專利名稱：拉絲性和疲勞性能優(yōu)異的鋼線材及其制備方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種鋼線材(steel wire rod)，特別是用于高強度超細鋼絲的鋼線材，例如用于輪胎簾布的鋼線材、用于彈簧的鋼線材等，其中非金屬夾雜物降低到最小值，拉絲性和疲勞性能得到改進；本發(fā)明還提供一種制備所述鋼線材的方法。
背景技術：
當延展性差的硬非金屬夾雜物(特別是氧化物夾雜物)存在在鋼線材中時，在拉絲過程中夾雜物使鋼線材斷線。并且，在用于彈簧的鋼中，產(chǎn)品經(jīng)歷周期應力，因此硬夾雜物的存在將產(chǎn)生疲勞裂紋。因此，對于生產(chǎn)用于輪胎簾布的鋼絲材或用于彈簧的鋼線材來說，通過把這種非金屬夾雜物降至最小值或軟化非金屬夾雜物來改進延展性和使其無害是很重要的要求。
從試圖軟化鋼線材中的非金屬夾雜物和賦予其延展性的角度，目前已經(jīng)提出了各種技術。例如，JP-B 74484/1994號公報和74485/1994號公報公開了一種試圖通過將鋼中非金屬夾雜物的組成本身控制在一定范圍中來軟化這些夾雜物和賦予其延展性的技術。
但是，該技術沒有公開將夾雜物的組成控制在其中夾雜物被賦予延展性的范圍中的具體方法。
然而，JP-B 103416/1995號公報、JP-A 212237/1994和316631/1995號公報以及“Inclusion Control and High Purity Steel Production Technology”(夾雜物控制和高純度鋼產(chǎn)品技術)(the 182ndand 183rdNishiyamaMemorial Technical Lecture，由the Iron and Steel Institute of Japan編輯，2004，第133～134頁)公開了通過在熔融鋼精煉時將熔渣組成控制在一定范圍中來軟化夾雜物和賦予其延展性。
但是，在實際生產(chǎn)過程中，實際上不可能給鋼中的所有非金屬夾雜物都賦予延展性并控制它們成為軟的。并且，很難說要考慮在經(jīng)歷加熱、首次碾壓和用已經(jīng)精煉的熔融鋼澆鑄生產(chǎn)的鑄鋼拉絲后的鋼中的夾雜物組成的變化。
關于軋制鑄鋼之前的加熱溫度，例如在JP-A 272119/1992號公報、美國專利5415711號和其他文獻中公開了一些內容，但是沒有特別地報道加熱的溫升速率。然而，在熱軋時鑄鋼的溫升速率大大地影響例如SiO2(二氧化硅)、CaO·Al2O3·SiO2(鈣長石)和其他硬夾雜物的量，并且，如果加熱條件不合適，有時發(fā)生斷線頻率增加和疲勞性能變差。

發(fā)明內容
在上述情況下完成了本發(fā)明，本發(fā)明的一個目的是提供一種鋼線材，其中，當通過將鋼線材中的硬夾雜物降至最小值進行后續(xù)拉絲時，拉絲性和疲勞性能比以前改進得更多；本發(fā)明還提供一種制備所述鋼線材的方法。
根據(jù)本發(fā)明達到上述目的的一方面的鋼線材是這樣一種鋼線材，其中，在包括鋼線材的軸芯的橫截面中，夾雜物的數(shù)目為每100mm2中有5個或小于5個包含在鋼線材中的夾雜物是在軋制方向的垂直方向上寬5μm或大于5μm的氧化物夾雜物；并且將所述夾雜物中的Al2O3+MgO+CaO+SiO2+MnO設定為100％時，其組成滿足式子MgO+MnO≤30％(質量％，以下相同)，將所述夾雜物中的Al2O3+CaO+SiO2設定為100％時，其組成也滿足下列式子(A)或(B)，(A)SiO2≥75％、(B)Al2O3≥35％，SiO2≥10％和CaO≥10％。
對本發(fā)明的鋼線材的化學組成沒有特別的限定，只要鋼線材可以用于輪胎簾布、彈簧等就可以。但是，作為優(yōu)選鋼線材，例如列舉出含有下列組分的鋼線材C0.4％～1.3％(質量％，以下相同)，Si0.1％～2.5％，Mn0.2％～1.0％和Al0.003％或小于0.003％(不包括0％)。并且，該鋼線材還可以含有(a)Ni0.01％～1％，(b)Cu0.01％～1％，(c)Cr0.01％～1.5％，(d)選自下組中的一種或更多種元素Li0.02～20ppm，Na0.02～20ppm，Ce3～100ppm和La3～100ppm，以及其它組分。
在制備上述鋼線材時，如下方式進行操作當加熱將要進行熱軋以生產(chǎn)鋼線材的鑄鋼時，將鑄鋼的溫度從1000℃升高至1100℃的操作時間為60分鐘或小于60分鐘。
本發(fā)明的該方面通過將具有特定的化學組成和可能影響性能的硬氧化物夾雜物降至最小值，可以實現(xiàn)拉絲性和疲勞性能優(yōu)異的鋼線材。


圖1是表示夾雜物的合適組成分布范圍的CaO-SiO2-Al2O3三元體系的相圖。
圖2是表示當升溫速率高時在鑄鋼的各個位置上溫度隨時間變化的圖。
圖3是表示當升溫速率低時在鑄鋼的各個位置上溫度隨時間變化的圖。
圖4是表示溫升需要的時間與夾雜物數(shù)目之間的關系的圖。
圖5是表示夾雜物數(shù)目與斷線頻率之間的關系的圖。
圖6是表示夾雜物數(shù)目與破損百分比之間的關系的圖。
具體實施例方式
已知通過用合適組成的熔渣處理熔融的鋼，鑄鋼或板材中的夾雜物具有圖1(CaO-SiO2-Al2O3三元體系的相圖)所示的區(qū)域S附近中的組成，在熱軋或拉絲時變軟和容易軋制(參見上述文獻“Inclusion Control andHigh Purity Steel Production Technology”)。更精確地說，上述區(qū)域S表示SiO220％～70％，CaO10％～60％和Al2O310％～30％的區(qū)域。
但是，在實際生產(chǎn)過程中，實際上不可能控制鋼中的非金屬夾雜物以具有延展性和變軟。從上述情況看，在本發(fā)明中，注意力集中在非延展的硬夾雜物上，并且從闡明要降低的硬夾雜物的量的角度，已經(jīng)進行了研究。
同時，在鑄鋼熱軋之前將其加熱到約1200℃～1300℃。如果加熱處理不恰當，即使鑄鋼中夾雜物的組成控制在合適范圍(前述范圍S)中，在熱處理之后，鑄鋼中的夾雜物的組成也變成圖1所示的區(qū)域A、B或C附近的組成。特別地，具有區(qū)域A或B附近的組成的夾雜物是硬的，在熱軋或拉絲時幾乎不能延長。
區(qū)域A表示當Al2O3+MgO+CaO+SiO2+MnO定義為100％時組成滿足式子MgO+MnO≤30％且當Al2O3+CaO+SiO2定義為100％時其組成也滿足式子SiO2≥75％的區(qū)域。此外，區(qū)域B表示當Al2O3+CaO+SiO2定義為100％時其組成滿足式子Al2O3≥35％，SiO2≥10％和CaO≥10％的區(qū)域。
調節(jié)本發(fā)明涉及的夾雜物的組成以滿足式子MgO+MnO≤30％的原因是，當MgO+MnO超過30％時，即使當Al2O3+CaO+SiO2定義為100％時式子SiO2≥75％，或式子Al2O3≥35％，SiO2≥10％和CaO≥10％被滿足，夾雜物也變軟。
本發(fā)明人進行了試驗，其中使用含有其組成控制在前述區(qū)域S附近的夾雜物的鑄鋼，通過改變向放在再熱爐幾個位置的燃燒器中的每一個供應燃燒氣體的流速來改變加熱速率，測試其影響。結果，本發(fā)明人發(fā)現(xiàn)熱軋后鋼線材中的夾雜物的組成變化程度隨加熱速率的水平而變化。
在試驗中，將熱電偶插入到鑄鋼內的四個位置，測定每個位置的溫升。溫升速率最低的位置是鑄鋼的中心位置。鑄鋼各個位置的溫度隨時間的變化表示在圖2和3中。圖2表示溫升速率高的情況，圖3表示溫升速率低的情況。此外，I～IV表示鑄鋼橫截面(600mm×380mm)上的測溫位置。
基于上述試驗，本發(fā)明人還進行了研究，發(fā)現(xiàn)當如圖2所示溫升速率高(特別是溫度從1000℃升到1100℃的時間短)時，具有區(qū)域A或B附近的組成的夾雜物降低。相反，發(fā)現(xiàn)當如圖3所示升溫速率低(特別是溫度從1000℃升到1100℃的時間長)時，具有區(qū)域A或B附近的組成的夾雜物增加。特別在溫升最慢的測溫點IV(鑄鋼的中心位置)，當溫度從1000℃升到1100℃的時間不長于60分鐘時，具有區(qū)域A或B附近的組成的夾雜物降低。
本發(fā)明涉及的夾雜物規(guī)定“在軋制方向的垂直方向上的寬度為5μm或大于5μm”的原因是，寬度小于5μm的細夾雜物幾乎不起拉絲時斷線和疲勞裂紋的根源的作用，不能明顯地影響拉絲性和疲勞性能。此外，本發(fā)明涉及氧化物夾雜物，原因是硫化物夾雜物很軟，在熱軋時延長和變細，因此很少影響拉絲性和疲勞性能。
圖4是表示在橫截面為600mm×380mm的鑄鋼的中心位置(前述位置IV)溫度從1000℃升至1100℃所需要的時間(升溫需要的時間)與夾雜物(5.5mm直徑的鋼線材中的具有組成A或B的寬5μm或大于5μm的夾雜物)數(shù)目之間的關系的圖。從結果明顯看出，隨著升溫所需要的時間縮短，夾雜物的數(shù)目降低，并且可以理解，尤其當升溫需要的時間不長于60分鐘時，可以將夾雜物的數(shù)目降至不大于5個/100mm2。
圖5是表示夾雜物(具有組成A或B的夾雜物)數(shù)目與斷線頻率(當5.5mm直徑的線材拉成0.2mm直徑的絲時，每10噸鋼線材的斷線頻率)之間的關系的圖。從結果明顯看出，隨著具有組成A或B的夾雜物的數(shù)目降低，斷線頻率降低，并且可以認為，尤其當夾雜物數(shù)目不大于5個/100mm2時，在實際操作中可以將斷線頻率降至不產(chǎn)生問題的程度(不大于7次斷線/10噸鋼線材)。
圖6是表示夾雜物(具有組成A或B的夾雜物)數(shù)目與疲勞測試時的破損百分比(進行Nakamura型旋轉彎曲疲勞測試的4.8mm直徑的線材的破損百分比)之間的關系的圖。從結果明顯看出，認為隨著具有組成A或B的夾雜物的數(shù)目降低，疲勞性能改進。
此外，從結果明顯看到，為了改進拉絲性和疲勞性能，優(yōu)選將夾雜物的數(shù)目降至最小值(每100mm2的鋼線材，4個或小于4個，優(yōu)選3個或小于3個)，為了該目的，控制鑄鋼從1000℃加熱至1100℃所需要的時間盡可能地短是重要的。
本發(fā)明旨在通過降低具有規(guī)定組分組成(組成A或B)的氧化物夾雜物的數(shù)目來改進拉絲性和疲勞性能，不限定所用鋼線材的組分，并且可以使用通常用于拉絲的鋼材料，例如用于鋼簾線的鋼。對于這種鋼材料的基本組分C、Si、Mn和Al，優(yōu)選規(guī)定組分的范圍如下。
C0.4％～1.3％
C是提高強度有用的元素，為了表現(xiàn)該效果，優(yōu)選含有0.4％或大于0.4％的C。但是，當C含量過大時，鋼變脆，妨礙拉絲性。因此，優(yōu)選含有1.3％或小于1.3％的C。C含量的更優(yōu)選的下限是0.5％，其更優(yōu)選的上限是1.2％。
Si0.1％～2.5％Si是具有脫氧作用的元素，為了表現(xiàn)出該作用，優(yōu)選含有0.1％或大于0.1％的Si，更優(yōu)選0.5％或大于0.5％。但是，當Si含量過分大時，作為脫氧產(chǎn)物形成的SiO2的量過分增加，妨礙拉絲性，因此，優(yōu)選控制Si含量為2.5％或小于2.5％，更優(yōu)選2.3％或小于2.3％。
Mn0.2％～1.0％Mn是像Si一樣具有脫氧作用以及控制夾雜物的作用的元素。為了有效地表現(xiàn)出這些作用，優(yōu)選含有0.2％或大于0.2％的Mn，更優(yōu)選0.3％或大于0.3％。但是，當Mn含量過分大時，鋼材料變脆，妨礙拉絲性，因此，優(yōu)選控制Mn含量為1.0％或小于1.0％，更優(yōu)選0.9％或小于0.9％。
Al0.003％或小于0.003％(不包括0％)Al是控制夾雜物很重要的元素，質量濃度為約0.001％或大于0.001％的Al含量是必需的。但是，當Al含量增加時，夾雜物中Al2O3的濃度增加，存在形成產(chǎn)生斷線的粗Al2O3的可能性，因此，優(yōu)選Al含量為0.003％或小于0.003％。
上述基本組分的余量由Fe和不可避免的雜質組成。但是，如果需要，也優(yōu)選含有(a)Ni0.01％～1％，(b)Cu0.01％～1％，(c)Cr0.01％～1.5％，(d)選自下組中的一種或更多種的元素Li0.02～20ppm，Na0.02～20ppm，Ce3～100ppm和La3～100ppm，以及其它組分。當含有它們時，限定所述組分的范圍的原因如下。
Ni0.01％～1％Ni不太促進鋼絲強度的增加，但是它是對提高拉成的線材的韌度有用的元素。為了表現(xiàn)這些效果和作用，優(yōu)選含有0.01％或大于0.01％的Ni。但是，當Ni含量過分大時，效果達到飽和，因此優(yōu)選Ni含量為1％或小于1％。此處，當含有Ni時，Ni含量的更優(yōu)選的下限為0.02％，其更優(yōu)選的上限為0.9％。
Cu0.01％～1％Cu是通過沉淀硬化作用促進更高的鋼絲強度的元素。為了表現(xiàn)出該效果，優(yōu)選含有0.01％或大于0.01％的Cu。但是，當Cu含量過大時，在熱軋過程中在顆粒邊界離析出Cu，使鋼材料產(chǎn)生裂紋和缺陷，因此優(yōu)選控制Cu含量為1％或小于1％。當含有Cu時，Cu含量的更優(yōu)選的下限是0.02％，其更優(yōu)選的上限是0.9％。
Cr0.01％～1.5％Cr在拉絲時表現(xiàn)出增加加工硬化比的效果，甚至在相當?shù)偷氖湛s比時也容易得到高的強度。并且，Cr具有改進鋼的耐腐蝕性的作用，在抑制作為輪胎等的橡膠增強材料的細絲鋼的腐蝕上也是有效的。為了表現(xiàn)出這些效果，優(yōu)選Cr含量為0.01％或大于0.01％，更優(yōu)選0.02％或大于0.02％。但是，當過分地含有Cr時，向珠光體轉變的硬化性增加，幾乎不能進行鉛浴淬火處理，此外，次級鱗片變得過分密集，機械除鱗性能和酸洗性能變差。因此，優(yōu)選Cr含量為1.5％或小于1.5％，更優(yōu)選1.4％或小于1.4％。
選自下組的一種或更多種元素Li0.02～20ppm，Na0.02～20ppm，Ce3～100ppm和La3～100ppm這些元素對于軟化鋼中的夾雜物是有效的。為了表現(xiàn)該效果，優(yōu)選含有0.02ppm或大于0.02ppm的Li和Na以及3ppm或大于3ppm的Ce和La。但是，當所述元素的含量過大時，該效果相當飽和，因此，優(yōu)選控制Li和Na為20ppm或小于20ppm以及控制Ce和La為100ppm或小于100ppm。所述元素的更優(yōu)選的下限分別是Li0.03ppm，Na0.03ppm，Ce5ppm和La5ppm，所述元素的更優(yōu)選的上限分別是Li10ppm，Na10ppm，Ce80ppm和La80ppm。
下面以實施例為基礎更詳細地解釋本發(fā)明。但是，下述實施例的總體性質不是限定本發(fā)明的內容，符合本發(fā)明前后思路的設計的所有修改都包括在本發(fā)明的技術范圍中。
實施例將每種240噸量的多種熱金屬的每一種裝到堿性氧氣頂吹轉爐中，所述熱金屬是通過在熱金屬預處理過程將P和S的濃度分別降至0.007％～0.020％的范圍和0.004％～0.015％的范圍中制備的(關于其它組分，參見下表1和3)，進行脫碳噴吹至規(guī)定的濃度，此后接到鋼包中，在加熱型鋼包精煉設備中處理以調節(jié)組分和熔渣精煉。
接著，將每種產(chǎn)品經(jīng)過連續(xù)澆鑄鑄成600mm×380mm橫截面的鑄鋼。將鑄鋼加熱到1260℃，進行首次碾壓至155mm的正方橫截面，再進行熱軋制備5.5mm或8.0mm直徑的線材。
用EPMA(電子探針顯微分析儀)觀察所有的包括線材軸芯的橫截面，關于寬5μm或大于5μm的氧體系夾雜物，測定組成滿足下列條件的夾雜物數(shù)目當Al2O3+MgO+CaO+SiO2+MnO定義為100％時組成滿足式子MgO+MnO≤30％(質量％，后面相同)且當Al2O3+CaO+SiO2定義為100％時組成還滿足下列式子(A)或(B)，(A)SiO2≥75％，和(B)Al2O3≥35％，SiO2≥10％和CaO≥10％，將其轉化為夾雜物數(shù)目/(100mm2的線材橫截面)。
實施例1對于上述制備的線材(5.5mm直徑)，用下列方法評價用于輪胎簾布的鋼線材的拉絲性。
(評價方法)評價線材從5.5mm直徑拉伸到0.2mm直徑時的斷線頻率。
(拉絲方法)用鹽酸酸洗5.5mm直徑的鋼線材以除去鱗片，然后用連續(xù)拉絲機(DC-610-7BD610型，由Showa Machine Works，Ltd.生產(chǎn))進行干拉至1.2mm的直徑。拉絲過程中使用的拉模的直徑為4.8、4.2、3.7、3.26、2.85、2.5、2.2、1.93、1.69、1.48和1.3mm，直徑為1.2mm時拉絲的拉絲速度為400m/分鐘。
在這種情況中，事先在線材表面上進行磷酸鋅處理，使用主要由硬脂酸鈉組成的物質作潤滑劑。
將拉成1.2mm直徑的線材加熱到1230K，此后在830K的鉛浴中進行鉛浴淬火處理形成細珠光體結構，然后用含有7∶3(質量比)比例的Cu和Zn的黃銅(膜厚約1.5μm)電鍍。最后，用濕型拉絲機(KPZIII/25-SPZ250型，由Koch，Ernst & Co.，Ltd.生產(chǎn))將線材拉成0.2mm的直徑。
在進行拉絲的浸漬浴中，使用混合含75％水的天然脂肪酸、氨基酸和表面活性劑制成的溶液。在拉絲過程中使用的模具的直徑為1.176、0.959、0.880、0.806、0.741、0.680、0.625、0.574、0.527、0.484、0.444、0.374、0.343、0.313、0.287、0.260、0.237和0.216mm，直徑為0.2mm時拉絲的拉絲速度為500m/分鐘。
這里使用的鋼線材的化學組成表示在下表1中，評價結果與夾雜物數(shù)目和升溫需要的時間一起表示在下表2中。表2中升溫需要的時間T(分鐘)表示鑄鋼的中心位置的溫度從1000℃升高到1100℃所需要的時間(參見圖2和3)。注意將熱電偶插到鑄鋼內測定鑄鋼的溫度變化。
表1

表2

從上述結果明顯看到，可以理解，在滿足本發(fā)明規(guī)定的要求的每種情況(測試序號1～10)中，具有規(guī)定組成的夾雜物數(shù)目降低，得到良好的拉絲性。相反，認為在沒有滿足本發(fā)明規(guī)定的要求的任何情況(測試序號11～15)中，具有規(guī)定組成的夾雜物數(shù)目增加，拉絲性變差。
實施例2關于上述制備的線材(8.0mm直徑)，用下列方法評價作為用于彈簧的鋼線材的疲勞性能。
(評價方法)8.0mm直徑的鋼線材進行Nakmura型旋轉彎曲疲勞測試。
(處理方法)8.0mm直徑的鋼線材依次進行油回火、應力消除處理、噴丸硬化處理和次級應力消除退火處理，此后用Nakmura型旋轉彎曲疲勞測試評價破損百分比(breakage percentage)。
(疲勞測試條件)進行測試的條件如下測試片長度650mm；測試片數(shù)目30；測試負荷95.8kgf/mm2(940MPa)；旋轉速度4500轉/分鐘；測試停止頻率2×107次。用下式確定破損的測試片的破損百分比破損百分比＝(破損的測試片的數(shù)目/所有的測試片數(shù)目)×100(％)。
這里使用的鋼線材的化學組成表示下表3中，疲勞性能的評價結果與夾雜物數(shù)目和升溫需要的時間(T)一起表示在下表4中。
表3

表4

從上述結果明顯看到，可以理解，在滿足本發(fā)明規(guī)定的要求的每種情況(測試序號16～25)中，具有規(guī)定組成的夾雜物數(shù)目降低，得到良好的疲勞性能。相反，可以理解，在沒有滿足本發(fā)明規(guī)定的任意要求的每種情況(測試序號26～30)中，具有規(guī)定組成的夾雜物數(shù)目增加，疲勞性能變差。
權利要求
1.一種鋼線材，其特征在于，在包括所述鋼線材的軸芯的橫截面100mm2中夾雜物的數(shù)目為5個或小于5個，所述鋼線材中含有的所述夾雜物是在垂直于軋制方向的方向上寬5μm或更寬的氧化物夾雜物，并且，將所述夾雜物中的Al2O3+MgO+CaO+SiO2+MnO設定為100％時，其組成滿足式子MgO+MnO≤30％(質量％，以下相同)，將所述夾雜物中的Al2O3+CaO+SiO2設定為100％時，其組成也滿足下列式子(A)或(B)，(A)SiO2≥75％、(B)Al2O3≥35％，SiO2≥10％和CaO≥10％。
2.如權利要求1所述的鋼線材，其特征在于，所述鋼線材含有C0.4％～1.3％，Si0.1％～2.5％，Mn0.2％～1.0％和Al0.003％或小于0.003％(不包括0％)。
3.如權利要求2所述的鋼線材，其特征在于，所述鋼線材還含有0.01％～1％的Ni。
4.如權利要求2所述的鋼線材，其特征在于，所述鋼線材還含有0.01％～1％的Cu。
5.如權利要求2所述的鋼線材，其特征在于，所述鋼線材還含有0.01％～1.5％的Cr。
6.如權利要求2所述的鋼線材，其特征在于，所述鋼線材還含有選自下組中的一種或更多種元素Li0.02～20ppm，Na0.02～20ppm，Ce3～100ppm和La3～100ppm。
7.一種制備權利要求1所述鋼線材的方法，其特征在于，在對用于熱軋制備所述鋼線材的鑄鋼進行加熱時，所述鑄鋼的溫度從1000℃升高至1100℃的操作時間為60分鐘或小于60分鐘。
全文摘要
公開了一種鋼線材，其中在包括所述鋼線材的軸芯的橫截面中，夾雜物的數(shù)目/100mm
文檔編號B21B37/74GK1884602SQ20061009124
公開日2006年12月27日 申請日期2006年6月8日 優(yōu)先權日2005年6月23日
發(fā)明者木村世意, 山名壽 申請人:株式會社神戶制鋼所