17.5％。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。
图1是本发明实施例退火后的低碳钢的完全回复再结晶组织；
图2是对比例1～2中低碳钢晶粒异常长大的组织；
图3是对比例3中低碳钢未完全回复再结晶组织。
具体实施方式
下文将结合具体实施方式和实施例，具体阐述本发明，本发明的优点和各种效果将由此更加清楚地呈现。本领域技术人员应理解，这些具体实施方式和实施例是用于说明本发明，而非限制本发明。
在整个说明书中，除非另有特别说明，本文使用的术语应理解为如本领域中通常所使用的含义。因此，除非另有定义，本文使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属领域技术人员的一般理解相同的含义。若存在矛盾，本说明书优先。
除非另有特别说明，本发明中用到的各种原材料、试剂、仪器和设备等，均可通过市场购买得到或者可通过现有方法制备得到。
本发明实施例提供的技术方案为解决上述技术问题，总体思路如下：
第一方面，本发明实施例提供了一种超低碳钢，所述超低碳钢包括如下质量分数的化学成分：
C：0.001～0.002％，Mn：0.03～0.05％，Si：≤0.005％，Al≤0.003％，P≤0.010％，S≤0.005％，Zr：0.01～0.05％，其余为Fe及不可避免的杂质。
各元素在钢中的作用如下：
C：制作铜包钢的原料一般选择超低碳钢，因为超低碳钢的变形性好，符合铜包钢的变形需求。本申请限定C：0.001～0.002％。
P和S，为了保证高洁净度，有害元素P和S的质量分数要尽可能的低。
Mn：为了满足一定的强度，需要加入少量的Mn元素。本申请中限定Mn：0.03～0.05％。
Al：Al是脱氧元素，但是Al含量过高，生产的大量Al2O3夹杂物会导致水口堵塞，影响钢水浇注。本申请中限定Al≤0.003％。
Zr：在钢中加入适量的Zr，一方面与Al元素配合进行脱氧，提高钢的洁净度，避免加入Al过多脱氧产生大量Al2O3夹杂物，进而影响钢水浇注性和导电率，另一方面有利于钢中产生的Zr的氧化物在晶界钉扎，避免高温热加工过程中晶粒异常长大，降低钢线延伸率。晶粒越大导电率越好，这是由于电子迁移遇到晶界阻隔，会影响导电率，晶粒越小，晶界越多，阻隔越大，导电率越低。本申请限定Zr：0.01～0.05％。Zr元素含量过高，会增加锆的氧化物含量，晶粒过于细化，降低导电率；Zr元素过低，生成的氧化物过少，不能起到晶界钉扎作用，造成部分晶粒异常长大。
钢中的元素种类越多越不利于导电率，因此，本申请限定在钢中加入Mn、Al和Zr元素。
进一步地，所述超低碳钢晶粒度等级为4.5～5.5级。
超低碳钢晶粒度等级为4.5～5.5级，一方面，使超低碳钢具备良好的抗拉强度和延伸率，另一方面，使超低碳钢兼具良好的导电率。如果晶粒过小，超低碳钢具有良好的强度和延伸率，但是导电率低；如果晶粒过大，超低碳钢导电率高，这是由于电子迁移遇到晶界阻隔，会影响导电率，晶粒越大，晶界越少，阻隔越少，导电率越高，但是会恶化抗拉强度和延伸率。
进一步地，所述超低碳钢的金相组织为铁素体。本发明制得的超低碳钢的显微组织如图1所示，超低碳钢主要包括铁素体，铁素体较软，变形性好。
进一步地，所述超低碳钢的直径为6.5～8.0mm。
第二方面，本发明实施例提供了一种超低碳钢的制备方法，所述方法包括，
将热轧盘条进行拉拔变形，获得细丝盘卷；所述热轧盘条包括如下质量分数的化学成分：C：0.001～0.002％，Mn：0.03～0.05％，Si：≤0.005％，Al≤0.003％，P≤0.010％，S≤0.005％，Zr：0.01～0.05％，其余为Fe及不可避免的杂质；
将所述细丝盘卷在640～660℃下进行退火，保温600～840min，获得超低碳钢。
将超低碳热轧盘条进行冷拉变形，拉拔过程中其组织也发生相应变化，即晶粒在拉拔方向上拉长，在变形量较大的情况下，出现明显的纤维状组织，使钢线呈现各向异性，形成变形织构。这种变形织构导致钢线强度或硬度增加，塑性、韧性下降。在组织方面，钢线在为了获得需要的钢线强韧性，需要对其进行再结晶退火。钢线在多道次拉拔后会在组织内部积蓄大量形变能，将拉拔变形后的低碳盘条加热到一定温度后，这些变形织构组织会降低晶界能量，发生回复和再结晶。在提高塑性的同时，晶粒尺寸发生变化，控制特定的加热温度和保温时间，可以形成4.5～5.5级晶粒度的晶粒，这种晶粒使钢线具备良好的抗拉强度和延伸率，抗拉强度为260～280MPa，延伸率为45～55％，同时兼具良好的导电率，可达16.5～17.5％IACS。
退火温度过低，保温时间过短，部分织构发生回复后没有足够的能量进行再结晶；退火温度过高，保温时间过长时，回复再结晶后的部分晶粒会吞食周围的晶粒，造成晶粒异常长大，从而降低钢线的塑性。
进一步地，所述退火中，采用随炉冷却，冷却结束温度为50～100℃。
随炉冷却可以降低钢线组织应力和热应力，提高延伸率。到50～100℃时，钢线的组织已经稳定下来。
进一步地，所述细丝盘卷的直径为1.2～1.6mm。
进一步地，所述拉拔变形包括干拉拔变形和湿拉拔变形，所述干拉拔变形道次为4～6道次，所述干拉拔变形总减面率为80～90％；所述湿拉拔变形道次为4～6道次，所述湿拉拔变形总减面率为70～80％。
热轧盘条在金属模具中拉拔变形时，在盘条表面产生加工硬化，在变形区的受力特征为：两向压缩一向拉伸受力状态，如果拉应力过大，变形量过大，超过金属材料的出模口的屈服强度，则易导致钢线细颈或断丝。本申请设计2次拉拔多道次变形工艺，就是为了避免过大的变形导致加工硬化过大而拉拔断丝。拉拔变形次数过多，影响生产效率且增加成本；拉拔变形次数过少，易出现钢线断裂问题。干拉拔变形总减面率过大，易断裂，总减面率过小，湿拉拔的变形率过大，也易出现钢线断裂问题。湿拉拔变形总减面率过小，达不到目标要求；湿拉拔变形总减面率过大，易出现钢线断裂问题。
需要说明的是热轧盘条在干拉拔前，先通过辊道剥壳机进行机械除鳞，然后磷化烘干，润滑后再进入连罐拉丝机进行干拉拔。干拉拔结束后，钢线进行磷化和润滑后再进入水箱进行湿拉拔。
进一步地，所述干拉拔变形中，每道次拉拔减面率为26～36％，所述湿拉拔变形中，每道次拉拔减面率为20～30％。各道次的拉拔减面率过大，易出现钢线断裂问题；各道次的拉拔减面率过小，不满足变形要求，导致产品直径过大，不符合要求。
进一步地，所述干拉拔变形后的热轧盘条直径为2.5～3.0mm。
第三方面，本发明实施例提供了一种超低碳钢的用途，将上述的超低碳钢用于制作铜包钢。
本发明实施例提供了一种超低碳钢及其制备方法、用途，本申请至少具有以下优点：
(1)采用超低碳钢中加入Zr元素，并控制控制退火温度和退火时间，使拉拔变形后的组织进行回复再结晶，形成4.5～5.5级晶粒度的晶粒，这种晶粒使钢线具备良好的抗拉强度和延伸率，抗拉强度为260～280MPa，延伸率为45～55％，同时兼具良好的导电率，可达16.5～17.5％IACS，解决了为了提高铜包钢导电率增加镀铜量的问题。
(2)设计2次拉拔多道次变形工艺，避免了过大的变形导致加工硬化过大而拉拔断丝的问题。
下面将结合实施例、对照例及实验数据对本申请的一种超低碳钢线及其制备方法、应用进行详细说明。
实施例1到实施例8
实施例1到实施例8提供了一种低碳钢线的制备方法，具体如下：
(1)干拉拔：将如表1所示化学成分(其余为Fe及不可避免的杂质)的热轧盘条通过辊道剥壳机进行机械除鳞，然后磷化烘干，润滑后进入连罐拉丝机，经5道次连续拉拔变形成2.5～3.0mm钢线后收线集卷，总拉拔变形减面率为80～90％，每道次拉拔减面率为26～36％。
(2)湿拉拔：干拉拔后的钢线进行磷化、润滑后进入水箱拉拔，经5道次拉拔成1.2～1.6mm细丝，总拉拔变形减面率为70～80％。每道次拉拔减面率为20～30％。
(3)再结晶退火：拉拔成细丝的盘卷进入退火炉，随炉加热到640℃～660℃，保温600～840min，随炉冷却到50～100℃后出炉。
实施例1到实施例8各步骤主要参数参见表2。
对比例1到对比例2
对比例1和对比例2提供了一种低碳钢的制备方法，将如表1化学成分(其余为Fe及不可避免的杂质)的热轧盘条机械除鳞、磷化烘干和润滑后，进行干拉拔，干拉拔共计5道次。然后磷化和润滑后，进行5道次湿拉拔，获得细丝盘条。最后进行再结晶退火。各步骤的主要参数参见表2。
对比例3
为了研究退火温度过低，保温时间过短的影响，设置了对比例3，对比例3提供了一种低碳钢线的制备方法，将如表1化学成分(其余为Fe及不可避免的杂质)的热轧盘条机械除鳞、磷化烘干和润滑后，进行干拉拔，干拉拔共计5道次。然后磷化和润滑后，进行5道次湿拉拔。最后进行再结晶退火。各步骤的主要参数参见表2。
对比例4
为了研究退火温度过高、保温时间过长的影响，设置了对比例4，对比例4提供了一种低碳钢线的制备方法，将如表1化学成分(其余为Fe及不可避免的杂质)的热轧盘条机械除鳞、磷化烘干和润滑后，进行干拉拔，干拉拔共计5道次。然后磷化和润滑后，进行5道次湿拉拔。最后进行再结晶退火。各步骤的主要参数参见表2。
对实施例1到实施例8，对比例1到对比例4制备的低碳钢线在显微镜线观察，并进行晶粒评级，评级结果如表3所示。实施例1到实施例8，对比例1到对比例4制备的低碳钢线采用力学拉伸机对钢线进行力学性能检测，测得的抗拉强度和延伸率如表3所示。采用电阻仪测量试样的电阻，根据％IACS＝0.017241*L/(ɑ*R*(π/4)*D*D)*100％，计算出导电率，导电率检测结果如表3所示。导电率计算公式中，ɑ为温度校正系数，取值为0.9776(20℃)，R为钢线电阻(Ω)，D为钢线平均直径(mm)，L为钢线长度(m))
表1
序号 C/％ Si/％ Mn/％ P/％ S/％ Al/％ Zr/％
实施例1 0.0016 0.0030 0.045 0.0080 0.0045 0.0012 0.0400
实施例2 0.0012 0.0020 0.050 0.0100 0.0032 0.0008 0.0450
实施例3 0.0018 0.0025 0.033 0.0095 0.0021 0.0020 0.0500
实施例4 0.0015 0.0033 0.047 0.0099 0.0030 0.0021 0.0330
实施例5 0.0014 0.0034 0.039 0.0085 0.0044 0.0009 0.0400
实施例6 0.0011 0.0044 0.036 0.0087 0.0026 0.0011 0.0350
实施例7 0.0020 0.0020 0.035 0.0088 0.0020 0.0015 0.0470
实施例8 0.0019 0.0037 0.049 0.0096 0.0039 0.0023 0.0390
对比例1 0.0020 0.0047 0.050 0.0085 0.0050 0.0050 --
对比例2 0.0017 0.0065 0.050 0.0100 0.0030 0.0040 --
对比例3 0.0017 0.0021 0.047 0.0088 0.0045 0.0025 0.035
对比例4 0.0015 0.0035 0.045 0.0081 0.0038 0.0035 0.033
表2
Figure GDA0002984822440000091
表3
Figure GDA0002984822440000092
(1)本发明实施例1～8结果分析
根据表3中的数据可知，
本申请实施例1～8制备的超低碳钢，抗拉强度为260～280MPa，延伸率为45～55％，晶粒度等级为4.5～5.5级，导电率为16.5～17.5％IACS。
图1为本发明实施例完全退火再结晶的超低碳钢组织，可以看出，其组织铁素体，晶粒分布均匀。
(2)对比例1～4结果分析
对比例1～2制备的超低碳钢，其抗拉强度为305～315MPa，延伸率为27～29％，晶粒度等级为2.0～7.0级，导电率为15.2～15.8％IACS。延伸率低于本申请，这是由于晶粒异常长大所致。导电率低于本申请，这是由于晶粒有大有小，晶界过多阻碍电子迁移所致。图2为对比例1～2晶粒异常长的超低碳钢的金相图，由于晶粒异常，导致延伸率低。
对比例3为退火温度过低，保温时间过短的工艺下制备的超低碳钢，其抗拉强度为400MPa，延伸率为15％，导电率为14.8％IACS。强度高于本申请，延伸率低于本申请，这是由于未发生完全退火再结晶，导致加工硬化未完全释放所致。图3为对比例3未完全回复再结晶的组织，可以看出，晶粒尺寸差异大，存在加工硬化。
对比例4为退火温度过高，保温时间过长工艺下制备的超低碳钢，其抗拉强度为250MPa，延伸率为45％，导电率为16.3％IACS。抗拉强度低于本申请，导电率低于本申请。
最后，还需要说明的是，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。
尽管已描述了本发明的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例作出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本发明范围的所有变更和修改。
显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (7)

1.一种超低碳钢的制备方法，其特征在于，所述方法包括，
将热轧盘条进行拉拔变形，获得细丝盘卷；所述热轧盘条包括如下质量分数的化学成分：C：0.001~0.002%，Mn：0.03~0.05%，Si：≤0.005%，Al≤0.003%，P≤0.010%，S≤0.005%，Zr：0.01~0.05%，其余为Fe及不可避免的杂质；
将所述细丝盘卷在640~660℃下进行退火，保温600~840min，获得超低碳钢；
其中，所述拉拔变形包括干拉拔变形和湿拉拔变形，所述干拉拔变形道次为4~6道次，所述干拉拔变形总减面率为80~90%；所述湿拉拔变形道次为4~6道次，所述湿拉拔变形总减面率为70~80%，所述干拉拔变形中，每道次拉拔减面率为26~36%，所述湿拉拔变形中，每道次拉拔减面率为20~30%。
2.根据权利要求1所述的一种超低碳钢的制备方法，其特征在于，所述退火中，采用随炉冷却，所述冷却结束温度为50~100℃。
3.根据权利要求1所述的一种超低碳钢的制备方法，其特征在于，所述细丝盘卷的直径为1.2~1.6mm。
4.采用权利要求1-3中任一项所述的制备方法制备得到的超低碳钢，其特征在于，所述超低碳钢晶粒度等级为4.5~5.5级。
5.根据权利要求4所述的超低碳钢，其特征在于，所述超低碳钢的金相组织为铁素体。
6.根据权利要求4所述的超低碳钢，其特征在于，所述热轧盘条的直径为6.5~8.0mm。
7.如权利要求4~6任一项所述的超低碳钢的应用，其特征在于，将所述超低碳钢用于制作铜包钢。
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