本发明涉及金属材料技术领域，具体涉及一种双相不锈钢丝及其制备方法。
背景技术：
接触网系统的安全可靠性是电气化铁路安全可靠运行的重要保障，性能优越的张力补偿绳对接触网系统安全可靠的运行起着重要的支撑作用，张力补偿绳长年暴露于铁路上方，经受污染、腐蚀和长期拉应力作用，一旦张力补偿绳失效断裂，将直接影响接触线和承力索的工作效用，进而影响到电力机车的正常运行，本发明目的是提供一种具有良好冷加工艺性和优良综合性能的双相不锈钢丝，以此作为钢丝绳制备原料。具有奥氏体+铁素体组织的双相不锈钢，兼有奥氏体不锈钢和铁素体不锈钢的特点，因其优良的耐蚀性与强韧性获得了广泛的应用。由于双相不锈钢丝拉拔时奥氏体相的加硬度化率比铁素体高，这样在两相之间就产生了强度差，即形成高强度的奥氏体相与低强度的铁素体相的双相纤维组织，使得双相不锈钢丝具有强韧性的配合。双相不锈钢丝与SUS304钢丝相比，具有高的疲劳寿命，这与其通过拉拔后形成纤维组织有关，双相纤维组织阻止了疲劳裂纹的扩展；当疲劳裂纹扩展时，由于两相组织的存在，阻碍了裂纹的扩展。因此双相不锈钢具有非常优良的综合性能。国内关于双相不锈钢专利主要集中在冶炼和成型制备领域，关于双相不锈钢线材方面的专利，如：一种双相不锈钢编织软管丝的制造方法，授权公开号：CN103103457B，但是，专利合金含锰量过高，不利于耐蚀性的提升；且合金元素的总量偏低，钢丝的强度难以保障。
技术实现要素：
本发明针对电气化铁路接触网用张力补偿装置用钢丝绳，提供了一种双相不锈钢丝，通过成分设计，以期获得的钢丝具有高的抗拉强度、优良的抗腐蚀性能和优异的抗疲劳性能，通过工艺设计和实施，使双相不锈钢丝能满足张力补偿绳的性能要求，解决双相不锈钢丝冷拉成形难的技术问题。本发明的技术问题所采用的技术方案是：一种双相不锈钢丝，其化学成分按质量百分比计如下：C：0.008-0.016％，Cr：20-28％，Ni：3-8％，Mo：1-6％，Mn：0.1-1％，Si：0.1-1％，Cu：0.1-0.6％，N：0.05-0.5％，Ce：0.03-0.2％，B：0.001-0.005％，P≤0.03％，S≤0.01％，O≤0.01％，余量：Fe及不可避免的杂质。本发明的合金的成份应满足，Ni当量∶Cr当量比值≥0.28、且Ni当量≤16，进行元素优选配比，通过对元素的优选和限定，保障双相不锈钢中的铁素体的含量控制在40-45％优选范围内，其中：Ni当量＝Ni+30C+25N+0.5Mn+0.25Cu+40B，Cr当量＝Cr+2Si+1.5Mo。优选的，所述双相不锈钢丝的化学成分按质量百分比计如下：C：0.010－0.013％，Cr：22-26％，Ni：5－7％，Mo：2-5％，Mn：0.2-0.5％，Si：0.2-0.5％，Cu：0.1-0.3％，N：0.1-0.3％，Ce：0.04-0.08％，B：0.002-0.004％，余量：Fe及不可避免的杂质。C是奥氏体的形成元素，可提高钢丝的强度，但是过高的C含量易产生各类碳化物，影响钢的加工工艺性，尤其是冷拉成形性能，为控制碳化物的生成，C的含量为0.008－0.016％，优选0.010-0.013％。Si是有效的脱氧元素，但是过高的Si含量，会表现出耐腐蚀性降低、成形性降低的倾向，因而，使钢中的Si的含量为0.5％以下，对Si的含量的下限并没有特别限定，但是在小于0.01％时有可能会导致脱氧不充分，Si的含量为0.1-1％，优选0.2-0.5％。Mn是对使奥氏体相稳定化有效的元素，在钢冶炼中可起到脱硫和脱氧的作用，Mn含量在2.0％以下时，Mn含量越高奥氏体相越稳定，但过高含量的Mn，会导致耐腐蚀性的降低；因而，Mn的含量为0.1-1％范围内，优选0.2-0.5％。P杂质元素，为了避免较高的P含量而影响到钢的塑性和韧性，使钢中的P的含量为0.03％以下，P的含量越低越好。S为最有害的杂质，因此S的含量越低越好，根据钢中的共存元素的种类及上述元素的含量以及S的含量，钢中的S基本上以Mn的硫化物、Cr的硫化物、Fe的硫化物等金属夹杂物的形态析出，夹杂物均起到作为腐蚀的起点的作用，本发明的钢中，S的含量控制在0.01％以下，较理想的是S的含量为0.005％以下，且越低越好。Cr是不锈钢中最基本的合金元素，它的主要作用是提高钢的耐蚀性，在氧化性介质中，有使钢表面形成一层牢固而致密的铬的氧化物，使钢受到保护，作为铁素体稳定剂，铬也是用以在奥氏体相与铁素体相之间产生适当相平衡的主要添加物，钝化皮膜的主要的构成元素之一，因此，在确保耐腐蚀性方面是较重要的元素，在Cr的含量过少的情况下，耐腐蚀性会降低，因而，使Cr的含量为20-28％。优选23-26％。Ni是奥氏体的形成元素，镍能提高钢的强度，而又保持良好的塑性和韧性，但是，若高含量的Ni，增加制造成本，为了具有良好的延展性和稳定的双相组织，使Ni的含量为3-8％，优选5-7％。N作为奥氏体的形成元素，对调整奥氏体相的平衡是有效的，另外，N也有助于提高耐腐蚀性，可替代镍元素在钢中的作用，但是，若过量N，则有会产生氮化物而使加工性变差，因而使N含量为0.01-0.5％，优选0.1-0.3％。Mo是铁素体的形成元素，是在双相不锈钢中改善耐腐蚀性、特别是改善耐点腐蚀性的合金成分，钼还可提高钢的强度，但高的钼含量增加σ相析出倾向，同时高的钼含量还会增加冷加工难度，因而，使Mo含量为1-6％，优选2-5％。Cu是用于改善耐腐蚀性的奥氏体稳定剂，当与钼一起使用时，可显著增加在酸性环境中的耐腐蚀性，铜还引起替位型固溶体硬化作用，从而改善抗拉强度和屈服强度，并且降低σ相析出的趋势，但铜含量偏高时，易产生脆性相；因而使Cu含量为0.1-0.6％，优选0.1-0.3％。O杂质元素，氧元素对于热延展性具有不利影响，氧化物夹杂物的存在可降低耐钢的腐点蚀性能，高的氧含量还降低冲击韧性；必须严格控制氧的含量，高的氧含量还降低钢的韧性；因而，O含量为小于0.01％，优选低于0.005％。Ce是一种奥氏体形成元素，可细化组织，可净化钢液，具有强的脱硫和脱氧能力，改善钢的韧塑性和各向异性，提升钢的加工工艺性，但高含量的铈，易产生大的球状氧化物，影响钢的腐蚀性能和冲击韧，因而，Ce含量为0.03-0.2％，优选0.06-0.12％。B微量硼元素可起到细化晶粒效果，改善耐晶间腐蚀性能，微量硼的加入还可提高气阀合金的热塑性，改善热加工性，但过量的B元素会容易引起脆性，产生非金属夹杂，因而，B含量0.001-0.005％，优选0.002-0.003％。双相不锈钢由于双相组织的存在，造成局部的变形不均匀，影响变形行为，与奥氏体不锈钢相比，双相不锈钢的冷加工硬化效应较大，尤其在变形初期，粗钢丝在冷拉成型中，初始变形抗力较大，且延伸率比奥氏体不锈钢要低，综合考虑，钢中的铁素体相占两相组织的35-50％，铁素体量优选40-45％；在保证双相不锈钢的综合性能的同时，尽可能的提高钢丝的冷拉成型可加工性，以提升钢丝冷拉加工效率和成材率。一种双相不锈钢丝的制备方法，其制备步骤为：中频感应熔炼－－电渣重熔－－热轧－－拉丝、固溶－－表面酸洗并清洗－－冷拉；其中，中频感应熔炼过程中，原料经加热烘干，保持原料干燥纯净，降低钢中的气体含量，为保证双相不锈钢的纯净度，所选原材料为纯净度较高的金属，中间合金均为超低碳合金，中频感应熔炼时各元素的加入顺序为：纯铁、镍板连同渣料放入感应炉中，待熔化成铁水后，加入铬铁中间合金、硅铁、钼铁，熔化后静置，加入电解铜和铈铁中间合金，测试钢液中的氮含量，根据氮含量值，加入氮化锰后，根据钢液中的锰含量，加入电解锰对锰元素进行补充，钢中的硼元素通过渣料中的硼砂获得，钢中的硼元素获得率按硼砂量的0.3％计；渣料为石灰、萤石、硼砂和少量硅钙，石灰与萤石的质量比为3:1，石灰按每100Kg钢液加入2kg计，硅钙作为脱氧剂加入，硅钙的质量占渣料总质量的1-5％，保持白渣便可；中频感应熔炼后将钢液浇注成坯锭进行电渣重熔，进一步净化钢锭，降低钢的杂质，电渣重熔后铸锭热轧成直径为5mm的粗钢丝，进行拉丝；在进行拉丝工艺时，总减径量达到70-80％时，须进行固溶处理，中间固溶温度为1060℃，尽可能降低钢丝的硬度，提高延伸率，利于冷拉形变，最后一道固溶温度为1000℃，目的是控制铁素体相的含量为40-45％，钢丝拉制时，考虑到双相不锈钢的初使变形应力大的因素，减径系数适当降低，避免断头、断丝，经前两道拉制后，采用恒定的减径系数对钢丝进行减径，粗丝拉制的减径系数为1.1，细丝减径系数为1.07。(1)第一道固溶处理热轧制直径5mm的粗钢丝，经1060℃×0.5h固溶处理，出炉后快速水冷，进行酸洗并烘干，第一道拉丝直径按1.06系数进行减径，直径为4.7mm，第二道拉丝直径按1.09系数进行减径，直径为4.3mm，第三道拉丝按1.1系数进行减径，直径为3.9mm，第四道及后面拉丝均按1.1系数进行减径，直至2.4mm直径，总减径量在70-80％。(2)第二道固溶处理直径2.4mm钢丝，1060℃×0.4h固溶处理，出炉后快速水冷，进行酸洗并烘干，第一道拉丝直径按1.06系数进行减径，直径为2.26mm，第二道拉丝直径按1.09系数进行减径，直径为2.1mm，第三道拉丝按1.1系数进行减径，直径为1.9mm，第四道及后面拉丝均按1.1系数进行减径，直至1.1mm直径，总减径量在70-80％。(3)第三道固溶处理直径1.1mm钢丝，1000℃×0.3h固溶处理，出炉后快速水冷，进行酸洗并烘干，第一道拉丝直径按1.03系数进行减径，直径为1.068mm，第二道拉丝直径按1.05系数进行减径，直径为1.017mm，第三道拉丝按1.07系数进行减径，直径为0.95mm，第四道及后面拉丝均按1.07系数进行减径，直至0.5mm直径。本发明具有以下优点和积极效果：1.通过成份的设计，按Ni当量∶Cr当量比值≥0.28、且Ni当量≤16，进行元素优选与配比，保障双相不锈钢中的铁素体的含量控制在40-45％优选范围内，其中：Ni当量＝Ni+30C+25N+0.5Mn+0.25Cu+40B，Cr当量＝Cr+2Si+1.5Mo，使优化配比的双相不锈钢丝具有优异的抗拉强度、抗应力腐蚀性能、抗疲劳性能。2.采用中频感应熔炼加电渣重熔工艺制造双相不锈钢，解决了小规模生产双相不锈钢的成份控制，此工艺方法易于实现，更适合钢丝绳用小批量钢丝的制造。3.设计拉丝配模和中间热处理工序，调控制双相不锈钢丝中的а相与γ相含量比值，解决双相不锈钢丝变形抗力大、冷拉塑性成形难的问题，大大提高了双相不锈钢丝成材率。具体实施方式实施例一：一种双相不锈钢丝，其化学成分按质量百分比计为：C：0.011％，Cr：23％，Ni：5.5％，Mo：3％，Mn：0.4％，Si：0.4％，Cu：0.2％，N：0.15％，Ce：0.05％，B：0.003％，余量：Fe及不可避免的杂质。该双相不锈钢丝的制备方法为：中频感应熔炼－－电渣重熔－－热轧－－拉丝、固溶－－表面酸洗并清洗－－冷拉。其中，中频感应熔炼过程中，原料经加热烘干，保持原料干燥纯净，降低钢中的气体含量，为保证双相不锈钢的纯净度，所选原材料为纯净度较高的金属，中间合金均为超低碳合金，中频感应熔炼时各元素的加入顺序为：纯铁、镍板连同渣料放入感应炉中，待熔化成铁水后，加入铬铁中间合金、硅铁、钼铁，熔化后静置，加入电解铜和铈铁中间合金，测试钢液中的氮含量，根据氮含量值，加入氮化锰后，根据钢液中的锰含量，加入电解锰对锰元素进行补充，钢中的硼元素通过渣料中的硼砂获得，钢中的硼元素获得率按硼砂量的0.3％计；渣料为石灰、萤石、硼砂和少量硅钙，石灰与萤石的质量比为3:1，石灰按每100Kg钢液加入2kg计，硅钙作为脱氧剂加入，硅钙的质量占渣料总质量的1-5％，保持白渣便可；中频感应熔炼后将钢液浇注成坯锭进行电渣重熔，进一步净化钢锭，降低钢的杂质，电渣重熔后铸锭热轧成直径为5mm的粗钢丝，进行拉丝；在进行拉丝工艺时，总减径量达到70－80％时，须进行固溶处理，具体操作流程为：(1)第一道固溶处理热轧制直径5mm的粗钢丝，经1060℃×0.5h固溶处理，出炉后快速水冷，使用20％硝酸与5％氢氟酸混合后进行酸洗钝化并烘干，第一道拉丝直径按1.06系数进行减径，直径为4.7mm，第二道拉丝直径按1.09系数进行减径，直径为4.3mm，第三道拉丝按1.1系数进行减径，直径为3.9mm，第四道及后面拉丝均按1.1系数进行减径，直至2.4mm直径，总减径量在76.96％。(2)第二道固溶处理直径2.4mm钢丝，1060℃×0.4h固溶处理，出炉后快速水冷，使用20％硝酸与5％氢氟酸混合后进行酸洗钝化并烘干，第一道拉丝直径按1.06系数进行减径，直径为2.26mm，第二道拉丝直径按1.09系数进行减径，直径为2.1mm，第三道拉丝按1.1系数进行减径，直径为1.9mm，第四道及后面拉丝均按1.1系数进行减径，直至1.1mm直径，总减径量在78.99％。(3)第三道固溶处理直径1.1mm钢丝，1000℃×0.3h固溶处理，出炉后快速水冷，进行酸洗并烘干，第一道拉丝直径按1.03系数进行减径，直径为1.068mm，第二道拉丝直径按1.05系数进行减径，直径为1.017mm，第三道拉丝按1.07系数进行减径，直径为0.95mm，第四道及后面拉丝均按1.07系数进行减径，直至0.5mm直径，总减径量为79.33％。实施例二同实施例一的一种双相不锈钢丝，其不同之处在于，其化学成分按质量百分比计为：C：0.013％，Cr：24％，Ni：6.5％，Mo：4.4％，Mn：0.39％，Si：0.43％，Cu：0.3％，N：0.18％，Ce：0.07％，B：0.004％，余量：Fe及不可避免的杂质。实施例三同实施例一的一种双相不锈钢丝，其不同之处在于，其化学成分按质量百分比计为：C：0.010％，Cr：22％，Ni：5.2％，Mo：2.4％，Mn：0.36％，Si：0.35％，Cu：0.18％，N：0.12％，Ce：0.04％，B：0.002％，余量：Fe及不可避免的杂质。实施例四同实施例一的一种双相不锈钢丝，其不同之处在于，其化学成分按质量百分比计为：C：0.012％，Cr：23％，Ni：5.8％，Mo：3.7％，Mn：0.23％，Si：0.28％，Cu：0.25％，N：0.14％，Ce：0.06％，B：0.003％，余量：Fe及不可避免的杂质。现对本发明实施例一、实施例二、实施例三、实施例四制得双相不锈钢丝进行力学测试，并将授权公开号为CN103103457B的一种双相不锈钢编织软管丝作为对比例进行力学测试，测试结果如下：这里本发明的描述和应用是说明性的，并非想将本发明的范围限制在上述实施例中，因此，本发明不受本实施例的限制，任何采用等效替换取得的技术方案均在本发明保护的范围内。