专利名称：超细钢丝用高碳钢线材及其制造方法
技术领域：
本发明涉及钢铁冶金行业中用于拉拔生产钢丝的线材，具体地指一种 超细钢丝用高碳钢线材及其制造方法。
背景技术：
随着汽车、橡胶工业以及道路、桥梁建设的快速发展，对高强度、高 韧性超细钢丝的需求量也呈大幅上升趋势。目前，国内外各钢铁冶金企业
普遍采用碳含量大于0.60%的高碳钢线材拉丝工艺来生产这些特殊用途的 产品，该工艺具有生产成本低、经济效益明显的优点，已得到了广泛的推 广和应用。
超细钢丝的直径一般要求小于0.50mm，生产超细钢丝要经过连续的冷 拉变形，将原始线材拉拔到不同规格直径的细丝，并通过加工硬化来提高 其强度，拉拔后的钢丝由数根单丝结合在一起进行捻制，制成的绞线可用 于轮胎、桥梁等重要部位。由于线材在冷加工过程中要经过拉拔、弯曲、 扭转变形，故要求线材具有优良的内在质量，在加工中不能断丝，特别是 在冷拔减面率达到96%时，要求拉拔单丝IOO万米不断丝，可见对线材的 质量要求是非常苛刻的。
影响线材拉拔性能的主要因素是材料的塑性，它在很大程度上取决于 线材中夹杂物的成分和尺寸。申请人通过对超细钢丝用线材在拉拔过程中 断丝现象的分析，发现产生断丝的原因与线材中存在的Ti (C， N)夹杂有 关。从本说明书图l所示传统高碳钢线材在拉拨时Ti (C， N)粒子引起裂 纹的500倍显微结构示意图可以看出，由于线材中有这类夹杂物的存在， 破坏了线材的组织基体，导致产品的质量和合格率均大幅下降。
线材中的Ti (C， N)粒子是氮化钛TiN与碳化钛TiC的复合物，从本 说明书图2所示传统高碳钢线材中的Ti (C， N)粒子形貌的5000倍显微 结构示意图可以看出，传统高碳钢线材中的Ti (C， N)粒子尺寸一般要大于10pm，图中钛系夹杂物的尺寸为12.39pm。生产实践表明，超细钢丝中 夹杂物尺寸只要大于被加工钢丝直径的2%，即可导致钢丝在加工过程中脆 性断裂。TiN与TiC的溶解度较小，在一定的热力学条件下，钢液中常能看 到析出大量的多边形Ti系物粒子，在凝固过程中高温可促进析出的多边形 Ti系物粒子长大。分析凝固过程中的析出物具有非常重要的意义，它可以 帮助科研人员探索超细钢丝用高碳钢线材的最佳控制方法。
过去的研究表明，目前国内钢铁企业生产超细钢丝的原始线材都是参 照GB/T4354《优质碳素钢盘条》标准执行的，其中并没有提出对钢中Ti 含量和Ti (C， N)夹杂的要求。公开号为CN1251865A的中国发明专利申 请公开说明书介绍了一种可拉拔性高的线材及其制造方法，该线材的化学 成分中C含量为0.4 0.65。/。，说明它是中碳钢线材；Ti含量《0.02%，但其 目的是最大限度地发挥硼的作用，减少铁素体和马氏体的析出。公开号为 CN1405350A的中国发明专利申请公开说明书介绍了一种抗应变时效脆裂 和抗纵向裂纹的高强度钢丝及其制作方法，虽然它用于制造高强度钢丝的 线材也是高碳钢，但其中并没有提出对钢中Ti、 N含量的控制要求，也没 有对钢中Ti (C， N)夹杂提出控制的要求。就超细钢丝用高碳钢线材而言， 目前国内外极少有该方面的研究报道，而采用现有高碳钢线材生产超细规 格的钢丝时，由于钢中Ti (C， N)夹杂，在拉拔过程中引起断丝的现象时 有发生，这已成为科技人员亟待解决的难题。
发明内容
本发明的目的就是要提供一种碳百分比含量大于0.60%的超细钢丝用 高碳钢线材及其制造方法。采用该高碳钢线材可有效避免在拉拔工艺中的 断丝现象，可生产出直径小于0.50mm、具有一定强度、且具有高韧性的超 细钢丝，以满足汽车、橡胶工业以及道路、桥梁建设的需要。
为实现上述目的，本发明在深入研究钢在凝固过程中Ti系物析出的热 力学基础上，通过控制钢中Ti (C， N)夹杂物的析出，最终得到了一种超 细钢丝用高碳钢线材。该超细钢丝用高碳钢线材的化学成份按重量百分数 计为C: 0.60 1.2、 Si: 0.10 0.50、 Mn: 0.10~0.60、 P《0扁、S《0細、 Ti《0.002、 Al《0.005、 N《0.006，余量为Fe及不可避免的夹杂。上述超细钢丝用高碳钢线材中，其较佳的化学成份按重量百分数计为
C: 0.70~0.85、 Si: 0.15~0.20、 Mn: 0.40 0.60、 P《0.020、 S《0.015、 Ti《 0.0015、 Al《0.005、 N《0.006，余量为Fe及不可避免的夹杂。
上述超细钢丝用高碳钢线材的制造方法，包括如下步骤1)按超纯净 钢工艺进行冶炼、2)铁水脱硫、3)转炉顶底复合吹炼、4)钢包吹氩精炼、 5)炉外精炼、6)浇注成方坯、7)加热炉奥氏体化处理、8)高速线材控 轧控冷处理，最终制得线材。其中在步骤4)和步骤5)中，钢液精练采 用CaO/SiO2=0.5 1.6的低碱度钢渣，以使钢渣具有较好的流动性，便于排 除钢中的Ti系夹杂物；在步骤7)中，方坯奥氏体化处理的温度控制在 750 85(TC的范围，较低的奥氏体化温度可以抑制小颗粒夹杂物的长大；在 步骤8)中，高速线材的轧制温度控制在750 90(TC的范围，其作用也是通 过低温控轧，抑制小颗粒夹杂物的长大。
进一步地，在上述步骤5)中，钢液吹氩搅拌时的较佳氩流量为 3(K3001/min、最佳氩流量为60 1801/min;较佳搅拌时间为30 100min、最 佳搅拌时间为40 80min。通过吹氩流量和搅拌时间的适当组合，可以大幅 改善钢液流动状态，加速夹杂的去除与分离。
更进一步地，在上述步骤4)和步骤5)中，钢液精练采用 CaO/SiO2=0.8 1.5的低碱度钢渣；在上述步骤7)中，方坯奥氏体化处理的 最佳温度控制在780~820°C;在上述步骤8)中，高速线材的最佳轧制温度 控制在S00 87(TC。通过上述最佳工艺参数的协同作用，可以将钢中Ti系 析出物Ti (C， N)控制到最小的程度。
本发明的结果首先是基于对钢液中Ti系夹杂物的热力学研究。钢液在 凝固过程中可能析出的含钛夹杂物为TiN、 TiC、 Ti (C， N)，分析钢液中 Ti、 N、 C的含量Wtj、 Wn、 Wc，可以获得TiN、 TiC的实际活度积的变化 规律。假定钢液凝固过程中单独析出TiN和TiC，用化学方程式表示 + [N] = TiN(s)
AG0 (， =-291000+107.9T J/mol (l画l) [Ti] + [C] = TiC(s)
△G0(TiC) =-166483+93.11T J/mol (1-2)式中[Ti]、 [N]、 [C]分别为钢中的Ti、 N、 C， TiN问和TiC(s)分别为熔渣 中的TiN和TiC， AG0 (TiN)和AG0 (Tic)分别为TiN和TiC的标准吉布斯能， T为温度。
QTiN = 1.48(l-g).。7 .(l-0.52g)-'WNWTi (1-3)
QTiC = 1.45(l-g)-0'7 .(l-0.7g)"WcWTi (1-4)
式中Qtw和Qra:分别为TiN、 TiC的实际活度积，g为钢的凝固率， WTi、 WN、 Wc分别为Ti、 N、 C元素的质量百分数。
从对上述热力学模拟计算结果的分析可以得知在钢液的凝固过程中， 当WTi含量较高时，Ww即使降低到微含量，仍然有可能析出TiN夹杂物。 反之，则可以避免凝固析出TiN夹杂物。同理，也可以避免凝固析出TiC 夹杂物。由此，可以通过对钢中化学成份的限定、以及对炼钢、铸钢和轧 制过程中钢渣性能、奥氏体化温度和线材轧制温度的控制，有效减少TiN、 TiC和Ti (C， N)的析出，并将其控制在需要的尺寸范围内。
本发明的超细钢丝用高碳钢线材中各合金成份的作用机理如下 本发明中的碳(C)含量为0.60 1.20%，碳是钢中最重要的组成元素， 含碳量直接决定其强度和塑性。在冷拉状态下，钢的抗拉强度随着含碳量 的增加而不断提高、塑性随着碳含量的增加而降低。将碳含量控制在此范 围内，可以确保所制得的超细钢丝成品同时满足具有一定强度和较高韧性 的要求。
本发明中的硅(Si)含量为0.10~0.50%，硅作为一种脱氧剂，以硅铁 形式加入钢中，能消除FeO夹杂的不良影响，对钢材起着均匀致密的作用。 硅含量的上升，能明显提高钢丝的弹性极限，但也会使钢丝的塑性、韧性 和延展性明显降低。
本发明中的锰(Mn)含量为0.10 0.60%，锰也是炼钢的良好脱氧剂， 冶炼反应中生成的硫化锰、氧化锰对线材的冷拉性能不产生有害影响，锰 和硫化合生成MnS还能减轻硫的有害作用。锰还能增加珠光体相对量，并 使珠光体变细。所以锰含量适当增加会使钢丝的强度和硬度提高，屈服极 限和断面收縮率也有所增加。锰大部分溶于铁素体中，形成置换固溶体， 并使铁素体碳化。锰还能增大奧氏体的稳定性，降低钢的临界转变温度。同时锰还能增加钢的过热敏感性，使热处理时晶粒容易长大，影响钢的冲击韧性。
本发明中的磷(P)含量<0.020%、硫(S)含量《0.020%。磷在钢中具有容易造成偏析、恶化焊接性能、显著降低钢的低温冲击韧性、提高脆性转变温度等不利影响。硫易与锰结合生成MnS夹杂，硫还影响钢的低温冲击韧性。因此，本发明尽量减少磷、硫元素对钢性能的不利影响，通过对铁水进行深脱硫预处理、真空处理等手段，控制磷、硫含量，从而减轻其不利影响。
本发明选择钛(Ti)含量《0.002%，钛是一种强烈的碳化物和氮化物形成元素，随着钛含量的增加，钢材的疲劳寿命相应降低。通常认为.*当钢中钛含量很低时，氧含量起主要作用；当氧含量较低，其氮化钛在固液两相区析出，这时就变成了钛含量起主要作用，对钢的质量具有非常不利的影响，因而本发明对钛含量进行限制是十分必要的。
本发明中的铝(Al)含量《0.005%。，铝是一种有效的还原剂，铝形成A1203，由于含有非金属，所以将降低钢的延展性。为此，本发明要求控制铝含量，从而减轻其不利影响。
本发明中的氮(N)含量《0.006%，在59(TC时，氮在铁素体中的溶解度最大约为0.1%，随后在室温和稍高温度下，氮逐渐以Fe4N形式析出，使钢的强度和硬度提高，塑性和韧性降低。另外，钢水中氮的升高，将加剧氮化钛的析出，故本发明将氮含量控制在很微量的范围内。
本发明的优点在于所设计的超细钢丝用高碳钢线材中Ti系析出物粒子的含量极少，且尺寸小于10pm，具有优良的冷加工性能。用其制造直径小于0.50mm的超细规格钢丝时，只需采用适当的热处理措施，就可以简化拉拔工艺，大幅提高生产效率和成材率。实际检测表明采用本发明的高碳钢线材拉拔单丝至少119万米以上不断丝，且所制得各种规格的超细钢丝具有很好的强度和良好的韧性。
图1为传统高碳钢线材在拉拨时Ti (C， N)粒子引起裂纹的500倍显微结构示意7图2为传统高碳钢线材中的Ti (C， N)粒子形貌的5000倍显微结构示意图，其中钛系夹杂物的尺寸为12.39pm;
图3为一种本发明高碳钢线材中的Ti (C， N)粒子形貌的500倍显微结构示意图，其中钛系夹杂物的尺寸为2.69pm;
图4为另一种本发明高碳钢线材中的Ti (C， N)粒子形貌的500倍显微结构示意图，其中钛系夹杂物的尺寸为2.07pm。
具体实施方式
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以下结合附图和具体实施例对本发明的超细钢丝用高碳钢线材及其制造方法作进一步的详细描述
图1、图2所示传统高碳钢线材中的Ti (C， N)粒子引起的裂纹显微结构和Ti (C， N)粒子的形貌显微结构已在前面的背景技术部分进行了详细描述，于此不再赘述。而图3、图4所示本发明高碳钢线材中的Ti (C，N)粒子形貌的显微结构将在下面的实施例3和实施例4中说明。
实施例1:
一种超细钢丝用高碳钢线材，其化学成份按重量百分数计为C: 0.61、Sh 0.48、 Mn: 0.60、 P: 0.020、 S: 0.019、 Ti: 0.0020、 Al: 0.005、 N:0.0059，余量为Fe及不可避免的夹杂。
该高碳钢线材的制造方法，包括如下步骤1)按超纯净钢工艺进行冶
炼、2)铁水脱硫、3)转炉顶底复合吹炼、4)钢包吹氩精炼、5)炉外精炼、6)浇注成方坯、7)加热炉奥氏体化处理、8)高速线材控轧控冷处理，最终制得线材。其中在步骤4)和步骤5)中，钢液精练采用CaO/SiO产1.6的低碱度钢渣；在歩骤5)中，钢液吹氩搅拌的氩流量为451/min、搅拌时间为45min;在歩骤7)中，方坯奥氏体化处理的温度为750°C;在步骤8)中，高速线材的入精轧温度为800°C、出精轧温度为850°C、吐丝温度为850°C，轧制成规格为4>6.5mm的线材。
通过金相分析所制得的高碳钢线材试样，没有发现钛系夹杂物。将其冷拉拔生产成规格为々0.15mm的钢丝时，在细拉过程中总压縮率为98.3%，实验拉拔总长度为144万米，没有因钢丝质量问题而产生断丝现象，其抗拉强度稳定，测试值为174N/mm。 实施例2:
一种超细钢丝用高碳钢线材，其化学成份按重量百分数计为C: 0.70、 Si: 0.20、 Mn: 0.60、 P: 0.020、 S: 0.015、 Ti: 0.0015、 Al: 0.005、 N: 0.0058，余量为Fe及不可避免的夹杂。
该高碳钢线材的制造方法，包括如下步骤1)按超纯净钢工艺进行冶 炼、2)铁水脱硫、3)转炉顶底复合吹炼、4)钢包吹氩精炼、5)炉外精 炼、6)浇注成方坯、7)加热炉奥氏体化处理、8)高速线材控轧控冷处理， 最终制得线材。其中在步骤4)和步骤5)中，钢液精练采用CaO/SiO2=0.5 的低碱度钢渣；在步骤5)中，钢液吹氩搅拌的氩流量为351/min、搅拌时 间为60min;在步骤7)中，方坯奥氏体化处理的温度为780°C;在步骤8) 中，高速线材的入精轧温度为800°C、出精轧温度为870°C、吐丝温度为 820°C，轧制成规格为4>6.5mm的线材。
通过金相分析所制得的高碳钢线材试样，没有发现钛系夹杂物。将其 冷拉拔生产成规格为4>0.17mm的钢丝时，在细拉过程中总压縮率为98%， 实验拉拔总长度为131万米，没有因钢丝质量问题而产生断丝现象，其抗 拉强度稳定，测试值为194N/mm。
实施例3:
一种超细钢丝用高碳钢线材，其化学成份按重量百分数计为C: 0.85、 Si: 0.15、 Mn: 0.40、 P: 0.015、 S: 0.007、 Ti: 0.0011、 Al: 0,004、 N: 0.0050，
余量为Fe及不可避免的夹杂。
该高碳钢线材的制造方法，包括如下步骤1)按超纯净钢工艺进行冶 炼、2)铁水脱硫、3)转炉顶底复合吹炼、4)钢包吹氩精炼、5)炉外精 炼、6)浇注成方坯、7)加热炉奥氏体化处理、8)高速线材控轧控冷处理， 最终制得线材。其中在步骤4)和步骤5)中，钢液精练采用CaO/SiOf1.5 的低碱度钢渣；在步骤5)中，钢液吹氩搅拌的氩流量为3001/min、搅拌时 间为30min;在步骤7)中，方坯奥氏体化处理的温度为82(TC;在步骤8)
9中，高速线材的入精轧温度为850°C、出精轧温度为870°C、吐丝温度为 850°C，轧制成规格为々5.5mm的线材。
通过金相分析所制得的高碳钢线材试样，发现有少量钛系夹杂物，但 钛系夹杂物的尺寸均控制在10nm以下，图3为该高碳钢线材试样中的Ti (C， N)粒子形貌的500倍显微结构示意图，其中钛系夹杂物的尺寸为 2.69pm。将其冷拉拔生产成规格为4)0.25mm的钢丝时，在细拉过程中总压 縮率为97%，实验拉拔总长度为119万米，没有因钢丝质量问题而产生断 丝现象，其抗拉强度稳定，测试值为234N/mm。
实施例4:
一种超细钢丝用高碳钢线材，其化学成份按重量百分数计为C: 0.90、 Si: 0.18、 Mn: 0.30、 P: 0.010、 S: 0.005、 Ti: 0.0005、 Al: 0.002、 N: 0.0048，余量为Fe及不可避免的夹杂。
该高碳钢线材的制造方法，包括如下步骤l)按超纯净钢工艺进行冶
炼、2)铁水脱硫、3)转炉顶底复合吹炼、4)钢包吹氩精炼、5)炉外精 炼、6)浇注成方坯、7)加热炉奥氏体化处理、8)高速线材控轧控冷处理， 最终制得线材。其中在步骤4)和步骤5)中，钢液精练采用CaO/SiO2=0.8 的低碱度钢渣；在步骤5)中，钢液吹氩搅拌的氩流量为3001/min、搅拌时 间为50min;在步骤7)中，方坯奥氏体化处理的温度为755°C;在步骤8) 中，高速线材的入精轧温度为800°C、出精轧温度为87(TC、吐丝温度为 880°C，轧制成规格为(|>5.5mm的线材。
通过金相分析所制得的高碳钢线材试样，发现有少量钛系夹杂物，但 钛系夹杂物的尺寸均控制在10pm以下，图4为该高碳钢线材试样中的Ti (C， N)粒子形貌的500倍显微结构示意图，其中钛系夹杂物的尺寸为 2.07|im。将其冷拉拔生产成规格为(^0.38mm的钢丝时，在细拉过程中总压 縮率为96%，实验拉拔总长度为145万米，没有因钢丝质量问题而产生断 丝现象，其抗拉强度稳定，测试值为304N/mm。实施例5:
一种超细钢丝用高碳钢线材，其化学成份按重量百分数计为C: 1.05、
Si: 0.10、 Mn: 0.15、 P: 0.009、 S: 0.005、 Ti: 0.0010、 Al: 0.005、 N: 0.0038，余量为Fe及不可避免的夹杂。
该高碳钢线材的制造方法，包括如下步骤1)按超纯净钢工艺进行冶 炼、2)铁水脱硫、3)转炉顶底复合吹炼、4)钢包吹氩精炼、5)炉外精 炼、6)浇注成方坯、7)加热炉奥氏体化处理、8)高速线材控轧控冷处理， 最终制得线材。其中在步骤4)和步骤5)中，钢液精练采用CaO/Si02=l.l 的低碱度钢渣；在步骤5)中，钢液吹氩搅拌的氩流量为2351/min、搅拌时 间为47min;在步骤7)中，方坯奥氏体化处理的温度为780°C;在步骤8) 中，高速线材的入精轧温度为800°C、出精轧温度为S80。C、吐丝温度为 900°C，轧制成规格为(l)5.0mm的线材。
通过金相分析所制得的高碳钢线材试样，没有发现钛系夹杂物。将其 冷拉拔生产成规格为4>0.45mm的钢丝时，在细拉过程中总压縮率为96%， 实验拉拔总长度为160万米，没有因钢丝质量问题而产生断丝现象，其抗 拉强度稳定，测试值为355N/mm。
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权利要求
1. 一种超细钢丝用高碳钢线材，其特征在于该高碳钢线材中的化学成份按重量百分数计为C0.60～1.2、Si0.10～0.50、Mn0.10～0.60、P≤0.020、S≤0.020、Ti≤0.002、Al≤0.005、N≤0.006，余量为Fe及不可避免的夹杂。
2. 根据权利要求1所述的超细钢丝用高碳钢线材，其特征在于该高碳钢线材中的化学成份按重量百分数计为C: 0.70~0.85、 Sh 0.15 0.20、 Mn: 0.40~0.60、 P《0.020、 S《0.015、 Ti《0.0015、 Al《0.005、 N《0.006，余量为Fe及不可避免的夹杂。
3. —种权利要求1所述的超细钢丝用高碳钢线材的制造方法，包括如 下步骤1)按超纯净钢工艺进行冶炼、2)铁水脱硫、3)转炉顶底复合吹 炼、4)钢包吹氩精炼、5)炉外精炼、6)浇注成方坯、7)加热炉奥氏体 化处理、8)高速线材控轧控冷处理，最终制得线材，其特征在于所述步 骤4)和步骤5)中，钢液精练采用CaO/SiO2=0.5~1.6的低碱度钢渣；所述 步骤7)中，方坯奥氏体化处理的温度为750 850°C;所述步骤8)中，高 速线材的轧制温度为750 900°C。
4. 根据权利要求3所述的超细钢丝用高碳钢线材的制造方法，其特征 在于所述步骤5)中，钢液吹氩搅拌时的氩流量为30 3001/min、搅拌时 间为30 100min。
5. 根据权利要求4所述的超细钢丝用高碳钢线材的制造方法，其特征 在于所述步骤5)中，钢液吹氩搅拌时的氩流量为60 1801/min、搅拌时 间为40 80min。
6. 根据权利要求3或4或5所述的超细钢丝用高碳钢线材的制造方法， 其特征在于所述歩骤4)和步骤5)中，钢液精练采用CaO/SiO2=0.8 1.5的低碱度钢渣。
7. 根据权利要求3或4或5所述的超细钢丝用高碳钢线材的制造方法， 其特征在于所述歩骤7)中，方坯奥氏体化处理的温度为7S0 82(TC。
8. 根据权利要求3或4或5所述的超细钢丝用高碳钢线材的制造方法， 其特征在于所述步骤8)中，高速线材的轧制温度为800 870°C。
全文摘要
本发明公开了一种超细钢丝用高碳钢线材及其制造方法。该线材中的化学成份按重量百分数计为C0.60～1.2、Si0.10～0.50、Mn0.10～0.60、P≤0.020、S≤0.020、Ti≤0.002、Al≤0.005、N≤0.006，余量为Fe及不可避免的夹杂。其制法包括如下步骤按超纯净钢工艺进行冶炼、铁水脱硫、转炉顶底复合吹炼、采用CaO/SiO<sub>2</sub>＝0.5～1.6的低碱度钢渣进行钢包吹氩精炼和炉外精炼、浇注成方坯、加热炉对方坯进行750～850℃奥氏体化处理、高速线材控轧控冷处理，轧制温度控制在750～900℃，最终制得线材。采用该线材可有效避免在拉拔工艺中的断丝现象，拉拔单丝至少120万米以上不断丝，可生产出直径小于0.50mm、具有高强度、高韧性的超细钢丝，满足汽车、橡胶工业以及道路、桥梁建设的需要。
文档编号C22C38/04GK101481772SQ20091006081
公开日2009年7月15日 申请日期2009年2月20日 优先权日2009年2月20日
发明者杰 吴, 敏 朱, 桂江兵, 王国平, 练瑞民, 罗德信, 耿恒亮, 蒋跃东, 薛正良, 齐江华 申请人:武汉钢铁(集团)公司