ES2860579T3

ES2860579T3 - Alambre con núcleo de acero con un revestimiento de aleación metálica

Info

Publication number: ES2860579T3
Application number: ES18729895T
Authority: ES
Inventors: Simone Agresti
Original assignee: Bekaert NV SA
Current assignee: Bekaert NV SA
Priority date: 2017-06-22
Filing date: 2018-05-28
Publication date: 2021-10-05
Anticipated expiration: 2038-05-28
Also published as: CN110785510A; EP3642382A1; WO2018233986A1; EP3642382B1; CN110785510B; HUE053878T2

Abstract

Un alambre que tiene un núcleo de acero con un diámetro que varía de 0,30 mm a 3,0 mm, teniendo dicho alambre dos capas de revestimiento metálico: - una primera capa de una aleación de cinc alrededor de dicho núcleo y que muestra claramente un gradiente de cinc, estando el cinc más presente en el lado exterior, - una segunda capa de cobre alrededor de dicha primera capa.

Description

DESCRIPCIÓN

Alambre con núcleo de acero con un revestimiento de aleación metálica

Campo técnico

La invención se refiere a un alambre que tiene un núcleo de acero y un revestimiento metálico y a un método para fabricar y procesar adicionalmente tal alambre.

Antecedentes en la técnica

Se conocen los alambres de acero con un revestimiento de aleación metálica, por ejemplo, un revestimiento de latón, para el refuerzo de productos de caucho, tales como neumáticos de caucho. El revestimiento de aleación se obtiene en primer lugar por enchapado de los metales separados uno después de otro, seguido por un tratamiento térmico para difundir los metales en una aleación. Se imponen altas exigencias a estos alambres de acero, tales como alta resistencia a la tracción y alto nivel de adhesión al caucho.

Los alambres de acero con un revestimiento de aleación metálica, por ejemplo un revestimiento de latón, también se conocen para uso como alambre de sierra abrasivo suelto para el corte de lingotes de silicio. Al igual que los alambres de acero para refuerzo de caucho, el revestimiento de aleación también se obtiene aquí por enchapado de los metales separados uno tras otro, seguido por un tratamiento térmico para difundir los metales en una aleación. También se imponen altas exigencias a estos alambres de sierra tales como, en particular, una alta resistencia a la tracción. Se conoce en la técnica que se obtienen altas resistencias a la tracción aplicando un alto grado de deformación en frío a los alambres de acero, más particularmente, mediante una operación de estiramiento del alambre por vía húmeda con un alto grado de reducción de sección transversal.

Sin embargo, el estado de la técnica de la deformación en frío tiene sus propios límites inherentes.

Para obtener una alta resistencia a la tracción, el grado de estiramiento tiene que ser elevado. Cuanto mayor es el grado de estiramiento, mayor es la pérdida de revestimiento metálico como consecuencia de la operación de estiramiento, más particularmente como resultado de los contactos entre el alambre de acero y las matrices de estiramiento. Esta pérdida elevada de revestimiento metálico podría compensarse aplicando un revestimiento de mayor grosor. Sin embargo, este revestimiento de mayor grosor requerirá un tratamiento térmico más intenso para difundir los dos metales en una aleación. Cuanto más intenso sea el tratamiento térmico, mayor será la pérdida de resistencia a la tracción del alambre de acero. Esto significa que la resistencia a la tracción inicial es inferior, lo que necesita compensarse con grados de estiramiento incluso mayores.

Como resultado, de acuerdo con el estado de la técnica y sin cambiar otros parámetros tales como la composición del acero, existe en algún lugar un valor óptimo de la resistencia a la tracción final obtenible, que es difícil aumentar más sin deteriorar el procesamiento.

Divulgación de la invención

Un objetivo principal de la invención es aumentar adicionalmente la resistencia a la tracción obtenible.

Un objetivo adicional de la invención es mejorar la deformabilidad de los alambres de acero.

Un objetivo de la invención también es reducir las pérdidas de revestimiento durante la deformación.

Otro objetivo más de la invención es reducir el consumo de matriz de estiramiento.

Visto desde otro punto de vista, la invención también tiene como objetivo reducir el consumo de lubricante de estiramiento.

Otro objetivo más de la invención es mantener la adhesión en productos de caucho.

De acuerdo con un primer aspecto de la presente invención, se proporciona un alambre de acero con un núcleo de acero con un diámetro que varía de 0,30 mm a 3,0 mm. El alambre de acero tiene dos capas de revestimiento metálico: 1) una primera capa de una aleación de cinc alrededor del núcleo de acero y que muestra claramente un gradiente de cinc, estando el cinc más presente en el lado exterior;

2) una segunda capa de cobre alrededor de esta primera capa.

Los alambres de acero con un diámetro que varía de 0,30 mm a 1,0 mm son productos intermedios adecuados para fabricar alambre de sierra abrasivo suelto.

Los alambres de acero con un diámetro que varía de 0,90 mm a 3,0 mm son productos intermedios adecuados para fabricar filamentos de acero adaptados para refuerzo de caucho.

Debido al hecho de que la primera capa de aleación de cinc muestra claramente un gradiente de cinc, el tratamiento térmico para la difusión de los dos o más metales en la aleación puede ser menos intenso. Por lo tanto, la pérdida de resistencia a la tracción puede evitarse o incluso no estar presente. De ese modo, los alambres de acero intermedios tienen una mayor resistencia a la tracción inicial. Como resultado, para grados iguales de deformación, la resistencia a la tracción final es mayor o, para resistencias a la tracción finales iguales, el grado de deformación puede ser inferior. La segunda capa superior de cobre sobre la primera capa mejora la deformabilidad, reduce las pérdidas de revestimiento, reduce el desgaste de la matriz y reduce la composición de lubricante.

Los documentos de Patente de la técnica anterior JP-A2-62-246425, EP-A2-0185492, JP-A2-61-284321, JP-A2-61-28432 y JP-A2-61-241027 desvelan todos ellos alambres de acero adaptados para mecanización por electrodescarga (EDM). Estos alambres de acero tienen un revestimiento de aleación de cinc que tiene un gradiente de cinc, siendo la densidad de cinc elevada hacia la superficie exterior. Debido al hecho de que el cinc causa una mayor fricción que el cobre y al hecho de que está presente más cinc en la superficie, por el contrario, estos alambres de acero no tendrán una capacidad estiramiento mejorada ni conducirán a una reducción en pérdida de revestimiento, una reducción en consumo de lubricante o una reducción en desgaste de troquel.

El documento de Patente de la técnica anterior WO-A1-2011/076746 desvela un alambre de acero revestido con latón con un gradiente de cinc en el revestimiento. El gradiente de cinc es tal que, a diferencia de la invención, está presente menos cinc en la superficie de la capa de latón.

El documento de Patente de la técnica anterior EP-B1-1295985 desvela un alambre de acero con dos capas de revestimiento metálico. La primera capa es un revestimiento de latón, la segunda capa superior es una capa de cobre. El documento EP-B1-1295985 no enseña sobre la presencia de un gradiente de cinc en la primera capa. Además, la capa superior de cobre tiene un grosor que es menor de 0,02 pm.

El documento de Patente US4686153 está relacionado con EDM de alambres eléctricos y desvela la creación de un alambre de acero (11) con una capa de cobre (12) y con una capa de CuZn (14) exterior. El gradiente de concentración creado por difusión de la capa exterior es tal que la concentración de cinc aumenta hacia el exterior (véanse las figuras 2-6, resumen, columnas 5-7). Por lo tanto, no está presente ninguna capa superior de cobre puro.

En una realización de la invención, la primera capa es una aleación de cobre-M-cinc, donde M es uno o más metales seleccionados entre el grupo que consiste en cobalto, níquel, estaño, indio, manganeso, hierro, bismuto y molibdeno. La primera capa y la segunda capa conjuntamente pueden tener un contenido de cobre que varía de un 58 % en peso a un 75 % en peso, por ejemplo de un 61 % en peso a un 70 % en peso. El contenido de los uno o más metales M puede variar de un 0,5 % en peso a un 10 % en peso, por ejemplo de un 2 % en peso a un 8 % en peso.

En una realización preferente de la invención, la primera capa es una aleación de cobre-cinc, que solo tiene cobre y cinc como elementos principales. La primera capa y la segunda capa conjuntamente pueden tener un contenido de cobre que varía de un 60 % en peso a un 70 % en peso, por ejemplo de un 61 % en peso a un 69 % en peso.

La expresión "que muestra claramente un gradiente de cinc, estando el cinc más presente en el lado exterior" se refiere preferentemente a una configuración donde existe un Xext por ciento de cinc en el lado exterior de la primera capa y un Xint por ciento de cinc en el lado interior de la primera capa y donde la diferencia Xext - Xint es más de un 15 por ciento, por ejemplo más de un 16 por ciento, por ejemplo más de un 17 por ciento, por ejemplo más de un 18 por ciento.

En una realización preferente de la invención, el porcentaje en peso de cobre en la primera y la segunda capas es más de un 58 % en peso. En una realización preferente de la invención, el porcentaje en peso de cobre es inferior a un 70 % en peso.

La segunda capa de cobre tiene preferentemente un grosor de más de 0,10 pm, por ejemplo más de 0,12 pm, por ejemplo más de 0,15 pm.

De acuerdo con un segundo aspecto de la invención, se proporciona un método para fabricar un alambre de acero. Este método comprende las siguientes etapas:

a. proporcionar un núcleo de acero con un diámetro que varía entre 0,30 mm y 3,0 mm;

b. enchapar este núcleo de acero con dos o más metales, siendo uno de ellos cinc;

c. calentar el núcleo de acero enchapado de ese modo de forma que los dos o más metales se difundan parcialmente y formen una primera capa, que muestra claramente un gradiente de cinc, estando el cinc más presente en el lado exterior que en el lado interior;

d. enchapar una segunda capa de cobre alrededor de la primera capa.

Preferentemente, con respecto al gradiente de cinc, existe un Xext por ciento de cinc en el lado exterior de la primera capa y un Xint por ciento de cinc en el lado interior de la primera capa y donde la diferencia Xext - Xint es más de un 15 por ciento, por ejemplo, más de un 16 por ciento, por ejemplo, más de un 17 por ciento, por ejemplo más de un 18 por ciento.

En una realización preferente de la invención, el método comprende además la etapa de estirar el alambre de acero de modo que el cobre de la segunda capa y los dos o más metales de la primera capa se difundan entre sí y formen una capa global.

Lo más preferentemente, la difusión como resultado de la operación de estiramiento es tal que el lado exterior de la capa global tiene un Xgext por ciento de cinc y el lado interior de la capa global tiene un Xgint por ciento de cinc, donde la diferencia Xgext - Xgint es menos de un 15 por ciento, por ejemplo menos de un 14 por ciento, por ejemplo menos de un 12 por ciento.

Breve descripción de las figuras en los dibujos

La Figura 1 muestra esquemáticamente etapas para fabricar un alambre de acero intermedio de acuerdo con la técnica anterior.

La Figura 2 muestra esquemáticamente etapas para fabricar un alambre de acero intermedio de acuerdo con la invención.

La Figura 3 muestra una sección transversal

alambre de acero intermedio de acuerdo con la invención. La Figura 4 muestra una sección transversal de un filamento de acero final.

Modo, o modos, para realizar la invención

La Figura 1 ilustra de modo esquemático un proceso de la técnica anterior. En primer lugar, un alambre de acero 10 se enchapa con cobre (Cu) en una instalación de enchapado de cobre 12 en una cantidad igual que la cantidad final de cobre necesaria o deseada. El alambre enchapado con cobre se reviste a continuación con cinc (Zn) en una instalación de enchapado de cinc 14 en una cantidad igual a la cantidad final de cinc necesaria o deseada. El alambre de acero con el revestimiento doble se somete a continuación a un tratamiento de termodifusión, por ejemplo mediante una instalación de frecuencia media 16. El grosor del revestimiento de latón se representa en 17. La cantidad de energía de termodifusión empleada es tal que se obtiene una aleación completa de cobre con cinc, o al menos aproximadamente. Esto significa que el gradiente de cinc en este revestimiento de latón es inexistente o limitado a un máximo de un 15 %, preferentemente un máximo de un 10 %. El resultado de este proceso de la técnica anterior es un alambre de acero 18 con un revestimiento de latón más o menos homogéneo.

La Figura 2 ilustra la presente invención. Un alambre de acero 20 entra en un baño de enchapado de cobre 22 donde se deposita solo de un 75 % a un 85 % de la cantidad final de cobre deseada o necesaria en el acero 20. Después de eso, el alambre de acero entra en una instalación de enchapado de cinc 24 donde se deposita un 100 % de la cantidad final de cinc deseada o necesaria. El alambre de acero con la capa doble se somete a continuación a un tratamiento de termodifusión, por ejemplo, en una instalación de frecuencia media 26. A diferencia de la técnica anterior, se consigue como objetivo solo una aleación parcial, lo que significa que se realiza solo una difusión parcial ahorrando de ese modo de un 15 a un 30 % de energía de termodifusión. El grosor del revestimiento de cobre-cinc parcialmente aleado se ilustra en 27. Después de la etapa de termodifusión, el alambre de acero se enchapa con el 25 % al 15 % de cobre restante en una segunda instalación de enchapado de cobre 28.

El resultado es un alambre intermedio 30 con una primera capa de aleación de cobre-cinc que muestra un claro gradiente de cinc, estando el cinc más presente en el lado exterior, y una segunda capa de cobre en la superficie y alrededor de la primera capa. Debido a este revestimiento superior de cobre, este alambre intermedio 30 tiene un color que es más rojo que un alambre con un revestimiento de latón común.

El tratamiento de difusión parcial en la instalación 26 une el cinc al cobre, a pesar de la presencia de un gradiente de cinc. Esta unión evita que el cinc se disuelva en el segundo baño de cobre 28.

Además del grado de ahorro de energía, el tratamiento de termodifusión menos intenso tiene la ventaja adicional de que la pérdida de resistencia a la tracción del alambre de acero intermedio es inexistente o se reduce sustancialmente.

Todos los demás parámetros permanecen sin cambios, lo que significa que la resistencia a la tracción antes de comenzar la operación de estiramiento del alambre por vía húmeda es mayor que la de la técnica anterior. Los ensayos han mostrado diferencias de resistencia a la tracción entre la técnica anterior y la invención que varían entre 10 MPa y 25 MPa.

En la Figura 3 se muestra la sección transversal del alambre de acero intermedio con revestimiento doble 30. El alambre de acero 30 tiene un núcleo de acero 32, una primera capa de un revestimiento de cobre-cinc parcialmente aleada 34 y una segunda capa de cobre 36 sobre de la primera capa 34.

La Figura 4 muestra la sección transversal de un filamento de acero final 40. Tiene un núcleo de acero 42 con una única capa "global" de latón 44 sin gradiente o con un gradiente que es menos pronunciado que el gradiente del alambre de acero intermedio 30.

Como se ha mencionado, el estiramiento del alambre por vía húmeda es el proceso que transforma el alambre de acero intermedio 30 en el filamento de acero final 40. El calor generado durante el proceso de estiramiento de alambre por vía húmeda hace que la primera y la segunda capas se difundan entre sí para dar como resultado un revestimiento de latón que es más o menos homogéneo.

En comparación con la técnica anterior, son evidentes las siguientes diferencias cuando se estira un alambre de acero intermedio de acuerdo con la invención.

Se observa una pérdida solo de un 3 % a un 4 % del revestimiento.

El proceso de estiramiento de alambre por vía húmeda consume menos lubricante.

Es necesaria menos energía en el proceso de estiramiento de alambre por vía húmeda.

Se observa menos desgaste de matriz.

Estas ventajas pueden atribuirse al revestimiento superior de cobre 36 que causa menos deslizamiento que un revestimiento de latón o cinc.

Además de las ventajas experimentadas durante el estiramiento de alambre por vía húmeda, el procesamiento adicional corriente abajo, tal como el trenzado en cable, también presenta ventajas cuando se manipula un filamento de acero originado en un alambre de acero intermedio de acuerdo con la invención. Más particularmente, se ha observado una reducción sustancial en el número de fracturas. Para una construcción de cable de acero realizada mediante un proceso de trenzado doble ("agrupamiento"), el nivel de fracturas por tonelada se redujo en un 50 %.

A continuación, la Tabla 1 menciona los siguientes valores y parámetros:

- diámetro de alambre del alambre de acero intermedio;

- cantidad y grosor del cobre de la 1a capa;

- cantidad y grosor del cinc de la ia capa;

- cantidad y grosor del cobre de la 2a capa;

- porcentaje Xext de cinc en el lado radialmente exterior de la ia capa después de termodifusión;

- porcentaje Xint de cinc en el lado radialmente interior de la ia capa después de termodifusión;

- gradiente Xext - Xint de Zn;

- porcentaje de energía de termodifusión ahorrada en un proceso de la invención en comparación con la técnica anterior.

Los porcentajes de Zn se midieron mediante espectroscopia fotoelectrónica de rayos X (XPS) en combinación con perfilado en profundidad con una pistola de iones de argón.

Tabla 1

Para un filamento de acero 40 final, el revestimiento de latón individual tiene un gradiente de cinc que es mucho menor que el de la primera capa de un alambre de acero intermedio 30.

Para un filamento de acero final de 0,30 mm, se midió un gradiente Xgext - Xgint de un 10 %, y para un filamento de acero final de 0,175 mm, se midió un gradiente Xgext - Xgint de un 11 %.

Una composición de acero adecuada es, por ejemplo, un contenido mínimo de carbono de un 0,65 %, un contenido de manganeso que varía de un 0,10 % a un 0,70 %, un contenido de silicio que varía de un 0,05 % a un 0,50 %, un contenido máximo de azufre de un 0,03 %, un contenido máximo de fósforo de un 0,03 %, incluso de un 0,02 %, siendo todos los porcentajes en peso. Existen solo trazas de cobre, níquel y/o cromo. El resto es siempre hierro.

También pueden ser adecuadas composiciones de acero microaleadas, tales como las composiciones que comprenden además uno o más de los siguientes elementos:

- cromo (% Cr): en cantidades que varían de un 0,10 % a un 1,0 %, por ejemplo de un 0,10 a un 0,50 %;

- níquel (% Ni): en cantidades que varían de un 0,05 % a un 2,0 %, por ejemplo de un 0,10 % a un 0,60 %;

- cobalto (% Co): en cantidades que varían de un 0,05 % a un 3,0 %; por ejemplo de un 0,10 % a un 0,60 %;

- vanadio (% V): en cantidades que varían de un 0,05 % a un 1,0 %, por ejemplo de un 0,05 % a un 0,30 %;

- molibdeno (% Mo): en cantidades que varían de un 0,05 % a un 0,60 %, por ejemplo de un 0,10 % a un 0,30 %; - cobre (% Cu): en cantidades que varían de un 0,10 % a un 0,40 %, por ejemplo de un 0,15 % a un 0,30 %;

- boro (% B): en cantidades que varían de un 0,001 % a un 0,010 %, por ejemplo de un 0,002 % a un 0,006 %; - niobio (% Nb): en cantidades que varían de un 0,001 % a un 0,50 %, por ejemplo de un 0,02 % a un 0,05 %;

- titanio (% Ti): en cantidades que varían de un 0,001 % a un 0,50 %, por ejemplo de un 0,001 % a un 0,010 %; - antimonio (% Sb): en cantidades que varían de un 0,0005 % a un 0,08 %, por ejemplo de un 0,0005 % a un 0,05 %; - calcio (% Ca): en cantidades que varían de un 0,001 % a un 0,05 %, por ejemplo de un 0,0001 % a un 0,01 %; - tungsteno (% W): por ejemplo en una cantidad de aproximadamente un 0,20 %;

- circonio (% Zr): por ejemplo una cantidad que varía de un 0,01 % a un 0,10 %;

- aluminio (% Al): preferentemente en cantidades inferiores a un 0,035 %, por ejemplo inferiores a un 0,015 %, por ejemplo inferiores a un 0,005 %;

- nitrógeno (% N): en cantidades inferiores a un 0,005 %;

- metales de tierras raras (% REM): en cantidades que varían de un 0,010 % a un 0,050 %.

En el contexto de la presente invención, no se excluyen las composiciones de acero con bajo contenido en carbono, tales como las desveladas en el documento de Patente EP-A-2268839. Tales composiciones de acero tienen un contenido de carbono de menos de un 0,20 %, un ejemplo es un contenido de carbono que varía entre un 0,04 % y un 0,08 %, un contenido de silicio de un 0,166 %, un contenido de cromo de un 0,042 %, un contenido de cobre de un 0,173 %, un contenido de manganeso de un 0,382 %, un contenido de molibdeno de un 0,013 %, un contenido de nitrógeno de un 0,006 %, un contenido de níquel de un 0,077 %, un contenido de fósforo de un 0,007 %, un contenido de azufre de un 0,013 %, siendo todos los porcentajes en peso.

Números de referencia

10 alambre de acero

12 enchapado de cobre (Cu)

14 enchapado de cinc (Zn)

16 termodifusión

17 revestimiento de latón CuZn

18 alambre de acero revestido con latón

20 alambre de acero

22 enchapado de cobre (Cu) pero no en su extensión total

24 enchapado de cinc (Zn)

26 termodifusión pero no en su extensión total

28 enchapado superior de cobre (Cu)

30 alambre de acero enchapado de latón superior de cobre

32 núcleo de acero

34 primera capa de latón

36 segunda capa de cobre

40 alambre de acero final

42 núcleo de acero

44 capa de latón

Claims

REIVINDICACIONES

1. Un alambre

que tiene un núcleo de acero con un diámetro que varía de 0,30 mm a 3,0 mm,

teniendo dicho alambre dos capas de revestimiento metálico:

- una primera capa de una aleación de cinc alrededor de dicho núcleo y que muestra claramente un gradiente de cinc, estando el cinc más presente en el lado exterior,

- una segunda capa de cobre alrededor de dicha primera capa.

2. Un alambre de acuerdo con la reivindicación 1,

en donde dicha primera capa es una aleación de cobre-M-cinc, donde M es uno o dos metales seleccionados entre el grupo que consiste en cobalto, níquel, estaño, indio, manganeso, hierro, bismuto y molibdeno.

3. Un alambre de acuerdo con la reivindicación 1,

en donde dicha primera capa es una aleación de cobre-cinc.

4. Un alambre de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones precedentes,

en donde dicho lado exterior de dicha primera capa tiene un Xext por ciento de cinc y dicho lado interior de dicha primera capa tiene un Xint por ciento de cinc, siendo Xext - Xint más de un 15 por ciento.

5. Un alambre de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones 2 a 4,

en donde el porcentaje en peso de cobre en ambas primera y segunda capas es más de un 58 % en peso.

6. Un alambre de acuerdo con la reivindicación 5,

en donde el porcentaje en peso de cobre en la primera y la segunda capas es inferior a un 70 % en peso.

7. Un alambre de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones precedentes,

en donde la segunda capa tiene un grosor que es más de 0,10 pm.

8. Un método para fabricar un alambre, comprendiendo dicho método las siguientes etapas:

b. enchapar dicho núcleo de acero con dos o más metales, siendo uno de ellos cinc;

d. enchapar una segunda capa de cobre alrededor de dicha primera capa.

9. Un método de acuerdo con la reivindicación 8,

10. Un método de acuerdo con la reivindicación 8 o 9,

comprendiendo además dicho método la etapa:

e. estirar dicho alambre de acero de modo que el cobre de la segunda capa y los dos o más metales de la primera capa se difundan entre sí y formen una capa global.

11. Un método de acuerdo con la reivindicación 10,

en donde la difusión como resultado de dicho estiramiento es tal que dicho lado exterior de dicha capa global tiene un Xgext por ciento de cinc y dicho lado interior de dicha capa global tiene un Xgint por ciento de cinc, siendo Xgext - Xgint menos de un 15 por ciento.