專利名稱：適用于增強(qiáng)塑料或橡膠制品的鋼絲原料的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及鋼絲原料，用它可以獲得待用的鋼絲，該鋼絲可以用來(lái)增強(qiáng)塑料或橡膠制成的制品，尤其是輪胎外帶、線網(wǎng)層、帶、蛇形管等。
本文所用的表達(dá)方式“待用的鋼絲”(Ready-to-use wire)具有其在冶金領(lǐng)域中的通常含意，即該鋼絲不必經(jīng)受能改變其金相組織的熱處理，及不使之，比如在能改變其直徑的拔絲工序中改變直徑就可用于打算使用的用途。
國(guó)際專利申請(qǐng)WO-A-92/14811述及一種獲得這種類型的“待用”鋼絲的工藝，它包括一個(gè)鋼的基體，其組織包括90％重量的經(jīng)加工硬化的回火馬氏體。該鋼的含碳量為0.05％-0.6％，該基體涂有除鋼之外的金屬合金，如黃銅。用于獲得這種鋼絲的工藝包括通過(guò)將經(jīng)過(guò)加工硬化的鋼絲加熱到AC3轉(zhuǎn)變點(diǎn)以上，以便使其具有均勻的奧氏體組織。然后以至少150℃/秒的冷卻速度使其迅速冷至馬氏體轉(zhuǎn)變終止點(diǎn)以下來(lái)對(duì)該鋼絲進(jìn)行淬火處理。在這種淬火處理之后，將至少兩種金屬沉積在此鋼絲上，然后加熱此鋼絲，結(jié)果通過(guò)擴(kuò)散形成這些金屬的合金，一般是黃銅，接著使該鋼絲冷卻和加工硬化。
這些文獻(xiàn)中所述工藝的優(yōu)點(diǎn)主要是--所使用的原始鋼絲原料的含碳量小于珠光體鋼的含碳量；--選擇鋼絲原料直徑及這樣獲得的待用鋼絲直徑的靈活性；--以高速度和低斷裂率對(duì)該鋼絲原料進(jìn)行鋼絲拉拔，及--在鋼絲回火的同時(shí)進(jìn)行擴(kuò)散處理，這降低了制造費(fèi)用。
但這種已知工藝有下列缺點(diǎn)a)在鋼絲拉制前為獲得涂層的良好擴(kuò)散而必須進(jìn)行的熱處理不總是與為得到足夠的機(jī)械強(qiáng)度的要求一一對(duì)應(yīng)的；b)回火后的機(jī)械強(qiáng)度隨溫度的變化而迅速改變，這種溫度變化是由于加熱系統(tǒng)中不可避免的偏移而引起的；
c)證明該鋼淬透性不足，即，為得到完全的，或幾乎完全的馬氏體組織，需要高速冷卻。若冷卻速度過(guò)低，則會(huì)出現(xiàn)馬氏體之外的相，如貝氏體。這種高的淬火速度是制造中的主要限制性環(huán)節(jié)。
通常所知的是在生產(chǎn)由馬氏體構(gòu)成的部件的工藝中，通過(guò)添加合金元素如V或Cr，由于在回火過(guò)程中析出V或Cr的碳氮化物或碳化物就可改善淬透性和強(qiáng)度。但，使這些化合物析出的通常處理時(shí)間為幾十分鐘，甚至幾小時(shí)。
本申請(qǐng)人全然出乎意料地發(fā)現(xiàn)當(dāng)鋼絲直徑小于3mm時(shí)會(huì)發(fā)生合金元素，如V、Mo或Cr，以碳氮化物和/或碳化物的形成迅速析出。這種在回火過(guò)程中的析出就可避免上述缺點(diǎn)a)和b)，而在淬火時(shí)存在這些合金元素就可避免上述缺點(diǎn)c)，從而可以低溫淬火。
因此，本發(fā)明的目的是提供一種打算通過(guò)變形和熱處理而得到待用鋼絲的鋼絲原料，這種鋼絲原料的特征是它用碳含量在0.2％-0.6％(重量)的微合金鋼制成，該鋼還含至少一種選自V、Mo和Cr的元素，該鋼含至少0.05％-最多0.5％的這類元素或其組合。
用本發(fā)明的鋼絲原料獲得的“待用”鋼絲有下列特征a)它由含碳量至少等于0.2％，最多等于0.6％(重量)的微合金鋼制成。此鋼還含選自V、Mo和Cr的至少一種合金元素，該合金元素或其組合的量為至少0.05％-最多0.5％(重量)；b)這種鋼的組織幾乎全是加工硬化回火馬氏體；c)該鋼絲的直徑至少等于0.10mm，而最多0.50mm；d)該鋼絲的抗拉強(qiáng)度至少為2800MPa。
該“待用”鋼絲最好包括除鋼之外的金屬合金涂層，該涂層是置于由具有上述特征的微合金鋼制成的基體上的。
生產(chǎn)這種“待用”鋼絲的工藝包括以下工序a)取符合本發(fā)明的鋼絲原料；b)以這樣一種方法使這種鋼絲原料變形使變形后的鋼絲直徑為小于3mm。
c)停止變形，對(duì)變形后的鋼絲進(jìn)行淬火熱處理，這種處理的要點(diǎn)是將鋼絲加熱到AC3轉(zhuǎn)變點(diǎn)以上，以便使其為均一的奧氏體組織，然后將其冷卻至幾乎為馬氏體轉(zhuǎn)變結(jié)束點(diǎn)MF的溫度，該冷卻速度至少為60℃/秒，以便得到基本只由馬氏體構(gòu)成的組織；d)接著將鋼絲加熱至被稱為“回火溫度”的溫度，該溫度至少為250℃，而最多為700℃，以使析出該合金元素，或至少一種該合金元素的至少一種碳氮化物和/或碳化物，從而形成幾乎全是回火馬氏體的組織；e)使該鋼絲至少冷至馬氏體轉(zhuǎn)變結(jié)束點(diǎn)MF，及f)然后使該鋼絲變形，變形此ε至少為1。
最好是在如上定義的步驟c)之后，將兩種能通過(guò)擴(kuò)散形成含金屬的金屬沉積在此鋼絲上，這樣，上述的微合金鋼就成了基體，然后在如上定義的步驟d)中，將此鋼絲加熱至回火溫度，此加熱還起著形成碳化物擴(kuò)散，形成這些金屬的合金，如黃銅的作用。
這樣得到的“待用”鋼絲可就這樣使用，用它們形成組件，如用此鋼絲形成的鋼絲繩或鋼纜也是可能的，尤其可能形成由鋼絲層構(gòu)成的鋼纜或鋼絲繩構(gòu)成的鋼纜。
這些“待用的”鋼絲，或其構(gòu)成的組件可用于增強(qiáng)某制品，如輪胎外胎、線網(wǎng)層、帶或蛇形管。
借助下列實(shí)施方案將使本發(fā)明易于理解。Ⅰ．定義和試驗(yàn)1．抗拉試驗(yàn)的測(cè)量按法國(guó)標(biāo)準(zhǔn)AFNOR NF A 03-151,1978年6月，進(jìn)行這些抗拉強(qiáng)度的測(cè)量。2．變形按定義，變形用其變形比ε表示，ε由下式給定ε=ln(So/Sf)ln是自然對(duì)數(shù)，So是鋼絲變形前的原始截面積，而Sf是這種變形后的鋼絲截面積。3．鋼的組織鋼的組織用放大400倍的光學(xué)顯微鏡經(jīng)肉眼確定。試樣制備、腐蝕、及組織檢查按下列參改文獻(xiàn)進(jìn)行De Ferri Metallographica.Vol,No.Ⅱ,A,Schrader and A.Rose.Verlag Stahleisen Gmbh出版，Düsseldorf。4．MF點(diǎn)的確定按下列參考文獻(xiàn)確定馬氏體轉(zhuǎn)變結(jié)束點(diǎn)MF:FerruusPhysical Metallurgy,A.Kumar Sinhu,Butterworths出版，1989。為此將用以下等式MF=MS-215℃，其中Ms=539-423×c％-30.4×Mn％-17.7×Ni％-12.1×Cr％-7.5％×Mo％-7.5×Si％+10×Co％，其中的C％、Cr％、Mo％、Si％及Co％代表這些化學(xué)物質(zhì)以化學(xué)符號(hào)表示的重量百分?jǐn)?shù)。
可以接受的是，當(dāng)V具有與Mo相同的作用時(shí)，可在該式中采用V(雖然代表現(xiàn)有技術(shù)的上述參考文獻(xiàn)沒(méi)有提到V)。5．維氏硬度這種硬度的其測(cè)定方法述于法國(guó)標(biāo)準(zhǔn)AFNOR A 03-154中。6．黃銅擴(kuò)散速度用鈷陽(yáng)極(30KV,30mA)進(jìn)行的X-射線衍射測(cè)定此速度。在α和β相兩峰重合后測(cè)量與α和β相相對(duì)應(yīng)的峰的面積(當(dāng)與β相重合時(shí)確定純Cu)。擴(kuò)散速度Td由下式確定Td=(α峰面積)/(α峰面積+β峰面積)α峰大致相當(dāng)于50°角，而β峰大致相當(dāng)于51°角。Ⅱ．實(shí)施例采用4件直徑5.5mm的鋼絲原料，其標(biāo)號(hào)分別為A、B、C、D,鋼絲原料C和D是符合本發(fā)明的。表1列出了這些鋼絲原料用鋼的化學(xué)成分(％重量)表1
這些鋼絲原料中的其它元素是不可避免的雜質(zhì)態(tài)的元素而且其量可以忽略。
這些鋼絲原料的MF和AC3值于表2中。
表2
以攝氏度表示的AC3值用來(lái)自Andrews的式子(JISI,July 1967,pages721-727)計(jì)算AC3=910-203 C％-15.2Ni％+44.7Si％+104V％+31.5Mo％-30Mn％+13.1W％20Cu％+700P％+400％Ai％+120As％+400Ti％其中的C％、Ni％、Si％、V％、Mo％、W％、Cu％、P％、Al％、As％和Ti％是用化學(xué)元素符號(hào)表達(dá)的化學(xué)物質(zhì)的重量百分?jǐn)?shù)。
因此鋼絲原料A和B是相同的，而且是未微合金化的，而鋼絲原料C和D是經(jīng)微合金化的并且是彼此不同的。
這些鋼絲原料被拉至直徑1.3mm，因此變形比ε為2.88。
接著以下述方式對(duì)這個(gè)種鋼絲原料作淬火處理--加熱至1000℃，保溫5秒；--急冷至室溫(約20℃)。
淬火冷卻條件如下--鋼絲A、C和D淬火速度130℃/秒，用氫和氮的混合物作淬火氣體(75％的H2,25％(體積)N2)；--鋼絲B淬火速度180℃/秒。用純氫。測(cè)量標(biāo)為A1、B1、C1和D1的各鋼絲上的維氏硬度，字母A、B、C、D各表示上述的原始鋼絲原料。所得的數(shù)值列于表3表3
鋼絲A1不能用，因其硬度過(guò)低，這是由于其組織不是幾乎完全由馬氏體組成，而是由馬氏體和貝氏體組成。
鋼絲B1、C1和D1幾乎全由馬氏體構(gòu)成，因而其維氏硬度是令人滿意的。
鋼絲C1和D1是用微合金鋼制成，而且經(jīng)易于進(jìn)行的淬火而得到的(以相對(duì)低的速度，采用便宜而不危險(xiǎn)的氣體混合物)，而鋼絲B1是通過(guò)采用困難而昂貴的工藝(淬火速度，采用純氫)而得到的，這種工藝可得到足夠高的硬度，但該硬度小于微合金化的鋼絲C1和D1的硬度。
因此可知，V改善該鋼的淬透性，即，在淬火過(guò)程中形成單一的馬氏體相。
接著以已知的方式在三種鋼絲B1、C1和D1上沉積Cu層，然后是Zn層，所述方式比如是電鍍。沉積的金屬的總量為每100g鋼絲390g，其中64％(重量)是Cu而36％(重量)是Zn。這樣就得到了三種鋼絲B2、C2和D2。
接著通過(guò)焦耳效應(yīng)將對(duì)比鋼絲B2加熱5秒，每次以三種回火溫度Tr加熱(525℃,590℃及670℃)，然后將該鋼絲冷至室溫(約20℃)，以便確定這種熱處理對(duì)抗拉強(qiáng)度Rm及對(duì)黃銅擴(kuò)散速度Td的作用，該黃銅是通過(guò)使Cu和Zn合金化而形成的，在每種情況下這樣得到了鋼絲B3。
結(jié)果列于表4表4
應(yīng)指出的是，在525℃的情況下，擴(kuò)散速度Td不夠(小于0.85)，但抗拉強(qiáng)度高于以其它的溫度所達(dá)到的抗拉強(qiáng)度。670℃的溫度得到非常好的擴(kuò)散速度(擴(kuò)散速度＞0.85)，但抗拉強(qiáng)度低于525℃時(shí)達(dá)到的抗拉強(qiáng)度，而且不足以通過(guò)后續(xù)的拉拔工序得到高的抗拉強(qiáng)度。在590℃的情況下，抗拉強(qiáng)度稍高于670℃時(shí)所得到的抗拉強(qiáng)度，而黃銅擴(kuò)散速度雖然令人滿意，但稍低，而這種強(qiáng)度不足以保證有高的拉伸后的強(qiáng)度。
還可知的是，當(dāng)抗拉強(qiáng)度下降時(shí)擴(kuò)散速度上升，這是一種缺點(diǎn)，因?yàn)?，在?shí)踐中，為使后續(xù)的變形(如，拉拔)不導(dǎo)致鋼絲斷裂，抗拉強(qiáng)度越高則擴(kuò)散速度必須更高。相反，所看到的是，當(dāng)強(qiáng)度升高時(shí)可變形性下降，這是與所希望的目標(biāo)相背的。
將兩種含V的鋼絲C2和D2僅用5秒加熱至590℃，以便使其回火，然后將其冷至室溫(約20℃)。接著測(cè)定這樣得到的鋼絲C3和D3的黃銅擴(kuò)散速度Td及抗拉強(qiáng)度Rm。結(jié)果示于表5表5
在C3、D3兩種情況下，可見(jiàn)黃銅擴(kuò)散速度＞0.9，即擴(kuò)散得很好，而且當(dāng)黃銅擴(kuò)散速度＞0.9時(shí)，抗拉強(qiáng)度也很好，即大于在對(duì)此鋼絲B3上所得到的強(qiáng)度。因此，鋼的存在就能因形成細(xì)小的鋼的碳氮化物和/或碳化物析出物的優(yōu)點(diǎn)而出乎意料地具有良好的黃銅擴(kuò)散速度及抗拉強(qiáng)度，這種形態(tài)的釩在淬火期后，盡管回火時(shí)間是如此之短，仍被固溶。
已知的是，以范圍為幾十分鐘-幾小時(shí)的非常長(zhǎng)的退火時(shí)間，釩才能在鋼中析出，但令人驚異的是，本發(fā)明以小于1分鐘，如小于10秒的短暫的時(shí)間看到了這種析出。
接著，為得到約0.18mm的最終直徑，通過(guò)拉拔使鋼絲B3、C3和D3變形，該在徑相當(dāng)于4的變形比ε，這樣就得到了“待用”鋼絲B4、C4和D4，然后測(cè)定其抗拉強(qiáng)度Rm。結(jié)果示于表6表6
該Tr值是先前指明的退火溫度值，而Ta是先前指明的值，它們是在形成黃銅之后，抗拉拔之前測(cè)定的，經(jīng)拉拔Td值幾乎未變。
可知的是，鋼絲C4和D4的特征是有良好的黃銅擴(kuò)散速度(＞0.9)及極好的抗拉強(qiáng)度(＞2900MPa)。對(duì)比鋼絲B4的抗拉強(qiáng)度值明顯小于鋼絲C4和D4的抗拉強(qiáng)度值；與B4鋼絲不同，鋼絲C4和D4以525℃的回火溫度開(kāi)始處理，同時(shí)鋼絲B4的黃銅擴(kuò)散速度也不夠(＜0.85)，即，難以進(jìn)行拉拔作業(yè)并導(dǎo)致鋼絲在變形時(shí)經(jīng)常斷裂，因此與鋼絲C4和D4的情況相比，難以得到鋼絲。
上述實(shí)施例采用了釩鋼，但本發(fā)明還適用于這樣的場(chǎng)合其中采用金屬鉬和鉻中的至少一種，而且還適用這樣的場(chǎng)合其中采用了至少2種選自釩、鉬和鉻中的金屬。
以常規(guī)方法生產(chǎn)本發(fā)明的鋼絲原料，以便準(zhǔn)備將其轉(zhuǎn)變?yōu)橛糜诩訌?qiáng)輪胎外帶的細(xì)的“待用”鋼絲。
該生產(chǎn)的熔煉從具有本發(fā)明鋼絲原料的指明成份的鋼開(kāi)始。首先在電爐或氧氣轉(zhuǎn)爐中煉這種鋼，然后在鋼包中用脫氧劑，如Si脫氧，這就不會(huì)產(chǎn)生三氧化二鋁夾雜的風(fēng)險(xiǎn)。接著通過(guò)將碎塊狀的釩鐵加于金屬液中而將V引入鋼包中。
若該合金化元素必須是Cr或V，則這種狀態(tài)一定有效。
一旦準(zhǔn)備好的鋼水，則將它連鑄成鋼坯或大型坯。然后將這些半成品常規(guī)地軋成直徑5.5mm的鋼絲原料，若鑄成的是大錠則將其終軋成坯，或者鑄成的是坯，則直接將其軋成鋼絲原料。
最好是本發(fā)明的鋼絲原料有下列的至少一種特征--碳含量至少為0.3％，最多為0.5％(重量)，此含量最好為0.4％。
--該鋼滿足以下關(guān)系0.3％≤Mn≤0.6％、0.1％≤Si≤0.3％、P≤0.02％、S≤0.02(重量％)；--該鋼的合金元素，或合金元素的組合最多為0.3％(重量)。
用本發(fā)明的鋼絲原料制得的“待用”鋼絲最好有以下特征--抗拉強(qiáng)度至少為2900Mpa；--直徑至少為0.15mm，而最多為0.40mm。
使本發(fā)明的鋼絲原料轉(zhuǎn)變，以便得到上述的“待用”鋼絲的工藝有至少一個(gè)下列的特征
--所用的鋼絲原料的鋼中碳含量至少為0.3％而最多為0.5％(重量)，該值，比如，約為0.4％；--所用的加工原料的鋼滿足以下關(guān)系0.3％≤Mn≤0.6％、0.1％≤Si≤0.3％、P≤0.02％、S≤0.02(重量％)；--所用的鋼絲原料的鋼中的合金元素或其組合最多為該鋼重的0.3％；--淬火時(shí)的冷卻速度小于150℃/秒；--回火溫度至少為400℃，而最高為650℃；--在將鋼絲原料加熱至該回火溫度后，將其冷至室溫；--回火處理后的變形程度ε至少為3。
在上述實(shí)施例中，通過(guò)拉拔進(jìn)行鋼絲原料的變形，但對(duì)于變形作業(yè)中的至少一步而言，用其它的技術(shù)如軋制，任選地與拉拔的組合也是可能的。
當(dāng)然，本發(fā)明不限于上述的實(shí)施方案。因此，如本發(fā)明的鋼絲原料可用于這樣的“待用”鋼絲，其所用的鋼覆有除黃銅之外的合金，這種合金是用兩種或兩種以上的金屬制得的，比如(Cu-Zn-Ni)、(Cu-Zn-Co)、或(Cu-Zn-Sn)，三元合金，而要點(diǎn)是，所用的金屬必須能通過(guò)擴(kuò)散形成而無(wú)需過(guò)高的退火溫度形成合金。
權(quán)利要求
1．用于經(jīng)變形及熱處理而獲得“待用”鋼絲的鋼絲原料，其特征為，它用含碳0.2％-0.6％(重量)的微合金鋼制成，該鋼還含至少一種選自釩、鉬和鉻的合金元素，所述合金元素或所述合金元素的組合的重量百分比為至少0.05％，而最多0.5％。
2．權(quán)利要求1的鋼絲原料，其特征為，其碳含量為0.3％-0.5％(重量)。
3．權(quán)利要求2的鋼絲原料，其特征為，其碳含量約為0.4％(重量)。
4．權(quán)利要求1-3中任一項(xiàng)的鋼絲原料，其特征為，其所用的鋼滿足以下關(guān)系0.3％≤Mn≤0.6％、0.1％≤Si≤0.3％、P≤0.02％、S≤0.02(重量％)。
5．權(quán)利要求1-4中任一項(xiàng)的鋼絲原料，其特征為，該合金元素或合金元素的組合最多占鋼的重量的0.3％。
全文摘要
拔絲原料,它用含碳0.2—0.6%(重量)并含至少0.05%,最多0.5%的選自釩、鉬和鉻的至少一種合金元素的微合金鋼制成。這種拔絲原料旨在通過(guò)成形和熱處理來(lái)生產(chǎn)待用金屬絲,所述的鋼絲對(duì)于增加塑料或橡膠制品,尤其是管、帶、線網(wǎng)層及輪胎外胎是有用的。
文檔編號(hào)C21D9/52GK1211285SQ9719229
公開(kāi)日1999年3月17日 申請(qǐng)日期1997年1月8日 優(yōu)先權(quán)日1996年1月16日
發(fā)明者J－C·阿納德, E·德普拉特爾, R·塞里, M·弗蘭科斯 申請(qǐng)人:聯(lián)合金屬公司