Стальная проволока и способ ее изготовления

 

Изобретение относится к металлический проволоке, имеющей следующие характеристики: она состоит, по меньшей мере, частично из стали, содержание углерода в которой, по меньшей мере, равно 0,1%, и не более 0,6%, и содержание бора менее 8 ррm; сталь проволоки имеет структуру типа нагартованного нижнего бейнита; диаметр проволоки варьируется от 0,10 до 0,40 мм; предел прочности проволоки равен, по меньшей мере, 2800 МПа, и удлинение при разрыве проволоки равно, по меньшей мере, 0,4%; и способу изготовления этой проволоки, который состоит в нагартовке катанки, имеющей от 28% до 90% доэвтектоидного феррита и от 72% до 10% перлита, затем в осуществлении термообработки для получения структуры, типа нижнего бейнита, затем в осуществлении нагартовки на проволоку, причем температура проволоки при этой нагартовке ниже 0,3 Т_F, которая является температурой плавления стали, выраженной по Кельвину. 2 с.п., 15 з.п. ф-лы, 3 ил.

Изобретение касается металлической проволоки и способа ее изготовления. Такая проволока применяется, например, для усиления изделий из пластмасс или из каучука, в частности труб, приводных ремней, поверхностей, автопокрышек.

Проволока такого типа обычно используется в настоящее время и состоит из стали, содержащей по меньшей мере 0,6% углерода, причем эта сталь имеет перлитную структуру нагартованного металла. Предел прочности такой проволоки около 2800 МПа (мегапаскалей), ее диаметр может быть в пределах от 0,15 до 0,35 мм, и ее удлинение при разрыве в пределах от 0,4 до 2% Такую проволоку изготавливают волочением исходной проволоки, называемой катанкой, диаметр которой порядка 5-6 мм, причем структура такой катанки является твердой, состоящей из перлита и феррита с большим процентным содержанием перлита, которое обычно более 72% При изготовлении такой проволоки, по меньшей мере один раз, прерывают операцию волочения для осуществления одной или нескольких термообработок, которые позволяют восстанавливать исходную структуру.

Известный способ имеет следующие недостатки: сырье дорогое, так как имеет довольно высокое процентное содержание углерода; нельзя легко изменять параметры, в частности диаметр катанки и конечный диаметр находятся в жестких пределах, и поэтому способу не хватает гибкости; большая твердость катанки из-за ее слишком перлитной структуры затрудняет волочение перед термообработкой, в связи с чем степень деформации ε такого волочения непременно ниже 3; с другой стороны, скорости волочения низкие, и во время такой операции могут происходить обрывы проволоки.

С другой стороны, сама проволока иногда имеет недостаточный предел прочности и ее усталостная прочность является ограниченной, вероятно, в связи с повреждением такой проволоки при волочении перед термообработкой вследствие большой твердости катанки.

В японской заявке на патент N 54-79119 описывается способ изготовления стальной проволоки с бором бейнитной структуры нагреванием в кипящем слое. Полученная проволока отличается плохими механическими свойствами.

В основу изобретения положена задача получения нагартованной металлической проволоки, имеющей неперлитную структуру и с пределом прочности и с удлинением при разрыве, по меньшей мере, такими же, как у классической стальной нагартованной перлитной проволоки, и гораздо менее повреждаемой, чем известная проволока.

Целью изобретения является разработка способа изготовления металлической проволоки, не имеющего перечисленных недостатков.

Металлическая проволока, согласно изобретению, обладает следующими характеристиками: по меньшей мере частично, она состоит из стали, имеющей содержание углерода, по меньшей мере равное 0,1% и не более 0,6% и содержание бора менее 8 ppm (частей на миллион); сталь проволоки имеет структур, типа нагартованного нижнего бейнита; диаметр проволоки варьируется от 0,10 до 0,40 мм; предел прочности проволоки, по меньшей мере, равен 2800 МПа; удлинение при разрыве проволоки составляет, по меньшей мере, 0,4% Способ, согласно изобретению, для изготовления такой проволоки, отличается следующими пунктами: нагартовывают стальную катанку, причем эта сталь имеет содержание углерода, равное, по меньшей мере, 0,1% и не более 0,6% и содержание менее 8 ч/млн, причем эта сталь содержит от 28% до 90% доэвтектоидного феррита и от 72% до 10% перлита; степень деформации e такого наклепа, по меньшей мере, равна 3; превращают наклеп и осуществляют только одну термообработку на нагартованной проволоке; эта обработка состоит в нагревании проволоки выше температуры преобразования АСЗ, чтобы придать ей равномерную аустенитную структуру; затем в быстром охлаждении ее до температуры между 350^oC и 450^oС, причем скорость такого охлаждения равна, по меньшей мере, 250^oC/сек, и выдерживании ее в этом интервале температур в течение времени, равного, по меньшей мере, 30 секундам, с целью получения структуры типа нижнего бейнита, включающей дисперсные выделения карбидов, практически равномерно распределенных в ферритной основе; охлаждают проволоку до температуры ниже 0,3 Т_F, причем Т_F - является температурой плавления стали по Кельвину;
осуществляют наклеп на проволоке, подвергнутой такой термообработке, причем температура проволоки при этом наклепе ниже 0,3 Т_F, а степень деформации e такого наклепа равна, по меньшей мере, 3.

Изобретение касается также соединений, состоящих, по меньшей мере, из одной проволоки, согласно изобретению.

Изобретение касается также изделий, по меньшей мере, частично усиленных проволокой или соединениями, согласно предыдущим определениям, причем такими изделиями являются, например, трубы, приводные ремни, настилы, автопокрышки.

На фиг. 1 представлена структура стали проволоки перед термообработкой при реализации способа, согласно изобретению;
на фиг. 2 структура стали проволоки после термообработки при осуществлении способа, согласно изобретению;
на фиг.3 структура стали проволоки, согласно изобретению.

Далее все проценты и части на миллион в указанных составах даются в весовом соотношении, а измерения пределов прочности и удаления при разрыве осуществлены по методу AFNOR NFA 03-151.

По существу, степень деформации e наклепа дается по формуле
где L_n неперов логарифм;
s_o первоначальное сечение проволоки перед наклепом, и
S_f сечение проволоки после этого наклепа.

Целью предлагаемых ниже примеров является описать изготовление и свойства трех видов проволоки, согласно изобретению. В этих примерах используют ненагартованную катанку диаметром 5,5 мм. Эта катанка состоит из стали, имеющей следующие характеристики: содержание углерода: 0,4% содержание бора: менее 8 ч/млн; содержание марганца: 0,4% содержание кремния: 0,2% содержание фосфора: 0,015% содержание серы: 0,02% содержание алюминия: 0,015% содержание азота: 0,005% содержание хрома: 0,05% содержание никеля: 0,10% содержание меди: 0,10% содержание молибдена: 0,01% содержание доэвтектоидного феррита 53% содержание перлита: 47% температура плавления стали Т_F: 1795 К; предел прочности R_m: 700 МРа; удлинение при разрыве А_г: 10%
Из этой катанки было изготовлено три вида проволоки, согласно изобретению, следующим образом:
Пример 1.

С катанки удаляют окалину, обмазывают ее мылом для волочения, например, из буры, и протягивают ее всухую для получения проволоки диаметром 1,1 м, что соответствует степени деформации ε чуть больше 3,2.

Волочение выполняется легко, благодаря относительно вязкой структуре катанки. В качестве примера, сталь 0,7% углерода без наклепа имеет предел прочности R_m около 900 МПа и удлинение при разрыве около 8% то есть значительно менее вязкая.

Описанное выше волочение производится при температуре ниже 0,3 T_F с целью упрощения, хотя и не обязательно, температура волочения может в известных случаях равняться или превышать 0,3 Т_F.

На фиг. 1 представлен продольный разрез части 1 структуры, полученной таким образом проволоки. Эта структура состоит из удлиненных блоков 2 цементита и удлиненных блоков 3 феррита, причем больший размер этих блоков ориентирован в направлении волочения.

Затем полученную таким образом проволоку подвергают следующей термообработке.

проволоку нагревают до 900^oС, то есть выше температуры преобразования АСЗ, и выдерживают ее в течение 1 минуты при этой температуре для получения равномерной аустенитной структуры;
затем проволоку охлаждают до 400^oС в соляной ванне менее 2-х секунд и выдерживают проволоку при этой температуре в течение 1 минуты, после чего охлаждают ее до 20^oС, то есть до температуры окружающей среды.

На фиг. 2 представлен разрез части 4 структуры полученной таким образом проволоки. Эта структура, типа нижнего бейнита, состоит из дисперсных выделений карбида 5, практически равномерно распределенных в ферритной основе 6. Такую структуру получают благодаря предыдущей термообработке, и она сохраняется при охлаждении до окружающей температуры. Дисперсные выделения обычно имеют размеры, равные по меньшей мере 0,05 мкОм (мкм) и не более 0,5 мкОм.

Проволока, полученная таким образом посредством такой термообработки и такого охлаждения до температуры окружающей среды покрывается слоем латуни. Толщина этого слоя латуни небольшая (порядка мкм) и она ничтожна по отношению к диаметру проволоки до латунирования. Затем производят влажное волочение этой проволоки для получения конечного диаметра 0,2 мм, что практически соответствует e 3,4. Волочение облегчается за счет слоя латуни. Температура проволоки при таком волочении обязательно ниже 0,3 T_F.

На фиг. 3 представлен продольный разрез части 7 этой проволоки, согласно изобретению, полученной таким образом. Эта часть 7 имеет структуру типа наклепанного нижнего бейнита, состоящую из карбидов 8 удлиненной формы, которые практически параллельны между собой, и большой размер которых ориентирован по оси проволоки, то есть в направлении волочения, как на схеме фигуры 3 показано стрелкой F. Эти карбиды 8 расположены в нагартованной ферритной основе 9.

Эта проволока, согласно изобретению, имеет предел прочности 3200 МПа и удлинение при разрыве 0,7%
Пример 2.

С катанки удаляют окалину, обмазывают ее слоем мыла для волочения, например, из буры, и протягивают ее всухую для получения проволоки диаметром 0,9 мм, что соответствует степени деформации e несколько более 3,6. Полученная структура аналогична показанной на фиг. 1. После этого производят следующую термообработку полученной таким образом проволоки:
проволоку нагревают тем же самым образом, как в примере 1, для получения однородной аустенитной структуры;
затем проволоку охлаждают до 370^oС не более 2-х секунд и выдерживают ее при этой температуре в течение 90 секунд, после чего ее охлаждают до окружающей температуры.

Полученная структура аналогична показанной на фиг 2. Затем проволоку латунируют и протягивают аналогично примеру 1 для получения конечного диаметра 0,17 мм, что практически соответствует e 3,3. Температура проволоки при таком волочении ниже 0,3 T_F. Проволока, согласно изобретению, полученная таким образом, имеет структуру, аналогичную представленной на фиг. 3.

Эта проволока имеет предел прочности равный 3000 МПа и удлинение при разрыве равное 0,9%
Пример 3. Проволоку, согласно изобретению, изготавливают так же, как в примере 1, но с той разницей, что волочение, осуществляемое после термообработки, продолжают до конечного диаметра 0,17 мм, что практически соответствует e 3,7; Эта проволока, согласно изобретению, обладает пределом прочности равным 3500 МПа и удлинение ее при разрыве составляет 0,7% Промежуточные структуры и конечная структура аналогичны описанным ранее структурам.

Изобретение предоставляет следующие преимущества:
начинают с низкоуглеродной катанки и, следовательно, более дешевой;
используют большую свободу в выборе диаметров проволоки, так, например, можно использовать катанки, диаметр которых значительно более 6 мм, что также еще больше снижает стоимость, и получать проволоку очень разных диаметров;
волочение перед структурной термообработкой производится довольно легко и вследствие этого степень деформации e этого волочения может быть выше 3, с другой стороны, такое волочение может осуществляться с большей скоростью; в результате значительно сокращается частота поломок проволоки и замена фильер, что также снижает стоимость;
полученная проволока имеет предел прочности и удлинение при разрыве, по величине равные известной классической проволоке, что выражается энергией разрыва, по меньшей мере, равной энергии разрыва классической проволоки;
проволока меньше повреждается при волочении перед термообработкой;
полученная проволока имеет лучшую стойкость против коррозии, чем классическая проволока вследствие низкого содержания в ней углерода.

Предпочтительно, чтобы содержание углерода в стали проволоки, согласно изобретению, было равно, по меньшей мере, 0,2% и не более 0,5%
Предпочтительно, чтобы сталь, согласно изобретению, следовательно, исходные катанки имели следующие составы: 0,3% ≅ Mn ≅ 0,6% 0,1% ≅ Si ≅ 0,3% Р ≅ 0,02; S ≅ 0,02; Al ≅ 0,02% N ≅ 0,006%
Предпочтительно, чтобы сталь проволоки, согласно изобретению, и следовательно исходная катанка имели следующие соотношения: Cr ≅ 0,06% Ni ≅ 0,15% Cu ≅ 0,15% Mo ≅ 0,015%
Предпочтительно, чтобы способ, согласно изобретению, обладала по меньшей мере, одной из следующих характеристик:
содержание углерода в исходной катанке равно, по меньшей мере, 0,2% и не более 0,5%
содержание доэвтектоидного феррита в исходной катанке равно, по меньшей мере, 41% и не более 78% а содержание перлита, по меньшей мере, 22% и не более 59%
степень деформации e при нагартовке перед структурной термообработкой не более 6;
степень деформации e во время нагартовки после структурной термообработки не более 4,5.

В описанных выше примерах проволоку после термообработки латунировали, чтобы облегчит ее волочение; тем не менее, в объем изобретения входят и те случаи, когда используют и другие, кроме латуни текучие вещества для волочения например, медь, цинк, тройные сплавы медь-цинк-никель; медь-цинк-кобальт; медь-цинк-олово; причем эти покрытия иные, чем сталь.

Наклеп проволок в предыдущих примерах выполняется волочением, но возможны и другие методы, например, прокатка вместе с волочением при, по меньшей мере, одной из операций нагартовки.

Разумеется, изобретение не ограничивается описанными выше примерами его выполнения.

Формула изобретения

1. Стальная проволока, содержащая заданное процентное содержание C, Mn, Si, Al, N, S, P, имеющая предел прочности по меньшей мере 2800 МРа и удлинение при разрыве по меньшей мере 0,4% отличающаяся тем, что она имеет диаметр 0,1 0,4 мм, структуру нагартованного нижнего бейнита, в состав проволоки введен бор в количестве ниже 8 млн^-1, а содержание углерода составляет 0,1 0,6 мас.

2. Проволока по п.1, отличающаяся тем, что содержит углерод в количестве: 0,2 0,5 мас.

3. Проволока по п.1 или 2, отличающаяся тем, что содержит Mn, Si, P, S, Al, N в следующем количестве: мас. 0,3 ≅ Mn ≅ 0,6; 0,1 ≅ Si ≅ 0,3; P ≅ 0,02; S ≅ 0,02; Al ≅ 0,02; N ≅ 0,006.

4. Проволока по п. 3, отличающаяся тем, что содержит Cr, Ni, Cu, Mo в следующем количестве: мас. Cr ≅ 0,06, Ni ≅ 0,15; Cu ≅ 0,15, Mo ≅ 0,015.

5. Проволока по любому из пп.1 4, отличающаяся тем, что покрыта слоем металла, за исключением стального.

6. Проволока по п.5, отличающаяся тем, что покрыта слоем латуни.

7. Способ изготовления стальной проволоки, включающий аустенизацию, охлаждение до температуры, находящейся в бейнитной области, изотермическую выдержку при этой температуре, охлаждение и нагартовку на конечный размер, отличающийся тем, что проволоку получают из катанки с содержанием С 0,1 - 0,6% в менее 8 млн^-1 со структурой, состоящей из 28 90% доэвтектоидного феррита и 72 10% перлита, путем нагартовки со степенью деформации по меньшей мере 3, охлаждение ведут сначала до 350 450^oС со скоростью, по меньшей мере 250 град. /с, выдерживают проволоку в этом диапазоне температур в течение по меньшей мере 30 с, а затем охлаждают проволоку до температуры ниже 0,3 Tf К, нагартовку на конечный размер проводят при температуре ниже 0,3 T_f К со степенью деформации по меньшей мере 3, где T_f температура плавления стали, К.

8. Способ по п.7, отличающийся тем, что катанка содержит углерод в количестве 0,2 0,5 мас.

9. Способ по п.7 или п.8, отличающийся тем, что катанка содержит Mn, Si, P, S, Al, N в следующем количестве: мас. 0,3 ≅ Mn ≅ 0,6; 0,1 ≅ Si, P ≅ 0,02, S ≅ 0,02, Al ≅ 0,02, N ≅ 0,006.

10. Способ по п.9, отличающийся тем, что катанка содержит Cr, Ni, Cu, Mo в следующем количестве: мас. Cr ≅ 0,06, Ni ≅ 0,15; Cu ≅ 0,15; Mo ≅ 0,015.

11. Способ по любому из пп.7 10, отличающийся тем, что на поверхность проволоки перед нагартовкой на конечный размер наносят металлическое покрытие, за исключением стального.

12. Способ по п.11, отличающийся тем, что на поверхность проволоки наносят латунное покрытие.

13. Способ по любому из пп.7 12, отличающийся тем, что катанка имеет содержание деэвтектоидного феррита 41 78% и перлита 22 59%
14. Способ по любому из пп.7 13, отличающийся тем, что нагартовку перед аустенитизацией проводят со степенью деформации 3 6.

15. Способ по любому из пп.7 14, отличающийся тем, что нагартовку на конечный размер осуществляют со степенью деформации 3,0 4,5.

16. Способ по любому из пп.7 15, отличающийся тем, что нагартовку осуществляют по меньшей мере частично волочением.

17. Способ по п. 7, отличающийся тем, что в структуре нижнего бейнита имеются дисперсные выделения карбидов с размерами 0,005 0,5 мкм.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3