高拉伸钢丝的制作方法

本发明涉及高拉伸长形钢元件、特别是高拉伸钢丝、用于制造高拉伸长形钢元件的方法和这样的高拉伸长形钢元件作为弹簧丝和绳丝的各种用途或应用。

背景技术：

美国专利号5922149公开了一种用于制造用于实施柔性管的钢丝和成形丝的方法。成形丝通过对由0.05％-0.5％的c、0.4％-1.5％mn、0-2.5％的cr、0.1％-0.6％的si、0-1％的mo、不超过0.25％的ni及不超过0.02％的s和p组成的钢进行轧制或拉拔来生产，并且对成形丝执行第一热处理，包括在预定条件下淬火以实现至少32的hrc硬度、主导的是马氏体和贝氏体的钢结构及少量铁素体的至少一个步骤。淬火步骤包括使所述钢丝在大于钢的ac3点的温度下通过奥氏体化炉。成形丝在热处理之后具有不超过900mpa的断裂点rm。

国际专利申请号2011/151532公开了一种旨在用作柔性管组成部分的低合金碳钢的异型丝。该钢丝具有以下组成：在0.75％与0.95％之间的碳、在0.30％与0.85％之间的锰、小于0.4％的铬、小于0.16％的钒、在0.15％与1.40％之间的硅。该钢丝通过首先在长形元件棒的奥氏体域内对其进行热轧跟着冷却至室温来制造。通过首先使丝棒经受两个连贯且有序的阶段的热机械处理(即等温回火以赋予丝棒均质的珠光体微观结构)，跟着是具有包括在50％与最大80％之间的总体加工硬化率的冷机械变换操作以给予其最终形状来获得异型丝。所获得的异形丝接着在从410℃到710℃的温度下经受热处理，以给予其期望的最终机械特性。在该专利申请中，通过等温回火创建的微观结构是珠光体，以使钢经得住由拉拔和/或轧制所施加的变形。

一般使用具有铁素体-珠光体结构和相当高的高机械强度值与硬度值的、处于冷成形原始状态的碳钢。然而考虑到例如关于弹簧丝必须执行的预成形与弯折操作，和对于加强丝来说所需要的加强操作，已发现增加的机械强度超过一定限值会引起这样的钢具有不足的延展性。国际专利申请wo2013041541已公开一种对具有特别的钢组成的钢丝进行的特定热处理。如此获得的钢丝具有有着一定体积的残留的奥氏体和断裂时的高伸长率的冶金结构。已对钢丝做出了大量努力以进一步提高拉伸强度并同时具有可接受的或期望的延展性。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种具有高到极高的拉伸强度和可接受的延展性的长形钢元件。

本发明的另一目的是提供一种适于用作弹簧丝或用于生产绳的元件的高拉伸钢丝。

本发明的又另一目的是提供一种用以制造具有高到极高的拉伸强度和可接受的延展性的长形钢元件、特别是钢丝的合适的方法。

本发明描述了归因于定向的马氏体微观结构而具有非常高的拉伸强度和延展性的长形钢元件，和用以在连续的过程中生产这样的长形钢元件的方法。其中“长形钢元件”意味着具有一个明显维度(即长度)显著地大于另外两个维度(即宽度和厚度或者直径)的钢元件。例如，“长形钢元件”是具有从几米到几千米的长度和具有约为毫米到几十毫米(例如从0.5mm到50mm、从1mm到20mm)的宽度和厚度且其中宽度大于厚度的扁平形状横截面的钢丝。在本申请的内容中，“长形钢元件”主要是指包括成形丝和异型丝、钢杆、钢棒、钢带、钢条、钢轨和具有长形形状的任何钢构件的钢丝。

根据本发明的第一方面，提供有一种长形钢元件，具有非圆形横截面并且处于加工硬化状态，所述长形钢元件作为钢组成具有：

范围从0.20重量百分比至1.00重量百分比(例如从0.50重量百分比至0.75重量百分比或约0.60重量百分比)的碳含量，

范围从0.05重量百分比至2.0重量百分比(例如从0.15重量百分比至1.8重量百分比或约0.20重量百分比或约1.40重量百分比)的硅含量，

范围从0.40重量百分比至1.0重量百分比(例如从0.50重量百分比至0.80重量百分比或约0.60重量百分比)的锰含量，

范围从0.0重量百分比至1.0重量百分比(例如从0.01重量百分比至1.0重量百分比、从0.10重量百分比至0.90重量百分比或从0.50重量百分比至0.80重量百分比)的铬含量，

硫和磷含量各自被限制为0.025重量百分比，例如被限制为0.015重量百分比，

镍、钒、铝、钼或钴的含量各自被限制为0.50重量百分比、例如被限制为0.30重量百分比或被限制为0.10重量百分比，

其余为铁和不可避免的杂质，并且其中钢中的所有元素的重量分数的总和等于100％，

所述钢具有包括马氏体晶粒的马氏体结构，

其中马氏体晶粒的至少百分之10体积部分是定向的。

已知马氏体钢是多晶材料。当多晶材料的晶粒是随机定向的时，多晶材料是非定向或非纹理化的。在特定条件下，多晶材料的晶粒可以优选地是定向的，并且在该情况中多晶材料被称为“定向的”、“对齐的”或“纹理化的”。经常面对两种类型的定向或对齐，即，“晶体学定向”和“微观结构定向”。晶体学定向意味着晶粒是晶体学定向的，例如具有某些晶体学平面或晶体学方向的优选对齐或定向。优选的晶体学定向通常从在采样的坐标系内的不同空间方向上已测得的衍射峰强度(诸如通过x射线衍射(xrd)分析或电子反向散射衍射(ebsd))的定向依赖性的分析来确定。另一方面，如果多晶材料的晶粒具有形态上的各向异性形状，则晶粒也可以在多晶的形成期间通过诸如单轴压缩而具有“微观结构定向”。“微观结构定向”暗示着各向异性形状的晶粒在优选的方向或平面中是形态上定向的。这可以通过诸如扫描电子显微镜(sem)的图像分析来检测。此外，晶体学定向经常与微观结构定向有关联，因为晶粒的形状各向异性经常与它们的晶体学相关。

马氏体作为条板状或板形状的晶粒出现。当在横截面中观察时，透镜状(透镜形状的)晶粒有时被描述为针状(针形状)。根据本申请，在生产出的马氏体钢丝中，马氏体晶粒的至少百分之10体积部分是定向的。术语“定向的”意味着透镜状晶粒或者在晶体学上是定向的或者在微观结构上是定向的，或者在晶体学和微观结构两者上是定向的。

晶体学定向的体积百分数可以借助于x射线衍射(xrd)分析或电子反向散射衍射(ebsd)来获得。微观结构定向的体积百分数可以通过图像分析来评价。

本文中，术语“定向的”不仅意味着透镜状晶粒的晶体学轴线或轴线在如图1中用a1和a2所图示出的相同方向上是确切地定向的，而且是指在公差内的定向。当晶粒的某些轴线的方向(或某些晶体学方向)偏离、如图1中用角度α所呈现的(在20°内、优选在10°内、更优选在5°内)时，这些晶粒也被视为定向的。

定向至少是指一维优选定向，例如在垂直于透镜状晶粒的平面的方向(如图1中用a1、a2、例如[001]所示的方向)上。对于一维定向，透镜状晶粒在透镜平面上的方向(如图1中用a4、a5所示的方向)上随机地分布。定向也可以是指三维优选定向、即晶粒优选地在两个正交方向(例如[001]和[100])上是定向的。

本发明的长形钢元件可以处于加工硬化状态，这意味着长形钢元件借助于诸如拉丝或轧丝的机械变形来加工硬化。拉丝是用于通过将丝拉动通过单个或一系列拉拔模具(多个)而减小丝的横截面的金属加工过程。轧丝是通过由一对在相反方向上转动的金属辊引起的变形来减小横截面面积或使金属件成形的过程。已知加工硬化增加拉伸强度rm并降低丝的延展性。丝的延展性可以通过断裂时的伸长率at来反映。如下文中将图示出的，与传统钢丝相比，具有特定组成的本发明的钢丝仅需要几个减小步骤以到达相当水平的拉伸强度以及高水平的伸长率。

根据本发明，当其横截面是非圆形时，长形钢元件具有附加优点。根据本发明的钢的马氏体晶粒是定向的，并且该定向通常与长形钢元件的生产有关联。马氏体晶粒的定向或产品的纹理因此与产品的几何形状或尺寸具有一定的关系。例如，归因于特定方向压实力，冷轧扁平形状丝的纹理与具有圆形横截面的拉拔丝相比更好。此外，冷轧扁平形状丝的马氏体晶粒的相对于产品的几何形状的定向方向可以从非圆形横截面的各向异性来识别。

优选地，马氏体晶粒的至少百分之20体积部分是定向的。更优选的，马氏体晶粒的至少百分之30体积部分是定向的。更优选地，马氏体的至少百分之40体积部分是定向的。

根据本申请的长形钢元件优选地具有至少是拉伸强度rm的百分之80的屈服强度rp0.2。rp0.2是处于0.2％永久伸长率的屈服强度。更优选地，屈服-拉伸比、即rp0.2/rm是在百分之80与百分之96之间。因此，弹性变形之后的钢丝在断裂之前仍然可以在一定程度上变形。然而，如将进一步引证的，连贯的热处理可以造成与高于3％的断裂时的伸长率at相比非常高的屈服-拉伸比(其中热处理之前的rm高于或等于热处理后的rm)。

根据本申请的长形钢元件优选地具有耐腐蚀性涂层。更优选地，钢丝具有选自锌、铝、镍、银、铜或它们的合金中的任一种的耐腐蚀性涂层。在这样的情况中，即使在恶劣的腐蚀环境中，丝也具有延长的使用寿命。

在没有连贯的热处理的情况下，长形钢元件可以具有至少1200mpa的拉伸强度rm和至少百分之3的断裂时的伸长率at。长形钢元件可以处于冷轧状态。长形钢元件可以是扁平形状的丝并因此在横截面中具有“蹄铁交叉(blacksmith-cross)”。在没有连贯的热处理的情况下，对于低于300mm²的横截面面积的扁平形状的钢丝，具有至少1200mpa的拉伸强度rm和对于低于100mm²的横截面面积的扁平形状的钢丝具有至少1300mpa的拉伸强度rm和对于低于5mm²的横截面面积的扁平形状的钢丝具有至少1400mpa的拉伸强度rm。优选地rm可以是利用连贯的热处理调整下降至1000mpa。利用连贯的热处理，取决于热循环的时间和温度，拉伸强度rm可以在热处理前获得的rm与下降至1000mpa之间调整。

根据本发明的第二方面，长形钢元件可以用作弹簧丝或用于生产绳的元件。

根据本发明的第三方面，提供有一种制造长形钢元件的方法，所述长形钢元件具有非圆形横截面且处于加工硬化状态，所述长形钢元件作为钢组成具有：

范围从0.20重量百分比至1.00重量百分比(例如从0.50重量百分比至0.75重量百分比或约0.60重量百分比)的碳含量，

范围从0.05重量百分比至2.0重量百分比(例如从0.15重量百分比至1.8重量百分比或约0.20重量百分比或约1.40重量百分比)的硅含量，

范围从0.40重量百分比至1.0重量百分比(例如从0.50重量百分比至0.80重量百分比或约0.6在重量百分比)的锰含量，

范围从0.0重量百分比至1.0重量百分比(例如从0.01重量百分比至1.0重量百分比、从0.10重量百分比至0.90重量百分比或从0.50重量百分比至0.80重量百分比)的铬含量，

硫和磷含量各自被限制为0.025重量百分比，例如别限制为0.015重量百分比，

镍、钒、铝、钼或钴的含量各自被限制为0.5重量百分比，例如被限制为0.30重量百分比或被限制为0.10重量百分比，

其余为铁和不可避免的杂质，并且其中钢中的所有元素的重量分数的总和等于100％，

所述钢具有包括马氏体晶粒的马氏体结构，

其中马氏体晶粒的至少百分之10体积部分是定向的。

所述方法依次包括以下步骤：

a)在小于120秒的周期期间在高于ac3温度下使钢锭、盘条或钢(拉拔的或轧制的)丝奥氏体化，

b)在小于60秒的周期期间在低于100℃下对所述奥氏体化的钢锭、盘条或钢丝进行淬火，

c)在范围从10秒到600秒的周期期间在320℃与700℃之间对所述淬火的钢锭、盘条或钢丝进行回火，

d)将所述淬火并回火的钢锭、盘条或钢丝加工硬化成长形钢元件。

在现有技术中，诸如在美国专利号5922149的公开中，钢丝或丝棒首先被变形或加工硬化成最终尺寸并且随后被淬火和回火，如图2中示意性地示出的。相反，根据本发明，钢锭、盘条或钢丝首先在低于马氏体形成结束时的温度下在短时间内进行淬火，以形成马氏体结构。在该马氏体结构中，几乎没有或者有非常有限的(例如小于1vol％)的奥氏体残留。此后跟着是使淬火的盘条或钢丝回火。回火的马氏体钢接着被变形或加工硬化(例如通过拉拔或轧制)成最终尺寸，如图3中示意性所示。马氏体晶粒的定向是通过在淬火并回火的马氏体长形钢元件上进行拉拔或轧制的所施加的压缩力的结果。定向的程度主要取决于所施加的压缩力和应变硬化。

本发明得到意想不到的技术结果和优点。通常在丝加工中淬火和回火是最终步骤，并且马氏体一直被认为对于拉拔或轧制是不利的。根据本发明的马氏体丝的拉伸强度非常高且拉伸强度的水平与高水平延展性的组合是不常见的。通过拉拔或轧制回火马氏体钢而获得的令人惊奇的结果可以归功于与常规共析钢相比的钢的特殊合金化(具有cr和si的微合金化)。冷变形长形钢元件中的马氏体晶粒的定向是通过在淬火并回火的马氏体钢上进行的变形所施加的压缩力的结果。本申请的组成和方法的协同效果使得具有优选马氏体定向的马氏体长形钢元件。

方法可以进一步包括步骤e)在100℃与250℃之间的温度下使所述加工硬化的长形钢元件老化。

优选地，在方法中所述加工硬化在低于700℃的温度下发生。根据优选实施例，所述加工硬化是冷轧。冷变形具有加工硬化和增强材料的额外的效果，并因此进一步提高了材料的机械性能。它还提高了表面光洁度并保持更严格的公差，以允许期望的通过热变形不可能获得的质量。可选地，根据另一可能的实施例，所述加工硬化是在400℃与700℃之间发生的温轧。对于类似的减小，温轧的应用显著地减少了所要求的通过的量、在辊上的负载并使过程简化。

方法可以进一步包括可选的步骤e)在350℃与700℃之间的温度下使所述加工硬化的长形钢元件退火。退火步骤可以去除残余应力、增加屈服-拉伸比并且进一步提高长形钢元件的延展性。

附图说明

在结合非限制性示例和随附的附图考虑时参照详细描述将更好地理解本发明，其中：

图1示意性地示出多结晶材料中的晶粒定向。

图2图示出用于根据现有技术的钢丝的热机械过程。

图3图示出用于根据本发明的钢丝的热机械过程。

图4图示出用于根据本发明的热过程的温度vs.时间曲线。

图5示出根据本发明的第二实施例的作为厚度减小的函数的拉伸/屈服强度和伸长率。

图6是在根据本发明生产的扁平形状的长形钢元件的横截面上的“蹄铁交叉”的示意图。

图7(a)示出在扁平形状的钢丝的“蹄铁交叉”的中心附近的扫描电子微观结构(sem)。

图7(b)示出在扁平形状的钢丝的横截面的短边缘处的扫描电子微观结构。

图7(c)示出在扁平形状的钢丝的横截面的长边缘处的扫描电子微观结构。

图8是根据本发明的在相同热处理之后的丝棒的横截面的示意图。

图9(a)示出在丝棒的中心附近的扫描电子微观结构。

图9(b)示出在丝棒的边缘处的扫描电子微观结构。

图10示出根据本发明的钢丝的作为退火温度的函数的拉伸/屈服强度和伸长率的发展。

具体实施方式

图4图示出应用于具有6.5mm的直径的、且具有以下钢组成的钢丝或丝棒的合适的温度对时间曲线：

-％wtc＝0.55

-％wtmn＝0.65

-％wtsi＝1.4

-％wtcr＝0.6

余量是铁和不可避免的杂质。

此钢的马氏体变形的起始温度ms是约280℃并且马氏体形成结束时的温度mf是约100℃。

该方法的各种步骤如下：

-第一奥氏体化步骤(10)，在该步骤期间钢丝停留在在120秒期间在约950℃的炉中，

-第二淬火步骤(12)，用于在至少20秒期间在低于100℃的温度下的油中的马氏体变形；

-第三回火步骤(14)，用于在小于60秒期间在约450℃的温度下增加韧性；和

-第四冷却步骤(16)，在20秒或更长时间期间在室温下。

曲线18是在各种设备部件(炉、熔池)中的温度曲线，并且曲线19是钢丝或丝棒的温度。

以上热处理之后的钢丝或丝棒具有回火马氏体微观结构。

所形成的马氏体钢丝或丝棒继续进行冷轧(即低于400℃)至扁平形状。钢元件通过若干轧制机架被冷轧成最终尺寸。钢丝通过越多的轧制机架，厚度减小越多。可以测量和控制钢丝的张力。重要的是最小化或消除在机架之间移动的钢丝中的张力。张力可以造成钢的实质缩窄。可以使用精密调速系统来控制辊被驱动时的速度以使张力最小化。作为示例，在两个厚度轧制之间插入边缘轧制。

在不同厚度减小水平下的屈服(rp0.2)和拉伸(rm)强度连同断裂时的伸长率at被示出在图5中。如图5所示，拉伸和屈服强度两者随着厚度减小而增加。屈服-拉伸比在80与96之间。具有60％的厚度减小时，扁平形状的钢丝的拉伸强度可以在没有故障或断裂的情况下上升到2200mpa。这样的扁平形状的钢丝具有约2％的断裂时的伸长率at，这对于诸如弯折的进一步加工或操作是可接受的。

该非常高的拉伸强度是轧制之后的钢丝中的定向马氏体晶粒的结果。通过图像分析对定向进行分析并且显示马氏体晶粒的至少百分之10体积部分被定向。

特别地，在以归因于轧制而创建的最大应变区域为特征的所谓的“蹄铁交叉”(如图6所示)附近，马氏体晶粒被良好地定向。在一些实例中，它也被称为“层叠交叉”，因为它是宏观剪切带的形成。在应力方面，轧制在扁平形状的丝的中心、长边缘和短边缘之间具有应力分量的非均匀的重新分配。最高应变或最强变形发生在如图6中示意性所示的交叉区域处。应变分布确定了透镜状形状的马氏体晶粒的定向，使得与在短和长边缘(图6的横截面视图中分别用(b)和(c)指示出的位置)附近的定向相比，在该交叉区域(例如，图6中用(a)指示出的位置)附近马氏体被更好地压缩并且因此被定向。图7(a)和图7(b)及(c)分别示出被冷轧成宽度上为11.9mm且在厚度上为3.5mm的扁平形状的丝的在中心(图6中用(a)指示出)附近和在短和长边缘(图6中分别用(b)和(c)指示出)附近的横截面的微观结构。如图7(a)所示，透镜状形状的马氏体晶粒呈现针状形状的微观结构且被良好地定向。已发现，特别是在横截面的中心附近，透镜状(透镜形状的)马氏体晶粒的轴线被基本上垂直于扁平形状的丝的长边缘定向。如图7(b)及(c)所示在边缘处的马氏体晶粒的定向的程度不如中心附近的图7(a)所示的那样高。

作为比较，还观察并在图9中示出了在具有圆形横截面(图8)的丝棒的边缘(图8中用位置(b)指示出)处和在中心(图8中用位置(a)指示出)附近的微观结构。丝棒通过了与本发明的扁平形状的丝相同的热处理，并且在热处理期间或之后没有应用于该丝棒的冷变形。在没有冷变形的情况下，丝棒呈现均匀的微观结构。马氏体晶粒或者在丝棒的中心(图9(a))附近或者在边缘(图9(b))处被随机地定向。

作为附加或任选步骤，可以在轧制之后使用退火处理以去除应力。初始冷轧扁平形状的丝具有约2020mpa的拉伸强度、约1750mpa的屈服强度和约4.2％的断裂时的伸长率。加工硬化的钢丝以15m/min的速度连续地通过在350℃与750℃之间的温度下的退火炉或烘箱。钢丝的作为退火温度(at)的函数的拉伸强度(rm-r)、屈服强度(rp0.2-r)和断裂时的伸长率(at-r)的发展被示出在图10中。当在低温度(即约400℃或450℃)下对丝进行退火时，伸长率没有提高并且甚至稍微降低。然而，当在高于500℃的温度下进行退火时，加工硬化的钢丝的断裂时的伸长率(at-rta)如图10所示随着退火温度而增加。当在700℃下对钢丝进行退火时，钢丝的断裂时的伸长率(at-rta)可以上升到约9.5％。拉伸强度(rm-rta)和屈服强度(rp0.2-rta)两者都随着钢丝的退火温度而降低。

作为示例，对加工硬化的钢丝进行退火以便将其拉伸强度rm从约2020mpa减小至包括在1000mpa与1500mpa之间、优选包括在1200mpa与1500mpa之间的值。作为另一示例，对加工硬化的钢丝进行退火以便将其拉伸强度rm从约2020mpa减小至包括在1500mpa与1900mpa之间、优选包括在1600mpa与1800mpa之间的值。退火处理一方面显著地影响丝的强度和伸长率，并且另一方面也可以被控制以提高耐疲劳性、耐腐蚀性和对氢脆的抵抗力。

根据本发明，可选地，可以使用温轧来使钢丝的厚度扁平化或减小。淬火和回火的圆形丝或扁平丝在温轧之前首先在炉或烘箱中、优选地在中频感应加热炉中被温热至400℃与700℃之间的温度。这里，中频意味着在10khz至200khz的范围内的频率。优选地，在温轧期间使用修整单元，其调整钢的温度以补偿在轧制步骤期间可能发生的热损失。