专利名称：陆上光缆增强用异型钢丝的制作方法
技术领域：
本发明涉及陆上使用的光缆增强用异型钢丝。
背景技术：
近年来，由于IT技术的革命性发展，应用于陆上光缆的光纤迅速地普及。作为光缆的结构，例如有特开平5-60956、特开平6-69915、特开平7-49439、特开平11-23923、特願2000-310728中所述的结构。
图1所示的是陆上用光缆的结构的一个例子，其基本的结构是在光缆的芯部配置张力构件，其周围配置光纤单元，在光纤单元的外周配置内包光纤单元的增强管，其外周设置封套、铠装增强层、护套等。
但是，这样的结构十分复杂，而且由于吊线支点间距、电线杆间距的缘故，不能增加光缆的重量，因而强化光纤的增强管也受到限制。为此，以提高耐久性为目的，例如如同特开平5-60956中所述，在光缆的外周部填充陶瓷粉末，或者如特开平6-69915中所述，卷绕多层吸水带，但这样做很费事，而且导致成本提高。
作为结构简单、耐久性和耐水性高的光缆结构，特公平7-65142中记载了如图2所示的海底光缆增强用异型钢丝，该钢丝是用满足Ceq＝C+(Mn+Cr)/5≥0.57％的钢丝制造的抗拉强度在1226MPa或以上的呈扇形断面的异型钢丝。但是，该钢丝所能达到的抗拉强度的最大值是1520MPa级，低于琴钢丝的抗拉强度1800～2000MPa。
近年来，市场上对于提高光缆的传输容量以及减轻光缆自身重量以改善其铺设性能的要求越来越高，但是，为了提高传输容量，即使增大扇形的异型钢丝的内径，减小异型钢丝的断面壁厚，增加光纤的根数，从确保张力构件的强度的角度考虑，减小壁厚也是有一定限度的，使用扇形断面的异型钢丝的光缆，越来越不能适应逐年增加的要求提高传输容量的市场需求。
为了改善铺设性能，要求减轻光缆本身的重量，采用以往强度的扇形的异型钢丝，即使为减轻重量而减小壁厚，从确保增强层强度的角度考虑，也不能充分地减小壁厚，因而这种方法对于解决逐年增加的要求减小光缆自身重量的市场需求来说作用十分有限。
发明内容
本发明使用冷加工性能优异的长尺寸的高强度钢丝用的线材，提供了强度高的陆上光缆增强用异型钢丝。
本发明是为了解决上述问题而完成的，本发明的要点如下。
(1)一种陆上光缆增强用异型钢丝，其特征在于以质量％计含有C大于0.65％且不超过1.1％，Si0.15～1.5％，Mn0.20～1.5％，还含有Cr1.2％或以下且(Mn+Cr)0.2～1.5％，以及Mo0.01～0.1％、V0.01～0.1％、Al0.002～0.1％、Ti0.002～0.1％、Nb0.001～0.3％、B0.0005～0.1％中的1种、2种或以上且含量合计为0.0005～0.5％，余量为Fe和不可避免的杂质，此外，Ceq＝C+1/4Si+1/5Mn+4/13Cr满足0.80％≤Ceq≤1.80％，显微组织是铁素体-珠光体组织或珠光体组织，并且横过L断面中心轴线上的剪切带(相对于轧制方向具有斜度的剪切带)的数目以每单位长度中心轴线计算是20根/mm或以下，而且所述中心轴与剪切带所成的角度在10～90°的范围内，抗拉强度为1800MPa或以上，横截面为大致扇形，若干个这样的大致扇形合在一起构成容纳光纤的圆形中空断面。
(2)一种陆上光缆增强用异型钢丝，其特征在于以质量％计含有C大于0.65％且不超过1.1％，Si0.50～1.5％，Mn0.20～1.5％，还含有Cr1.2％或以下且(Mn+Cr)0.2～1.5％，以及Mo0.01～0.1％、V0.01～0.1％、Al0.002～0.1％、Ti0.002～0.1％、Nb0.001～0.3％、B0.0005～0.1％中的1种、2种或以上且含量合计为0.0005～0.5％，余量为Fe和不可避免的杂质，此外，Ceq＝C+1/4Si+1/5Mn+4/13Cr满足0.80％≤Ceq≤1.80％，显微组织是铁素体-珠光体组织或珠光体组织，并且Si存在偏析，使得在珠光体组织中从渗碳体和铁素体的界面向铁素体相一侧的30nm范围内，满足渗碳体/铁素体界面的Si最大偏析度(从渗碳体和铁素体的界面向铁素体相一侧的30nm范围内的最大Si浓度÷总体的Si含量)≥1.1，横过L断面中心轴线上的剪切带(相对于轧制方向具有斜度的剪切带)的数目以每单位长度中心轴线计算是20根/mm或以下，而且所述中心轴与剪切带所成的角度在10～90°的范围内，抗拉强度为1800MPa或以上，横截面为大致扇形，若干个这样的大致扇形合在一起构成容纳光纤的圆形中空断面。
图1是以往的陆上光缆的横截面图。
图2(a)是使用以往强度的大致扇形的异型钢丝形成耐压层的海底光缆的立体图，图2(b)是该海底光缆的横截面图。
图3是使用本发明的大致扇形的异型钢丝形成保护层的陆上光缆的横截面图。
图4表示TS＝2100MPa级的扇形的异型钢丝的Si含量和Si在铁素体中的存在状况对于大致扇形的异型钢丝的加工性能的影响。
图5表示采用AP-FIM测定0.82％C～1.02％Si～0.52％Mn～0.0042％Al成分系的大致扇形的异型钢丝的珠光体组织中的Si分布状况的例子。
图6(a)和图6(b)是表示大致扇形的异型钢丝的L断面组织的照片。
图7(a)和图7(b)是表示大致扇形的异型钢丝在加工过程中断线事例的照片。
图8表示大致扇形的异型钢丝的横过L断面中心轴线上的剪切带数量和剪切带的角度对于扇形的异型钢丝的断线的影响。
具体实施例方式
下面详细地说明本发明。
为提高传输容量和减轻自身重量而减小陆上光缆的保护管的壁厚，必须使该大致扇形的异型钢丝的抗拉强度达到1800MPa或以上。
异型钢丝的抗拉强度是由原料线材的抗拉强度和冷加工量决定的，在制造扇形的异型钢丝时，最大的问题是加工过程中发生断线，本发明的要点就是谋求无断线和高强度化。本发明人经过研究发现，例如为了制造图3中所示的陆上光缆增强用的大致扇形的异型钢丝20～25并且在加工过程中不发生断线，控制相对于轧制方向具有斜度的剪切带是至关重要的。为此，例如在大致扇形的异型钢丝的抗拉强度为1800MPa的情况下将总断面缩小率抑制在85％或以下，在抗拉强度为2000MPa的情况下将总断面缩小率抑制在80％或以下是有效的。为了满足这些条件，大致扇形的异型钢丝的抗拉强度在1800MPa的情况下，轧制线材的抗拉强度必须在1100MPa或以上，大致扇形的异型钢丝的抗拉强度在2000MPa的情况下，轧制线材的抗拉强度必须在1200MPa或以上。
另外，本发明人还发现，大致扇形的异型钢丝在制造过程中断线，是由于冷加工过程中发热引起渗碳体分解而固溶于钢材中的游离碳和固溶于钢材中的游离氮引起的应变时效而导致的。因此，为了抑制因加工发热引起的渗碳体分解，本发明人对有效的添加合金元素及其最适宜的添加量进行了研究，结果发现调整铁素体中的渗碳体/铁素体界面存在的Si量是有效的，同时，通过辅助添加Cr、Mo、V、Ti、Nb等形成碳化物的合金元素，可以进一步抑制冷加工过程中渗碳体的分解。
此外，本发明人还发现，在减少钢材中的氮的同时，利用Mo、Al、Ti、Nb、V、B的氮化物将不可避免地固溶的氮固定下来，可以有效地抑制因氮而引起的应变时效。
再者，在上述钢材是将原料线材冷加工制成大致扇形的异型钢丝的场合，要求该钢材具有良好的强度和韧性。为了达到高强度的目的而添加的C、Si、Mn和Cr，在其添加量增大时，往往形成导致冷加工性能恶化的组织，因此，希望将这些合金元素限定在使高强度化和冷加工性能达到平衡的最适宜的范围内。
如上所述，在本发明中，为了全面满足高强度和良好的冷加工性能的要求，对成分元素的范围进行了限定。下面说明这些成分范围的限定依据。
CC含量在0.65％或以下时，不能确保抗拉强度达到1100MPa或以上，反之，其含量超过1.1％时，在连续铸造过程中偏析增大，轧制线材内产生微马氏体(ミクロマルテンサイト)、先共析渗碳体，使得冷加工性能明显恶化，因而将C的含量规定为大于0.65％且不超过1.1％。
SiSi具有通过固溶强化作用而强化线材的作用。其含量在0.15％或以下时，不能获得这种效果，反之，高于1.5％时，导致韧性恶化，因此将其含量规定为0.15～1.5％。
特别地，为减小异型加工过程中的断线率，如前面所述，为了抑制冷加工过程中因C而引起的应变时效，必须抑制冷加工过程中渗碳体的分解和C在铁素体中的固溶，为此，必须控制Si的存在，使Si的含量在0.5～1.5％并且在珠光体组织中从渗碳体与铁素体的界面向铁素体相一侧的30nm范围内，满足渗碳体/铁素体界面的Si最大偏析度(从渗碳体与铁素体的界面向铁素体相一侧的30nm范围内的最大Si浓度÷总体的Si含量)≥1.1。图4表示扇形的异型钢丝的Si含量和Si在铁素体相中的存在状况对于扇形的异型钢丝的加工性能的影响。只要这些参数在本发明的范围内，加工过程中就不发生断线。另外，渗碳体/铁素体界面的Si偏析度的分布情况，例如如图5所示，可以采用AP-FIM等进行测定、求出。
为了使Si在渗碳体/铁素体界面有效地偏析，例如可以在不析出导致拉丝加工性能恶化的粗珠光体的限度内提高珠光体相变温度，延长到珠光体相变结束的时间，尽可能增加渗碳体析出时被排出到铁素体相一侧的Si量。为此，将线材轧制后的风冷冷却速度控制在1～10℃/秒或以下是有效的。
MnMn可以提高强度并以硫化物的形式将S固定，是抑制线材轧制过程中的热脆性的元素，优选在可能的范围内添加。其含量不足0.2％时，不能以硫化物的形式将S固定，而且不能确保线材的抗拉强度在1100MPa或以上，反之，其含量超过1.5％时，线材的淬透性过高，有时产生微马氏体，导致加工性能明显恶化，因而将Mn含量规定为0.2～1.5％。
CrCr是具有与Mn作用完全相同的元素，可以添加Cr来代替一部分Mn。另外，Cr还能细化珠光体，提高线材的强度，此外如上所述，Cr能形成碳化物，是促进渗碳体稳定化的元素。如果Cr含量超过1.2％且Mn与Cr的含量合计超过1.5％，将会形成微马氏体，因而规定Cr1.2％或以下且(Cr+Mn)0.2～1.5％。
Mo、Al、V、Ti、Nb和B这些元素都能调整γ相的晶粒度，而且如前面所述，可以形成碳化物、氮化物，是促进渗碳体稳定化和固定固溶氮的元素。当含有Mo不到0.01％、Al不到0.002％、V不到0.01％、Ti不到0.002％、Nb不到0.001％、V不到0.001％、B不到0.0005％中的1种、2种或以上且含量合计低于0.0005％时，得不到上述效果。当含有Mo高于0.1％、Al高于0.1％、V高于0.1％、Ti高于0.1％、Nb高于0.3％、V高于0.3％、B高于0.1％中的1种、2种或以上且含量合计高于0.5％时，上述效果达到饱和，而且韧性恶化，因而规定Mo0.01～0.1％、V0.01～0.1％、Al0.002～0.1％、Ti0.002～0.1％、Nb0.001～0.3％、B0.0005～0.1％中的1种、2种或以上且含量合计为0.0005～0.5％。
从P和S都使韧性恶化的观点来看，优选它们各自的含量在0.03％或以下。另外，从抑制时效的角度考虑，希望将N的含量抑制在0.01％或以下。
原料线材的强度可以根据Ceq(Ceq＝C+1/4Si+1/5Mn+4/13Cr)和线材从奥氏体区域的冷却速度来确定。Ceq越高，冷却速度越大，则线材的强度增大越多，而根据本发明人的研究，如果Ceq不足0.80％，就不能得到具有1100MPa或以上强度的线材，因而在异型钢丝的抗拉强度为1800MPa或以上的情况下，规定Ceq在0.80％或以上。这是因为Ceq低于这一数值时，为了确保线材的强度，必须将线材的冷却速度提高到极高的速度，从而不可避免地析出对于冷加工性能有害的贝氏体或马氏体。
另外，Ceq超过1.80％时，线材的淬透性升高，即使调整线材的冷却速度，有时仍会析出对于冷加工性能有害的贝氏体或马氏体，致使加工性能显著恶化，因而规定其上限为1.80％。
在利用拉丝模拉拔加工成圆钢丝的场合，大量形成与轴向方向一致的纤维织构，而在制造扇形的异型钢丝时，一般地说，由于使用具有大致扇形的孔型的轧辊进行冷轧，如图6(a)和6(b)所示，形成了与轴向平行的组织以及相对于轧制方向具有斜度的剪切带28。剪切带28的珠光体片层间距，比与轧制方向一致的珠光体的片层间距要细小得多，呈现出加工应变局部集中。因此剪切带28的延性比周围低，在最坏的情况下，如图7(a)和7(b)所示，在加工过程中以剪切带为起点发生断线31，另外，它还是导致大致扇形的异型钢丝本身延性降低的原因，因此必须尽量减少它的存在，在不能完全避免其存在的情况下，应使剪切带28与中心轴29所成的角度30不致于变成极低的角度，这一点十分重要。低的角度意味着辊轧过程中大致扇形的外径一侧与内径一侧的变形情况差异很大，应变进一步在剪切带集中，致使延性降低。如图8所示，通过规定横过大致扇形的异型钢丝的L断面中心轴线29上的剪切带28的数量以每单位长度中心轴线计算是20根/mm或以下并且中心轴与剪切带所成的角度30在10～90°的范围内，可以抑制加工过程中的断线。
作为抑制该剪切带28产生的方法，例如如前面所述，可以通过随着大致扇形的异型钢丝的强度升高而减小总的断面缩小率来实现。但是，对于以往使用的线径5.0mm的线材来说，减小冷加工时的断面缩小率是有限度的。对于线径5.0mm或以下例如4.5mm、4.0mm、3.0mm等的线材进行冷加工，制造大致扇形的异型钢丝，可以降低断面缩小率。另外，将线径规定为5.0mm或以下，线材轧制过程中的加工量增大，由此γ相的粒径变得细小，可以使其细化达到γ相晶粒度等级8级或以上，发挥比单纯减小总的断面缩小率更大的延性改善效果。此外，如上所述，调整Si添加量和抑制拉丝加工过程中的应变时效也是有效的。
再者，为抑制剪切带28的产生并且控制角度30，调整上、下轧辊的孔型形状使大致扇形的外径一侧与内径一侧的相对速度不要差别太大也是有效的。另外，图8所示的情况，虽然剪切带的角度满足本发明的范围要求，但剪切带的根数是每单位长度24.3根/mm，超出了本发明规定的范围，因而发生断线。
至于大致扇形的异型钢丝的根数，图3中所示的是将圆形分割成6份的大致扇形的形状，但并不限于分割成6份，根据其用途和使用条件也可以是多根的分割扇形。另外，从工业生产的角度考虑，最好是约2～10根的扇形。陆上用的光缆不要求套管具有很大的耐压性，但要求光缆具有柔软性，因而分割成3份或以上的管例如分割成4～6份左右的扇形异型钢丝是有益的。
实施例1本发明的陆上光缆增强用的异型钢丝，例如可以按以下所述制造。将含有0.82％C～1.0％Si～0.50％Mn～0.0045％Al(Ceq＝1.23)的单重2吨的钢坯加热至1050℃，然后轧制成4.5mm的线径，经过约7℃/秒的风冷，制成抗拉强度调整到1300MPa的单重2吨的线材卷。然后，去除氧化皮，进行磷酸锌覆膜处理，利用拉丝模拉丝至3.0mm，用轧辊冷轧至1.8mm厚的横截面为矩形的线材。随后，为了形成大致扇形，使用具有大致扇形孔型的轧辊进行冷轧，可以得到图4的陆上光缆中所示的外径b5.2mm、内径a2.55mm、厚度t1.325mm、抗拉强度1820MPa的异型钢丝18～20。该大致扇形的异型钢丝的L断面的显微组织中不存在剪切带。
表1～表4(表2～表4是表1的续表)中示出线材的组成、Ceq、TS、将线材加工成大致扇形的异型钢丝时的加工性能、异型钢丝的强度、形成保护层的异型钢丝的数目等。
No.1～31是本发明例，其它是比较例。根据本发明，可以制造确保线材的良好加工性能、强度超过2000MPa级的大致扇形的异型钢丝。
如比较例No.32所示，Ceq低于本发明的范围时，为了抑制断线而控制总断面缩小率在85％或以下制造时，不能确保1800MPa或以上的大致扇形的异型钢丝的强度。
如比较例No.33所示，C含量高于本发明的范围时，加工性能显著恶化，不能稳定地制造大致扇形的异型钢丝。
如比较例No.34所示，Si含量高于本发明的范围时，加工性能显著恶化，不能稳定地制造大致扇形的异型钢丝。
如比较例No.35所示，(Mn+Cr)含量高于本发明的范围时，加工性能显著恶化，不能稳定地制造大致扇形的异型钢丝。
如比较例No.36所示，即使Ceq在本发明的范围内，如果Al、Ti、Mo、V、Nb和B的总含量高于本发明的范围，加工性能仍显著恶化，不能稳定地制造大致扇形的异型钢丝。
以上，如比较例No.32～36所示，只要钢的成分在本发明的范围之外，就不能稳定地制造高强度的大致扇形的异型钢丝。
如比较例No.37所示，大致扇形的异型钢丝内的剪切带数目大于本发明的范围时，如比较例No.38所示，上述剪切带的角度小于本发明的范围时，如比较例No.39所示，大致扇形的异型钢丝内的剪切带数量和剪切带角度均在本发明的范围之外时，加工过程中频繁发生断线，不能稳定地制造大致扇形的异型钢丝。
如比较例No.37～39所示，即使钢的成分在本发明的范围内，但作为显微组织，如果剪切带数量和角度在本发明的范围之外，也不能稳定地制造高强度的大致扇形的异型钢丝。
如比较例No.40所示，渗碳体/铁素体界面的Si偏析度高于本发明的范围时，拉丝过程中发生时效，加工性能显著恶化，不能稳定地制造大致扇形的异型钢丝。
由以上的实施例可以清楚地看出，本发明的大致扇形的异型钢丝可以确保非常高的强度，因而在减轻陆上光缆的重量和提高耐久性方面能够发挥极大的作用，在工业上产生很大的效益。
表1
表2(续表1)
表3(续表1)
表4(续表1)
权利要求
1.一种陆上光缆增强用异型钢丝，其特征在于以质量％计含有C大于0.65％且不超过1.1％，Si0.15～1.5％，Mn0.20～1.5％，还含有Cr1.2％或以下且(Mn+Cr)0.2～1.5％，以及Mo0.01～0.1％、V0.01～0.1％、Al0.002～0.1％、Ti0.002～0.1％、Nb0.001～0.3％、B0.0005～0.1％中的1种、2种或以上且含量合计为0.0005～0.5％，余量为Fe和不可避免的杂质，此外，Ceq＝C+1/4Si+1/5Mn+4/13Cr满足0.80％≤Ceq≤1.80％，显微组织是铁素体—珠光体组织或珠光体组织，并且横过L断面中心轴线上的剪切带(相对于轧制方向具有斜度的剪切带)的数目以每单位长度中心轴线计算是20根/mm或以下，而且所述中心轴与剪切带所成的角度是在10～90°的范围内，抗拉强度为1800MPa或以上，横截面为大致扇形，若干个这样的大致扇形合在一起构成容纳光纤的圆形中空断面。
2.一种陆上光缆增强用异型钢丝，其特征在于以质量％计含有C大于0.65％且不超过1.1％，Si0.50～1.5％，Mn0.20～1.5％，还含有Cr1.2％或以下且(Mn+Cr)0.2～1.5％，以及Mo0.01～0.1％、V0.01～0.1％、Al0.002～0.1％、Ti0.002～0.1％、Nb0.001～0.3％、B0.0005～0.1％中的1种、2种或以上且含量合计为0.0005～0.5％，余量为Fe和不可避免的杂质，此外，Ceq＝C+1/4 Si+1/5Mn+4/13Cr满足0.80％≤Ceq≤1.80％，显微组织是铁素体—珠光体组织或珠光体组织，并且Si存在偏析，使得在珠光体组织中从渗碳体和铁素体的界面向铁素体相一侧的30nm范围内，满足渗碳体/铁素体界面的Si最大偏析度(从渗碳体和铁素体的界面向铁素体相一侧的30nm范围内的最大Si浓度÷总体的Si含量)≥1.1，横过L断面中心轴线上的剪切带(相对于轧制方向具有斜度的剪切带)的数目以每单位长度中心轴线计算是20根/mm或以下，而且中心轴与剪切带所成的角度在10～90°的范围内，抗拉强度为1800MPa或以上，横截面为大致扇形，若干个这样的大致扇形合在一起构成容纳光纤的圆形中空断面。
全文摘要
本发明使用冷加工性能优异的长尺寸的高强度钢丝用线材，提供了强度高的陆上光缆增强用的大致扇形的异型钢丝，该异型钢丝的特征在于以质量％计含有C0.40％～1.1％、Si0.15～1.5％、Mn0.20～1.5％、还含有Cr、Mo、V、Al、Ti、Nb和B中的1种、2种或以上且含量合计为0.0005～0.5％，Ceq＝C+1/4Si+1/5Mn+4/13Cr满足0.80％≤Ceq≤1.80％，具有铁素体－珠光体组织或珠光体组织，抗拉强度为1800MPa或以上，异型钢丝的横截面为大致扇形，若干根这样的异形钢丝合在一直构成容纳光纤的圆形中空断面。
文档编号H01B7/18GK1646715SQ0380824
公开日2005年7月27日 申请日期2003年1月14日 优先权日2002年4月12日
发明者大桥章一, 村尾雅嗣, 本多通保 申请人:新日本制铁株式会社, 纳米泰株式会社