专利名称：具有优异机械除鳞性能的钢线材及其生产方法
技术领域：
本发明涉及需要除鳞的钢线材(steel wire rod)的所有方面。本发明涉及钢线材，例如，用于冷拉的线材、用于焊丝的线材或用于钢丝的材料，这种钢线材用于钢丝绳、橡胶软管、轮胎帘布等，本发明还涉及这种钢线材的生产方法。
背景技术：
钢丝一般是通过将通过热轧生产的钢线材拉丝至所需的丝线直径的步骤生产的。在拉丝时，为了确保需要的可拉拔性，在加工前的步骤中，必须将沉积在线材表面上的鳞充分脱除。
在现有技术中，这种鳞的脱除主要是靠酸洗进行。但是，酸洗将不利地破坏工作环境，还将遗留处理使用后的废液问题。因此，现在已经用机械除鳞的“机械除鳞”(机械脱鳞)法替代酸洗步骤。
机械除鳞不仅通过基于喷砂或鼓风(air blasting)的工艺进行，而且通过用弯曲或扭曲法使鳞剥落的工艺进行。另一方面，如果在线材运输过程中鳞剥落，则基底金属暴露出来，从而可能生成铁锈。因此，目前需要形成的鳞是不可能在运输过程中剥落，在热轧后对钢线材进行机械除鳞时很可能剥落。
为了响应这一需要，例如，如日本特开平7-204726、8-295992、10-204582和11-172332所述，可以采用下述方法控制鳞的组成；控制基底金属部分和鳞的界面粗糙度；控制鳞的厚度；及其它方法。
但是，在这些现有技术中，没有这样的方法为提高机械除鳞性而控制鳞中的Si浓度。另外，尽管在线材的生产过程中鳞中的Si浓度取决于热轧后的冷却速度，但是没有人对冷却条件进行认真研究。结果，尽管这些方法涉及其表面上有具有适当剥落性的鳞的钢线材，但是他们都不能达到足够好的效果。
发明内容
如上所述，对于要进行拉丝的钢线材来说，采用了各种用于改进机械除鳞性的方法。但是近年来，改进机械除鳞性的需求日益增长，因此需要一些更好的手段。
发明人鉴于上述问题而完成本发明。因此，本发明的目的是提供一种在机械除鳞时具有优异的鳞剥落性(机械除鳞性)的钢线材及其生产方法。
本发明的发明人对具有优异机械除鳞性(下面简称为“MD性能”)的钢线材进行了认真研究，没有考虑鳞的厚度。结果他们发现鳞的剥落性在很大程度上取决于与钢线材的基底金属部分的界面接触的鳞层界面部分中的Si浓度。结果他们完成了本发明。
即，本发明的钢线材具有基底金属部分，其包括C含量不大于1.1质量％、Si含量是0.05-0.80质量％的钢；沉积在基底金属部分的表面上的鳞层，其特征在于鳞和基底金属部分的界面部分中的Si平均浓度不低于基底金属部分中的Si含量的2倍。本发明的钢线材满足上述要求，因此能够明显改善机械除鳞性。
其中的Si浓度不低于基底金属部分中Si含量的2倍的“Si集中区”在鳞层界面部分中优选占据不低于60面积％。因为这样能够得到更好的鳞剥落性。
基底金属部分中的Si含量优选不低于0.1质量％且不高于0.6质量％。这是为了在鳞界面部分中得到更合适的Si平均浓度，进一步改善机械除鳞性。
另外，基底金属部分优选包括含量不大于1.1质量％的C、含量是0.05-0.80质量％的Si，余量是Fe和不可避免的杂质。这是用于下述目的。通过严格限定基底金属部分的组成，可以使钢线材具有稳定的机械除鳞性。
除上述组分外，基底金属部分还可以包括不少于选自下述元素中的一种Mn0.01-2.0质量％，Cr0-2.0质量％，Mo0-0.6质量％，Cu0-2.0质量％，Ni0-4.0质量％，Ti0-0.1质量％，Al0.001-0.10质量％，N0-0.03质量％，V0-0.40质量％，Nb0-0.15质量％，B0-0.005质量％。这是因为加入钢线材的普通成分不会对本发明的钢线材的机械除鳞性产生负面影响。
对于严格定义上述组成的钢线材来说，Si集中区在鳞层界面部分中还优选不低于60面积％，且基底金属部分中的Si含量优选不低于0.1质量％且不高于0.6质量％。
另外，本发明的钢线材的特征还在于是用下述方法生产的在1000-1100℃的轧制终温下热轧C含量不大于1.1质量％、Si含量是0.05-0.80质量％的钢；热轧步骤完成后，以小于50℃/s的第一冷却速率将钢冷却到950-800℃的卷绕始温；以不低于3℃/s且不高于由下面的公式(1)定义的临界冷却速率的第二冷却速率在供氧气氛中将钢从卷绕始温冷却到700℃临界冷却速率(℃/s)＝22+11×[Si]-8.5×log(D)……(1)(其中，[Si]表示钢中的Si含量(质量％)，D表示线材直径(mm))；和以不高于2.5℃/s的第三冷却速率将钢从700℃进一步冷却到500℃。经过这些步骤生产的钢线材具有“鳞界面部分中的Si平均浓度不低于基底金属部分中的Si含量的2.0倍”这一性能和其它性能，还具有优异的机械除鳞性。
第一冷却速率优选不大于45℃/s。这样可以进一步促进Si集中在鳞界面部分中，从而确保良好的机械除鳞性。
根据本发明的一种生产钢线材的方法，特征在于其包括在1000-1100℃的轧制终温下热轧C含量不大于1.1质量％、Si含量是0.05-0.80质量％的钢的步骤；热轧步骤完成后，以小于50℃/s的第一冷却速率将钢冷却到950-800℃的卷绕始温的步骤；以不低于3℃/s且不高于由下面的公式(1)定义的临界冷却速率的第二冷却速率在供氧气氛中将钢从卷绕始温冷却到700℃的步骤临界冷却速率(℃/s)＝22+11×[Si]-8.5×log(D)……(1)
(其中，[Si]表示钢中的Si含量(质量％)，D表示线材直径(mm))；和以不高于2.5℃/s的第三冷却速率将钢从700℃进一步冷却到500℃的步骤。用该生产方法生产的钢线材具有“鳞界面部分中的Si平均浓度不低于基底金属部分中的Si含量的2倍”这一性能和其它性能，还具有优异的机械除鳞性。
另外，第一冷却速率优选不大于45℃/s。这样可以确保更良好的机械除鳞性。
附图简述
图1是示出在下述的实施例A中Si平均浓度指数和鳞残余率之间的关系的座标图；图2是示出在下述的实施例A中基底金属部分中的Si含量(质量％)与第二冷却速率V(℃/s)和线材直径D(mm)之间的关系的座标图。
具体实施例方式
本发明的钢线材的最大特点是通过限定基底金属侧上鳞层表面中的Si浓度使得MD性能得以大幅改善。
即，现有技术中也提出了改善MD性能的技术。但是，没有一个例子注意到鳞中的Si浓度，并且其效果也没有充分显现。但是，本发明的发明人发现了下述事实如果控制Si浓度，则可以大幅改善MD性能；适当调节钢组成、热轧条件及后续的冷却条件可以简单而可靠地控制Si浓度。他们由此而完成了本发明。
下面描述具有该特征的本发明的实施方案及其效果。
首先说明为什么对本发明的钢线材的基底金属部分(涂覆有鳞的钢部分)中每一个化学组分(除非特别指出，下面都将其单位表示为“质量％”)进行限定。
C不大于1.1％(不包括0％)“C”是决定钢机械性能的主要元素。可以根据其用途适当设定C含量。但是，如果C含量过大，则在线材生产过程中将破坏其热加工性。因此，从热加工性方面考虑将其上限设定为1.1质量％。
Si0.05-0.80％“Si”是提高邻近与基底金属部分的界面的鳞层中Si浓度的基本元素。如果含量低于0.05％，则进入鳞层界面部分中的Si量太少。相反，过量进入Si会导致表面脱碳层的形成，反过来将破坏MD性能。因此将其下限设定为0.05％，优选0.1％，将其上限设定为1.0％，优选0.80％，更优选0.6％。
余量包括Fe和不可避免的杂质。除此之外，对除C和Si的其它组分没有特别限制，因此可以根据需要的性能如强度和耐蚀性使其含有适宜的其它组分。例如，其中可以含有不少于选自下述元素中的一种Mn0.01-2.0质量％，Cr0-2.0质量％，Mo0-0.6质量％，Cu0-2.0质量％，Ni0-4.0质量％，Ti0-0.1质量％，Al0.001-0.10质量％，N0-0.03质量％，V0-0.40质量％，Nb0-0.15质量％，和B0-0.005质量％。
热轧后在钢线材表面上形成鳞层。具体来说，为了明显改善MD性能，邻近与基底金属部分的界面处形成的鳞界面部分中的Si浓度很重要。鳞层界面部分中的Si浓度对鳞层和基底金属部分的界面性能影响很大，并且能够控制整个鳞层的剥落性。顺便提及，界面部分中的Si大部分是以氧化物形式如SiO2存在。
鳞中的Si由基底金属部分在鳞形成时提供，从而将其隔离在界面部分中。换句话说，术语“鳞层界面部分中的Si浓度”表示向与基底金属部分接触的一侧集中的鳞中的Si浓度(局部Si量)。因此，基于可从界面侧上的鳞表面得到的数据可以测定“鳞层界面部分中的Si浓度”。
例如，可以用下述方法测定鳞层界面部分中的Si浓度。将钢线材的基底金属部分熔化，收集由覆盖基底金属部分表面的鳞层组成的鳞锈块。然后用EPMA(电子探针显微分析仪)对鳞锈块的内表面进行线性分析。EPMA能够分析样品的表面组成，所以适用于本发明，由此可以限定隔离有Si的鳞界面部分中的Si浓度。具体的测定方法将在下面的实施例中描述。但是，在测定方法中作为用于溶解基底金属部分的溶解液，例如，可以使用溴-溴化钠-十二烷基苯磺酸钠(SDBS)-甲醇溶液(参见CurrentAdvances in Materials and Processes-The Iron and Steel Institute of Japan，第13卷，1084页(2000))。
通过使鳞层界面部分中存在适量的Si，在其上沉积有鳞层的钢线材中有一定程度的或更大程度的变形时，鳞层能够提高破坏强度，因此，机械除鳞所破坏的鳞片尺寸增加。从而可以得到具有良好剥落性的鳞层，因此用机械除鳞法如弯曲法或扭曲法可以产生优异的剥落效应。在该步骤中，从下面的实施例可以明显看出，因为Si是由基底金属部分提供，所以界面部分中的Si平均浓度不低于基底金属钢组成中的Si含量的2倍。结果可以得到良好的剥落性。但是，如果Si平均浓度低于2倍，则不能观察到明显效果。
本申请中的术语“基底金属部分中的Si含量”(其单位在本发明中表示为“质量％”)表示钢中的初始Si含量(形成鳞层前的Si含量)。这是由于下述原因鳞层中的Si是从基底金属部分中转移过来的，因此从理论上讲，形成鳞层后基底金属部分中的Si含量应当降低，但是，因为鳞层比基底金属部分薄得多，所以减少的Si量可以忽略不计。
但是，通过形成鳞层，使“Si集中区”(表示Si浓度不低于基底金属部分钢组成中的Si含量的2倍的部分)的面积比不低于60％，更优选不低于80％时，有可能得到更好的鳞剥落性。
下面说明适用于工业生产本发明的钢线材的方法。
为了得到上述鳞结构，用常规方法加热C含量不大于1.1质量％、Si含量是0.05-0.80质量％的钢片。(1)在1000-1100℃的终温下热轧该钢片。然后，(2)以小于50℃/s的第一冷却速率将热轧线材冷却到800-950℃的卷绕始温，将其卷绕。然后，(3)以不低于3℃/s且不高于由下面的公式(1)定义的临界冷却速率的第二冷却速率在供氧气氛(能够供应氧气的气氛)如空气中将卷绕线材冷却到700℃的线材表面温度第二冷却速率的临界冷却速率(℃/s)＝22+11×[Si]-8.5×log(D)……(1)(其中，[Si]表示钢中的Si含量(质量％)，D表示线材直径(mm))；以及，(4)以不高于2.5℃/s的第三冷却速率将钢从700℃冷却到500℃。对降至500℃或更低温度的冷却方式没有特别限定，可以采用缓慢冷却或骤冷。然后一般是用该冷却的线材作为“线材”进行拉丝处理。在此之前也可以进行另一种热处理等工艺。
下面将详述各个生产条件。
热轧完成后，鳞形成和生长，Si由线材的基底金属部分供给鳞，并主要集中在鳞层的界面部分中。在该步骤中，如果热轧终温低于1000℃，则冷却开始后Si向鳞中的集中将受阻。结果将得不到所需的Si集中的鳞。相反，如果在高于1100℃的温度下完成热轧，则Si向鳞中的集中将加速。但是，鳞中的Si浓度不均匀，将因此而存在通过机械除鳞不能从其上剥落鳞的部分。因此，热轧终温设定为1000-1100℃。
热轧完成后的第一冷却速率，即，从热轧终温冷却至950-800℃的卷绕始温的冷却速率需要设定为小于50℃/s。如果不小于50℃/s，则难以保证用于核的生成及鳞的生长的时间余量。即使控制后续的冷却条件，Si浓度也不能达到足够高。考虑到生产率，需要将该冷却速率设定为不小于30℃/s，更优选不小于35℃/s。另外，为了使Si集中区面积在鳞层界面部分中的比例不低于60％以确保具有更好剥落性的鳞结构，优选将该冷却速率设定为不大于45℃/s。
在本发明中，将卷绕始温设定为950-800℃，因为它还能够控制定义第一冷却速率时形成的鳞核的初始生长。如果从高于950℃的温度开始卷绕，将出现鳞中的Si浓度不均匀的现象，破坏鳞的剥落性。但是，如果从低于800℃的温度开始卷绕，则鳞中的Si浓度不能达到足够高，这也将破坏鳞的剥落性。
卷绕后，为了促进冷却后Si向鳞的集中以在界面部分中得到规定的Si浓度，需要根据卷绕的线材直径和基底金属部分的Si含量控制从卷绕始温至700℃的第二冷却速率。具体来说，将其设定为不低于3℃/s且不高于公式(1)定义的临界冷却速率。如果将刚开始卷绕后的温度冷却至700℃的冷却速率设定为低于3℃/s，则鳞层增加的厚度将超过需要的厚度。因此，虽然剥落性非常好，但是在进入机械脱鳞步骤前鳞就已经剥落了。结果，在线材卷储存或运输过程中在剥落部分处很可能形成铁锈。相反，如果第二冷却速率高于公式(1)定义的临界冷却速率，则鳞中的Si浓度不能达到足够高。结果将不可能得到所需的鳞剥落性。注意临界冷却速率是由下述的实施例的数据确定的值。
另外，从700℃至500℃的第三冷却速率也很重要。因此，通过采用不高于2.5℃/s的冷却速率，可以促进Si集中。结果可以得到具有所需的良好剥落性的鳞。
下面通过实施例具体说明本发明，这些实施例不能解释为限定了本发明的保护范围。
实施例A在转炉中生产其C含量和Si含量分别示于表1的碳钢。将得到的每一种钢锭破碎和轧制成钢坯(155mm2)。将钢坯加热到约1150℃，然后热轧。在1030℃的温度下完成热轧，得到的线材具有表1所示的各种直径D(mm)。完成热轧后，以40℃/s的第一冷却速率将得到的每一种线材冷却到840℃的卷绕始温。然后开始卷绕，以各种第二冷却速率将其冷却到700℃。然后以2.5℃/s的第三冷却速率在700℃和500℃之间进行冷却。
测定沉积在得到的每一种线材上的鳞层界面部分中的Si平均浓度。用下述方式进行上述测定。即，用溶解液溶解线材的基底金属部分，使由鳞层组成的鳞锈块与之分离。然后对鳞锈块的内表面(和基底金属部分的界面一侧上的表面)进行EPMA线性分析。测量线的方向沿周边设置。测量条件如下加速电压设置为15kV，发射电流为1×10-8A。因此，在40μm的扫描距离之间以100nm的测量间距测量400个点，将400个测量点的Si平均浓度定义为鳞层界面部分中的Si平均浓度。注意(鳞层界面部分中的Si平均浓度)/(基底金属部分的钢中的Si含量)称为Si平均浓度指数。
测试每一种线材的进行除鳞性。将每一种线材都切成250mm长。然后，将切片安装在十字头中，卡盘之间的距离设定为200mm，施加4％的拉伸畸变。然后将切片从卡盘中取出。对着实验片鼓吹压缩空气，吹去线材表面上的鳞，将线材切成200mm长的片，测定得到的切片重量(w1)。然后将其浸泡在盐酸中，完全除去沉积在线材表面上的鳞，再次测定其重量(w2)。根据下述公式用这些测定值确定残鳞率。测定值一起示于表1。注数字相同的本发明实施例和对比实施例具有同样的钢组分。
残鳞率(％)＝(w1-w2)/w2×100
表1
图1示意性地绘出基于表1的Si浓度指数和残鳞率之间的关系。图1示出在Si浓度指数为2.0时，本发明的实施例和对比实施例的残鳞率明显不同，在不低于2.0时才能得到良好的鳞剥落性。
另一方面，为了检验从卷绕始温至700℃的第二冷却速率V(℃/s)的极限(上限)，这是为了得到能够提供良好鳞剥落性的线材所需要的，图2中示意性地示出本发明实施例和对比实施例中的每一个样品的基底金属部分中的[Si]和(V+8.5×log(D))之间的关系的座标图。[Si]的单位用质量％表示，D的单位用mm表示。
图2示出本发明的实施例和对比实施例以图中的直线为界分成两部分。该直线用下述公式(1)表示，顺便提及，表1中还一起示出了根据公式(1)计算的第二冷却速率的极限(上限)值。
V+8.5×log(D)＝11×[Si]+22……(1)实施例B和实施例A一样，将具有各种C含量和Si含量的钢进行热轧，从而生产出在基底金属部分上形成有鳞层的每一种线材。热轧终温和热轧后的冷却条件一起示于表2。
和实施例A一样，测定得到的每一种线材的鳞层界面部分中的Si平均浓度、Si平均浓度指数和残鳞率。另外还测定其中(线性分析的测定点Si浓度)/(基底金属部分的Si含量)不低于基底金属部分的钢中的Si含量的2.0倍的测定点的面积比，作为Si集中区面积在鳞层界面部分中的面积比(％)。这些结果一起示于表2。
表2
图2示出下列事实对于每一个对比实施例来说，残鳞率约为0.1％。但是，对于其中Si平均浓度指数不小于2.0的每一个本发明实施例来说，残鳞率不大于约0.03％，这表示可以非常明显地防止残留鳞，本发明实施例的样品是具有形成在其上的具有优异鳞剥落性的鳞层的线材。特别是对于Si集中区面积不低于60％的样品，鳞的剥落性更好。
工业实用性根据本发明，钢线材的鳞层界面部分中的Si浓度不低于其基底金属部分中的Si含量的2.0倍。因此，可以提供具有良好的不依赖于鳞厚度和鳞组成的鳞剥落性的钢线材，在机械除鳞步骤中鳞层几乎没有残留地从钢线材上剥落，并且在机械除鳞步骤前具有适当的鳞粘附力。另外，根据本发明的生产方法，可简易地工业规模地生产钢线材。
权利要求
1.一种具有优异机械除鳞性的钢线材，其包括基底金属部分，其包括C含量不大于1.1质量％、Si含量是0.05-0.80质量％的钢；和沉积在基底金属部分的表面上的鳞层，其中鳞和基底金属部分的界面部分中的Si平均浓度不低于基底金属部分中的Si含量的2.0倍。
2.根据权利要求1的钢线材，其中，其中的Si浓度不低于基底金属部分中Si含量的2.0倍的Si集中区在鳞层界面部分中占据不低于60面积％。
3.根据权利要求1的钢线材，其中，基底金属部分中的Si含量不低于0.1质量％。
4.根据权利要求1的钢线材，其中，基底金属部分中的Si含量不高于0.6质量％。
5.一种具有优异机械除鳞性的钢线材，其包括基底金属部分，其C含量不大于1.1质量％、Si含量是0.05-0.80质量％，余量是Fe和不可避免的杂质；和沉积在基底金属部分的表面上的鳞层，其中鳞和基底金属部分的界面部分中的Si平均浓度不低于基底金属部分中的Si含量的2.0倍。
6.根据权利要求5的钢线材，还包括不少于选自下述元素中的一种Mn0.01-2.0质量％，Cr0-2.0质量％，Mo0-0.6质量％，Cu0-2.0质量％，Ni0-4.0质量％，Ti0-0.1质量％，Al0.001-0.10质量％，N0-0.03质量％，V0-0.40质量％，Nb0-0.15质量％，和B0-0.005质量％。
7.根据权利要求5的钢线材，其中，其中的Si浓度不低于基底金属部分中Si含量的2.0倍的Si集中区面积在鳞层界面部分中占据不低于60面积％。
8.根据权利要求5的钢线材，其中，基底金属部分中的Si含量不低于0.1质量％。
9.根据权利要求5的钢线材，其中，基底金属部分中的Si含量不高于0.6质量％。
10.一种具有优异机械除鳞性的钢线材，特征在于其是用下述方法生产的在1000-1100℃的轧制终温下热轧C含量不大于1.1质量％、Si含量是0.05-0.80质量％的钢；热轧步骤完成后，以小于50℃/s的第一冷却速率将钢冷却到950-800℃的卷绕始温；以不低于3℃/s且不高于由下面的公式(1)定义的临界冷却速率的第二冷却速率在供氧气氛中将钢从卷绕始温冷却到700℃临界冷却速率(℃/s)＝22+11×[Si]-8.5×log(D)……(1)(其中，[Si]表示钢中的Si含量(质量％)，D表示线材直径(mm))；和以不高于2.5℃/s的第三冷却速率将钢从700℃进一步冷却到500℃。
11.根据权利要求10的钢线材，其中，第一冷却速率不大于45℃/s。
12.一种生产具有优异机械除鳞性的钢线材的方法，其包括下述步骤在1000-1100℃的轧制终温下热轧C含量不大于1.1质量％、Si含量是0.05-0.80质量％的钢；热轧步骤完成后，以小于50℃/s的第一冷却速率将钢冷却到950-800℃的卷绕始温；以不低于3℃/s且不高于由下面的公式(1)定义的临界冷却速率的第二冷却速率在供氧气氛中将钢从卷绕始温冷却到700℃临界冷却速率(℃/s)＝22+11×[Si]-8.5×log(D)……(1)(其中，[Si]表示钢中的Si含量(质量％)，D表示线材直径(mm))；和以不高于2.5℃/s的第三冷却速率将钢从700℃进一步冷却到500℃。
13.根据权利要求12的生产钢线材的方法，其中，第一冷却速率不大于45℃/s。
全文摘要
本发明提供一种在机械除鳞时具有优异的鳞剥落性的钢线材及其生产方法。本发明的钢线材具有由作为其组分的C含量不大于1.1质量％、Si含量是0.05－0.80质量％的钢制成的基底金属部分；和沉积在基底金属部分的表面上的鳞层，其中鳞和基底金属部分的界面部分中的Si平均浓度不低于基底金属部分中的Si含量的2.0倍。
文档编号C21D1/18GK1498283SQ0380009
公开日2004年5月19日 申请日期2003年2月5日 优先权日2002年2月6日
发明者长尾护, 高知琢哉, 野村正裕, 家口浩, 南田高明, 平贺范明, 哉, 明, 裕 申请人:株式会社神户制钢所