CN109957725B

CN109957725B - 内部材质均匀的高碳线材及其制造方法

Info

Publication number: CN109957725B
Application number: CN201810809005.7A
Authority: CN
Inventors: 朴焌学; 朴龙植; 朴世元
Original assignee: Posco Co Ltd
Current assignee: Posco Holdings Inc
Priority date: 2017-12-22
Filing date: 2018-07-20
Publication date: 2021-10-29
Anticipated expiration: 2038-07-20
Also published as: KR101987670B1; CN109957725A

Abstract

本发明公开一种内部材质均匀的高碳线材及其制造方法。根据本发明的一个实施例的内部材质均匀拉拔加工性高的高碳线材，其以重量％计包含碳(C)：0.8％至1.0％、硅(Si)：0.15％至1.5％、锰(Mn)：0.2％至0.8％、铬(Cr)：0.2％至0.8％、铝(A1)：小于等于0.05％(0除外)、余量的Fe及其他不可避免的杂质，将珠光体相作为基体组织，并且满足下述式(1)，(1)5≤C*N≤15其中，C表示碳的含量(重量％)，N表示线材的半径为R时在从表面至0.5R处测定的珠光体团(Nodule)尺寸(μm)。

Description

内部材质均匀的高碳线材及其制造方法

技术领域

本发明涉及内部材质均匀以及拉拔加工性高的高碳线材及其制造方法。

背景技术

线径为10mm～15mm的高强度线材通过热处理和加工被制成高强度钢丝，钢丝以各种形式用于整个产业。典型的形式有用于悬索桥、斜拉桥等桥梁的钢丝绳、用于加强混凝土的PC钢丝、用于大型建筑物或结构物的钢丝绳、用于支撑海上油田或各种结构物的锚索(Anchor rope)等。

将高强度线材加工成钢丝时，一般会经过拉拔(Drawing)，这是因为，拉拔与其他加工条件相比允许的冷加工量更多，从而可以最大限度地利用加工硬化效果。

另外，将微细组织控制成由铁素体和渗碳体的层状结构组成的珠光体时，对所述拉拔加工非常有利。这是因为，当冷加工时，由于在铁素体和渗碳体的界面位错生成很活跃，不仅加工硬化效果大，而且有利于确保强度，但是由于拉拔加工时脆性差的渗碳体在静水压变形条件下被激活的其他滑移系，也会确保塑性加工性能。

此时，重要的是使材料表面部分和中心部分的材质偏差最小化。如若不然，拉拔加工过程中在材料内部的局部区域应力集中加剧，有可能导致断线，而且对最终钢丝中从材料表面扩展到内部的裂纹敏感的性能(例如扭转性能)可能会变差。

在这种情况下拉拔加工时，可使表面部分和中心部分的材质偏差最小化的材料是指热轧或热处理后拉拔加工前调查表面部分和中心部分的强度水平和加工硬化率时两者之差小的材料。

珠光体组织中影响上述两种性能的因素是层状间距(Interlamellar Spacing)。也就是说，层状间距越微小强度水平和加工硬化率都高。然而，在目前制造高强度线材的工艺，即对热轧或热处理后的材料进行冷却以准备拉拔加工前的材料的过程中，材料的表面部分与中心部分相比层状间距必然会变得更微小，这是表面部分的冷却速度总是更快的自然现象所致。其结果，表面部分比中心部分初始强度高、加工硬化率高，因此拉拔加工时造成材质不均匀。

在目前的研究中，材质不均匀被认为与材料的冷却性能改善有关，因此已经有许多关于可以改善冷却性能的工艺方面的研究。然而，本发明人发现，表面部分和中心部分的材质偏差与相变前的显微组织学上的因素有关，从而提出了本发明。

发明内容

技术问题

本发明旨在提供一种通过抑制相变发热使内部材质均匀的拉拔加工性提高的线材、钢丝及它们的制造方法。

技术方案

根据本发明的一个实施例的内部材质均匀的线材，其以重量％计包含碳(C)：0.8％至1.0％、硅(Si)：0.15％至1.5％、锰(Mn)：0.2％至0.8％、铬(Cr)：0.2％至0.8％、铝(Al)：小于等于0.05％(0除外)、余量的Fe及其他不可避免的杂质，将珠光体相作为基体组织，并且满足下述式(1)。

(1)5≤C*N≤15

其中，C表示碳的含量(重量％)，N表示0.5R处测定的珠光体团(Nodule)尺寸。

此外，根据本发明的一个实施例，还可包含硼(B)：0.0003％至0.0008％或钴(Co)：0.01％至0.015％。

此外，根据本发明的一个实施例，由下述式(2)表示的从材料表面100μm下方至0.5R(R表示线材的半径)处之间的区域中单位距离硬度的减少率可满足小于等于30HV/mm。

(2)Δ硬度/Δ距离

此外，根据本发明的一个实施例，由下述式(3)表示的从材料表面100μm下方至0.5R(R表示线材的半径)处之间的区域中单位距离

的变化率可满足小于等于0.34/mm。

(3)

/距离

其中，L表示珠光体片层间距(μm)。

此外，根据本发明的一个实施例，所述珠光体团的尺寸可为5μm至20μm。

根据本发明的另一个实施例的内部材质均匀的线材的制造方法，其包含：对坯料进行加热的步骤，所述坯料以重量％计包含碳(C)：0.8％至1.0％、硅(Si)：0.15％至1.5％、锰(Mn)：0.2％至0.8％、铬(Cr)：0.2％至0.8％、铝(A1)：小于等于0.05％(0除外)、余量的Fe及其他不可避免的杂质；对所述加热后的坯料进行轧制以得到线材的步骤；在750℃至950℃下卷取所述线材的步骤；以及对所述卷取后的线材在490℃至630℃的温度范围下冷却速度控制为5℃/s～30℃/s进行冷却以使相变发热开始温度为540℃至680℃以及相变发热而增加的温度小于等于50℃。

此外，根据本发明的一个实施例，卷取后的线材的冷却可实施2秒至20秒。

此外，根据本发明的一个实施例，坯料加热温度可为950℃至1100℃。

此外，根据本发明的一个实施例，轧制线材的终轧温度可为900℃至1000℃。

此外，根据本发明的一个实施例的内部材质均匀的线材的制造方法，所述线材满足下述式(1)。

(1)5≤C*N≤15

其中，C表示碳的含量(重量％)，N表示线材的半径为R时在从表面至0.5R处测定的珠光体团(Nodule)尺寸(μm)。

有益效果

根据本发明的实施例的内部材质均匀的线材具有优异的拉拔加工性，因此可应用于各种领域。

附图说明

图1是材料中单位距离材质变化率测定方法的示意图。

具体实施方式

根据本发明的一个实施例，可以提供三相(triple-phase)不锈钢，其内部形成铁素体相，包含表面的最外围形成奥氏体相，所述铁素体相和所述奥氏体相之间形成马氏体相。

下面参照附图对本发明的实施例进行详细说明。下述实施例是为了向本发明所属技术领域的普通技术人员充分传达本发明的技术思想而提供的。本发明不限于下述实施例，能够以其他方式实施。为了使本发明清楚起见，附图中省略了与说明无关的部分，并略微放大示出了构成要素的尺寸，以便于理解。

此外，某一部分“包含”某一构成要素时，除非有特别相反的记载，否则表示进一步包含其他构成要素，并不是排除其他构成要素。

除非上下文中另有说明，否则单数形式也意在包括复数形式。

本发明人对热轧或热处理后冷却时可使表面部分和中心部分的层状间距均匀的方案进行研究后发现，表面部分和中心部分的相变发热也有可能因相变前的显微组织而发生变化。

也就是说，当冷却时，表面部分比中心部分更早发生相变，此时会产生相变发热。这是材料由奥氏体相变为珠光体时化学态能量之差引起材料局部发热的现象。相变发热妨碍从材料中心部分的热传递，进一步减慢中心部分的冷却速度。

本发明中发现，珠光体团尺寸越小上述的相变发热程度越大，估计这是因为晶粒尺寸越小珠光体成核位点越增加导致相变在短时间内迅速发生。也就是说，晶粒越微小相变发热越大，从而进一步减慢中心部分的冷却速度，因此表面和中心部分的材质偏差变得更大。

在本发明中，通过优化合金成分和制造条件，有效地抑制相变发热，以提供内部材质均匀的线材。

根据本发明的一个实施例的内部材质均匀的线材包含碳(C)：0.8％至1.0％、硅(Si)：0.15％至1.5％、锰(Mn)：0.2％至0.8％、铬(Cr)：0.2％至0.8％、铝(Al)：小于等于0.05％(0除外)、余量的Fe及其他不可避免的杂质。

下面说明限制本发明的实施例中的合金成分含量的理由。下文中单位是重量％，除非另有说明。

C的含量为0.8％至1.0％。

碳(C)是钢丝中形成渗碳体(Cementite)的元素，所述渗碳体与铁素体(Ferrite)一起形成层状结构的珠光体(Pearlite)。渗碳体与铁素体相比具有高强度，因此渗碳体的分数越高材料的强度越增加。此外，层状结构的间距越均匀细小越能提高材料的强度。

C是提高渗碳体分数并使片层层状结构的间距细化的元素，可以提高线材的强度，因此加入大于等于0.8％的C。但是，如果C含量过多，则先共析渗碳体的分数会变得过大，存在延展性下降的问题。因此，C含量的上限可以限制为1.0％。

Si的含量为0.15％至1.5％。

硅(Si)是固溶于基体组织铁素体中使钢强化的元素，将线材加工成钢丝时会抑制渗碳体碎裂(fragmentation)，从而在拉拔加工后也能保持完整的片层结构，因此加入大于等于0.15％的Si。但是，如果Si含量过多，就会造成淬透性大幅增加，存在轧制成线材后连续冷却过程中生成马氏体的问题。因此，Si含量的上限可以限制为1.5％。

Mn的含量为0.2％至0.8％。

锰(Mn)是延迟珠光体转变的元素，在稍微缓慢的冷却速度下也容易生成微细的珠光体，因此加入大于等于0.2％的Mn。但是，如果Mn含量过多，就会造成淬透性大幅增加，存在连续冷却过程中生成马氏体的问题。因此，Mn含量的上限可以限制为0.8％。

Cr的含量为0.2％至0.8％。

铬(Cr)是使珠光体的片层间距细化的元素，同硅一样在拉拔时可抑制渗碳体的碎裂，因此加入大于等于0.2％的Cr。但是，如果Cr含量过多，就会造成淬透性大幅增加，存在轧制成线材后连续冷却过程中生成马氏体的可能性，而且铬是高价元素，存在制造成本上升的问题。因此，Cr含量的上限可以限制为0.8％。

Al的含量小于等于0.05％(0除外)。

铝(Al)是容易与氧反应的元素，是用于炼钢的脱氧反应的典型元素。但是，如果钢中存在铝，就会有生成夹杂物的可能性。因此，优选控制成钢中尽量不残留。

此外，铝在高温下参与碳的扩散行为，当奥氏体化加热及保持高温时，将会抑制碳从渗碳体溶入铁素体的反应，可以使未溶解的渗碳体残留。因此，Al含量的上限可以限制为0.05％。

此外，根据本发明的一个实施例的内部材质均匀的线材还可包含硼(B)：0.0003％至0.0008％或钴(Co)：0.01％至0.015％。

B的含量为0.0004％至0.0008％。

硼(B)是向奥氏体晶界偏析而延迟相变的元素，从而缓解相变在狭窄区域短时间内发生时出现的相变发热现象，因此可以加入大于等于0.0004％的B。但是，如果B含量过多，则由于相变延迟效果过大，将会影响整体的材质水平，存在生成马氏体的问题。因此，B含量的上限可以限制为0.0008％。

Co的含量为0.01％至0.015％。

钴(Co)和硼一样是使晶界能量稳定化而延迟相变的元素，因此可以加入大于等于0.01％的Co。但是，如果Co含量过多，则由于相变延迟效果过大，将会影响整体的材质水平，而且钴是高价元素，存在制造成本上升的问题。因此，Co含量的上限可以限制为0.015％。

本发明的余量成分是铁(Fe)。但是，常规制造过程中会不可避免地混入来自原料或周围环境的意想不到的杂质，因此无法排除混入杂质。这些杂质是常规制造过程的技术人员任何人都知道的杂质，因此相关的所有内容本说明书中不再赘述。

根据本发明的一个实施例，满足前述的合金组分的内部材质均匀的线材，其微细组织以珠光体相作为基体组织，并且可满足下述式(1)。

(1)5≤C*N≤15

本发明人确认，影响材质偏差的相变发热程度取决于碳含量和珠光体团(Nodule)尺寸的乘积。这是因为，如前所述相变发热的原因相变能量与碳含量密切相关，而且珠光体团尺寸与此时的发热过程有关。

如果C*N值小于5，就不能充分抑制相变发热，从而生产出材质偏差大的材料，而如果C*N值大于15，则由于团簇(nodule)尺寸过大，拉拔加工时附带发生的珠光体组织的旋转不会顺利，进而发生渗碳体碎裂的问题。

此外，根据所公开的实施例的内部材质均匀的线材，其由式(2)表示的从材料表面100μm下方至0.5R(R表示线材的半径)处之间的区域中单位距离硬度的减少率可小于等于30HV/mm。

(2)Δ硬度/Δ距离

如果式(2)的值大于30HV/mm，则内部的材质偏差水平过大，拉拔加工中应力集中在局部区域，因此存在产生缺陷的概率变高的问题。

此外，根据所公开的实施例的内部材质均匀的线材，由式(3)表示的从材料表面100μm下方至0.5R(R表示线材的半径)处之间的区域中单位距离

的变化率可小于等于0.34/mm。

(3)

/距离

其中，L表示珠光体片层间距(μm)。

如果式(3)的值大于0.34/mm，则内部的材质偏差水平过大，拉拔加工中应力集中在局部区域，因此存在产生缺陷的概率变高的问题。

图1是材料中单位距离材质变化率测定方法的示意图。参照图1，将单位距离硬度的减少率及单位距离

的变化率的测定区域限制在从材料表面100μm下方至0.5R处之间是为了排除表面部分脱碳层及中心部分的偏析带对材质的影响。

下面具体说明根据本发明的另一个方面的内部材质均匀的线材的制造方法。

所述线材可以通过所属领域中公知的各种线材制造技术来制造，但是优选采用下述的一系列工艺。

所公开的实施例的内部材质均匀的线材的制造方法可包含：对满足所述合金组分的坯料进行加热的步骤、将坯料轧制成线材的步骤、在被控制的温度条件下卷取线材的步骤、以及在被控制温度条件下对线材进行冷却的步骤。

首先，制造以重量％计包含碳(C)：0.8％至1.0％、硅(Si)：0.15％至1.5％、锰(Mn)：0.2％至0.8％、铬(Cr)：0.2％至0.8％、铝(Al)：小于等于0.05％(0除外)、余量的Fe及其他不可避免的杂质的坯料(Billet)，然后经过对该坯料进行均质化得到奥氏体单相的加热步骤。

加热温度优选为950℃至1100℃。

为了确保后续轧制成线材的温度区域，所公开的实施例中加热温度可保持在950℃以上。但是，为了防止氧化皮生成及脱碳现象导致表面品质变差的问题，可以将加热温度设定在1100℃以下。

此时，加热后的坯料的显微组织可以是奥氏体单相。

然后，经过将所述加热的坯料轧制成线材后进行冷却的步骤。

此时，在轧制成线材的步骤中，优选在900℃至1000℃的温度范围下进行终轧。

为了防止轧辊被轧制负荷损坏，所公开的实施例中可将终轧温度保持在900℃以上。但是，为了防止奥氏体晶粒变得粗大导致强度变差的问题，可以将终轧温度设定在1000℃以下。

接着，还可包含通过常规水冷冷却至后续用于实施卷取步骤的温度范围的过程。

然后，经过卷取所制造的线材的步骤。

通常，珠光体组织的团簇在轧制后的奥氏体晶界伴随珠光体相变而生长，一般具有奥氏体的晶粒越粗大珠光体组织的团簇尺寸也粗大的特征。

所述奥氏体轧制后保持成核状态并在卷取后冷却过程中生长，因此卷取温度高时，由于奥氏体可生长的温度区是相对高温，奥氏体会变得粗大，进而珠光体团也变得粗大。因此，卷取温度是控制珠光体组织的团簇尺寸的重要因素。

在本发明中，0.5R位置上的奥氏体晶粒尺寸应控制成大于等于5μm小于等于20μm，因此卷取温度以线材表面为准可以是750℃至950℃。优选地，卷取温度可以是760℃至940℃。

然后，经过对所述卷取后的线材进行冷却的步骤。

此时，冷却步骤中发热开始的温度可以控制在540℃至680℃的范围。所述发热是相变引起的，如果相变温度高，则珠光体团变大，而如果相变温度低，则珠光体团尺寸也变小。

如果相变温度低于540℃，则珠光体团尺寸小于等于5μm，难以控制相变发热，而如果相变温度高于680℃，则珠光体团尺寸大于等于20μm变得粗大，后续拉拔加工时珠光体组织的旋转不会顺利，存在发生渗碳体碎裂导致内部缺陷增加的问题。

此外，可以将基于发热的材料温度增加量控制成小于等于50℃。如果增加量大于50℃，则相变发热不能得到充分的控制，从材料内部和外部的硬度及层状间距来看，存在材质变得不均匀的问题。

在本发明中，发热开始的温度称为所谓的“相变发热区”，将在相变发热之前的50℃区即490℃至630℃下的冷却速度控制成5℃/s～30℃/s，能够以发生相变发热时所增加的温度小于等于50℃的方式进行冷却。此外，相变发热区的冷却时间可以是2秒至20秒。

此时，线材的冷却可采用常规的冷却工艺实施。所述冷却工艺的典型实例有空冷、风冷、喷雾冷却、盐浴槽浸渍等，但不限于此。

下面通过实施例及对比例进一步详细说明本发明。

实施例1至11

铸造满足表1所示合金组分的铸锭(70Kg)后，在1100℃的加热炉中加热约2小时，然后从加热炉取出，在900℃以上的温度下轧制成线径为13mm的线材。然后，将轧制的线材通过水冷进行冷却后，在750℃至950℃下卷取。

然后，将卷取后的线材放置在斯太尔摩(stelmor)线上，通过调节送风量或浸渍到盐浴槽调节保持时间的方式，将在线材的相变发热之前的50℃区即490℃至630℃下的冷却速度控制成5℃/s～30℃/s，并将相变发热区的冷却时间控制成2秒至20秒，以此方式进行冷却。

实施例12至17

实施例1至11中选择性地加入硼(B)：0.0003％至0.0008％或钴(C0)：0.01～0.015％中的至少一种，除此之外，其他的与实施例1至11相同。

对比例1至4

所述实施例1至17中卷取温度和发热开始温度不同，除此之外，其他与实施例1至17相同。

【表1】

调查基于实施例及对比例的冷却条件的材质并示于下表2中。

对于珠光体团尺寸，使用EBSD(电子背散射衍射)设备在线材的截面测定铁素体组织的结晶取向后，当相邻铁素体结晶的取向差(Misorientation)大于等于8°时定义为团簇边界，并示出由此时所划的边界线形成的晶粒尺寸的测定值。

【表2】

如表2所示，对于实施例1至11，碳含量和珠光体团尺寸的乘积(C*N)大于等于5小于等于15，单位距离硬度的减少率小于等于30HV/mm或者单位距离

的变化率小于等于0.34/mm，由此可知内部材质均匀。

此外，如表2所示，对于实施例12至17，碳含量和珠光体团尺寸的乘积(C*N)也大于等于5小于等于15，单位距离硬度的减少率小于等于30HV/mm或者单位距离

的变化率小于等于0.34/mm，由此可知内部材质均匀。

如表1及表2所示，对比例1满足本发明的组分，但卷取温度低于750℃，因此碳含量和珠光体团尺寸的乘积(C*N)小于5，发热温度超过50℃，单位距离硬度的减少率及单位距离

的变化率分别超过30HV/mm、0.34/mm，由此可知内部材质不均匀。

如表1及表2所示，对比例2满足本发明的组分，但卷取温度高于950℃，因此碳含量和珠光体团尺寸的乘积(C*N)大于15，虽然内部材质均匀，但是后续拉拔加工时珠光体中渗碳体旋转不顺利，因而加工性差。

由此可知，为了控制珠光体团尺寸，卷取温度应该设定在750℃至950℃。

如表1及表2所示，对比例3满足本发明的组分，但发热开始温度高于680℃，因此碳含量和珠光体团尺寸的乘积(C*N)大于15，虽然内部材质均匀，但是后续拉拔加工时珠光体中渗碳体旋转不顺利，因而加工性差。

如表1及表2所示，对比例4满足本发明的组分，但发热开始温度低于540℃，因此碳含量和珠光体团尺寸的乘积(C*N)小于5，发热温度超过50℃，单位距离硬度的减少率及单位距离

的变化率分别超过30HV/mm、0.34/mm，因而内部材质不均匀。

由此可知，为了控制珠光体团尺寸，发热开始温度应该设定在540℃至680℃。

上面说明了本发明的示例性实施例，但本发明不限于此，所属领域的普通技术员在不超出权利要求书的概念及范畴的范围内可以进行各种变更及变形。

工业实用性

根据本发明的实施例的高碳线材可以应用在用于桥梁的钢丝绳、用于加强混凝土的PC钢丝、用于大型建筑物或结构物的钢丝绳、用于支撑海上油田或各种结构物的锚索(Anchor rope)等。

Claims

1.一种内部材质均匀的线材，其特征在于：

所述线材以重量％计包含碳(C)：0.8％至1.0％、硅(Si)：0.15％至1.5％、锰(Mn)：0.2％至0.8％、铬(Cr)：0.2％至0.8％、铝(Al)：大于0且小于等于0.05％、余量的Fe及其他不可避免的杂质，将珠光体相作为基体组织，并且满足下述式(1)，

(1)5≤C*N≤15

其中，C表示碳的含量，以重量％计，N表示线材的半径为R时在从表面至0.5R处测定的珠光体团尺寸，以μm计，

由下述式(2)表示的从材料表面100μm下方至0.5R处之间的区域中单位距离硬度的减少率小于等于30HV/mm，

(2)Δ硬度/Δ距离

其中，R表示线材的半径。

2.根据权利要求1所述的内部材质均匀的线材，其特征在于：

所述线材以重量％计还包含硼(B)：0.0003％至0.0008％或钴(Co)：0.01％至0.015％。

3.根据权利要求1或2所述的内部材质均匀的线材，其特征在于：

由下述式(3)表示的从材料表面100μm下方至0.5R处之间的区域中单位距离

的变化率小于等于0.34/mm，R表示线材的半径，

(3)

/距离

其中，L表示珠光体片层间距，以μm计。

4.根据权利要求1所述的内部材质均匀的线材，其特征在于：

所述珠光体团的尺寸为5μm至20μm。

5.一种内部材质均匀的线材的制造方法，其包含：

对坯料进行加热的步骤，所述坯料以重量％计包含碳(C)：0.8％至1.0％、硅(Si)：0.15％至1.5％、锰(Mn)：0.2％至0.8％、铬(Cr)：0.2％至0.8％、铝(Al)：大于0且小于等于0.05％、余量的Fe及其他不可避免的杂质；

对所述加热后的坯料进行轧制以得到线材的步骤；

在750℃至950℃下卷取所述线材的步骤；以及

对卷取后的线材在490℃至630℃的温度范围下冷却速度控制为5℃/s～30℃/s进行冷却以使相变发热开始温度为540℃至680℃以及相变发热而增加的温度小于等于50℃。

6.根据权利要求5所述的内部材质均匀的线材的制造方法，其特征在于：

对卷取后的线材进行冷却的步骤实施冷却2秒至20秒。

7.根据权利要求5所述的内部材质均匀的线材的制造方法，其特征在于：

所述对坯料进行加热的步骤在950℃至1100℃下加热。

8.根据权利要求5所述的内部材质均匀的线材的制造方法，其特征在于：

所述线材轧制在900℃至1000℃下进行终轧。

9.根据权利要求5所述的内部材质均匀的线材的制造方法，其特征在于：

满足下述式(1)，

(1)5≤C*N≤15

其中，C表示碳的含量，以重量％计，N表示线材的半径为R时在从表面至0.5R处测定的珠光体团尺寸，以μm计。