CN1143903C - 抗应变时效脆裂和抗纵向裂纹的高强度钢丝及其制作方法 - Google Patents
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Abstract
一种高强度高碳钢丝，具有优良的抗应变时效脆裂以及抗纵向裂纹的性能。所述钢丝的化学成分(质量%)是：C：0.75-1.20%、Si：0.1-1.5%、Mn：0.3-1.2%、P：≤0.02%、S：≤0.02%、Al：≤0.005%和N：≤0.008%，其余的是铁和不可避免的杂质。所述钢丝的特征还包括：处理过的珠光体结构含有以无定形结构存在的片状渗碳体，直径(D)范围是0.15-0.4mm，一种金属润滑膜作为表面层，表面层的主要相由Cu、Ni和Zn中的至少一种或它们的一种合金组成，和抗拉强度不低于(3500×D-0.145MPa)并且不高于(3500×D-0.145+87×[C]-5)MPa，其中[C]表示碳的百分含量。
Description
技术领域
本发明涉及一种高强度钢丝及其生产方法，所述钢丝系在冷加工后不经过热处理(烧蓝)的装运出厂的钢丝。所述钢丝用于制作钢丝绳和钢索。
背景技术
用钢丝绳或轮圈钢丝对汽车钢丝轮胎进行增强，所述钢丝绳或轮圈钢丝由扭绞在一起的很细的钢丝组成，每根细钢丝的直径大约是0.15-0.4mm，并且具有超过3038Pa的高强度
所述钢丝是采用高碳钢(共析钢或过共析钢)的热轧盘条通过拉丝(为了减小直径)、退火处理、酸浸、镀铜(金属润滑剂)和最终湿冷拉丝制成的。获得的钢丝直径约0.2mm。退火处理这一步骤在约500-550℃温度下进行，使奥氏体结构转变成匀质细化的珠光体结构，从而使钢丝具有韧性。
现有汽车轮胎需要提高耐用性，轮胎帘子布的钢丝要求具有比以前更高的强度。通过增加含碳量易于提高钢丝的强度。但具有高强度的同时还应具有充分的韧性。任何不考虑韧性而仅提高强度的尝试势必会导致纵向裂纹问题的出现，由于扭绞，钢丝在纵向上会发生这种裂纹。
为防止纵向裂纹，提出了下述几种解决方案。在日本专利说明书99746/1994中披露了一种含有Cr和Co的钢，这种钢能使珠光体片状结构细化。在日本专利延迟公开说明书99312/1997中披露了一种方法，即穿过一种模具持续拉伸一根钢丝，根据由于拉伸产生的应变量度对截面的减小进行控制。在日本专利延迟公开说明书121199/1998中披露了一种钢丝，主要由细化的珠光体组成，珠光体的片状渗碳体呈现无定形。在日本专利延迟公开说明书199980/1999中披露了一种具有珠光体的钢丝，其中铁素体仅含有1.5原子百分率的析出的碳原子。在日本专利延迟公开说明书269607/1999中披露了一种钢丝，其中渗碳体量度根据碳的量度加以控制并且渗碳体的平均颗粒直径是2-10nm。
上述已有技术在某些程度上已经达到了提高强度的目的，然而仍需要进一步提高强度。令人遗憾的是，在拉丝后处于室温时，高碳钢丝将受到应变时效的影响，该应变时效将进一步提高强度。(参见“材料和处理“(Zairyou to Purosesu)，CAMPISIJ vol.12(1999)，P.461)由于应变时效提高了强度使高碳钢丝更易于产生纵向裂纹。此点促使对高强度高碳钢丝的研制，即使由于应变时效而使强度提高，所述高强度高碳钢还应具备足够的韧性，从而可以保持良好的抗纵向裂纹性能。
发明内容
基于上述问题完成了本发明。本发明目的在于提出一种高强度钢丝及其制作方法，上述钢丝不仅具有高强度而且具有充分的韧性和优良的抗应变时效脆裂和抗纵向裂纹性能。
本发明以本发明者的如下发现为基础：当对高碳钢丝经均匀拉伸并在一定条件下，即产生由钢丝直径和含碳量决定的一种特殊结构和一个特殊程度的强度幅度，即可以获得具有良好的抗应变时效脆裂的高强度高碳钢丝。
此外，本发明还以如下发现为基础：当渗碳体以无定形形式存在时提高抗纵向裂纹性能，和当进行冷湿拉丝最大限度地降低应变时效时提高了抗应变时效能力。
下面将加以详细说明。如果所述钢丝要比普通钢丝具有更高的强度，应对它进行处理，使在退火处理后的钢丝具有尽可能高的强度，所述退火处理是在最终拉丝之前进行的。然而，不管退火处理控制得多么准确，通过退火处理获得的强度也是有限的。使钢丝获得高强度的唯一方法是通过拉丝提高加工强度。就超过3.0的实际应变(ε)而言加工是必然的。由于与模具表面的摩擦，拉丝将会产生热量，当钢丝的直径减小并快速地穿过模具时，热量将增加。因为该原因最后阶段的拉丝实施湿拉丝，即冷却拉丝。已知在拉丝过程中，通常条件下湿拉丝不会产生拉丝时的应变时效。然而，近来研究揭示出，实际应变(ε)超过3.0的强化加工将导致由于应变时效造成的明显的脆裂。这种脆裂使制成的钢丝在拉丝后立即发生纵向裂纹或者在室温下停留一段时间后发生纵向裂纹，室温将造成韧性的恶化。
上述发现和认识导致本发明的产生。本发明的第一方面在于提出一种高强度高碳钢丝，其特征在于，具有一种化学成分(质量％)，包括：C：0.75-1.20％、Si：0.1-1.5％、Mn：0.3-1.2％、P：≤0.02％、S：≤0.02％、Al：≤0.005％、N：≤0.008％，余剩的是铁和不可避免的杂质，处理过的珠光体结构包括无定形结构的片状渗碳体，直径(D)范围为0.15-0.4mm，作为表面层的金属润滑膜，其主要相由Cu、Ni和Zn中至少一种或者它们的一种合金组成，和抗拉强度不低于3500×D-0.145Mpa和不高于(3500×D-0..145+87×[C]-5)Mpa，其中[C]表示C的百分含量。可以对本发明加以变型，使化学成分还包括下述的单独的元素或其混合物：
(1)Ni：0.10-1.0％、Cr：0.10-1.0％、和Mo：0.10-0.5％中的至少一种
(2)Cu：不少于0.05％并少于0.20％
(3)Co：不多于2.0％
(4)B：0.0003-0.0050％
本发明的第二个方面在于提出一种方法，所述方法通过对热轧盘条进行拉丝，制作一种高强度钢丝，对拉丝后的金属丝进行退火处理和酸浸，在其上形成金属润滑膜，膜的主要相是由Cu、Ni和Zn中至少一种或它们的一种合金组成，和进行最终拉丝，使直径(D)减少到0.15-0.4mm，其中钢丝含有上述化学成分，在下述条件下进行退火处理，使处理后的钢丝的抗拉强度不低于(540×[C]+1055)Mpa和不高于(540×[C]+1065)Mpa，其中[C]表示C的百分含量，和或者采用模孔的冷湿拉丝进行拉丝处理，使实际应变(ε)超过2.0，或者采用金刚石模具作为模孔进行拉丝，使实际应变(ε)超过3.0，所述拉丝的实施至少要满足下述四个条件中的两个条件：
(1)金刚石模具具有一个6-12度的前进角。
(2)金刚石模具具有一个支撑段，其长度是0.3d-0.5d，其中d表示内径。
(3)湿拉丝应用一种润滑剂，润滑剂温度被控制在35±10℃。
(4)采用金刚石模具进行拉丝，使截面的减少量不多于20％。和最终拉丝按照用DV规定的拉伸率进行，DV不大于200mm.m/min，其中D表示钢丝的直径(mm)和V表示拉伸率(m/min)。
附图说明
图1为拉丝模具的剖面图；
图2为本发明的钢丝(最终拉丝以后)的抗拉强度(MPa)与直径(Dmm)变化的关系曲线；
图3为本发明的钢丝(最终拉丝以后)的抗拉强度(MPa)与含碳量(质量％)变化的关系曲线，图中抗拉强度的下限用3500×D-0.145表示，其中D表示直径。○表示在最终拉丝后没有立即发生纵向裂纹和最终拉丝后30天没有发生纵向裂纹的样品，△表示在最终拉丝后没有立即发生纵向裂纹，但在最终拉丝后30天发生纵向裂纹的样品，×表示最终拉丝后立即出现纵向裂纹的样品。
具体实施方式
本发明的高强度钢丝的特征在于，具有一种化学成分(质量％)，包括：C：0.75-1.20％、Si：0.1-1.5％、Mn：0.3-1.2％、P：≤0.02％、S：≤0.02％、Al：≤0.005％、N：≤0.008％，余剩的是铁和不可避免的杂质。以下述理由为基础对每种元素的含量加以确定。
C：0.75-1.20％
碳是一种廉价元素，然而却能有效增加强度。拉丝时碳将提高加工硬度量度并在拉丝后与碳含量成比例地提高强度。碳含量过低，将造成钢丝含有的铁素体多于必要的铁素体。因此本发明要求含碳量的下限是：0.75％，优选0.80％。含碳量过高，将导致在奥氏体边缘沉积类网状的过共析渗碳体，所以钢丝在拉丝时易于断裂，并且制成的细钢丝的韧性和延展性非常差。因此本发明要求碳含量上限是1.2％，优选1.10％。
Si：0.1-1.5％
硅是一种有效的脱氧剂。在处理一种游离铝的钢丝的本发明中，硅起着重要作用。本发明要求含硅量的下限是0.1％。硅的含量少于0.1％则不能充分发挥硅的脱氧作用。本发明要求含硅量的上限是1.5％，优选1.0％，特别优选0.5％，过量的硅将造成金属丝拉伸过程中机械去氧化皮的困难(以下采用缩写MD)。
Mn：0.3-1.2％
锰与硅一样，也是一种有效的脱氧剂。在旨在处理一种游离铝的钢丝的本发明中，锰用于与硅配合实现完全的脱氧。锰和钢内的硫化合形成MnS，从而提高钢的韧性和延展性。锰还可以提高钢的硬度和减少轧制品中的先共析渗碳体的量度。本发明要求含锰量的下限是：0.3％，优选0.4％。另一方面，锰易于离析，因此过量的锰将导致在锰离析的范围内产生超冷却结构，例如马氏体和贝氏体，由此将降低可拉伸性。为此，本发明要求锰含量的上限为1.2％，优选为1.0％。
P：≤0.02％
S：≤0.02％
N：≤0.008％
这些杂质元素将降低延展性，所以它们的含量应尽可能地少。故上面仅给出了这些元素含量的上限。附带说明一下，氮与硼相结合形成(下面将提到)BN，从而减少了溶解的硼的数量。这种情况下需要加入硼，氮的总量应该不多于0.0050％，优选不多于0.0035％。
Al：≤0.005％
铝是一种有效的还原剂。铝形成Al2O3，由于含有非金属，所以将降低延展性并严重阻碍可拉伸性。为此，本发明要求铝的含量不多于0.005％。
除了上述元素以外，本发明所述的钢丝还包括铁(作为余剩物)和不可避免的杂质。为了提高质量，它们可能同一种或多种附加元素相混合，所述的附加元素从以下元素中选出，其数量对基本元素的效果和作用没有害处：(1)Ni、Cr和Mo中至少一种、(2)Cu、(3)Co和(4)B。具体含量如下：
Ni：0.10-1.0％
Cr：0.10-1.0％
Mo：0.10-0.5％
通过退火处理，这些元素减少了在珠光体形成过程中渗碳体的晶隙，从而提高了抗拉强度和可拉伸性。它们含量的下限应为0.10％，低于此限度，所述杂质无法产生有效作用。杂质含量的上限应为1.0％(对于Ni和Cr)和0.5％(对于Mn)，因为加入的杂质超过此上限时，杂质的作用将变成水平。特别是过量的Cr将导致形成不能离析的渗碳体，从而将延长钢完成转换的时间。此外Cr会在热轧盘条内产生超冷却结构，例如马氏体和贝氏体。
Cu：不少于0.05％并且少于0.20％
铜使细钢丝具有良好的防锈蚀性能，提高去氧化皮能力，和防止模具滞塞。为了得到预期效果铜含量的下限是0.05％，和为了不产生相反效果，铜含量的上限应该为0.20％、优选0.10％。当放置热轧盘条时，即使在温度高达约900℃的情况下，加入过量的铜也会使钢盘条的表面产生气泡。气泡在气泡下面的钢中形成四氧化三铁锈层。此外，在颗粒周围铜与硫反应离析出硫化铜，从而在生产钢丝的过程中使钢锭和钢盘条产生裂纹。
Co：≤2.0％
钴可以抑制先共析渗碳体的形成，从而提高延展性和可拉伸性。钴含量的下限应该为2.0％。加入过量的钴使退火处理需要更长的时间进行珠光体转换，从而降低了生产率。
B：0.0003-0.0050％
游离的硼(固体溶液形式)抑制铁素体的形成。为保证必需的游离硼，硼含量(硼的总量)的下限是0.0003％，上限是0.0050％，优选0.0040％。加入过量的硼会形成Fe23(CB)6，从而降低了可拉伸性。抑制铁素体形成的硼不是添加的硼，而是游离的硼，游离的硼在钢中不形成化合物。为使硼保持游离状态，硼不能形成BN。因为根据本发明，氮的含量不多于0.0085％，优选不多于0.0050％，特别优选的是不多于0.0035％，所以保证必要的游离硼是可能的。为防止形成铁素体，需要至少0.0003％量度的游离硼；但加入的硼的总量自然决定了游离硼的上限。
本发明所述的钢丝具有一种处理过的珠光体结构，在该结构中片状渗碳体是无定形的。在钢材料的结构中，珠光体结构是最适于拉丝的。换句话说，珠光体结构最适合本发明中加以说明的细钢丝(直径为0.15-0.4mm)。在珠光体结构中层状渗碳体是无定型的，这将助于提高韧性和具有良好的延展性，因此，即使钢丝具有很高的强度也可以提高其抗纵向裂纹的性能。
根据下面三种情况的任何一种情况，上面所用的术语“无定型”的定义范围广泛：
(1)利用透射电子显微镜(TEM)进行观测，采用一束直径小于1nm的细光束形成衍射图形中，样品只产生一种光晕图形并且晶格条纹图象没有呈现出晶体的迹象。
(2)在采用默斯鲍尔(Msbauer)光谱测定法时，层状渗碳体产生默斯鲍尔光谱，在默斯鲍尔光谱中，满足Pf＜Psp，其中Pf表示铁磁部分最大值，Psp表示顺磁部分最大值。
(3)在采用X射线衍射测定法时，层状渗碳体产生一种X射线衍射图形，在该图形中最大峰值的半宽(2θ)大于3拉德(rad)。
为了使结构中片状渗碳体不定形，有必要对钢丝进行最终的冷却拉丝，使拉丝孔产生的实际应变(ε)大于2.0。根据本发明所述的方法，采用冷湿拉丝进行最终拉丝，以便使实际应变(ε)大于2.0，或采用金刚石模具进行最终拉丝，使实际应变(ε)大于3.0。
本发明的钢丝具有在其上形成的金属润滑膜。这种膜是在退火处理之后和最终拉丝之前涂覆在钢丝上的金属润滑剂的残留物。所述润滑膜用于避免模具在涉及强化加工的拉丝过程中的磨损和损坏。可以通过镀铜、锌，或者Ni(出于经济原因)或者它们的合金(如黄铜)形成金属润滑膜。附带说一下，黄铜或铜镀膜有助于将作为轮胎帘子布的钢丝粘附在橡胶上。
本发明所述的钢丝应该具有特别的抗拉强度(TS)，即不低于(3500×D-0.145)Mpa和不高于(3500×D-0.145+87×[C]-5)Mpa，其中[C]表示碳含量的质量％。TS的变化范围建立在下述实施例中验证的如下事实的基础之上的。TS小于下限时，钢丝在最终拉丝后即刻具有良好的抗纵向裂纹能力，但易于随着时间的推移钢丝易于由于应变时效脆裂而产生纵向裂纹。与此相反，当TS高于上限，紧接在最终拉丝后钢丝易于马上产生纵向裂纹，或者随着时间的推移钢丝有时也会由于应变时效脆裂而产生纵向裂纹。要指出的是，TS的上限取决于钢丝中的含碳量。之所以TS的下限不受碳含量影响的原因是：与碳含量相比，金属丝的抗纵向裂纹性能受钢丝直径的影响远远大于受含碳量的影响。另一方面，之所以TS上限受含碳量影响的原因是，抗应变时效的性能主要受基本金属中含碳量的影响。
本发明所述的钢丝的制作过程如下。首先准备一块含有上述化学成分的钢锭。通过初轧将所述钢锭制成钢坯。所述钢坯经过热轧制成盘条。钢丝盘条经过中间的退火处理和中间的拉丝得到钢丝，所述钢丝具有适于最终拉丝的直径。钢丝经过最终的退火处理和酸浸并且涂覆金属润滑膜，通过作为最终拉丝的冷湿拉丝将钢丝拉成细钢丝(直径为0.15-4.0mm)。顺便说一句，最终拉丝包括连续的步骤：钢丝(已经过最终退火处理)穿过一系列的拉丝孔，直到被拉伸的钢丝具备了所要求的直径(0.15-4.0mm)。
热轧盘条的直径大约为3.5-10mm。如果细于3.5mm，生产率将会降低。如果粗于10mm大，则将降低可拉伸性。另一方面，进行中间拉丝(或者退火处理)的钢丝的直径应该大约为1.0-2.5mm。如果比1.0mm细，则在最终的拉丝中将出现拉伸困难，并且如果钢丝的直径大于2.5mm，将会造成退火处理的困难(一直到钢丝中心的结构控制)。后一种情况导致可拉伸性的下降。
退火处理是用以形成微细的珠光体结构的热处理。这种热处理是这样完成的：使钢丝保持奥氏体温度并且在冷却后使钢丝保持转换温度。奥氏体温度优选大约是850-1050℃，低于850℃的热处理将不易于奥氏体退火；高于1050℃的热处理将使表面形成氧化皮并且使晶粒粗糙，从而降低可拉伸性。奥氏体退火步骤应至少持续10-75秒。持续时间少于10秒则没有充分的时间完成加热；持续时间多于75秒将会因形成表面氧化皮和粗糙的晶粒而损害可拉伸性，。另一方面，转换温度应约为550-565℃。低于550℃的加热使得在结构中主要是贝氏体，导致可拉伸性下降。高于565℃的加热抑制微细的珠光体的形成，在退火处理之后降低了钢丝的强度，导致经过最终拉丝后的钢丝缺少所需的强度。在550-565℃温度下加热约10-80秒，根据含碳量[C]，钢丝具有有以下窄范围内的强度：从(540℃×[C]+1050)MPa到(540℃[C]+1065)MPa。这意味着，通过最终拉丝以一种稳定的方式可以将钢丝制成细钢丝。
通过冷湿拉丝完成最终拉丝，使微细的珠光体的片状渗碳体变为无定型结构。只有用冷却的方式进行最终拉丝(为实现实际应变(ε)超过3.0)时，片状渗碳体才能变为无定型结构。因此，最终拉丝是冷湿拉丝。再有，作为最终拉丝采用冷湿拉丝。另外，本发明要求采用具有良好导热性能的金刚石模具进行最终拉丝，以便于降低由于拉丝和促使去结晶而产生的热量。
根据本发明，为实现超过3.0的实际应变(ε)，必须应用金刚石模具进行最终拉丝，并且还必须满足下述四个条件中的至少两个条件：
(1)金刚石模具具有一个6-12°的前进角。
(2)金刚石模具具有一个支撑段，其长度是0.3d-0.5d，其中d表示内径。
(3)应用一种润滑剂进行湿拉丝，将润滑剂的温度控制在35±10℃。
(4)截面的减少量不多于20％，
这些条件旨在防止因在高速拉丝时由于钢丝与模具之间的摩擦产生的热使经去结晶的片状渗碳体再结晶。这些条件还旨在在拉丝过程中对应变时效进行抑制并促使拉丝过程中的冷却。
顺便提及，如图1所示，上面提到的前进角(θ)是前进段2(或减少段)的锥形表面的角，通过前进段2钢丝被引入模具的支撑段1(最小的孔径段)，所述模具决定了拉丝后的金属丝的直径。上述支撑段的长度表示在支撑段2内沿拉丝方向的长度1。支撑段具有内径d，d沿拉丝方向实际保持不变。
根据本发明，拉丝应使VD值(VD是D[钢丝的直径，单位：mm]与V[拉丝率：单位m/min]的乘积)不大于200mm·m/min，优选不大于150mm·m/min，特别优选的是不大于100mm·m/min。即使采取了上述的冷却手段，但由于在实际应变超过3.0的拉丝时生成热量，用VD值超过200的拉丝将会导致应变时效和无定型的渗碳体的蜕变。
下面将对照下述实施例对本发明做更为详细的说明，此所述实施例对本发明的范围不起限定作用。
实施例：
通过转炉炼钢和随后的二次精炼制备出具有表1所示化学成分的钢的样品。将每种钢的样品通过连续浇铸形成钢锭，通过初轧使钢锭成为钢坯。通过热轧将钢坯制成盘条(直径为3.5mm至10.0mm)。接着进行修整冷却。
热轧的盘条经中间拉丝和中间退火处理形成一种钢丝，钢丝直径为1.0-2.5mm。对这种钢丝在表2所示条件下进行最后的退火处理，获得的钢丝具有如表2所示的抗拉强度(TS)。附带说一下，本发明所述的抗拉强度的上限和下限也在表2中给出。
如表3和4所示，将经过退火处理的钢丝进行酸浸和随后涂覆材料(金属润滑剂)。最后，对经涂覆的钢丝进行最终拉丝(冷湿拉丝)，形成具有最终直径D(mm)的极细的钢丝(细丝)。顺便提一下，表3和表4还示出了V和D的乘积值，其中V表示最终拉丝中的拉丝率(m/mm)，D表示直径。
采用一种硬质合金模具作为模孔进行湿拉丝，使实际应变(ε)小于3或利用金刚石模具作为模孔使实际应变(ε)大于3，而且在上述条件下进行湿拉丝。另外，在下述条件(1)-(4)和(1’)-(4’)下，进行拉丝使真实应变(ε)大于3。条件(1)-(4)满足本发明的要求，和条件(1’)-(4’)作为比对。表3和表4中的标记○表示在(1)-(4)中的任何一种条件下进行拉丝，空白表示在(1’)-(4’)中的任何一种条件下进行拉丝。
根据本发明拉丝条件为：
(1)金刚石模具具有一个8°的前进角。
(2)金刚石模具具有一个0.4d的支撑长度，其中d表示内径。
(3)湿拉丝使用一种液体润滑剂，所述润滑剂温度为35±5℃。
(4)采用金刚石模具进行拉丝，使截面的减少量为18％。
作为比对的拉丝条件为：
(1’)金刚石模具具有一个14°的前进角。
(2’)金刚石模具有一个0.6d的支撑长度，其中d表示内径。
(3’)湿拉丝使用一种润滑剂，润滑剂的温度被保持在15±5℃。
(4’)采用金刚石模具进行拉丝，使截面的减少量为22％。
将在上述条件下已进行最终拉丝支撑的钢丝在TEM下检查其结构。在珠光体结构中的片状渗碳体是否是无定形的，这一点通过将一束光(半径为1.0nm)投射向样品，根据得到的衍射图形来加以判断。(一种光晕图形表示无定形结构)。对制成的钢丝还进行了抗拉强度(TS)试验和由于扭曲导致的纵向裂纹试验。扭曲测试以下述方式进行。
在最终拉丝后，立即(5小时)从完工的钢丝中取样(长度为直径的200倍)。对样品进行扭曲直至出现纵向裂纹，将扭曲的次数记录下来。如果样品在进行大约30次扭曲后保持完好，将扭曲次数记录下来。
30天以后，再一次对钢丝样品的抗拉强度和纵向裂纹(采取扭曲方式)进行试验。试验结果在表3和表4中给出。根据本发明，最终拉丝后立即测试的钢丝具有在表3和表4给出的的上限和下限范围内的抗拉强度。
如图2所示，满足本发明要求的钢丝具有的抗拉强度(MPa)随直径(Dmm)变化，此外，如图3所示，在本发明实施例和比对例的钢丝样品具有随着含碳量(质量％)而变化的抗拉强度(MPa)。
如表3和表4所述，在发明实施例中分别用1号到11号对钢丝样品加以标示，根据本发明所述的方法准备钢丝样品，并且样品的抗拉强度在本发明所述的范围内，在经28次以上扭曲后不会发生纵向裂纹。在钢丝样品老化30天的情况下，在扭曲18次以上后没有发生纵向裂纹。从而证明其具有优良的抗应变时效脆裂性能。
另一方面，在比对例中，用21号至28号分别对钢丝进行标示，所述钢丝样品在退火处理或产生实际应变超过3.0的最终拉丝的条件后不符合强度要求，通常在拉丝后立即产生纵向裂纹。21号和28号样品在拉丝后不会立即出现纵向裂纹，但在老化30天的情况下仅扭曲几次即会出现纵向裂纹。
29到36号的钢丝样品未满足化学成分要求并且它们的最终拉丝率(大于规定值)也未满足要求，因此含有保持晶体状态的片状渗碳体，通常在拉丝后立即产生纵向裂纹。在将上述钢丝样品老化30天的情况下仅几次扭曲后即会产生纵向裂纹。
37到39号钢丝样品，尽管其满足化学成分要求，仍然会出现纵向裂纹。具有规定强度的37号样品在拉丝后不立即产生纵向裂纹，但在老化30天的情况下扭曲10次后发生纵向裂纹。其原因是退火处理后强度不够并且拉丝率过高，因而造成片状渗碳体仍处于结晶状态。38和39号钢丝样品，在退火处理后强度特别低，并且拉丝后的强度也低于规定的强度，该样品在拉丝后不会立即产生纵向裂纹，但是在老化30天的情况下扭曲11次或16次(分别地)后产生纵向裂纹。
本发明的高强度钢丝具有特定的化学成分、特定的直径、特定的珠光体成分，其中片状渗碳体是无定形的，和特定抗拉强度，所述抗拉强度由直径和含碳量决定。基于这些特征性能，所以所述钢丝具有良好的抗纵向裂纹性能，所述的纵向裂纹通常在拉丝后立即产生的或老化后产生的。所述钢丝除了具有高强度外，还具有良好的抗应变时效脆裂能力。上述高强度钢丝按照本发明所述的方法易于生产。
表1
| 钢编号 | 化学成分(质量百分比剩余物Fe)) | 备注 | ||||||||||||
| C | Si | Mn | P | S | Al | Ni | Cr | Mo | Co | Cu | B | N | ||
| 1 | 0.80 | 0.30 | 0.010 | 0.010 | 0.010 | 0.0030 | 0 | 0 | 0 | 0.0 | 0 | 0 | 0.0040 | * |
| 2 | 0.81 | 0.25 | 0.54 | 0.006 | 0.008 | 0.0030 | 0 | 0 | 0 | 0.1 | 0 | 0 | 0.0047 | * |
| 3 | 0.90 | 0.60 | 0.50 | 0.004 | 0.004 | 0.0030 | 0 | 0 | 0 | 0.0 | 0 | 0 | 0.0046 | * |
| 4 | 1.00 | 0.20 | 0.30 | 0.007 | 0.006 | 0.0030 | 0 | 0.2 | 0 | 0.0 | 0.07 | 0 | 0.0039 | * |
| 5 | 1.00 | 0.19 | 0.35 | 0.006 | 0.005 | 0.0020 | 0 | 0.2 | 0 | 0.0 | 0.05 | 0 | 0.0044 | * |
| 6 | 1.10 | 0.20 | 0.40 | 0.009 | 0.005 | 0.0030 | 0 | 0.3 | 0 | 0.0 | 0.08 | 0.0030 | 0.0037 | * |
| 7 | 1.20 | 0.15 | 0.56 | 0.009 | 0.007 | 0.0020 | 0 | 0 | 0 | 2.0 | 0.18 | 0 | 0.0030 | * |
| 8 | 0.92 | 0.15 | 0.40 | 0.006 | 0.008 | 0.0020 | 0 | 0 | 0 | 1.0 | 0 | 0 | 0.0038 | * |
| 9 | 0.99 | 0.19 | 0.35 | 0.004 | 0.003 | 0.0030 | 0 | 0.2 | 0 | 0.0 | 0 | 0 | 0.0044 | * |
| 10 | 1.10 | 0.15 | 0.39 | 0.007 | 0.006 | 0.0030 | 0 | 0.2 | 0 | 0.0 | 0 | 0 | 0.0048 | * |
| 11 | 0.90 | 0.17 | 0.53 | 0.007 | 0.005 | 0.0030 | 0 | 0 | 0.1 | 0.0 | 0 | 0 | 0.0044 | * |
| 21 | 0.74 | 1.15 | 0.70 | 0.009 | 0.009 | 0.0030 | 0 | 0.9 | 0.3 | 0.0 | 0.14 | 0 | 0.0039 | ** |
| 22 | 1.21 | 0.12 | 0.32 | 0.008 | 0.008 | 0.0030 | 0 | 0 | 0 | 0.0 | 0 | 0 | 0.0021 | ** |
| 23 | 0.82 | 1.60 | 0.50 | 0.010 | 0.010 | 0.0040 | 0 | 0 | 0.1 | 0.0 | 0 | 0 | 0.0048 | ** |
| 24 | 0.83 | 0.50 | 1.30 | 0.010 | 0.010 | 0.0030 | 0 | 0 | 0.5 | 0.0 | 0.12 | 0 | 0.0050 | ** |
| 25 | 0.81 | 0.40 | 0.70 | 0.030 | 0.030 | 0.0030 | 0 | 0 | 0 | 0.0 | 0 | 0 | 0.0047 | ** |
| 26 | 0.84 | 0.30 | 0.40 | 0.010 | 0.010 | 0.0100 | 0 | 0 | 0 | 0.0 | 0 | 0 | 0.0044 | ** |
| 27 | 0.90 | 0.20 | 0.40 | 0.007 | 0.007 | 0.0020 | 0.09 | 0 | 0.6 | 0.0 | 0 | 0 | 0.0033 | ** |
| 28 | 0.90 | 0.20 | 0.50 | 0.007 | 0.006 | 0.0020 | 1.10 | 0 | 0 | 0.0 | 0.18 | 0 | 0.0039 | ** |
| 29 | 1.03 | 0.20 | 0.40 | 0.007 | 0.004 | 0.0030 | 0 | 0.09 | 0.05 | 0.0 | 0 | 0 | 0.0038 | ** |
| 30 | 1.04 | 0.30 | 0.60 | 0.007 | 0.007 | 0.0030 | 0 | 110 | 0 | 0.0 | 0 | 0 | 0.0045 | ** |
| 31 | 1.20 | 0.13 | 0.33 | 0.006 | 0.006 | 0.0020 | 0 | 0 | 0 | 0.0 | 0.20 | 0 | 0.0048 | ** |
| 32 | 1.00 | 0.25 | 0.51 | 0.007 | 0.004 | 0.0020 | 0 | 0 | 0 | 0.0 | 0.08 | 0.0049 | 0.0031 | ** |
| 33 | 1.00 | 0.24 | 0.50 | 0.004 | 0.003 | 0.0030 | 0 | 0 | 0 | 0.0 | 0 | 0.0052 | 0.0029 | ** |
| 34 | 0.82 | 0.36 | 0.87 | 0.009 | 0.007 | 0.0030 | 0 | 0 | 0 | 0.0 | 0 | 0.0002 | 0.0047 | ** |
| 35 | 0.95 | 0.16 | 0.48 | 0.007 | 0.004 | 0.0020 | 0 | 0 | 0 | 0.0 | 0 | 0 | 0.0095 | ** |
| 36 | 0.88 | 0.14 | 0.90 | 0.004 | 0.004 | 0.0024 | 0 | 0 | 0 | 0.0 | 0 | 0 | 0.0003 | ** |
| 37 | 0.94 | 0.22 | 0.40 | 0.007 | 0.007 | 0.0010 | 0 | 0.19 | 0 | 0.0 | 0 | 0 | 0.0032 | ** |
| 38 | 0.97 | 0.20 | 0.50 | 0.006 | 0.003 | 0.0020 | 0 | 0.22 | 0 | 0.0 | 0 | 0 | 0.0041 | ** |
| 39 | 1.04 | 0.19 | 0.31 | 0.007 | 0.006 | 0.0030 | 0.10 | 0 | 0 | 0.0 | 0 | 0 | 0.0036 | ** |
*发明实施例 **比对例
表2
| 样品编号 | 钢编号 | 辊轧钢丝的直径(mm) | 已经过退火处理的钢丝直径(mm) | (最后退火处理的条件) 已经退火处理的钢丝的抗拉强度(MPa) | 备注 | ||||||
| 加热温度(℃) | 持续时间(秒) | 浸泡温度(℃) | 浸泡时间(s) | 测量值 | 下限 | 上限 | |||||
| 1 | 1 | 5.5 | 1.00 | 880 | 26 | 560 | 10 | 1490 | 1487 | 1497 | * |
| 2 | 2 | 3.5 | 1.70 | 880 | 44 | 560 | 20 | 1495 | 1492 | 1502 | * |
| 3 | 3 | 5.0 | 1.70 | 900 | 44 | 560 | 20 | 1550 | 1541 | 1551 | * |
| 4 | 4 | 5.5 | 1.50 | 940 | 39 | 560 | 30 | 1603 | 1595 | 1605 | * |
| 5 | 5 | 10.0 | 1.80 | 940 | 39 | 550 | 80 | 1598 | 1595 | 1605 | * |
| 6 | 6 | 6.4 | 1.40 | 950 | 37 | 560 | 30 | 1652 | 1549 | 1659 | * |
| 7 | 7 | 6.4 | 2.50 | 1050 | 65 | 560 | 30 | 1705 | 1703 | 1713 | * |
| 8 | 8 | 5.5 | 1.70 | 900 | 25 | 560 | 30 | 1555 | 1552 | 1562 | * |
| 9 | 9 | 5.5 | 1.30 | 940 | 25 | 560 | 30 | 1597 | 1590 | 1600 | * |
| 10 | 10 | 5.5 | 1.30 | 940 | 30 | 560 | 30 | 1650 | 1649 | 1659 | * |
| 11 | 11 | 5.5 | 1.60 | 950 | 30 | 560 | 30 | 1547 | 1541 | 1551 | * |
| 21 | 21 | 5.5 | 1.20 | 880 | 8 | 560 | 20 | 1432 | 1455 | 1465 | ** |
| 22 | 22 | 5.5 | 1.20 | 1060 | 31 | 560 | 20 | 1709 | 1708 | 1718 | ** |
| 23 | 23 | 5.5 | 1.30 | 880 | 34 | 560 | 20 | 1503 | 1498 | 1508 | ** |
| 24 | 24 | 5.5 | 1.60 | 880 | 42 | 560 | 20 | 1510 | 1503 | 1513 | ** |
| 25 | 25 | 5.5 | 1.10 | 880 | 29 | 560 | 9 | 1498 | 1492 | 1502 | ** |
| 26 | 26 | 5.5 | 3.00 | 890 | 80 | 560 | 30 | 1513 | 1509 | 1519 | ** |
| 27 | 27 | 5.5 | 1.40 | 950 | 37 | 560 | 30 | 1550 | 1541 | 1551 | ** |
| 28 | 28 | 5.5 | 1.60 | 950 | 42 | 565 | 20 | 1480 | 1541 | 1551 | ** |
| 29 | 29 | 5.5 | 1.20 | 940 | 31 | 560 | 20 | 1613 | 1611 | 1621 | ** |
| 30 | 30 | 5.5 | 1.30 | 940 | 34 | 560 | 20 | 1619 | 1617 | 1627 | ** |
| 31 | 31 | 5.5 | 1.40 | 960 | 37 | 560 | 20 | 1710 | 1703 | 1713 | ** |
| 32 | 32 | 5.5 | 1.80 | 950 | 47 | 560 | 30 | 1601 | 1595 | 1605 | ** |
| 33 | 33 | 5.5 | 1.80 | 950 | 47 | 560 | 30 | 1600 | 1595 | 1605 | ** |
| 34 | 34 | 5.5 | 1.10 | 840 | 29 | 560 | 90 | 1487 | 1498 | 1508 | ** |
| 35 | 35 | 5.5 | 1.40 | 960 | 37 | 545 | 40 | 1593 | 1568 | 1578 | ** |
| 36 | 36 | 5.5 | 2.00 | 900 | 52 | 560 | 20 | 1535 | 1530 | 1540 | ** |
| 37 | 37 | 5.5 | 1.40 | 1000 | 10 | 570 | 20 | 1558 | 1563 | 1573 | ** |
| 38 | 38 | 5.5 | 1.30 | 950 | 10 | 550 | 20 | 1312 | 1596 | 1606 | ** |
| 39 | 39 | 5.5 | 1.15 | 1000 | 10 | 570 | 20 | 1590 | 1627 | 1637 | ** |
表3
| 样品编号 | 钢编号 | 已经过退火处理的钢丝直径(mm) | 已完工钢丝的直径(Dmm) | 实际应变 | 润滑膜 | 拉丝条件 | D×V | TEM衍射图形 | 固有参数 | 30天后的参数 | |||||||||
| (1) | (2) | (3) | (4) | 拉抗强度(MPa) | 扭曲次数 | 纵向裂纹 | 抗拉强度 | 扭曲次数 | 纵向裂纹 | ||||||||||
| 测定值 | 下限 | 上限 | |||||||||||||||||
| 1 | 1 | 1.00 | 0.15 | 3.79 | 黄铜 | ○ | ○ | 200 | halo | 4673 | 4608 | 4874 | 28 | 无 | 4680 | 25 | 无 | ||
| 2 | 2 | 1.70 | 0.20 | 4.28 | 黄铜 | ○ | ○ | 200 | halo | 4513 | 4420 | 4669 | 29 | 无 | 4650 | 27 | 无 | ||
| 3 | 3 | 1.70 | 0.25 | 3.83 | 黄铜 | ○ | ○ | 200 | halo | 4420 | 4279 | 4427 | 35 | 无 | 4426 | 33 | 无 | ||
| 4 | 4 | 1.50 | 0.30 | 3.22 | Cu | ○ | ○ | 200 | halo | 4250 | 4168 | 4255 | 30 | 无 | 4253 | 28 | 无 | ||
| 5 | 5 | 1.80 | 0.40 | 3.01 | 黄铜 | ○ | ○ | 150 | halo | 4071 | 3997 | 4084 | 35 | 无 | 4083 | 30 | 无 | ||
| 6 | 6 | 1.40 | 0.25 | 3.45 | 黄铜 | ○ | ○ | 150 | halo | 4329 | 4279 | 4333 | 36 | 无 | 4321 | 30 | 无 | ||
| 7 | 7 | 2.50 | 0.40 | 3.67 | Ni | ○ | ○ | ○ | 150 | halo | 4010 | 3997 | 4032 | 33 | 无 | 4026 | 24 | 无 | |
| 8 | 8 | 1.70 | 0.20 | 4.28 | 黄铜 | ○ | ○ | ○ | 100 | halo | 4424 | 4420 | 4552 | 39 | 无 | 4531 | 18 | 无 | |
| 9 | 9 | 1.30 | 0.18 | 3.95 | 黄铜 | ○ | ○ | ○ | 100 | halo | 4490 | 4488 | 4579 | 39 | 无 | 4477 | 18 | 无 | |
| 10 | 10 | 1.30 | 0.20 | 3.74 | 黄铜 | ○ | ○ | ○ | 100 | halo | 4435 | 4420 | 4474 | 38 | 无 | 4470 | 18 | 无 | |
| 11 | 11 | 1.60 | 0.22 | 3.97 | 黄铜 | ○ | ○ | ○ | ○ | 100 | halo | 4409 | 4359 | 4507 | 38 | 无 | 4468 | 18 | 无 |
表4
| 样品编号 | 钢编号 | 已经过退火处理的钢丝直径(mm) | 已完工的钢丝的直径(Dmm) | 实际应变 | 润滑膜 | 拉丝的条件 | D×V | TEM衍射图形 | 固有参数 | 30天后的参数 | |||||||||
| (1′) | (2′) | (3′) | (4′) | 抗拉强度(MPa) | 扭曲次数 | 纵向裂纹 | 抗拉强度 | 扭曲次数 | 纵向裂纹 | ||||||||||
| 测定值 | 下限 | 上限 | |||||||||||||||||
| 21 | 21 | 1.20 | 0.22 | 3.39 | 黄铜 | ○ | 200 | 4350 | 4359 | 4751 | 3 | 无 | 4358 | 2 | 有 | ||||
| 22 | 22 | 1.20 | 0.23 | 3.30 | 黄铜 | ○ | 200 | 4468 | 4331 | 4365 | 8 | 有 | 4620 | 5 | 有 | ||||
| 23 | 23 | 1.30 | 0.20 | 3.74 | 黄铜 | ○ | 100 | 4670 | 4420 | 4655 | 3 | 有 | 4721 | 3 | 有 | ||||
| 24 | 24 | 1.60 | 0.25 | 3.71 | 黄铜 | ○ | 100 | 4613 | 4279 | 4500 | 8 | 有 | 4690 | 5 | 有 | ||||
| 25 | 25 | 1.10 | 0.14 | 4.12 | 黄铜 | ○ | 200 | 4921 | 4655 | 4904 | 6 | 有 | 4957 | 3 | 有 | ||||
| 26 | 26 | 3.00 | 0.35 | 4.30 | 黄铜 | ○ | 200 | 4312 | 4075 | 4284 | 3 | 有 | 4344 | 3 | 有 | ||||
| 27 | 27 | 1.40 | 0.22 | 3.70 | 黄铜 | ○ | 100 | 4519 | 4359 | 4507 | 2 | 有 | 4653 | 3 | 有 | ||||
| 28 | 28 | 1.60 | 0.20 | 4.16 | 黄铜 | ○ | 100 | 4349 | 4420 | 4567 | 8 | 无 | 4418 | 6 | 有 | ||||
| 29 | 29 | 1.20 | 0.26 | 3.06 | 黄铜 | 240 | 4446 | 4255 | 4330 | 10 | 有 | 4787 | 3 | 有 | |||||
| 30 | 30 | 1.30 | 0.20 | 3.74 | 黄铜 | 240 | 4530 | 4420 | 4491 | 5 | 有 | 4728 | 5 | 有 | |||||
| 31 | 31 | 1.40 | 0.25 | 3.45 | 黄铜 | 240 | 4369 | 4279 | 4314 | 7 | 有 | 4487 | 5 | 有 | |||||
| 32 | 32 | 1.80 | 0.35 | 3.28 | 黄铜 | ○ | ○ | ○ | ○ | 220 | 4242 | 4075 | 4162 | 6 | 有 | 4287 | 4 | 有 | |
| 33 | 33 | 1.80 | 0.35 | 3.28 | 黄铜 | ○ | ○ | ○ | ○ | 220 | 4236 | 4075 | 4162 | 10 | 有 | 4336 | 4 | 有 | |
| 34 | 34 | 1.10 | 0.23 | 3.13 | 黄铜 | ○ | ○ | ○ | ○ | 220 | 4156 | 4331 | 4566 | 5 | 无 | 4330 | 4 | 有 | |
| 35 | 35 | 1.40 | 0.29 | 3.15 | 黄铜 | ○ | ○ | ○ | ○ | 240 | 4613 | 4188 | 4301 | 7 | 有 | 4721 | 6 | 有 | |
| 36 | 36 | 2.00 | 0.40 | 3.22 | 黄铜 | ○ | ○ | ○ | ○ | 240 | 4347 | 3997 | 4162 | 2 | 有 | 4512 | 2 | 有 | |
| 37 | 37 | 1.40 | 0.20 | 3.89 | 黄铜 | 300 | 4428 | 4420 | 4539 | 16 | 无 | 4550 | 10 | 有 | |||||
| 38 | 38 | 1.30 | 0.18 | 3.95 | 黄铜 | ○ | ○ | ○ | 100 | 4234 | 4488 | 4589 | 32 | 无 | 4312 | 16 | 有 | ||
| 39 | 39 | 1.15 | 0.15 | 4.07 | Ni | ○ | ○ | ○ | 30 | 4310 | 4608 | 4680 | 23 | 无 | 4572 | 11 | 有 | ||
注意：样品第21号到第39号表示对比例
Claims (6)
1、一种高强度钢丝，具有优良的抗应变时效脆裂和优良的抗纵向裂纹性能，其特征是具有一种化学成分(质量％)，包括：C：0.75-1.20％、Si：0.1-1.5％、Mn：0.3-1.2％、P：≤0.02％、S：≤0.02％、Al：≤0.005％、N：≤0.008％，
其余的是铁和不可避免的杂质，处理过的珠光体结构包括以无定形结构存在的片状渗碳体，直径(D)的范围是0.15-0.4mm，一种金属润滑膜作为表面层，表面层的主要相由Cu、Ni和Zn中的至少一种或它们的一种合金构成，和抗拉强度不低于3500×D-0.145Mpa并且不高于3500×D-0.145+87×[C]-5Mpa，其中[C]表示碳的百分比含量。
2、按照权利要求1所述的高强度钢丝，其特征是化学成分至少还包括下述的一种：Ni：0.10-1.0％、Cr：0.10-1.0％、Mo：0.10-0.5％。
3、按照权利要求1所述的高强度钢丝，其特征是化学成分还包括Cu：不少于0.05％和不多于0.20％。
4、按照权利要求1所述的高强度钢丝，其特征是化学成分还包括Co：不多于2.0％。
5、按照权利要求1所述的高强度钢丝，其特征是化学成分还包括B：0.0003-0.0050％。
6、一种制作高强度钢丝的方法，所述方法对一种热轧盘条进行拉丝，将拉丝后的金属丝进行退火处理和酸浸，在金属丝上形成金属润滑膜，所述金属润滑膜的主要相是由Cu、Ni和Zn中至少一种或它们的一种合金组成，和进行最终拉丝，使直径减少到0.15-0.4mm，其特征是钢丝具有按照权利要求1所规定的化学成分，所述的退火处理的条件应使处理过的钢丝的抗拉强度不低于(540×[C]+1050)Mpa和不高于(540×[C]+1065)Mpa，其中[C]表示碳的百分含量，和或者采用模孔的冷湿拉丝使实际应变(ε)超过2.0，或者采用金刚石模具作为模孔进行的拉丝，使实际应变(ε)超过3.0进行最终拉丝，实施所述拉丝应满足下述四个条件中的至少两种：
(1)金刚石模具具有一个6-12度的前进角。
(2)金刚石模具具有一个支撑段，其长度是0.3d-0.5d，其中d表示内径。
(3)湿拉丝使用一种液体润滑剂，所述润滑剂的温度被控制在35±10℃。
(4)采用金刚石模具进行拉丝，使截面的减少量不多于20％，和最终拉丝按照由DV规定的拉丝率进行，DV不大于200mm·m/min，其中D表示钢丝的直径(mm)和V表示拉伸率(m/mm)。
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