专利名称：扭绞特性优异的拉伸用钢丝棒及其制造方法
技术领域：
本发明涉及一种拉伸用钢丝棒及其制造方法，当拉伸成钢丝帘线、钢丝锯条以及PC钢缆用的钢丝时，所述的钢丝棒表现出良好的扭绞特性。
按照日本工业标准规定的“扭绞试验”对上述硬钢丝的质量作了检测。它必需符合该标准中规定的扭绞数、断裂状态、扭绞均匀性等要求。(在下文中将这些要求称为“扭绞特性”)。硬钢丝所需的特性之一是耐纵向断裂性，即所谓的层离。
通常在上述钢丝的生产中采用珠光体转变法。根据该方法，将钢丝棒在高于奥氏体转变(或γ-转变)的A3转变点的温度(譬如说，900-1100℃)下加热，淬火，并在550-600℃进行等温转变(淬火)以得到珠光体结构，然后进行冷拉伸。
需要拉伸成钢丝的钢丝棒必需具有良好的拉伸特性和良好的扭绞特性。
为了满足这种需要，日本专利公报No.302120/1993披露了一种使网状或浓渗碳体结构减至最小的方法，因为该文献认为这种渗碳体结构对拉伸性能有影响。根据该公开，通过在低于A1转变点的温度下进行转化之前或之中使钢丝进行奥氏体转变并对钢丝淬火，达到了目的。
该项披露提出，所得到的钢丝在扭绞测试中没有发生层离。然而，实际上，所得到的钢丝在扭绞特性方面改进不大，因为所披露的方法基本上是为了改善拉伸性。
此外，日本专利公报No.199978/1999披露了一种拉伸用钢丝棒，它是从改进扭绞特性的观点出发而生产的，从而使共析钢或超一共析钢的铁氧体粒径平均为4.0μm。然而，该公开的技术尚不能满足最近对拉伸性和扭绞特性的需要。
本发明涉及一种扭绞特性优良的拉伸用钢丝棒，其特征在于它的原料为含有0.1-2.0质量％的Si和0.2-2.0质量％的Mn的共析钢或超共析钢，其中的珠光体结构占据不小于微结构的80面积％，以及其中作为第二相的铁氧体的最大长度不大于10μm。优选实施方案中的钢丝棒的特征在于其中的珠光体瘤状物的尺寸不大于20μm。
本发明的钢丝棒，是由含有特定量的Si和Mn的共析钢或超共析钢(具有0.65-1.2质量％的C)制成。它可任选含有任何一种或多种选自如下元素的物质(a)小于0.1质量％的Cu(不包括0质量％)，(b)不超过0.8质量％的Cr(不包括0质量％)，(c)不超过1质量％的Ni(不包括0质量％)，(d)0.0003-0.005质量的B(在固体溶液中，不小于0.0003质量％的B)，(e)不超过0.1质量％的V(不包括0质量％)，不超过0.1质量％的Ti(不包括0质量％)，不超过0.1质量％的Nb(不包括0质量％)，以及不超过0.1质量％的Mo(不包括0质量％)。
钢丝棒各特性方面的改进的差别取决于所加入的各元素。
在本发明中作为特定的拉伸用钢丝棒是通过以1.5或1.5以上的真应变进行拉伸并于下式(1)所限定的温度(T℃)下淬火来制造的。354[C]+5.15[Cr]+1000[B]+600≤T≤354[C]+5.15[Cr]+1000[B]+620…(1)式中[C]，[Cr]，和[B]分别是指C、Cr和B的含量(质量％)。
为了实现满足上述需要的拉伸用钢丝棒，本发明者进行了深入的研究。结果发现，如果钢丝棒是由含有特定量的Si和Mn的共析钢或超共析钢(其中珠光体结构构成不小于微结构的80面积％，作为第二相的铁氧体的最大长度不大于10μm)制成，则可以达到上述目的。由这一发现引出了本发明。
本发明者继续研究，并设想扭绞特性受到作为第二相的铁氧体的最大长度的影响。结果发现，控制铁氧体的最大长度的主要因素是奥氏体的应变尺寸和淬火中由加热不足产生的不溶解碳化物的含量。不溶解碳化物起着铁氧体成核位点的作用并且还防止奥氏体晶粒生长。
从消除铁氧体成核点的角度，希望能够几乎完全消除不溶解碳化物；但是，为了控制奥氏体的粒径必需含有少量不溶解碳化物。根据本发明，已确定淬火的条件来控制奥氏体的粒度和不溶解碳化物的用量，以此来规定铁氧体的最大长度。因而有可能得到扭绞特性优良的拉伸用钢丝棒。
顺便提及，日本专利公报No.199978/1999中建议铁氧体的最大粒度(或主轴的长度)不应大于12μm以防止纵向开裂。然而，并未透露达到此目的的具体方法。其目的在于通过规定铁氧体平均粒径来代替较为困难的对铁氧体实际粒径的控制和检测，由此改善扭绞特性。相反，本发明通过规定组成和热处理条件有可能保持铁氧体的最大长度不大于10μm。
作为第二相的铁氧体的最大长度是指不具有珠光体结构的铁氧体的晶体颗粒的主轴长度。根据本发明，当铁氧体的最大长度不大于10μm时，钢丝棒表现出良好的扭绞特性。如果铁氧体的最大长度超过10μm，则钢丝棒的扭绞特性变坏并容易产生称为层离的纵向开裂。
本发明的钢丝棒含有通过淬火形成的珠光体结构的主相。在钢丝棒中的珠光体结构的含量应不小于80面积％。否则，由于贝氏体结构增加，钢丝棒的拉伸性能会变坏。此外，从上述可清楚地看出，本发明的钢丝棒应最好不含铁氧体。然而，铁氧体的作用可以通过充分控制铁氧体的颗粒大小降低到最低限度。
控制作为第二相的铁氧体的最大长度同控制奥氏体的颗粒大小一样重要。然而，实际上不可能测量出经过淬火处理的钢丝棒中奥氏体的颗粒大小，因为在淬火之后奥氏体的颗粒边界便消失了。鉴于奥氏体的颗粒大小与瘤状物大小(或块体大小)具有良好的对应关系，如果保持瘤状物大小不大于30μm，就有可能有效地控制奥氏体的颗粒大小。换言之，如果保持瘤状物大小不大于30μm，作为第二相的铁氧体的最大长度就不大于10μm。
按照本发明，拉伸用钢丝棒的原料是如下所述的含有0.65-1.2质量％的C和足够量的其它成分(Si，Mn，等)的共析钢或超一共析钢C0.65-1.2质量％这种价格便宜的元素在增加强度上是有效的。由于拉伸的加工硬化和拉伸后的强度是以正比于C的量而增加。用少量C来还原铁氧体是难以达到的。本发明的钢丝棒应由含有不少于0.65质量％的C的共析钢或超共析钢制成。然而，过大的C量会在奥氏体的颗粒的边界上形成网状渗碳体，使钢丝棒在拉伸时易于断裂。由这样的钢丝棒拉制的细金属丝的韧性和耐久性相当差。因而，最大C含量应为1.2质量％。C含量的下限应优选0.7质量％，更优选0.8质量％。碳含量的上限应优选1.1质量％。Si0.1-2.0质量％该元素用作脱氧剂。它在本发明的钢丝棒中起着重要作用，其基本上不含有会形成氧化铝(Al2O3)杂质的Al，而Al杂质会诱导形成凹洞断裂。为使Si充分发挥其作用，Si的含量应不低于0.1质量％。过多含量的Si会防碍在拉伸过程中的机械除鳞作用(短期MD)。Si含量的上限应为2.0质量％，优选1质量％，更优选0.5质量％。Mn0.2-2质量％同Si一样，该元素也起着脱氧剂的作用。对于未积极引入Al的本发明的钢丝棒来说，必须用Si和Mn进行有效脱氧。为了达到最大效果，Mn含量应不低于0.2质量％。然而，Mn含量应不超过2.0质量％，因为Mn容易偏析，而过量的Mn会在偏析部分形成过—冷却结构(例如马氏体和贝氏体)，因而使可拉伸性变坏。Mn含量的优选下限为0.3质量％，Mn含量的优选上限为1质量％。
本发明的拉伸用钢丝棒基本上是由上述成分组成的，其余的基本上是Fe。还可任选含有选自如下元素的一种或多种组份
(a)小于0.1质量％的Cu(不包括0质量％)，(b)不超过0.8质量％的Cr(不包括0质量％)，(c)低于1质量％的Ni(不包括0质量％)，(d)0.0003-0.005质量的B(在固体溶液中不低于0.0003质量％的B)，(e)不超过0.1质量％的V(不包括0质量％)，不超过0.1质量％的Ti(不包括0质量％)，不超过0.1质量％的Nb(不包括0质量％)，以及不超过0.1质量％的Mo(不包括0质量％)。
特性改善根据所加入的各组份而有所变化。
各任选组份的含量是特定的，原因如下。本发明的钢丝棒可含有痕量的没有负作用的附加成份(例如作为不可避免的杂质的P，S，As，Sb，和Sn)。含有这些成份的钢丝棒也在本发明的范围之内。Cu小于0.1质量％(不包括0质量％)。
这种元素能有效地增加钢丝的耐腐蚀性。它还可以改善在MD时的鳞的可剥离性并防止模具的滞塞。为达到最大效果，Cu的含量应不少于0.05质量％。然而，热轧制之后甚至当热辊后的金属棒保持在约900℃的高温下时，过量的Cu会导致金属棒表面起泡。起泡导致在气泡下面的钢基质中形成磁铁体，而这种磁铁体会损害MD。此后，Cu与S反应会在颗粒边界处偏析CuS。在钢丝棒的生产过程中这种偏析会使钢丝棒产生斑点。为了防止这种副作用，铜含量应小于0.1质量％。Cr不超过0.8质量％(不包括0质量％)这种元素能减少珠光体的层片间隙，以此可改善钢丝棒的强度和可拉伸性。为了得到最佳效果，Cr的含量应不小于0.05质量％。然而，过量的Cr会形成不溶解的渗碳体或延长转变至完全所需要的时间。这便在热辊轧后的钢丝棒中形成过冷却的结构(例如马氏体和贝氏体)。因此，Cr含量的上限不应当超过0.8质量％。Ni不超过1质量％(不包括0质量％)这种元素可改善渗碳体的延展性，因而对可拉伸性有贡献。如果它的加入量等于或稍小于Cu，它可防止由Cu诱导产生的热开裂。Ni含量的上限应当不超过1质量％，因为Ni价钱昂贵而对强度没有太大贡献。
B0.0003-0.005质量％(在固体溶液中不低于0.0003质量％的B)这种元素能防止铁氧体的形成。一般认为硼能防止铁氧体的形成，因为它在亚共析钢中的颗粒边界上会发生偏析，从而降低颗粒边界能量并降低铁氧体形成速率，但是硼在共析钢和亚共析钢中不能发挥其作用。然而，现在知道，硼能抑制在共析钢和超共析钢以及亚共析钢中铁氧体的形成并有效地防止纵向开裂。(参见日本专利公报No.356902/1999)。为了在钢中产生这种效果，硼不能以化合物形式，而应以构成固体溶液的原子形式(所谓游离硼)存在。硼的用量低于0.0003质量％时，不足以产生防止铁氧体形成和防止纵向开裂的效果。用量超过0.005质量％的硼会形成如Fe23(CB)6的化合物，它会降低游离硼的量并因而降低了防止纵向开裂的效果。而且，Fe23(CB)6通常是以粗大的颗粒出现，在拉伸时它会诱发断裂。硼含量的下限为0.0003质量％，优选0.0006质量％，而硼含量的上限应为0.005质量％，优选0.004质量％。溶于固体溶液的B的量应当不小于0.0003质量％。
V不大于0.1质量％(排除0质量％)Ti不大于0.1质量％(排除0质量％)Nb不大于0.1质量％(排除0质量％)Mo不大于0.1质量％(排除0质量％)这些元素可改善可淬性并有助于得到较高强度。然而，如果过量，它们会形成碳化物，从而减少用于层状渗碳体的碳量。这会降低强度或形成过量的铁氧体作为第二相。这些元素含量的上限应为0.1质量％。
上述钢丝棒是通过下述方法生产的。本发明的方法中，首先以具有1.5或1.5以上的真应变进行拉伸。这种初步拉伸使铁氧体在淬火韧化时迅速形成固体溶液。在拉伸后紧接着加热以淬火。这种加热使渗碳体在奥氏体晶体颗粒快速生长之前足以形成固体溶液。为了产生这种效果，在拉伸时必需采取1.5或1.5以上的真应变。对真应变的上限没有规定，但应优选低于3.0，更优选低于2.5，以便钢丝棒能平滑地拉伸而不断裂。
进行上述拉伸后应接着通过在上述公式(1)所限定的温度下加热进行淬火。虽然用于淬火的加热温度通常约为900-1100℃，但本发明的研究结果显示，如要使不溶解碳化物的溶解和沉淀得到适当地控制，应参照状态图(用于渗碳体沉淀的边界线)中的Acm线确定加热温度。
换句话说，上面给出的公式(1)表示基于Acm线的加热温度。在公式(1)所限定的温度下加热在防止奥氏体颗粒的反常生长并抑制由不溶解碳化物成核的作为第二相的铁氧体方面是有效的。在低于公式(1)所限定的温度下淬火，会对扭绞特性产生副作用，这是由于不溶解碳化物的量增加所致。另一方面，在高于公式(1)所限定的温度下淬火，会引起奥氏体的反常生长，使作为第二相的铁氧体的粒度大于10μm。公式(1)一般适用于钢丝棒，无论它是否含有硼。如果钢丝棒含有Cr和B(在此情况下，Acm线稍微上升)，则公式(1)具有5.15[Cr]和1000[B]作为附加的参数。
将上述所制得的钢丝棒，最后拉伸成直径为0.2mm的钢丝。对钢丝的扭绞特性进行测试，测量长度为40mm。计算使钢丝断裂所需要的扭绞数，并观察断裂状态。如果任何样品在扭绞超过30次之后发生正常断裂而无层离现象，便认为该样品是可接受的。结果示于表2中。(在表2和表4中符号“×”是指那些发生正常断裂的样品，而在表2和表4中符号“○”是指那些可以接受的样品)。在表2中，带有星号*的数值是在本发明范围之外。同样适用于表3和表4。表2
从表2可清楚地看出，在本发明规定的温度下经过淬火的这些钢样品(测试编号1-10)具有本发明规定的铁氧体粒子大小和粒子瘤状物大小，并得到了扭绞特性优良的钢丝(直径为0.2mm)。反之，一些在本发明规定范围之外的温度下进行淬火处理的钢样品(测试编号11-20)的铁氧体粒子尺寸和瘤状物尺寸超出了本发明的给定范围，所得到的钢丝(直径为0.2mm)的扭绞特性差。
将得到的钢丝棒(直径为3.2mm和2.0mm)通过以1.96和1.02的真应变进行拉伸并在表4中所示的不同温度下进行淬火而制得更细的钢丝棒(直径为1.2mm)。这样便得到了所需要的拉伸用钢丝棒样品。将上述得到的钢丝棒最后拉伸成直径为0.2mm的钢丝。以与实施例1同样的方法对钢丝的扭绞特性进行测试。结果列于表4中。表4
由表4可看到以下情况。编号21的试样由于碳含量过高而不能满意地拉伸，而编号22的试样(它符合本发明的所有要求)能够满意地拉伸。
由于在加热之前真应变不足，因而铁氧体尺寸过大(13μm，15μm)，所以试样23和25不能满意地拉伸。
编号24的试样，由于硅含量过高不能满意地拉伸。编号26的试样，由于锰含量过高而使得到的钢丝扭绞特性差。
编号27的试样(符合本发明的所有技术)，呈现出良好的可拉伸性，而测试中编号28的样品，由于存在过量的钢含量而其可拉伸性较差。
编号29至33的这些试样(其化学组成不在本发明规定的范围内)，其拉伸性不好或者得到的钢丝在扭绞特性方面较差。
发明效果如上所述，本发明提供了一种拉伸用钢丝棒，其可拉伸性优良，能够提供扭绞特性优良的钢丝。本发明还提供了生产这种钢丝棒的方法。
权利要求
1.一种拉伸用钢丝棒，其特征在于它的原料为含有0.1-2.0质量％的Si和0.2-2.0质量％的Mn的共析钢或超共析钢，所述钢中的珠光体结构构成不小于80面积％的微结构，其中作为第二相的铁氧体的最大长度不大于10μm。
2.如权利要求1所限定的拉伸用钢丝棒，其中所述珠光体具有不大于30μm的瘤状物尺寸。
3.如权利要求1所限定的拉伸用钢丝棒，其中所述的原料还含有不大于0.1质量％的Cu(不包括0质量％)。
4.如权利要求1所限定的拉伸用钢丝棒，其中所述的原料还含有不超过0.8质量％的Cr(不包括0质量％)。
5.如权利要求1所限定的拉伸用钢丝棒，其中所述的原料还含有不超过1质量％的Ni(不包括0质量％)。
6.如权利要求1所限定的拉伸用钢丝棒，其中所述的原料还含有0.0003-0.005质量％的B，并且形成固体溶液的B的量不小于0.0003质量％。
7.如权利要求1所限定的拉伸用钢丝棒，其中所述的原料还含有一种或多种选自不超过0.1质量％的V(不包括0质量％)、不超过0.1质量％的Ti(不包括0质量％)、不超过0.1质量％的Nb(不包括0质量％)和不超过0.1质量％的Mo(不包括0质量％)的物质。
8.一种生产权利要求1所述拉伸用钢丝棒的方法，所述方法包括用1.5或1.5以上的真应变拉伸所述钢丝棒，并将所述钢丝棒在下式(1)所限定的加热温度下进行淬火354[C]+5.15[Cr]+1000[B]+600≤T≤354[C]+5.15[Cr]+1000[B]+620……(1)式中[C]、[Cr]和[B]分别是指C、Cr和B的含量(质量％)。
全文摘要
一种可拉伸性和扭绞特性优良的拉伸用钢丝棒,以及用于生产这种钢丝棒的方法。该钢丝棒的特征在于其原料是一种含有0.1－2.0质量%的Si和0.2－2.0质量%的Mn共析钢或超共析钢,其中的珠光体结构构成不小于80面积%的微结构,其中作为第二相的铁氧体的最大长度不大于10μm。该钢丝棒是通过以1.5或更大的真应变进行拉伸,并使钢丝棒在以特定公式限定的加热温度下淬火制得的。
文档编号C22C38/04GK1354271SQ0113666
公开日2002年6月19日 申请日期2001年10月25日 优先权日2000年11月6日
发明者长尾护, 落合宪二, 茨木信彦, 南田高明, 家口浩 申请人:株式会社神户制钢所