CN111218612B

CN111218612B - 拉拔性能优良的高碳线材及其制造方法

Info

Publication number: CN111218612B
Application number: CN201911189381.1A
Authority: CN
Inventors: 朴焌学; 林东勋; 李承真; 朴世元; 施成奎
Original assignee: Posco Co Ltd
Current assignee: Posco Holdings Co ltd; Posco Holdings Inc
Priority date: 2018-11-27
Filing date: 2019-11-27
Publication date: 2022-05-27
Anticipated expiration: 2039-11-27
Also published as: KR102147700B1; CN111218612A; KR20200062951A

Abstract

本发明公开了一种具有适于拉拔加工的渗碳体排列的高碳线材及其制造方法。根据本发明的一个实施例的拉拔性能优良的高碳线材，其以重量％计包含C：0.8％至1.0％、Si：0.15％至1.5％、Mn：0.2％至0.8％、Cr：0.2％至0.8％、Al：小于等于0.05％、余量的Fe和不可避免的杂质，在具有中心线的纵剖面的所述中心线所经过的珠光体群落中，所述中心线与渗碳体排列方向所构成的锐角大于等于60°的群落的面积百分比小于等于20％。

Description

拉拔性能优良的高碳线材及其制造方法

技术领域

本发明涉及具有适于拉拔加工的渗碳体排列的高碳线材及其制造方法。

背景技术

线径为5mm～15mm的高强度钢丝经热处理和加工后，用于汽车轮胎帘线或桥梁缆绳、加固混凝土的PC钢丝、大型建筑物或结构物缆绳、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，通常进行拉拔加工，因为拉拔加工允许的冷加工量多于其他加工条件，可以最大限度地利用加工硬化效果。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，所述拉拔加工非常有利。这是因为冷加工期间在铁素体与渗碳体的界面处位错生成很活跃，不仅加工硬化效果大，而且一直认为非常坚硬有利于确保强度但脆性大的渗碳体，在拉拔加工期间，因静水压变形条件下被激活的其他滑移体系也会确保塑性加工能力。

另一方面，加工前的珠光体组织是由渗碳体的层状排列方向固定的单元区域群落(colony)的集合体所组成，当拉拔加工量越增加，群落内部的渗碳体的变形行为沿着初始渗碳体的排列方向差距越大。也就是说，当初始渗碳体的排列方向与拉拔方向差距不大时，即使加工量增加，也保持珠光体的层状，从而能够确保上述的塑性加工能力。但是，当初始渗碳体的排列方向与拉拔方向差距大时，渗碳体碎裂的可能性变高，最终导致产生缺陷如微孔(Microvoid)的可能性会变高。

因此，为了提高拉拔加工性，需要确保具有特定方向的渗碳体排列的群落百分比，以有利于拉拔加工。

发明内容

技术问题

本发明旨在提供一种高碳线材及其制造方法，通过形成具有适于拉拔的渗碳体排列的珠光体群落，使得线材具有优良的拉拔加工性。

技术方案

根据本发明的一个实施例的拉拔性能优良的高碳线材，其以重量％计包含C：0.8％至1.0％、Si：0.15％至1.5％、Mn：0.2％至0.8％、Cr：0.2％至0.8％、Al：小于等于0.05％、余量为或余量包含Fe和不可避免的杂质，具有中心线的纵剖面的所述中心线所经过的珠光体群落中所述中心线与渗碳体排列方向所构成的锐角大于等于60°的群落的面积百分比(A_中心)小于等于20％。

另外，根据本发明的一个实施例，平行于所述纵剖面的所述中心线的±0.5R(R：线材的半径)位置上的平行线所经过的珠光体群落中所述平行线与渗碳体排列方向所构成的锐角大于等于60°的群落的面积百分比(A_0.5R)可小于等于25％。

另外，根据本发明的一个实施例，平行于所述中心线的±0.5R位置上的平行线所经过的珠光体群落中所述平行线与渗碳体排列方向所构成的锐角大于等于60°的群落的面积百分比(A_0.5R)和所述中心线所经过的珠光体群落中所述中心线与渗碳体排列方向所构成的锐角大于等于60°的群落的面积百分比(A_中心)之差(A_0.5R-A_中心)可小于等于5％。

另外，根据本发明的一个实施例，所述线材还可包含B：0.0004％至0.0008％和Co：0.01％至0.015％中的至少一种。

根据本发明的一个实施例的拉拔性能优良的高碳线材的制造方法，其包含：对线材进行卷取的步骤，所述线材以重量％计包含C：0.8％至1.0％、Si：0.15％至1.5％、Mn：0.2％至0.8％、Cr：0.2％至0.8％、Al：小于等于0.05％、余量为或余量包含Fe和不可避免的杂质；以及将所述卷取后的线材浸渍在400℃至550℃的熔融硝酸盐中进行冷却的步骤，所述熔融硝酸盐包含0.02重量％至0.25重量％的水分。

另外，根据本发明的一个实施例，所述冷却后的线材是具有中心线的纵剖面的所述中心线所经过的珠光体群落中所述中心线与渗碳体排列方向所构成的锐角大于等于60°的群落的面积百分比可小于等于20％。

发明效果

本发明通过形成具有适于拉拔的渗碳体排列的珠光体群落，可以提供拉拔加工性优良的高强度线材。

附图说明

图1是示出半径为R的线材纵剖面(Longitudinal section)的中心线和±0.5R平行线位置的视图。

图2是示出线材中心方向与珠光体群落中渗碳体的排列方向所构成的角度(θ)的视图。

具体实施方式

在下文中，将参照附图详述本发明的实施例。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。

在本发明中，通过热轧或热处理后进行冷却的方式来制造具有珠光体微细组织的线材时，将珠光体群落的渗碳体的排列控制成适于拉拔方向，对该方法本发明人进行了研究，结果发现在珠光体相变期间材料中心与表面的热梯度越小，群落的渗碳体排列在线材长度方向上越发达。目前尚不清楚其原理，但据推测，在相变进行过程中，如果材料表面与中心之间的热梯度大，则渗碳体的长度加长(lengthening)会偏向于热梯度方向，结果材料内部的渗碳体排列脱离材料长度方向(后续的材料拉拔方向)的程度增加。

为了满足所述热梯度条件，从材料表面上的传热效率性方面考虑，需要一种使材料接触冷却流体的冷却方法，而不是传统的送风冷却方法。

在本发明中，通过深入研究上述现象，证实了通过优化冷却制造条件以及合金成分，可以在线材长度方向上提供群落内部的渗碳体的排列，从而完成了本发明。

根据本发明的一个实施例的拉拔性能优良的高碳线材，其以重量％计包含C：0.8％至1.0％、Si：0.15％至1.5％、Mn：0.2％至0.8％、Cr：0.2％至0.8％、Al：小于等于0.05％、余量为或余量包含Fe和不可避免的杂质。

下面描述本发明实施例中限制合金元素含量值的理由。在下文中，除非另有说明，否则单位是重量％。

C的含量为0.8％至1.0％。

C是在钢丝中形成渗碳体的元素，所述渗碳体与铁素体一起形成层状珠光体。渗碳体的强度高于铁素体，因此渗碳体的百分比越高，材料的强度越高。另外，层状结构的间距越均匀微细，越可以进一步提高材料的强度。

当增加C的含量时，渗碳体的百分比增加，片层间距会变得微细，这对提高线材的强度非常有效。为此，在本发明中优选加入大于等于0.8％的C。但是，如果C的含量大于1.0％，则存在先共析渗碳体的百分比变得过大延展性下降的问题。

因此，在本发明中，优选将所述C的含量控制为0.8％至1.0％。

Si的含量为0.15％至1.5％。

Si固溶于基体组织铁素体中增强钢的强度，将线材加工成钢丝时，它抑制渗碳体碎裂(fragmentation)，具有拉拔加工后也能保持完整的片层结构的效果。为了充分获得上述效果，优选加入大于等于0.15％的Si。但是，如果Si的含量大于1.5％，就会造成淬透性大大增加，冷却后也有可能生成马氏体。

因此，在本发明中，优选将所述Si的含量控制为0.15％至1.5％。

Mn的含量为0.2％至0.8％。

Mn是延迟珠光体转变的元素，具有稍微缓慢的冷却速度下也易于生成微细珠光体的效果。为了达到上述效果，优选加入大于等于0.2％的Mn。但是，如果Mn的含量大于0.8％，就会造成淬透性大大增加，冷却后有可能生成马氏体。

因此，在本发明中，优选将所述Mn的含量控制为0.2％至0.8％。

Cr的含量为0.2％至0.8％。

Cr的作用是使珠光体的片层间距微细化，并且Cr和Si一样在拉拔时抑制渗碳体的碎裂。为了充分获得上述效果，需要加入大于等于0.2％的Cr。但是，如果Cr的含量大于0.8％，就会造成淬透性大大增加，冷却后有可能生成马氏体，而且Cr是高价元素，存在制造成本上升的问题。

因此，在本发明中，优选将所述Cr的含量控制为0.2％至0.8％。

Al的含量大于0％且小于等于0.05％。

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Al，就有可能促进夹杂物的形成，因此优选控制成尽可能不残留在钢中。另外，Al在高温下参与碳的扩散行为，在奥氏体化加热以及高温保持期间，将会抑制碳从渗碳体溶入铁素体的反应，可能会促进未溶解的渗碳体残留的现象。

有鉴于此，在本发明中，优选加入大于0％且小于等于0.05％的Al。

根据本发明的一个实施例，所述高碳线材还可包含B：0.0004％至0.0008％和Co：0.01％至0.015％中的至少一种。

B的含量为0.0004％至0.0008％。

B具有偏析到奥氏体晶界延迟相变的效果。在本发明中，需要适当地控制相变时间点，以确保能够消除从高温冷却材料时产生的中心和表面的热梯度的时间。这一点上，B是可利用的元素。但是，如果加入量小于0.0004％，则效果不明显，如果大于0.0008％，就会在晶界处形成硼化合物，有可能造成物理性能下降。

Co的含量为0.01％至0.015％。

Co与B一样具有使晶界能稳定延迟相变的效果。但是，如果加入量小于0.01％，则效果不明显，如果大于0.015％，则相变延迟效果非常大，不仅影响整体材料等级，而且由于是高价元素，在经济性方面也不利。

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。

满足上述合金组分的本发明的高碳线材作为微细组织以珠光体相为基体组织，并且具有中心线的纵剖面的所述中心线所经过的珠光体群落(以下称为中心部)中所述中心线与渗碳体排列方向所构成的锐角大于等于60°的群落的面积百分比小于等于20％。

另外，根据本发明的一个实施例，在具有半径为R的线材的中心线的纵剖面中，平行于纵剖面的中心线的±0.5R位置上的平行线所经过的珠光体群落(以下称为表层部)中所述平行线与渗碳体排列方向所构成的锐角大于等于60°的群落的面积百分比可小于等于25％。

图1是示出半径为R的线材纵剖面(Longitudinal section)的中心线和±0.5R平行线位置的视图，图2是示出线材中心方向与珠光体群落中渗碳体的排列方向所构成的角度(θ)的视图。

参照图1和图2说明本发明的中心部和表层部的珠光体群落中线材的长度方向与渗碳体排列方向所构成的角度(θ)及其相应的珠光体群落的面积百分比的意义。

图1的A区表示中心部和表层部，对A区进行放大所观察到的由珠光体群落(colony)组成的微细组织示于图2中。中心部的中心线和以中心线为起点的±0.5R位置上的表层部的平行线都是与线材的长度方向相同的方向。在本发明中，线材的长度方向与渗碳体排列方向所构成的锐角大于等于60°的群落的面积百分比是指所述中心线或平行线所经过的珠光体群落的整个面积中属于线材的长度方向(中心线或平行线)与珠光体群落中渗碳体排列方向所构成的锐角θ大于等于60°的珠光体群落的百分比。

所述锐角大于等于60°的渗碳体在拉拔加工期间受到弯曲变形而碎裂，在此过程中渗碳体和铁素体界面处有可能导致产生微细裂纹(micro-crack)。另外，碎裂后的渗碳体以球状形式残留，在此情况下，后续变形期间在界面处会生成微孔(microvoid)，将成为产生裂纹的起点。为了通过如上所述的机理显示出有意义的物理性能差距，应控制成满足相应条件的群落的面积百分比小于等于20％。

另一方面，材料的表面与直接发生热交换的外部因为温度差估计热梯度很大，所以表面层群落的渗碳体排列与线材长度方向所构成的锐角倾向于大于中心部。但是，在拉拔期间剪切变形集中于表层部，因此相对于中心部表层部没有渗碳体碎裂，有利于将渗碳体归整到拉拔方向。由于这样的理由，在表层部允许的与线材长度方向所构成的锐角大于等于60°的珠光体群落的面积百分比略高于中心部，但是当差距变大时，就材料中心部和表层部的材料偏差而言是不利的。

在本发明中，需要控制成观察中心部和表层部(±0.5R地点)时线材长度方向与群落中的渗碳体排列方向所构成的锐角大于等于60°的群落的面积百分比之差小于等于5％。如果百分比之差大于5％，则可能对确保最终钢丝的物理性能产生影响。

根据本发明的一个实施例，平行于所述纵剖面的所述中心线的±0.5R位置上的平行线所经过的珠光体群落中所述平行线与渗碳体排列方向所构成的锐角大于等于60°的群落的面积百分比可小于等于25％。

接下来，将描述根据本发明的拉拔性能优良的高碳线材的制造方法。

根据本发明的一个实施例的拉拔性能优良的高碳线材的制造方法通过一系列工艺制造出包含上述合金组分的线材后，在得到控制的温度条件下进行卷取，然后经过冷却工艺。

可通过所属技术领域中公知的各种线材制造技术来制造根据本发明的高碳线材，但是优选通过下述一系列工艺来制造。

首先，优选制造出满足上述合金组分的坯料后，再进行加热处理使其均质化。优选通过加热处理使坯料的微细组织变成奥氏体单相。为此，可在950℃至1100℃的温度范围下进行加热。如果加热温度低于950℃，则难以确保后续线材轧制所需的温度范围，而如果温度高于1100℃，则产生氧化皮和脱碳现象加重，从而导致表面品质变差。

优选对如此加热的坯料进行轧制后，再通过冷却制造出线材。

此时，线材轧制优选在900℃至1000℃的温度范围下进行终轧。如果终轧温度低于900℃，则轧辊可能会因轧制负荷而受损，而如果终轧温度高于1000℃，则奥氏体晶粒变得粗大，存在难以确保目标强度的问题。

轧制后的线材优选卷取成环状。在本发明中，卷取步骤可在750℃至950℃的温度范围下执行。卷取温度以线材表面的温度为准。

卷取后，需要采用使材料接触冷却流体的冷却方式，此时的冷却流体优选为400℃至550℃的熔融硝酸盐。如果硝酸盐的温度低于400℃，则在表层会形成贝氏体组织，而非珠光体组织，因此造成物理性能下降的可能性变高，如果硝酸盐的温度高于550℃，则整个材料的冷却速度变慢，在强度方面上是不利的。

另外，熔融硝酸盐可包含0.02重量％至0.25重量％的水分。当熔融硝酸盐中含有水分时，将会产生通过水分在材料表面汽化的现象从材料中带走汽化热的作用以及通过产生气泡搅拌熔融盐的作用，从而提高冷却效率，这可以对抑制材料中心部和表面的温度梯度做出贡献。如果水分的含量小于0.02重量％，则不会充分发生汽化以实现上述效果。如果水分的含量大于0.25重量％，则汽化作用非常活跃，从而造成高温熔融盐向外飞溅，并不适合用于工业上。因此，熔融硝酸盐中包含的水分含量优选为0.02重量％至0.25重量％。

下文中将通过本发明的优选实施例进一步详述。

实施例

铸造出具有如下表1所示的合金组分(重量％)的铸锭(70Kg)后，在1100℃的加热炉中加热约2小时，然后从加热炉中取出，在大于等于900℃的温度下轧制成线径为13mm的线材。然后，对轧制后的线材进行水冷，在850℃下进行卷取后，再浸渍在预先准备的400℃～550℃的硝酸盐浴中5分钟，然后取出观察材料的纵剖面。

【表1】

【表2】

发明例1至3以重量％计包含C：0.8％至1.0％、Si：0.15％至1.5％、Mn：0.2％至0.8％、Cr：0.2％至0.8％、Al：小于等于0.05％、余量为或余量包含Fe和不可避免的杂质，是通过包含将卷取后的线材浸渍在含有0.02％至0.25％水分的450℃硝酸盐中进行冷却的步骤的制造方法来制造的。因此，当观察纵剖面(Longitudinal section)中心部的珠光体群落时，线材长度方向与内部渗碳体排列方向所构成的锐角大于等于60°的群落的面积百分比小于等于20％，当观察±0.5R位置上的表层部群落时，线材长度方向与内部渗碳体排列方向所构成的锐角大于等于60°的群落的面积百分比之差小于等于5％。

发明例4至20以重量％计包含C：0.8％至1.0％、Si：0.15％至1.5％、Mn：0.2％至0.8％、Cr：0.2％至0.8％、Al：小于等于0.05％以及B或Co中的至少一种，是通过包含将卷取后的线材浸渍在含有0.02％至0.25％水分的400℃～550℃硝酸盐中进行冷却的步骤的制造方法来制造的。因此，当观察纵剖面(Longitudinal section)中心部的珠光体群落时，线材长度方向与内部渗碳体排列方向所构成的锐角大于等于60°的群落的面积百分比小于等于20％，当观察±0.5R位置上的表层部群落时，线材长度方向与内部渗碳体排列方向所构成的锐角大于等于60°的群落的面积百分比之差小于等于5％。

比较例1是卷取后浸渍以实施冷却的硝酸盐的温度为395℃，由于温度低于400℃，在微细组织中产生了贝氏体，不适合拉拔。

比较例2是卷取后浸渍以实施冷却的硝酸盐的温度为555℃，由于温度高于550℃，不仅难以确保高强度，而且观察纵剖面中心部的群落时线材长度方向与内部渗碳体排列方向所构成的锐角大于等于60°的群落的面积百分比大于20％。

比较例3是硝酸盐的水分含量小于0.02重量％，观察纵剖面中心部的群落时线材长度方向与内部渗碳体排列方向所构成锐角大于等于60°的群落的面积百分比大于20％，并且表层部的锐角大于等于60°的群落的面积百分比也大于25％，两者之差为7％，已经证实为不适合拉拔。

比较例4是硝酸盐的水分含量大于0.25重量％，发生了硝酸盐的飞溅，已经证实难以应用于制造线材。

上面参照本发明的示例性实施例进行了描述，但是本发明不限于上述实施例，本发明所属领域的普通技术人员应该理解，在不脱离权利要求书中记载的本发明概念和范围的情况下，可以进行各种变更及修改。

Claims

1.一种拉拔性能优良的高碳线材，其以重量％计包含C：0.8％至1.0％、Si：0.15％至1.5％、Mn：0.2％至0.8％、Cr：0.2％至0.8％、Al：小于等于0.05％、余量包含Fe和不可避免的杂质，

在具有中心线的纵剖面的所述中心线所经过的珠光体群落中，所述中心线与渗碳体排列方向所构成的锐角大于等于60°的群落的面积百分比小于等于20％，

在平行于所述纵剖面的所述中心线的±0.5R位置上的平行线所经过的珠光体群落中，所述平行线与渗碳体排列方向所构成的锐角大于等于60°的群落的面积百分比小于等于25％。

2.根据权利要求1所述的拉拔性能优良的高碳线材，其还包含B：0.0004％至0.0008％和Co：0.01％至0.015％中的至少一种。

3.一种拉拔性能优良的高碳线材，其以重量％计包含C：0.8％至1.0％、Si：0.15％至1.5％、Mn：0.2％至0.8％、Cr：0.2％至0.8％、Al：小于等于0.05％、余量包含Fe和不可避免的杂质，

具有中心线的纵剖面的所述中心线所经过的珠光体群落中所述中心线与渗碳体排列方向所构成的锐角大于等于60°的群落的面积百分比A_中心小于等于20％，

与平行于所述中心线的±0.5R位置上的平行线所经过的珠光体群落中所述平行线与渗碳体排列方向所构成的锐角大于等于60°的群落的面积百分比A_0.5R之差A_0.5R-A_中心小于等于5％。

4.根据权利要求3所述的拉拔性能优良的高碳线材，其还包含B：0.0004％至0.0008％和Co：0.01％至0.015％中的至少一种。

5.一种拉拔性能优良的高碳线材的制造方法，其包含：

对线材进行卷取的步骤，所述线材以重量％计包含C：0.8％至1.0％、Si：0.15％至1.5％、Mn：0.2％至0.8％、Cr：0.2％至0.8％、Al：小于等于0.05％、余量包含Fe和不可避免的杂质；以及

将所述卷取后的线材浸渍在400℃至550℃的熔融硝酸盐中进行冷却的步骤，

所述熔融硝酸盐包含0.02重量％至0.25重量％的水分，以及

所述冷却后的线材是具有中心线的纵剖面的所述中心线所经过的珠光体群落中所述中心线与渗碳体排列方向所构成的锐角大于等于60°的群落的面积百分比小于等于20％。

6.根据权利要求5所述的制造方法，其中，

所述线材还包含B：0.0004％至0.0008％和Co：0.01％至0.015％中的至少一种。