CN115161559B - 一种耐扭转断裂的超高强度钢丝、钢丝用盘条及制造工艺 - Google Patents

一种耐扭转断裂的超高强度钢丝、钢丝用盘条及制造工艺 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种耐扭转断裂的超高强度钢丝、钢丝用盘条及制造工艺，盘条的化学成分按质量百分比计为：[C]0.90％～0.94％，[Si]0.13％～0.22％，[Mn]0.23％～0.40％，[Cr]0.1％～0.3％，[V]0.0005％～0.0015％，[Mo]0.0010％～0.0040％，[Ti]0.0010％～0.0020％，[N]0.0018％～0.0035％，全氧0.0010％～0.0030％，酸溶铝0.0001％～0.0005％，其余为Fe及不可避免的杂质。本发明通过化学成分和生产工艺设计，使盘条和钢丝的组织均匀一致，达到了提高超高强度钢丝扭转性能的目的。

Description

一种耐扭转断裂的超高强度钢丝、钢丝用盘条及制造工艺
技术领域
本发明涉及盘条生产技术领域，尤其涉及一种耐扭转断裂的超高强度钢丝、钢丝用盘条及制造工艺。
背景技术
用于深加工的高碳钢盘条，在钢丝帘线、胎圈钢丝和胶管钢丝等领域有着广泛的应用。顺应国家节能环保的要求，高碳钢丝向高强度方向发展，并且对钢丝的加工性能提出了更加严格的要求。
申请(专利)号为CN201910638740.0的中国专利申请公开了一种“超细超高强度钢丝、超细超高强度钢丝用盘条及其生产方法”。所述超细超高强度钢丝用盘条的化学成分以质量百分比计包括：C0.90～0.96％，Si0.12～0.30％，Mn0.30～0.65％，Cr0.10～0.30％，Al≤0.004％，Ti≤0.001％，Cu≤0.01％，Ni≤0.01％，S≤0.01％，P≤0.01％，O≤0.0006％，N≤0.0006％，其余为Fe和不可避免的杂质元素，其中的夹杂物尺寸≤4μm，脆性夹杂物平均密度≤2个/mm2。所述超细超高强度钢丝用盘条，可作为直径为50～60μm、抗拉强度≥4500MPa的超细超纲强度钢丝的生产用母材，且在拉拔制备成超细超高强度钢丝的过程中可实现不断丝的里程数≥300km。其生产方法包括真空感应熔炼、重熔、锻造和轧钢。
上述技术方案涉及超精细钢丝的化学成分和制造工艺，但是并未就提高超高强度钢丝的扭转性能进行成分设计和生产工艺设计。为了满足用户对超高强度钢丝扭转性能的要求，需要在这方面开展研究工作。
发明内容
本发明提供了一种耐扭转断裂的超高强度钢丝、钢丝用盘条及制造工艺，通过化学成分和生产工艺设计，使盘条和钢丝的组织均匀一致，达到了提高超高强度钢丝扭转性能的目的。
为了达到上述目的，本发明采用以下技术方案实现：
一种耐扭转断裂的超高强度钢丝用盘条，盘条的化学成分按质量百分比计为：[C]0.90％～0.94％，[Si]0.13％～0.22％，[Mn]0.23％～0.40％，[Cr]0.1％～0.3％，[V]0.0005％～0.0015％，[Mo]0.0010％～0.0040％，[Ti]0.0010％～0.0020％，[N]0.0018％～0.0035％，全氧0.0010％～0.0030％，酸溶铝0.0001％～0.0005％，其余为Fe及不可避免的杂质。
盘条组织中珠光体球团尺寸为15～25μm；盘条组织中晶界两侧晶粒局部取向差≤2°的占比为7.0％～9.7％，2°＜取向差≤10°的占比为0.5％～2％；盘条横截面沿直径方向的硬度差异不大于50HV。
一种耐扭转断裂的超高强度钢丝用盘条的制造工艺，包括如下步骤：
1)冶炼及精炼：钢液经过转炉冶炼后，进入LF炉进行精炼处理，精炼温度为1510～1560℃，精炼时间为30～50min；精炼过程中进行氩气搅拌，搅拌用的氩气流量为200～400NL/min；精炼过程钢中S含量控制在0.0070％～0.011％，氧活度控制在0.0022％～0.0045％；
2)钢液连铸：钢液精炼后进行连铸，控制连铸中间包过热度≤20℃；控制连铸过程钢液增氮≤10ppm，控制连铸浸入式水口内部氧化物中Al2O3≤80％；
3)连铸坯连轧：连铸坯连轧时的总加热时间为3.5～4.5h，均热段温度为1220～1280℃，均热时间为40～60min；
4)连轧坯加热：对连轧坯进行加热，加热速度为13～16℃/min，均热段温度为1120～1180℃；
5)钢坯出加热炉后进行高压水除鳞处理；
6)盘条轧制：加热后的钢坯经过粗轧、中轧、预精轧、精轧和双模块轧制后，进行盘条吐丝操作；盘条出精轧和双模块水箱时进行反向吹扫，出预精轧水箱时反向吹扫气体流量为20～40m3/h，出双模块水箱时反向吹扫气体流量为5～15m3/h；盘条吐丝温度控制在900～950℃；
7)盘条冷却：轧制后盘条冷却速度为15～28℃/s，控制珠光体长大速率在5～17％/s之间。
所述步骤5)中，高压水除鳞压力≥14MPa。
连轧坯的截面尺寸为150～170mm×150～170mm；盘条的直径为5.0～6.0mm。
一种耐扭转断裂的超高强度钢丝，采用所述盘条制造。
一种耐扭转断裂的超高强度钢丝的制造工艺，包括如下步骤：
1)机械除鳞：盘条进行机械除鳞处理，盘条表面氧化铁皮残留率≤0.07％；
2)盘条拉拔：盘条经过多道次拉拔，制成直径1.7～1.8mm的中间丝；
3)中间丝热处理：中间丝加热到900℃～910℃，经过冷却后在560～570℃发生相变；
4)钢丝拉拔：热处理后的中间丝经过拉拔制成直径为0.28～0.32mm的钢丝。
所述热处理后的中间丝的珠光体球团尺寸在10～15μm之间，珠光体片层间距在0.07～0.075μm之间；中间丝横截面沿直径方向的硬度差异不大于30HV。
所述钢丝的抗拉强度≥3600Mpa。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
通过化学成分和生产工艺设计，使盘条和钢丝的组织均匀一致，达到了提高超高强度钢丝扭转性能的目的；具体表现为：盘条的横截面硬度差异控制在50以内，热处理后的中间钢丝的横截面硬度差异控制在30以内，成品钢丝的抗拉强度达到3600Mpa以上，成品钢丝扭转性能不低于40次。
具体实施方式
本发明所述一种耐扭转断裂的超高强度钢丝用盘条，盘条的化学成分按质量百分比计为：[C]0.90％～0.94％，[Si]0.13％～0.22％，[Mn]0.23％～0.40％，[Cr]0.1％～0.3％，[V]0.0005％～0.0015％，[Mo]0.0010％～0.0040％，[Ti]0.0010％～0.0020％，[N]0.0018％～0.0035％，全氧0.0010％～0.0030％，酸溶铝0.0001％～0.0005％，其余为Fe及不可避免的杂质。
盘条组织中珠光体球团尺寸为15～25μm；盘条组织中晶界两侧晶粒局部取向差≤2°的占比为7.0％～9.7％，2°＜取向差≤10°的占比为0.5％～2％；盘条横截面沿直径方向的硬度差异不大于50HV。
本发明所述一种耐扭转断裂的超高强度钢丝用盘条的制造工艺，包括如下步骤：
1)冶炼及精炼：钢液经过转炉冶炼后，进入LF炉进行精炼处理，精炼温度为1510～1560℃，精炼时间为30～50min；精炼过程中进行氩气搅拌，搅拌用的氩气流量为200～400NL/min；精炼过程钢中S含量控制在0.0070％～0.011％，氧活度控制在0.0022％～0.0045％；
2)钢液连铸：钢液精炼后进行连铸，控制连铸中间包过热度≤20℃；控制连铸过程钢液增氮≤10ppm，控制连铸浸入式水口内部氧化物中Al2O3≤80％；
3)连铸坯连轧：连铸坯连轧时的总加热时间为3.5～4.5h，均热段温度为1220～1280℃，均热时间为40～60min；
4)连轧坯加热：对连轧坯进行加热，加热速度为13～16℃/min，均热段温度为1120～1180℃；
5)钢坯出加热炉后进行高压水除鳞处理；
6)盘条轧制：加热后的钢坯经过粗轧、中轧、预精轧、精轧和双模块轧制后，进行盘条吐丝操作；盘条出精轧和双模块水箱时进行反向吹扫，出预精轧水箱时反向吹扫气体流量为20～40m3/h，出双模块水箱时反向吹扫气体流量为5～15m3/h；盘条吐丝温度控制在900～950℃；
7)盘条冷却：轧制后盘条冷却速度为15～28℃/s，控制珠光体长大速率在5～17％/s之间。
所述步骤5)中，高压水除鳞压力≥14MPa。
连轧坯的截面尺寸为150～170mm×150～170mm；盘条的直径为5.0～6.0mm。
本发明所述一种耐扭转断裂的超高强度钢丝，采用所述盘条制造。
本发明所述一种耐扭转断裂的超高强度钢丝的制造工艺，包括如下步骤：
1)机械除鳞：盘条进行机械除鳞处理，盘条表面氧化铁皮残留率≤0.07％；
2)盘条拉拔：盘条经过多道次拉拔，制成直径1.7～1.8mm的中间丝；
3)中间丝热处理：中间丝加热到900℃～910℃，经过冷却后在560～570℃发生相变；
4)钢丝拉拔：热处理后的中间丝经过拉拔制成直径为0.28～0.32mm的钢丝。
所述热处理后的中间丝的珠光体球团尺寸在10～15μm之间，珠光体片层间距在0.07～0.075μm之间；中间丝横截面沿直径方向的硬度差异不大于30HV。
所述钢丝的抗拉强度≥3600Mpa。
本发明所述盘条的化学成分设计原则如下(按质量百分比计)：
盘条中的碳含量过低时，不能满足用户对钢丝拉拔时的强度要求，碳含量过高则会使盘条和钢丝的强度超出标准要求，降低盘条的冷加工性能，不利于钢丝扭转性能的提高；因此，本发明中碳含量控制在0.90％～0.94％。
硅是高碳钢中主要的脱氧元素，硅含量低将使钢液脱氧不足；同时硅元素是铁素体强化元素，硅含量过高则会降低盘条的拉拔性能，并降低盘条制成钢丝的扭转性能。因此，本发明中硅含量控制在0.13％～0.22％。
锰元素同时具有控制盘条强度和相变特征的性能。锰元素能够降低钢共析转变温度，使盘条的珠光体转变发生在低温区，细化盘条组织，提高盘条的加工性能，改善钢丝的扭转性能。锰也是一种提高线材强度的元素。但是锰元素含量过高，会使盘条的加工硬化显著，不利于提高盘条的冷加工性能。因此本发明中锰含量控制在0.23％～0.40％。
铬元素能够起到控制盘条珠光体片层间距的作用，并能够提高盘条的抗拉强度，改善盘条的塑性和拉拔性能，提高盘条制成钢丝的扭转性能。但是铬元素含量过高会使盘条拉拔过程的加工硬化显著，降低盘条加工性能。本发明将铬含量控制在0.1％～0.3％。
钒是强化铁素体元素，能够降低盘条中铁素体和渗碳体的强度差异，降低盘条拉拔和合股过程铁素体和渗碳体界面分离的几率，提高盘条和钢丝的变形能力，提高钢丝的扭转性能。钒也是碳、氮化物形成元素，能够细化钢坯和盘条组织。钒元素形成的碳、氮化物具有显著的抑制时效作用，能够防止由于应变时效导致的钢丝扭转断裂。本发明将钒含量控制在0.0005％～0.0015％。
钼是强碳化物形成元素，形成的碳化物具有阻止钢坯组织粗化的作用。在盘条由奥氏体到珠光体相变过程，钼元素阻碍碳元素的扩散，使盘条组织的各向异性增强，提高盘条和钢丝的冷加工性能。同时钼具有较强的提高盘条淬透性的作用，能够使盘条在冷却过程强度增加，盘条的拉拔性能下降，钢丝的扭转性能降低。因此本发明将钼含量控制在0.0010％～0.0040％。
钛元素是强脱氧元素，在钢中形成氧化钛。同时钛元素与钢中的氮元素形成氮化钛。细小的氧化钛和氮化钛能够起到抑制盘条冷加工过程拉拔和扭转断裂的作用。本发明将钛含量控制在0.0010～0.0020％。
氮元素会显著增加盘条在拉拔和扭转过程中的加工硬化，降低盘条的拉拔性能，降低钢丝的扭转性能，因此需要降低钢中的氮含量。但是，钢中的氮元素能够起到抑制渗碳体分解的作用，降低盘条在拉拔过程断裂的几率，提高钢丝的扭转性能。因此本发明将氮含量控制在0.0018％～0.0035％。
酸溶铝在钢中能够控制夹杂物的成分，使之处于低熔点区。本发明中酸溶铝含量为0.0001％～0.0005％。
氧元素在钢中的作用与酸溶铝作用相似，本发明将全氧含量控制在0.0010％～0.0030％。
本发明所述盘条组织中珠光体球团尺寸为15～25μm；盘条组织中晶界两侧晶粒局部取向差≤2°的占比为7.0％～9.7％，2°＜取向差≤10°的占比为0.5％～2％；载荷100g加载时间12s条件下，盘条横截面沿直径方向的硬度差异不大于50HV。通过将盘条珠光体球团尺寸及比例控制在适当范围，提高珠光体的均匀变形能力，进而提高盘条制成钢丝的耐扭转断裂能力。通过提高盘条横截面的硬度均匀性，提高盘条的冷加工性能，提高钢丝的扭转性能。
本发明所述盘条的制造过程及工艺参数控制原则如下：
1)冶炼及精炼：钢液经过转炉冶炼后，进入LF炉进行精炼处理，精炼温度为1510～1560℃，精炼时间为30～50min；精炼过程中进行氩气搅拌，搅拌用的氩气流量为200～400NL/min；精炼过程钢中S含量控制在0.0070％～0.011％，氧活度控制在0.0022％～0.0045％；通过钢液精炼过程硫含量和氧活度的控制，降低钢液表面张力，促进钢液中夹杂物上浮排出钢液。
2)钢液连铸：钢液精炼后进行连铸，控制连铸中间包过热度≤20℃；控制连铸过程钢液增氮≤10ppm，控制连铸侵入式水口内部氧化物中Al2O3≤80％。通过连铸过程增氮和侵入式水口氧化物Al2O3，防止钢中出现大颗粒氮化钛和三氧化二铝夹杂，提高钢丝的扭转性能。
3)连铸坯连轧：连铸坯连轧时的总加热时间为3.5～4.5h，均热段温度为1220～1280℃，均热时间为40～60min；连轧坯轧制规格(150～170)×(150～170)mm；通过钢坯高温扩散，减轻钢坯偏析，为盘条组织控制奠定基础。
4)连轧坯加热：对连轧坯进行加热，加热速度为13～16℃/min，均热段温度为1120～1180℃；通过连轧坯加热控制，为盘条轧制奠定基础。
5)钢坯出加热炉后进行高压水除鳞处理；防止钢坯表面氧化铁皮带入盘条，降低钢丝表面质量，恶化钢丝扭转性能。
6)盘条轧制：加热后的钢坯经过粗轧、中轧、预精轧、精轧和双模块轧制后，进行盘条吐丝操作；盘条在出精轧和双模块水箱时进行反向吹扫，去除轧件表面水锈，防止盘条表面锈蚀造成的钢丝拉拔和扭转断裂。出预精轧水箱反向吹扫气体流量为20～40m3/h，出双模块水箱反向吹扫气体流量为5～15m3/h。盘条吐丝温度控制在900～950℃。
7)盘条冷却：轧制后盘条冷却速度控制在15～28℃/s。珠光体长大速率在3～17％/s之间。
采用本发明所述盘条制造耐扭转断裂的超高强度钢丝的工艺过程设计原理如下：
1)机械除鳞：盘条进行机械除鳞处理，盘条表面氧化铁皮残留率≤0.07％，为控制钢丝表面质量奠定基础。
2)盘条拉拔：盘条经过多道次拉拔，制成直径1.7mm～1.8mm的中间丝；
3)中间丝热处理：中间丝加热到900℃～910℃，经过冷却后在560～575℃发生相变，使钢丝组织以索氏体为主，提高钢丝的拉拔性能；
4)钢丝拉拔：热处理后的中间丝经过拉拔制成直径为0.28～0.32mm的钢丝。
所述中间丝的珠光体球团尺寸在10～15μm之间，珠光体片层间距在0.07～0.075μm之间；载荷100g加载时间12s条件下，中间钢丝横截面沿直径方向的硬度差异不大于30HV。通过中间丝组织控制，提高成品钢丝扭转性能。
以下实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
【实施例】
本实施例中，盘条的化学成分、生产工艺参数、组织特征以及钢丝的生产工艺参数及规格如下表所示。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种耐扭转断裂的超高强度钢丝用盘条，其特征在于，盘条的化学成分按质量百分比计为：[C]0.90％～0.94％，[Si]0.13％～0.22％，[Mn]0.23％～0.40％，[Cr]0.1％～0.3％，[V]0.0005％～0.0015％，[Mo]0.0010％～0.0040％，[Ti]0.0010％～0.0020％，[N]0.0018％～0.0035％，全氧0.0010％～0.0030％，酸溶铝0.0001％～0.0005％，其余为Fe及不可避免的杂质；盘条组织中珠光体球团尺寸为15～25μm；盘条组织中晶界两侧晶粒局部取向差≤2°的占比为7.0％～9.7％，2°＜取向差≤10°的占比为0.5％～2％；盘条横截面沿直径方向的硬度差异不大于50HV；
盘条的制造工艺包括如下步骤：
1)冶炼及精炼：钢液经过转炉冶炼后，进入LF炉进行精炼处理，精炼温度为1510～1560℃，精炼时间为30～50min；精炼过程中进行氩气搅拌，搅拌用的氩气流量为200～400NL/min；精炼过程钢中S含量控制在0.0070％～0.011％，氧活度控制在0.0022％～0.0045％；
2)钢液连铸：钢液精炼后进行连铸，控制连铸中间包过热度≤20℃；控制连铸过程钢液增氮≤10ppm，控制连铸浸入式水口内部氧化物中Al2O3≤80％；
3)连铸坯连轧：连铸坯连轧时的总加热时间为3.5～4.5h，均热段温度为1220～1280℃，均热时间为40～60min；
4)连轧坯加热：对连轧坯进行加热，加热速度为13～16℃/min，均热段温度为1120～1180℃；
5)钢坯出加热炉后进行高压水除鳞处理；
6)盘条轧制：加热后的钢坯经过粗轧、中轧、预精轧、精轧和双模块轧制后，进行盘条吐丝操作；盘条出精轧和双模块水箱时进行反向吹扫，出预精轧水箱时反向吹扫气体流量为20～40m3/h，出双模块水箱时反向吹扫气体流量为5～15m3/h；盘条吐丝温度控制在900～950℃；
7)盘条冷却：轧制后盘条冷却速度为15～28℃/s，控制珠光体长大速率在5～17％/s之间。
2.根据权利要求1所述的一种耐扭转断裂的超高强度钢丝用盘条的制造工艺，其特征在于，所述步骤5)中，高压水除鳞压力≥14MPa。
3.根据权利要求1所述的一种耐扭转断裂的超高强度钢丝用盘条的制造工艺，其特征在于，连轧坯的截面尺寸为150～170mm×150～170mm；盘条的直径为5.0～6.0mm。
4.一种耐扭转断裂的超高强度钢丝，采用如权利要求1所述盘条制造。
5.如权利要求4所述一种耐扭转断裂的超高强度钢丝的制造工艺，其特征在于，包括如下步骤：
1)机械除鳞：盘条进行机械除鳞处理，盘条表面氧化铁皮残留率≤0.07％；
2)盘条拉拔：盘条经过多道次拉拔，制成直径1.7～1.8mm的中间丝；
3)中间丝热处理：中间丝加热到900℃～910℃，经过冷却后在560～570℃发生相变；
4)钢丝拉拔：热处理后的中间丝经过拉拔制成直径为0.28～0.32mm的钢丝。
6.根据权利要求5所述一种耐扭转断裂的超高强度钢丝的制造工艺，其特征在于，所述热处理后的中间丝的珠光体球团尺寸在10～15μm之间，珠光体片层间距在0.07～0.075μm之间；中间丝横截面沿直径方向的硬度差异不大于30HV。
7.根据权利要求5所述一种耐扭转断裂的超高强度钢丝的制造工艺，其特征在于，所述钢丝的抗拉强度≥3600Mpa。
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