专利名称：可拉丝性优良的高碳钢丝线材及其制造方法
技术领域：
本发明涉及一种高碳钢丝线材，其在处于已热轧状态时在拉丝模中具有降低了的拉伸阻力，并具有优良的可拉丝性。
背景技术：
对于将经受拉伸而成为非常细的丝，以用于钢丝帘线或半导体切割锯线材，所使用的是含碳量为约0.7至0.8％和直径为5.0mm或以上的高碳钢丝线材(对应于JIS G3502SWRS72A，SWRS82A)。如果这些高碳钢丝线材在拉丝操作中断裂，生产率将受到显著削弱。为了避免这种情况出现，需要高碳钢丝线材具有优异的可拉丝性。
迄今为止，为了获得具有优异可拉丝性的高碳钢丝线材，已采用了其中在热轧后用水冷却线材，然后使其经受鼓风冷却，以使所述线材的结构变为精细珠光体结构的方法，或其中使所述线材在拉丝过程之前或期间再次经受中间韧化处理一次或两次的方法。
最近，要求高碳钢钢丝应具有更小的丝径。为满足这种要求及从改善生产率的角度出发，满意的是提供直接韧化处理材料，或直接拉丝材料，这样将使得能够在拉丝之前或期间省略韧化处理。为了提高生产率，高碳钢丝线材已被越来越多地要求具有更优异的耐断裂性和改善的模头寿命。
为了满足这种要求，已提出了各种用于改善高碳钢丝线材可拉丝性的技术。例如，日本公开已审查专利申请3-60900提出了一种控制拉伸强度和粗糙珠光体比例的技术，所述粗糙珠光体在放大500倍的光学显微镜下可识别，而珠光体中所含的粗糙珠光体的适当数值取决于高碳钢丝线材的碳当量。
日本专利申请公开2000-63987提出了这样一种技术，其中高碳钢丝线材中珠光体结构的平均聚集组织直径被设定为150μm或更小，且平均层间隙被设定为0.1至0.4μm，由此来改善可拉丝性。顺便提及，聚集组织是指其中珠光体薄层方向(lamellar direction)为规则的区域。多个聚集组织形成结节或块体(block)，所述结节或块体是其中铁氧体晶体的取向不变的区域。如在这些技术中所述，热轧后的线材是通过如下来生产的通过水冷调节其卷取温度，然后通过Stelmor调节冷却器调节鼓风量。
根据日本公开已审查专利申请3-60900中所描述的技术，因为具有粗糙层间隙的粗糙珠光体以约10％至30％的量存在，因此改善了模头寿命。然而，该技术具有在拉丝期间耐拉断性不够好和可拉丝性不够好的缺点，这两个缺点都需要直接韧化处理材料，或直接拉丝材料。
日本专利申请公开2000-63987的技术可以通过使所述的层间隙稍粗糙例如至0.1到0.4μm来改善模头寿命。使所述层间隙如此稍粗糙将导致平均聚集组织直径粗糙至40μm或以上(参见加工实施例)。这对于直接韧化处理材料或直接拉丝材料所要求的抗断裂性而言是不足的。
美国专利6,783,609提出了这样一种技术，其中为了改善模头的寿命，除了降低珠光体结节的平均粒径外，还使珠光体的层间隙稍宽来降低线材的强度，其中所述结节的物理含义是指一定数值的或更小的晶粒。所述技术改善了耐断裂性，并达到了优异的可拉丝性，即使是在具有相对宽的层间隙的珠光体结构情况下。
日本专利申请公开11-302743提出了一种生产高强度钢丝线材的技术，其中即使在运输期间与随后在钢材表面上进行塑性形变而形成的硬结构而导致线材可能产生缺陷的情况下，耐断裂性也不变坏。根据所述的技术，其中70％或以上的结构为珠光体或贝氏体或两者的混合物的高碳钢丝线材在拉丝前被加热至300℃至600℃的温度并保持100秒或更短的时间，接着通过原样放置或用水来冷却所述的线材。
日本专利申请公开2001-179325提出了一种使线圈经受缓慢冷却并软化的技术。然而，该技术不打算用于直接韧化处理材料或直接拉丝材料中。该技术具体地公开了，热轧后冷却输送带上线圈的冷却速度是通过调节钢的组成、缓慢冷却开始时奥氏体的粒径、丝径、环距以及缓慢冷却中的温度来控制的。
然而，美国专利6,783,609和日本专利申请公开11-302743的技术没有提及消除拉丝模头的拉伸阻力以及改善可拉丝性，且不具有直接韧化处理材料或直接拉丝材料所要求的足够的可拉丝性。另外，简单地软化热轧后的高碳钢丝线材(日本专利申请公开2001-179325)在可拉丝性上也不够好。
发明内容
本发明是为解决所述的问题而完成的，旨在提供一种能够在拉丝之前或期间省略韧化处理的高碳钢丝线材，该线材在已热轧状态时在拉丝模头拉伸阻力降低的情况下可拉丝性优良，以及提供一种生产所述高碳钢丝线材的方法。
根据本发明，为了实现上述目的，提供了一种高碳钢丝线材，其可拉丝性优良且包含按质量％计，0.65％至1.20％的碳、0.05％至1.2％的硅、0.2％至1.0％的锰及0.35％或以下(包括0％)的铬，还包含各自量的限制为0.02％或以下的磷和硫，其中余量为铁和不可避免的杂质，其中80％或以上的金属结构由珠光体结构所构成，且在高碳钢丝线材的平均拉伸强度TS(MPa)和平均层间隙λ(nm)之间存在TS≤8700/√(λ/Ceq)+290的关系。在此表达式中，鉴于在高碳钢丝线材中碳的含量为％C，锰的含量为％Mn，铬的含量为％Cr后，所以Ceq等于％C+％Mn/5+％Cr/4。
根据本发明，为了实现上述目的，还提供了一种生产可拉丝性优良的高碳钢丝线材的方法，其中在轧制结束后使高碳钢丝线材冷却至室温时，将线材从450℃冷却至300℃的冷却时间设定为60秒至200秒，其后将线材冷却至室温。
本发明人说明以下的发现。在其中高碳钢丝线材实际平均拉伸强度TS(实际拉伸强度)低于由线材的平均层间隙λ和碳当量Ceq所预测的高碳钢丝线材拉伸强度(预测拉伸强度)的情况下，就得到了这样一种高碳钢丝线材可拉丝性优良，其在拉丝之前或期间可以省略韧化处理，并以热轧后的状态在拉丝模头中具有降低的拉伸阻力。
表达式中的TS表示实际平均拉伸强度，表达式右边的8700/√(λ/Ceq)+290表示由所述线材的实际Ceq和平均层间隙λ计算的高碳钢丝线材的预测拉伸强度。表达式中的Ceq＝％C+％Mn/5+％Cr/4是在本发明中被最初设定的。
在热轧后被控制冷却的高碳钢丝线材由珠光体结构构成，所述珠光体为具有一定层间隙的层状渗碳体。如在本发明中，当高碳钢丝线材的实际平均拉伸强度TS满足所述的表达式并小于预测拉伸强度时，假设在此高碳钢丝线材的结构中，层状渗碳体的机械性能被软化了，同时所述高碳钢丝线材的层状结构得以保留。
根据上述对于高碳钢丝线材的常规软化处理，层间隙λ本身变粗了。如果预测平均拉伸强度的表达式中的层间隙λ变大，实际拉伸强度将不会变为低于预测拉伸强度，即与本发明不同，预测拉伸强度变得更小。此外，在拉丝中耐拉断性变得不够好，由此，将得不到直接韧化处理材料或直接拉丝材料所要求的可拉丝性。应当注意，本发明的高碳钢丝线材不同于传统的仅在退火状态下被软化以降低拉伸强度等的线材。
此外，在其中层状渗碳体没有被软化的高碳钢丝线材的情况下，线材的实际平均拉伸强度TS变得更高。与本发明不同，实际平均拉伸强度不会变为低于预测拉伸强度，即预测拉伸强度变得以下。结果，如在前述技术中所描述的简单软化的任何一种中，拉丝期间耐拉断性变得不足，由此将不会得到直接韧化处理材料或直接拉丝材料所要求的满意的可拉丝性。
预测拉伸强度来自由实际平均层间隙λ和碳当量Ceq的预测。换言之，这里所称的预测平均拉伸强度是对应于层状渗碳体的实际软化程度或高碳钢丝线材中实际平均层间隙λ和碳当量Ceq的预测平均拉伸强度。更具体而言，所述的预测拉伸强度是高碳钢丝线材中层状渗碳体未被软化或没有按常规方法软化时的平均拉伸强度或接近其的拉伸强度。应当注意，本发明的预测平均拉伸强度不是纯粹的计算或统计软化的基础，而是软化限制的基础，其可以由层间隙和碳当量来预测同时在实际高碳钢丝线材中层状结构得以保持。
本发明高碳钢丝线材的实际平均拉伸强度和预测平均拉伸强度之间的这种关系(基础)是必须的，因为在本发明中，即使层状渗碳体的机械性能被软化了，也不能直接定量地测量所述层状渗碳体的软化本身。
考虑到即使在诸如TEM或SEM之类常规的结构观察方法下，所述层状渗碳体软化的结构与层状渗碳体未软化的结构也不能被区分，本关系也是必须的。
这样，在本发明中，不仅高碳钢的拉伸强度与常规样品软化而得以降低，而且层状渗碳体的机械性能也被软化，同时所述层状结构得以保留。结果，在拉丝后，根据需要，拉伸强度降低量小到由普通拉丝条件下的加工硬化和热处理所得到的预先确定的拉伸强度的程度。这种拉伸强度的轻微降低可用来在拉丝之前或期间省略韧化处理，并可提供可拉丝性优良且在已热轧状态下在拉丝模头中具有低拉伸阻力的高碳钢丝线材。
图1所示为高碳钢丝线材的实际平均拉伸强度TS(B)与钢丝线材的预测平均拉伸强度(A)之间的差值相对于将所述线材从450℃冷却至300℃的冷却时间的说明图；和图2所示为高碳钢丝线材拉伸阻力降低量与将所述线材从450℃冷却至300℃的冷却时间之间关系的说明图。
优选实施方案的描述(金属结构)在本发明中，高碳钢丝线材中80％或以上的金属结构是珠光体结构。这种珠光体结构是指铁氧体和渗碳体以层状的形式并列排列的结构，其是在钢丝线材从奥氏体状态冷却时通过类低共熔体转化而得到的。为从根本上保证钢丝线材的高强度和可拉丝性，使金属结构成为这种珠光体结构是必须的。如果珠光体结构比例少于金属结构的80％，而过冷结构如贝氏体的比例多于金属结构的20％，那么所述钢丝线材的可拉丝性基本上是不可能得到的。
(拉伸强度)在本发明中，如上所述，使高碳钢丝线材的实际平均拉伸强度TS(实际拉伸强度)低于由高碳钢丝线材的实际平均层间隙λ和实际碳当量Ceq所预测的高碳钢丝线材的拉伸强度(预测拉伸强度)。如果没有使实际平均拉伸强度低于预测拉伸强度，就不会得到能够在拉丝之前或期间省略韧化处理，并且在已热轧状态下在拉丝模头中显示出降低的拉伸阻力和可拉丝性优良的高碳钢丝线材。
作为已知的事实，拉伸强度TS(MPa)通常由层间隙S(μm)确定，并具有TS＝σ0+KS-1/2的关系，其中σ0和K为常数。
在拉伸强度与层间隙之间关系的基础上，本发明人试图使从实际层间隙预测拉伸强度与其中层状渗碳体没有被软化或被传统方式软化的高碳钢丝线材的平均拉伸强度尽可能近地接近。为此，鉴于高碳钢丝线材的实际层间隙λ(nm)和实际碳当量Ceq，本发明人通过表达式8700/√(λ/Ceq)+290来定义预测拉伸强度。在此表达式中，鉴于高碳钢丝线材中的碳含量为％碳、锰含量为％Mn、铬含量为％Cr，还通过表达式Ceq＝％C+％Mn/5+％Cr/4来定义Ceq。
如上所述，在高碳钢丝线材的层状渗碳体没有被软化或被传统方式软化的情况下，实际拉伸强度不会变得低于以上所定义的预测平均拉伸强度。相反，所述的预测平均拉伸强度变得更小。结果，在任一种情况下，拉丝中的耐拉断性变得不足，所以不能得到作为直接韧化处理材料或直接拉丝材料满意的可拉丝性。
即，具有软化的层状渗碳体的高碳钢丝线材的实际平均拉伸强度变为低于所述高碳钢丝线材的预测拉伸强度。另一方面，在高碳钢丝线材的层状渗碳体未被软化或以传统方式软化的情况下，其实际平均拉伸强度TS变为高于高碳钢丝线材的预测平均拉伸强度。
如上所述，本发明旨在软化层状渗碳体的机械性能，同时保持所述高碳钢丝线材的层状渗碳体结构。由此软化的高碳钢丝线材与没有软化的线材之间实际平均拉伸强度TS的差值为在线材具有相对低碳的情况下约30MPa，在线材具有相对高碳的情况下约200MPa。(见加工实施例)。同样，在以上述方法软化的线材与其中所述高碳钢丝线材的预测拉伸强度以及所述层状渗碳体的机械性能被软化的以其它方法软化的线材之间的预测拉伸强度TS的差值为在线材具有相对低的碳含量的情况下低至小于约10MPa，而即使在线材具有相对高的碳含量的情况下小于约50MPa。(见加工实施例)。
拉伸强度中的差值如此之小的原因在于高碳钢丝线材的预测拉伸强度不是由碳当量Ceq预测的简单拉伸强度，而是在考虑了所述高碳钢丝线材的实际平均层间隙λ之后而预测的值。另一个原因在于层状渗碳体的机械性能被软化，同时高碳钢丝线材的层状渗碳体结构得以保留。
此外，在本发明中，为了使高碳钢丝线材的实际平均拉伸强度TS小于所述线材的预测拉伸强度，换言之，为了软化层状渗碳体的机械性能，需要采取特殊的热处理方法。所述热处理方法是这样进行的，以便在轧制结束后将高碳钢丝线材冷却至室温时，将用于将线材从450℃冷却至300℃的时段保持在60秒至200秒，接着冷却至室温。
在本发明中，高碳钢丝线材的拉伸强度不是如简单软化中那样极大地降低，而是轻微降低至这样的程度，以得到预定的拉伸强度，例如，是通过在常规的拉丝条件下加工硬化，或者拉丝后根据需要进行热处理来轻微降低的。拉伸强度轻微降低的过程可以省略掉拉丝操作之前或期间的韧化处理，并有助于得到在已热轧状态下表现出在拉丝模头中的拉伸阻力降低和可拉丝性优良的高碳钢丝线材。
(钢丝的成分)下文中，将解释本发明的高碳钢丝线材的化学成分，以及限制每一种元素的原因。这些是为满足如高强度、高疲劳特性和高钢丝绞合性的性能所必须或优选的信息，这些性能可适用于要求非常细的钢丝以及可拉丝性的钢丝帘线和半导体切割锯钢丝。
为满足要求的特性，根据本发明，高碳钢丝线材的基本组成包含按质量％计，0.65％至1.20％的碳、0.05％至1.2％的硅、0.2％至1.0％的锰及0.35％或以下(包括0％)的铬，0.02％或以下的磷以及0.02％或以下的硫，其中余量为铁和不可避免的杂质。
根据要求，除基本组分外，本发明的高碳钢丝线材还包含选自如下的一种或多种成分，按质量％计，0.005％至0.30％的钒、0.05％至0.25％的铜、0.05％至0.30％的镍、0.05％至0.25％的钼、0.10％或以下的铌、0.010％或以下的钛、0.0005％至0.0050％的硼，以及2.0％或以下的钴，或一种或多种选自如下的成分0.0005％至0.005％的钙、0.0005％至0.005％的REM，以及0.0005％至0.007％的镁。
(碳0.65％至1.20％)碳是经济且有效的增强元素。随着碳含量增加，拉丝中加工硬化量以及拉丝后的强度也增加。元素碳在降低铁氧体量上也有效。为了使这些作用能够达到满意的程度，高碳钢的碳含量须为0.65％或以上。然而，如果碳含量太高，在奥氏体晶粒间界中将产生网状的先共晶渗碳体，以至于不仅在拉丝中容易产生拉断，而且在最终拉丝后，非常细的钢丝的可拉丝性以及韧性和延展性都显著恶化，同时伴随着高速钢丝绞合性的恶化。将碳含量的上限设定为1.20％。
(硅0.05％至1.2％)硅是钢脱氧所必须的元素，特别是在铝不存在时的脱氧所需要的。硅通过溶解于珠光体中所包含的铁氧体相中，对于在韧化处理后提高强度也有效，而所述珠光体是在韧化热处理后形成的。如果硅含量低于0.05％，脱氧效果和强度增强效果将都不能达到满意的程度。因此，硅含量的下限设定为0.05％。如果硅含量太高，将难以进行利用机械除鳞(以下称为MD)的拉丝过程；此外，珠光体中包含的铁氧体的延展性以及拉丝后非常细钢丝的延展性都将恶化。硅含量的上限设定为1.20％。
(锰0.2％至1.0％)同样，锰是如硅一样有效的脱氧剂。在本发明的高碳钢丝线材肯定不含铝的情况下，不仅通过加入硅而且加入锰，来有效地展示脱氧作用。锰不仅起到将钢中的硫固定为MnS而由此增强钢的韧性和延展性的作用，而且在增强钢的可淬硬性以消除轧制原料中先共晶铁氧体上也有效。如果锰含量低于0.2％，将没有作用。为了使这些作用能有效体现，锰含量的下限设定为0.2％。另一方面，因为锰容易产生离析，所以超过1.0％的过量的锰含量会造成离析，并在锰的离析部分中产生过冷结构如贝氏体和马氏体，由此而损害随后的可拉丝性。锰的上限设定为1.0％。
铬是任选加入的元素。与其它的任选元素不一样，当高碳钢丝线材中含有铬时，需要使它尽可能近地接近高碳钢丝线材的平均拉伸强度，所述线材的层状渗碳体未被软化或按常规方法软化。因此，在用于近似的Ceq计算表达式中，铬的含量应当由预测平均拉伸强度的表达式来考虑。本发明限定定铬含量为0.35％或以下(包括0％)。
铬不仅改善可淬硬性，而且也使珠光体的层状结构变细，从而使珠光体细。因此，铬在改善非常细的高碳钢钢丝的强度以及线材的可拉丝性方面有效。为了使这种作用有效地体现出来，优选所含铬的量为0.005％或以上。如果该量太高，将容易形成未溶解的渗碳体，或者转化完成所需要的时间变长，结果在热轧的线材中可能形成这种过冷结构如马氏体和贝氏体，以及恶化MD性质。铬含量的上限设定为0.35％。
(钒、铜、镍、钼、铌、钛、硼和钴中的一种或多种、)钒、铜、镍、钼、铌、钛、硼和钴的每一种在增强钢上都具有相似的作用。因此，为了使这些元素的作用有效体现出来，任选地包含这些元素的一种或多种。
(钒0.005％至0.30％)钒对改善可淬硬性有效，并产生出高强度非常细的钢丝。为了使所述作用有效地体现出来，任选包含的钒的量为0.005％或以上。如果所含的钒太多，碳化物将过量地产生，从而降低将用于层状渗碳体的碳的含量。这样反而会导致强度降低，或产生大量的第二相铁氧体。钒含量的上限设定为0.30％。
(铜0.05％至0.25％)铜不仅对增强钢有效，而且对提高非常细钢丝的耐腐蚀性也有效，还可改善MD中的除鳞性能，因此能够防止所使用模头诸如磨损之类的麻烦。为了使所述作用有效地体现出来，任选包含的铜的量为0.05％或以上。如果铜的含量太高，那么即使在轧制结束后将线材保持在约90℃的高温下，线材表面上也将形成气泡，气泡之下的钢基体中还将产生四氧化三铁锈层，从而导致MD性质的恶化。还有，铜与硫反应，导致CuS在晶粒间界中离析，所以在线材制造过程中，钢锭或线材会产生瑕疵。铜含量的上限设定为0.25％。
(镍0.05％至0.30％)镍不仅增强钢，也改善渗碳体的延展性作用，由此有效地改善如可拉丝性之类的延展性。为了使这种作用有效地体现出来，任选包含的镍的量为0.05％或以上。因为镍昂贵，所以镍的上限被设定为0.30％。
(钼0.05％至0.25％)钼对于改善可淬硬性和非常细钢丝的强度有效。为了使这种作用有效地体现出来，任选包含的钼的量为0.05％或以上。如果所含的钼太多，碳化物将过量产生，从而降低将用于层状渗碳体的碳的含量。这样反而降低强度，并过量地产生第二相铁氧体。钼的上限设定为0.25％。
(铌0.020％至0.10％)铌有效地增强钢，并抑制奥氏体的恢复、重结晶和晶粒生长。这加速珠光体的转化，进一步降低拉伸强度TS，使结节的尺寸微小，并改善可拉丝性。为了使这些作用有效地体现出来，任选包含的铌的量为0.02％或以上。如果铌的含量超过0.10％，将由于过度的析出强化而使可拉丝性相当地恶化。铌含量的上限设定为0.10％。
(钛0.005％至0.010％)钛通过形成碳化物或氮化物，不仅改善钢的强度，而且改善线材的延展性。为了使这些作用有效地体现出来，任选包含的钛的量为0.005％或以上。如果钛的含量超过0.010％，将由于过度的析出强化而使可拉丝性相当地恶化。钛含量的上限设定为0.010％。
(硼0.0005％至0.0050％)硼对于改善延展性和抑制韧化处理中所产生的晶粒间界铁氧体的形成有效。线材中的硼可起到抑制晶粒间界铁氧体的作用，所述铁氧体可成为导致层离的起点，由此更无疑会有助于抑制层离。为了使这些作用有效地体现出来，任选包含的硼的量为0.0005％或以上。如果所含的硼太多，可以表现出这种作用的游离硼可能会降低，从而导致容易产生粗糙的化合物，使延展性恶化。硼含量的上限设定为0.0050％。
(钴0.005％至2.0％)钴不仅增强钢，而且抑制先共晶渗碳体的形成，由此改善可淬硬性和可拉丝性。因此，任选包含的钴的量为0.005％或以上，作为优选的下限值。如果所含的钴太多，韧化处理中的珠光体转化将需要更长的时间，后果是生产率恶化。钴含量的上限设定为2.0％。
(钙、REM和镁中的一种或多种)钙、REM和镁对于在钢中形成微细的氧化物和使奥氏体成为细晶粒有效。为了使这种作用有效地体现出来，任选所含钙、REM和镁的一种或多种的量为0.0005％或以上，作为每一种元素优选的下限值。如果所含的钙、REM和镁的量分别超过0.005％、超过0.005％和超过0.007％，将要形成的氧化物将变得粗糙，从而导致可拉丝性恶化。因此，要分别对这些量设定上限含量，更具体而言，应当含有0.0005％至0.005％的钙、0.0005％至0.005％的REM、和0.0005％至0.007％的镁。
(磷0.02％或以下)磷是一种杂质元素，越低越好。特别在铁氧体的固溶体形成中，磷对可拉丝性的恶化有很大的影响。因此，在本发明中，磷的含量设定为0.02％或以下。
(硫0.03％或以下)硫也是杂质元素，产生MnS作为内含物，并损害可拉丝性，因此，硫的含量设定为0.03％或以下。
氮也是溶解在铁氧体中的杂质元素，它可导致时效硬化，原因是拉丝期间所产生的热量，这样对可拉丝性的降低有重大影响。因此，氮含量越低越好。优选氮的含量设定为0.005％或以下。
(制造方法)接着，以下将描述生产本发明的高碳钢丝线材的优选条件。
在本发明中，如上所述，高碳钢丝线材的实际平均拉伸强度TS被设定为低于高碳钢丝线材的预测拉伸强度。换言之，生产可有利地通过基本上传统的方法完成，不同之处在于在轧制完成后将高碳钢丝线材从450℃冷却至300℃的周期，所述的冷却周期被用于软化层状渗碳体的机械性能。
更具体而言，将所述化学组成的高碳钢熔化，然后使其经受连续浇铸，或使其钢锭经受初轧形成钢坯。然后，如果需要，加热所述钢坯后，将终轧温度设定在例如1050℃至800℃，以完成热轧。将终轧温度设为低于1050℃或以下会导致奥氏体的恢复、重结晶和晶粒生长受到抑制，从而使结节微细。如果所述终轧温度的下限太低，轧制机上的负载变得太大，因此将其设定在800℃或更高，优选900℃或更高的温度。
以下将描述精轧后控制下的冷却条件。顺便提及，虽然控制下的冷却条件因取决于线材的直径而不同，但是即使精轧后的丝径为如3至8mm，所述直径为高碳钢丝线材通常的丝径范围，此控制下的冷却条件也可适用。
冷却线材至450℃基本上在骤冷的条件下进行，以使所述高碳钢丝线材80％或以上的金属结构成为珠光体结构。具体来说，优选所述骤冷在例如5℃/秒或更高的高冷却速度下，例如借助于水冷、鼓风冷却或这些方法组合的逐级冷却的强制冷却下进行。这样的强制冷却可使所述高碳钢丝线材80％或以上的金属结构成为珠光体结构，并抑制奥氏体的恢复、重结晶和晶粒生长，从而使珠光体结节微细。
低于5℃/秒的冷却速度具有以下缺点冷却至超过450℃的温度需要更长的时间，导致在超过450℃的温度下更长的停留时间。这使层状渗碳体结构变粗颗粒的形式，从而导致所述的线材进行更容易的分离或撕裂，因此拉丝期间线材变得更容易断裂。另一方面，如果冷却速度超过20℃/秒，除鳞性能可能会恶化。
在本发明中，将线材从450℃冷却至300℃的冷却时间(停留时间)设定为60秒至200秒的周期内。如果冷却时间在此范围以外，将不能得到满足本发明中所限定的拉伸强度关系式的线材，即使所述的珠光体结构为所实施的控制冷却所优化。例如，当将要保持的线材温度超过450℃时，如上所述，层状渗碳体将变为粗颗粒的形式，随后可拉丝性恶化。如果将要保持的线材温度低于300℃，如上所述，将不能使高碳钢丝线材的实际平均拉伸强度TS低于高碳钢丝线材的预测拉伸强度。换言之，在保持所述层状渗碳体结构的同时不能使所述层状渗碳体的机械性能软化，因此不能改善可拉丝性。
如果将线材从450℃冷却至300℃的冷却时间(停留时间)短于60秒，将不能使高碳钢丝线材的实际平均拉伸强度TS低于高碳钢丝线材的预测拉伸强度。换言之，将不能使层状渗碳体的机械性能软化，因此不能改善可拉丝性。
如果将线材从450℃冷却至300℃的冷却时间(停留时间)长于200秒，强度将回复到原始状态，因此不能使高碳钢丝线材的实际平均拉伸强度TS低于高碳钢丝线材的预测拉伸强度。换言之，在保持层状渗碳体结构的同时不能使所述层状渗碳体的机械性能软化，因此不能改善可拉丝性。
由此，为了将使线材从450℃冷却至300℃的冷却时间(停留时间)设定在60秒至200秒的周期内，需要保证热轧后的线材冷却输送带线有一定的长度。顺便提及，如果输送带线短，就不可能将线材保持在温度范围内预定长的时间。在保证了某一长度后，就可通过安装慢速冷却罩，或通过调节鼓风冷却空气量来控制用于冷却输送带上线圈的冷却速度，所述的空气量取决于诸如钢的成分、线材直径和线圈的间距之类的条件。
对于控制冷却后直到室温的冷却，可有如下的选择如静置冷却、缓慢冷却以及快速冷却。在冷却至室温的过程中，如果线材的温度低于300℃，可将所述线材保持在该温度。
具体实施例方式以下将描述本发明的实施例。在实施例1中，通过各种改变的控制冷却条件(特别是将线材从450℃冷却至300℃的冷却时间)得到高碳钢丝线材，然后评价所述线材的机械性能、可拉丝性和拉伸阻力。
从下表1所示的组成之中，共同地使用第3类钢的高碳钢钢坯并且进行热轧，随后在表2中所示的不同条件A至G下进行控制冷却，以生产直径为5.5mm的钢丝线材。在从卷取温度至450℃的鼓风冷却中，作为评判的指示，表2中的A、B、C、E、F和G可以是强鼓风冷却，D为弱鼓风冷却。
对于这些钢丝线材，测量珠光体面积的百分数(％)、平均层间隙(nm)、通过拉伸试验得到的平均强度TS以及RA(减少的面积％)。测量结果示于表3中。顺便提及，至于RA(％)和拉伸强度TS，任意抽取连续4米长的线材样品，再从此抽取的线材连续抽取16个JIS9B试样，且由这16个JIS9B试样和所测量的RA，设定平均值，用于拉伸强度。
珠光体面积百分数是通过如下来确定的切割线材得到样品，将样品的横截面抛光为镜面，用硝酸和乙醇的混合溶液蚀刻所述样品，和用SEM(放大1000倍直径的扫描电子显微镜)观察线材表面与中心之间中心位置的结构。
平均层间隙通过如下方法得到按照以上的相同方法进行镜面抛光，按照以上的相同方法蚀刻样品，用SEM观察蚀刻样品的中心位置，在10个视场中获取5000倍的照片，用在每个视场中的照片，在每个视场中的三个最佳(finest)或次佳的点绘制垂直于薄片的线段，从每个线段的长度和经过所述线段的薄片数目确定层间隙，平均所有线段中的层间隙。
在表1中所示组分的基础上，计算Ceq＝％C+％Mn/5+％Cr/4。然后，通过Ceq的表达式和得到的平均层间隙λ，以及表达式8700/√(λ/Ceq)+290确定每种高碳钢丝线材的预测平均拉伸强度(A)。同时得到的还有每种高碳钢丝线材的预测平均拉伸强度TS(A)与所述高碳钢丝线材的实际平均拉伸强度TS(B)之间的大小关系，以及(A)和(B)之间的差值[(A)-(B)]。得到的结果也示于3中。
其后，通过非韧化处理，经过多步干燥拉丝机，以400米/分钟的拉丝速度使所述钢丝线材经直接拉丝为直径2.3mm，然后评价可拉丝性。鉴于所述的拉丝处理，将所述线材浸渍入盐酸中以实施完全除鳞，然后，为润滑所述钢丝线材的表面，通过磷酸锌处理在每种钢丝线材的表面形成磷酸锌薄膜。
再有，测量所述2.3mm直径线材的拉伸阻力值。借助于整块(singleblock)拉丝机，以15米/分钟的速度使所述线材经受拉丝，同时用测压仪测量拉伸阻力(kgf)。模孔变形锥设定在15°。同时计算拉伸阻力的降低数值，以与表3中比较实施例1的拉伸阻力值相比较。得到的结果也在表3中列出。
从表1和2中显而易见的是，表3中所示的本发明实施例3至6的钢丝线材包含属于本发明范围内化学组成的第3类钢，其中至少94％的金属结构为珠光体结构。还有，对于轧制后控制冷却的条件，将所述线材从450℃冷却至300℃的冷却时间B至F在本发明范围内。
结果，在表3所示的实施例3至6中，高碳钢丝线材的实际平均拉伸强度TS(B)低于所述钢丝线材的预测平均拉伸强度(A)。这样，如表3中所示，在丝径大的部分(直径5.5mm至2.3mm)可拉丝性优良，而在丝径小的部分(直径2.3mm至2.0mm)拉伸阻力小。其拉伸阻力降低量大于比较实施例1的拉伸阻力降低量。
比较实施例1和2中，使用了属于本发明范围内化学组成的第3类钢，其中至少95％的金属结构为珠光体结构，但是将线材从450℃冷却至300℃的冷却时间比60秒短，其中在(A)和(B)中太短。结果，在比较实施例1和2中，每种高碳钢丝线材的实际平均拉伸强度TS(B)高于所述钢丝线材的预测平均拉伸强度(A)。结果，丝径大的部分可拉丝性相当优良，但丝径小的部分的拉伸阻力大，且拉伸阻力降低量比本发明加工实施例中的拉伸阻力降低量小得多。
同样，比较实施例7中，使用了属于本发明范围内化学组成的第3类钢，其中至少93％的金属结构为珠光体结构，但是将线材从450℃冷却至300℃的冷却时间超出了200秒的时间上限，其中在(G)中太长。结果，在比较实施例7中，所述高碳钢丝线材的实际平均拉伸强度TS(B)高于所述钢丝线材的预测平均拉伸强度(A)。结果，丝径大的部分可拉丝性相当优良，但丝径小的部分的拉伸阻力大，且拉伸阻力降低量大大地小于本发明加工实施例中的拉伸阻力降低量。
图1和图2所示为表3中所列结果的说明图。图1所示为每种高碳钢丝线材的实际平均拉伸强度TS(B)相对于所述钢丝线材的预测平均拉伸强度(A)之间的差值(MPa纵坐标轴)与将线材从450℃冷却至300℃的冷却时间(秒横坐标轴)的关系。图2所示为拉伸阻力降低量相对于将线材从450℃冷却至300℃的冷却时间(秒横坐标轴)的关系。图1和图2中的数值对应于表3中实施例的数值。在图1和图2中，虽然在其它实施例和比较实施例中使用实线，但只是本发明的实施例4中使用了虚线，原因是实施例4中的冷却条件为弱鼓风冷却D(软化)。
由实施例中得到的与图1和图2所示的结果，可以看出，在本发明中将线材从450℃冷却至300℃的冷却时段设定为60秒至200秒的重要意义，涉及设定每种高碳钢丝线材的平均拉伸强度TS为TS≤8700/√(λ/Ceq)+290，以及放大拉伸阻力降低量。另外，从实施例中还可以看出，本发明中对可拉丝性以及在小直径钢丝部分拉伸阻力降低的结果所限定条件的重要意义。
Ceq＝％C+％Mn/5+％Cr/4
*拉伸阻力降低量是与比较实施例1的拉伸阻力的差值 接着，由实施例2中得到的结果示于表4中。在实施例2中，表1中组成1至10的直径为5.5mm的钢丝线材按表2中的条件轧制，然后使同样钢类型的成对经受不同的控制冷却条件A(比较实施例)和E(发明实施例)。使由此得到的高碳钢然后经受如实施例1相同方法中的拉丝。
然后，按照如实施例1中的相同方法，测量并评价高碳钢丝线材的珠光体面积百分数(％)、RA(％)、通过拉伸试验得到的平均强度TS、平均层间隙(nm)、可拉丝性、拉伸阻力以及拉伸阻力降低量。得到的结果如表4中所示。表4中所示的拉伸阻力降低量为在相同类型的钢下，在下面的比较实施例和本发明的实施例之间的比较(差值)，不同之处在于轧制后的控制冷却条件。
参考表4，现将进行如下之间的比较比较实施例8与发明实施例9、比较实施例10与发明实施例11、比较实施例12与发明实施例13、比较实施例14与发明实施例15、比较实施例16与发明实施例17、比较实施例18与发明实施例19、和比较实施例20与发明实施例21。从这些比较中显而易见的是，即使在钢类型为1至7，化学组成属于本发明范围内且80％或以上的金属结构为珠光体结构的钢丝线材的情况下，在其中轧制后控制冷却的条件(将线材从450℃冷却至300℃的冷却时间)对应于A(太短)的比较实施例中时，所述高碳钢丝线材的实际平均拉伸强度TS(B)高于所述钢丝线材的预测平均拉伸强度(A)。结果，丝径大的部分的可拉丝性相当优良，但丝径小的部分的拉伸阻力大，且拉伸阻力降低量大大地小于其中对应于E的控制冷却条件的本发明实施例中的拉伸阻力降低量。
这种趋势对于表4中的比较实施例22和23也是正确的，但因为在这些比较实施例中使用了超出本发明范围的钢类型8(碳太高)，所以即使是在大直径部分由于先共晶渗碳体也发生拉断，这样，在直径小的部分对拉伸阻力的测量不可行。
这对于表4中的比较实施例24和27也是正确的，其中因为使用了超出本发明范围的表1中的钢类型9(硅太高)和钢类型10(锰太高)，所以即使是在直径大的部分由于过冷结构也发生拉断，这样，不能测量直径小的部分的拉伸阻力。
上述结果表明，本发明中限定的化学组成，以及本发明中对拉伸强度和将线材从450℃冷却至300℃的冷却时间的限定对于丝径小的部分的可拉丝性和拉伸阻力降低作用具有重要意义。
*拉伸阻力降低量是与比较实施例1的拉伸阻力的差值如上所述，本发明提供一种高碳钢丝线材及其制备方法，在所述高碳钢丝线材中，在拉丝之前和期间可以省略韧化处理，且显示出优良的可拉丝性以及在已热轧状态下在拉丝模头中表现出低的拉伸阻力。
权利要求
1.一种可拉丝性优良的高碳钢丝线材，其包含按质量％计0.65％至1.20％的碳、0.05％至1.2％的硅、0.2％至1.0％的锰及0.35％或以下(包括0％)的铬，还包含各自量的限制为0.02％或以下的磷和硫，其中80％或以上的金属结构由珠光体结构构成；和所述高碳钢丝线材的平均拉伸强度TS(MPa)和平均层间隙λ(nm)之间表现出如下关系TS≤8700/√(λ/Ceq)+290，其中鉴于在所述高碳钢丝线材中碳的含量为％C，锰的含量为％Mn，铬的含量为％铬，Ceq＝％C+％Mn/5+％Cr/4。
2.根据权利要求1所述的高碳钢丝线材，其还包含至少一种选自如下的成分0.005％至0.30％的钒、0.05％至0.25％的铜、0.05％至0.30％的镍、0.05％至0.25％的钼、0.020至0.10％的铌、0.005至0.010％的钛、0.0005％至0.0050％的硼，以及0.005至2.0％的钴。
3.根据权利要求1所述的可拉丝性优良的高碳钢丝线材，其还包含至少一种选自如下的成分0.0005％至0.005％的钙、0.0005％至0.005％的REM，以及0.0005％至0.007％的镁。
4.一种生产根据权利要求1中所述的高碳钢丝线材的方法，其中，在将所述高碳钢丝线材从轧制结束后冷却至室温的过程中，用于将所述线材从450℃冷却至300℃的时段保持在60秒至200秒，接着冷却至室温。
全文摘要
高碳钢丝线材包含0.65％至1.20％的碳、0.05％至1.2％的硅、0.2％至1.0％的锰及0.35％或以下(包括O％)的铬，还包含各自量的限制为0.02％或以下的磷和硫，其中80％或以上的金属结构由珠光体结构构成；且所述高碳钢丝线材的平均拉伸强度TS和平均层间隙λ之间表现出TS≤8700/√(λ/Ceq)+290的关系，其中Ceq＝％C+％Mn/5+％Cr/4。所述的高碳钢丝线材在拉丝之前或期间可省略韧化处理，并表现出在已热轧状态下拉丝模头中低的拉伸阻力。
文档编号C21D7/00GK1840729SQ20051006291
公开日2006年10月4日 申请日期2005年3月30日 优先权日2005年3月30日
发明者长尾护 申请人:株式会社神户制钢所