高强度钢纤维用线材、高强度钢纤维和用于制造其的方法

技术领域

本公开内容涉及高强度钢纤维用线材、高强度钢纤维和用于制造其的方法，更特别地，涉及在拉拔期间不进行LP热处理的情况下抗拉强度为1,500MPa或更大钢纤维用线材、钢纤维和用于制造其的方法。

背景技术

为了用作钢纤维，最终成型需要弯曲特性，但优先需要的特性是强度。虽然迄今为止需要抗拉强度为1,000MPa至1,100MPa的低碳钢丝，但随着新奥工法(New AustrianTunneling Method，NATM)代替爆破法引起了相当多的关注，对抗拉强度为1,500MPa或更大的高强度钢纤维的需求正在增加。

作为用于提高碳钢的强度的方法，使用了通过根据霍尔-佩奇公式(Hall-PetchEq)减小晶粒尺寸来获得强度的方法以及通过施加加工量来获得强度的方法。特别地，通过拉拔过程提高强度的方法是最经济有效的方法。

同时，当线材的显微组织仅由珠光体组成时，在拉拔过程期间强度呈指数增加。这是因为虽然珠光体内部的渗碳体经历了塑性变形，但是强度由于由渗碳体的分解而引起的碳与位错之间的结合而提高。然而，在珠光体和铁素体共存或者铁素体分数大于珠光体分数的情况下，由于珠光体是相对硬的相，因此存在在拉拔过程期间发生断裂的问题。

同时，在拉拔过程之前进行以赋予材料延性的铅淬火(lead patenting，LP)热处理是增加制造成本的原因，因为热处理需要大量的成本和时间。因此，如果可能，钢纤维制造商倾向于省略LP热处理，并且难以引入形成导致拉拔过程期间断裂的珠光体的高碳钢。

因此，需要开发通过省略另外的LP热处理过程制造的具有低C含量的钢纤维用线材和用于制造其的方法。

发明内容

技术问题

提供了在减少C含量的同时具有强度的钢纤维用线材、钢纤维和用于制造其的方法。

技术方案

为了实现上述目的，根据本公开内容的一个方面，提供了高强度钢纤维用线材，所述高强度钢纤维用线材以重量百分比(重量％)计包含：0.01％至0.03％的C、0.05％至0.15％的Si、1.0％至2.0％的Mn、0.05％至0.15％的P、0.005％或更少(不包括0)的Al、0.01％或更少(不包括0)的N、0.03％或更少(不包括0)的S、0.02％至0.08％的Sn，以及剩余部分中的Fe和不可避免的杂质，其中显微组织为单相铁素体。

此外，根据本公开内容的一个实施方案，在横截面的-D/4至D/4范围内，具有30μm至50μm的平均晶粒尺寸和取向差角度为15°或更大的大角度晶界的铁素体的面积分数可以为60％至80％。在此，D表示线材的直径。

此外，根据本公开内容的一个实施方案，在横截面的-D/4至D/4范围内，具有大于50μm的平均晶粒尺寸和取向差角度为15°或更大的大角度晶界的铁素体的面积分数可以为25％或更小。在此，D表示线材的直径。

此外，根据本公开内容的一个实施方案，铁素体的面积分数可以为99.5％或更大。

此外，根据本公开内容的一个实施方案，抗拉强度可以为450MPa或更大。

根据本公开内容的另一个方面，提供了用于制造高强度钢纤维用线材的方法，所述方法包括：通过将钢坯(billet)保持在1,050℃至1,150℃的温度范围内的炉中90分钟至120分钟以及对钢坯进行轧制来制备线材，所述钢坯以重量百分比(重量％)计包含：0.01％至0.03％的C、0.05％至0.15％的Si、1.0％至2.0％的Mn、0.05％至0.15％的P、0.005％或更少(不包括0)的Al、0.01％或更少(不包括0)的N、0.03％或更少(不包括0)的S、0.02％至0.08％的Sn，以及剩余部分中的Fe和不可避免的杂质；在800℃至850℃的温度范围内对所制备的线材进行卷取；以及将线材以2℃/秒至5℃/秒的速率冷却至400℃然后将线材以20℃/秒至30℃/秒的速率冷却至180℃至220℃的温度范围。

根据本公开内容的另一个方面，提供了高强度钢纤维，所述高强度钢纤维以重量百分比(重量％)计包含：0.01％至0.03％的C、0.1％或更少(不包括0)的Si、1.0％至2.0％的Mn、0.05％至0.15％的P、0.01％至0.05％的Al、0.01％或更少(不包括0)的N、0.03％或更少(不包括0)的S、0.02％至0.08％的Sn，以及剩余部分中的Fe和不可避免的杂质，以及具有1,500MPa或更大的抗拉强度。

此外，根据本公开内容的一个实施方案，基于100D的长度，不发生分层的扭转数可以为60次或更多。在此，D表示钢丝的直径。

此外，根据本公开内容的一个实施方案，室温时效24小时之后的抗拉强度的增加可以为40MPa或更大。

此外，根据本公开内容的一个实施方案，室温时效24小时之后的扭转数的减少可以为两次或更少。

根据本公开内容的另一个方面，提供了用于制造高强度钢纤维的方法，所述方法包括：对高强度钢纤维用线材进行干法拉拔；以及对线材进行湿法拉拔至直径为0.4mm至1.0mm，其中在干法拉拔之后且在湿法拉拔之前不进行LP热处理的情况下获得1,500MPa或更大的抗拉强度。

有益效果

在使用根据本公开内容的钢纤维用线材制造钢纤维用钢丝的情况下，即使以低C含量也可以获得1,500MPa或更大的强度，并且可以省略作为在拉拔过程期间恢复延性的过程的LP热处理，并因此可以降低制造成本。

此外，在使用根据本公开内容的高强度钢纤维增强混凝土的情况下，可以使用NATM而不使用传统的爆破法来建造隧道，并且可以预期对防止隧道坍塌和提高隧道寿命的效果。

附图说明

图1是示出各合金元素与位错的结合能的图。

具体实施方式

根据本公开内容的一个实施方案的高强度钢纤维用线材以重量百分比(重量％)计包含：0.01％至0.03％的C、0.05％至0.15％的Si、1.0％至2.0％的Mn、0.05％至0.15％的P、0.005％或更少(不包括0)的Al、0.01％或更少(不包括0)的N、0.03％或更少(不包括0)的S、0.02％至0.08％的Sn，以及剩余部分中的Fe和不可避免的杂质，其中显微组织为单相铁素体。

发明实施方式

在下文中，将参照附图详细地描述本公开内容的实施方案。提供以下实施方案以向本公开内容所属领域的普通技术人员充分地传达本公开内容的精神。本公开内容不限于本文中所示的实施方案，而是可以以其他形式呈现。在附图中，为了使本公开内容的描述清楚，省略了与描述无关的部分，并且为了清楚起见，元件的尺寸可以被放大。

在整个说明书中，除非另有说明，否则术语“包括”一个要素并不排除其他要素，而是还可以包括另外的要素。

如本文中所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也旨在包括复数形式。

在用于隧道建造的混凝土增强钢纤维的制造中，重要的是降低C含量以抑制作为硬质相的珠光体组织的形成并解决由降低的C含量引起的问题。

本发明人发现，通过在不进行另外的LP热处理的情况下进行拉拔过程，最终的钢丝可以具有1,500MPa或更大的抗拉强度，其中将C含量控制在非常低的水平以抑制形成导致在拉拔过程期间断裂的珠光体，增加P含量以获得强度，并添加Sn以抑制动态和静态时效，从而完成了本公开内容。

在本公开内容中，将C含量控制为0.03％或更少以抑制形成导致在拉拔过程期间断裂的珠光体并且构建作为相对软的相的铁素体作为主要组织。

通过将C含量和N含量分别增加0.1％可以提高约100MPa的强度，并且通过将P含量增加0.1％可以提高约80MPa的强度。因此，在本公开内容中，为了制备高强度钢纤维，在显微组织完全由铁素体组成的状态下，尝试通过使用P引入固溶强化效果来获得强度。

同时，在拉拔过程期间形成在铁素体组织中的位错的密度为10

图1是示出各合金元素与位错的结合能的图。参照图1，与位错的结合强度与Hf一样高的Sn可以防止N与位错结合。在本公开内容中，通过经由优化Sn含量来抑制由动态和静态时效引起的强度提高，在不进行作为恢复延性的过程的LP热处理的情况下提高拉拔极限。

根据本公开内容的一个实施方案的高强度钢纤维用线材以重量百分比(重量％)计包含：0.01％至0.03％的C、0.05％至0.15％的Si、1.0％至2.0％的Mn、0.05％至0.15％的P、0.005％或更少(不包括0)的Al、0.01％或更少(不包括0)的N、0.03％或更少(不包括0)的S、0.02％至0.08％的Sn，以及剩余部分中的Fe和不可避免的杂质。

在下文中，将描述根据本公开内容的线材中包含的合金元素的作用和含量。各合金元素的％是指重量％。

C的含量为0.01％至0.03％。

碳(C)是形成渗碳体的元素，所述渗碳体与铁素体一起形成具有层状组织的珠光体，并且C可以以0.01％或更大的量添加以获得本公开内容的线材的强度。通过在干法拉拔之后在不进行制造商用于赋予延性的LP热处理的情况下进行湿法拉拔来完成钢纤维。当C含量过多时，珠光体分数超过1％，从而导致在拉拔过程期间发生断裂的问题，因此可以将其上限控制为0.03％。

Si的含量为0.05％至0.15％。

硅(Si)是使铁素体硬化并提高强度的元素。在本公开内容中，为了从钢水中除去氧，Si可以以0.05％或更大的量添加。然而，过量的Si形成具有高的与基体的结合强度的Fe

Mn的含量为1.0％至2.0％。

锰(Mn)是添加以改善可淬火性并且控制钢中包含的S的元素，并且可以以1.0％或更大的量添加以经由晶粒细化来获得线材的强度。然而，过量的Mn可能导致Mn偏析从而增加在拉拔过程期间断裂的可能性。因此，将其上限控制为2.0％。

P的含量为0.05％至0.15％。

磷(P)在钢中C含量高的情况下通常在晶界中偏析或者在晶界中形成FeP，从而导致在拉拔过程期间断裂。因此，P是作为杂质而控制的元素。

在本公开内容中，根据设计C含量为0.03重量％或更小的超低碳钢，添加具有优异的固溶强化效果的P用于补偿强度。P是在以0.1重量％的量添加时将强度提高约90MPa的固溶强化元素。在本公开内容中，通过添加0.05重量％或更多的P来获得目标强度。然而，过量的P使得难以控制偏析，因此将其上限控制为0.15％。

Al的含量为0.005％或更小(不包括0)。

铝(Al)是容易与氧反应并且用于炼钢过程的脱氧而添加的元素。然而，过量的Al由于夹杂物而导致在铸造过程期间喷嘴的堵塞，特别地形成硬夹杂物例如Al

N的含量为0.01％或更小(不包括0)。

氮(N)具有固溶强化效果。然而，当N含量过多时，N与位错结合以提高时效强度，从而使延性劣化并增加制造成本。因此，将其上限控制为0.01％。

S的含量为0.03％或更小(不包括0)。

作为钢中不可避免地包含的杂质的硫(S)在晶界中形成MnS夹杂物从而使可加工性劣化。因此，将其上限控制为0.03％。

Sn的含量为0.02％至0.08％。

作为具有高的与位错的结合能的元素的锡(Sn)防止在拉拔过程期间在铁素体中形成的位错与N和C的结合，并因此可以防止由动态和静态时效引起的材料的强度增加。为了获得上述效果，在本公开内容中Sn以0.02％或更大的量添加。然而，过量的Sn导致制造成本增加的问题。因此，可以将其上限控制为0.08％。

本公开内容的组成的剩余组分为铁(Fe)。然而，所述组成可以包含从原料或周围环境中不可避免地并入的非预期杂质，并因此不排除添加其他合金组分。这些杂质对于制造领域的任何技术人员是已知的并且其细节在本公开内容中没有具体提及。

同时，根据本公开内容的一个实施方案的高强度钢纤维用线材的显微组织为单相铁素体。具体地，线材以99.5％或更大的面积分数包含铁素体。根据本公开内容，在C含量为0.03重量％或更小的超低碳钢中，可以抑制珠光体组织的形成并且形成铁素体作为钢的主要组织，因此可以防止在拉拔过程期间断裂。

在本公开内容中，在晶界组织中，基于晶界之间的取向差将晶界分为大角度晶界和小角度晶界，并且尝试控制具有大角度晶界的晶粒的平均尺寸。具体地，将与相邻晶粒的关系量化为取向差角度。使用15°作为参考，晶界分为大角度晶界和小角度晶界。

为了获得线材的强度，理想的是通过经由尽可能减小晶粒尺寸而增加晶界的相对面积来获得大量的大角度晶界。然而，为了减小晶粒尺寸，可能存在轧制负荷增加从而缩短设备的寿命以及生产率降低的问题。

因此，在本公开内容中，控制在线材的中心区域处的具有取向差角度为15°或更大的大角度晶界的晶粒的平均尺寸。具体地，根据所公开的实施方案，在线材的横截面的-D/4至D/4范围内，具有30μm至50μm的平均晶粒尺寸和取向差角度为15°或更大的大角度晶界的铁素体的面积分数为60％至80％。在此，D表示线材的直径。

虽然线材的表面具有低C含量，但由于不均匀的组织例如脱碳层和氧化皮，因此晶粒尺寸不同。因此，该实施方案限于具有相对均匀的组织的-D/4至D/4范围。此外，在线材的横截面的-D/4至D/4范围内，具有大于50μm的平均晶粒尺寸和取向差角度为15°或更大的大角度晶界的铁素体的面积分数可以为25％或更小。

此外，根据本公开内容的一个实施方案的高强度钢纤维用线材的抗拉强度可以为450MPa或更大。

在下文中，将详细描述根据本公开内容的另一个实施方案的用于制造轴承钢纤维用线材的方法。

本公开内容的线材可以通过以下来制造：制备具有上述合金组成的钢坯，并且进行再加热-孔型轧制(groove rolling)-卷取-冷却的过程。

根据本公开内容的另一个实施方案的用于制造高强度钢纤维用线材的方法包括：通过将钢坯保持在1,050℃至1,150℃的温度范围内的炉中90分钟至120分钟以及对钢坯进行轧制来制备线材，所述钢坯以重量百分比(重量％)计包含：0.01％至0.03％的C、0.05％至0.15％的Si、1.0％至2.0％的Mn、0.05％至0.15％的P、0.005％或更少(不包括0)的Al、0.01％或更少(不包括0)的N、0.03％或更少(不包括0)的S、0.02％至0.08％的Sn，以及剩余部分中的Fe和不可避免的杂质；在800℃至850℃的温度范围内对所制备的线材进行卷取；以及将线材以2℃/秒至5℃/秒的速率冷却至400℃然后将线材以20℃/秒至30℃/秒的速率冷却至180℃至220℃的温度范围。

首先，制备具有上述组成的钢坯并均质化加热成单相奥氏体。

在这种情况下，可以将加热温度控制在1,050℃至1,150℃的范围内。在本公开内容中，将钢坯的加热温度设定为1,050℃或更高以获得用于后续孔型轧制的温度范围并获得作为钢坯的显微组织的单相奥氏体组织。同时，当加热温度太高时，由于氧化皮形成和脱碳现象可能使表面品质劣化，因此可以将加热温度的上限控制为1,150℃。

此外，优选进行加热90分钟至120分钟。通过进行加热90分钟或更长，添加以获得强度的固溶强化元素可以充分地形成固溶体。同时，当加热时间超过120分钟时，线材的表面上的脱碳层的深度增加，导致在轧制结束之后脱碳层残留的问题。

通过顺序地进行粗轧、中间粗轧/精轧、和精轧来对经加热的钢坯进行热轧以制备线材。

然后，进行成为环形状的卷取过程。本公开内容的卷取步骤可以在800℃至850℃的温度范围内进行。

当卷取温度低于800℃时，由于氧化皮的厚度小，氧化皮剥离特性差。相反，当卷取温度超过850℃时，卷材的形状不合适并且氧化皮的厚度没有显著增加。因此，优选在800℃至850℃的温度范围内进行卷取过程。

在卷取之后，为了获得溶质N和溶质P的量并且抑制在晶界中形成FeP，需要使在低于400℃的温度下的停留时间最小化的冷却方法。

例如，可以将经卷取的线材以2℃/秒至5℃/秒的速率冷却至400℃。当冷却步骤中的冷却速率小于2℃/秒时，在将卷材堆叠在重整管中时卷材的温度仍然是高的，因此工人可能在卷材被输送至测试台之后难以处理，并且需要后续的过程以将卷材冷却。相反，超过5℃/秒的冷却速率对抗拉强度的提高没有显著贡献，而是由于冷却量的增加，导致额外费用的问题(例如电费的增加)。

随后，可以将卷材以20℃/秒至30℃/秒的冷却速率冷却至180℃至220℃的温度。当冷却速率小于20℃/秒时，存在的问题在于，在存在于线材的中心偏析区域中的晶界中形成FeP。相反，当冷却速率超过30℃/秒时，存在的问题在于，设备的冷却能力受到限制，因此无法应用超过所述冷却能力的空气吹送，并且需要对设备进行投资。

经冷却的线材的显微组织可以以99.5％或更大的面积分数包含铁素体。

上述步骤中制备的高强度钢纤维用线材的抗拉强度可以为450MPa或更大。

根据本公开内容的另一个实施方案的高强度钢纤维可以通过对所制备的高强度钢纤维用线材进行拉拔来制造。

根据本公开内容的另一个实施方案的用于制造高强度钢纤维的方法包括：对高强度钢纤维用线材进行干法拉拔；以及对线材进行湿法拉拔至直径为0.4mm至1.0mm。

钢纤维用钢丝在干法拉拔和湿法拉拔之后的总压下率为92.4％的状态下可以具有1,500MPa的抗拉强度。

如上所述，根据本公开内容的高强度钢纤维用线材包含铁素体作为主要组织，并且即使在不进行LP热处理的情况下也可以防止在干法拉拔之后的湿法拉拔期间发生钢丝的断裂。

此外，通过调节C、N、P和Sn的组成比，可以获得与常规的钢纤维用钢丝所需的水平相当的1500MPa或更大的抗拉强度。

在根据本公开内容制造的高强度钢纤维中，基于100D的长度，不发生分层的扭转数为60次或更多，并因此可以获得优异的扭转特性。

在下文中，将通过实施例更详细地描述本公开内容。然而，需要注意的是，以下实施例仅旨在更详细地说明本公开内容而不旨在限制本公开内容的范围。这是因为本公开内容的范围由权利要求中所描述的事项以及能够由其合理推断的事项来确定。

在转炉中制造满足表1中示出的合金组成的钢并在本领域通常使用的条件下进行铸造(1.8m/分钟)以制备连铸钢坯(截面：160×160mm

[表1]

然后，实施例和比较例的所制备的线材的抗拉强度；在各线材的截面中，具体地在横截面的-D/4至D/4范围内的基于平均晶粒尺寸的铁素体的面积分数；以及是否形成珠光体示于表2中。此外，实施例和比较例的经干法拉拔的线材的抗拉强度示于表2中。

随后，在加工量为92.4％的条件下对经干法拉拔的线材进行湿法拉拔。在这方面，在湿法拉拔期间是否发生断裂示于表2中。

作为EBSD分析的条件，当将公差设定为15°并且将步长间隔(step interval)设定为0.1μm时，在-D/4至+D/4范围内测量具有取向<001>、<010>和<100>的铁素体的尺寸。

[表2]

实施例和比较例的经湿法拉拔的线材的抗拉强度和扭转特性示于下表3中。在下表3中，x表示在湿法拉拔期间发生断裂的情况。

使用万能扭转试验机(背负荷：断裂应力×0.2)来进行扭转测试，并将测试材料的长度设定为100D(D：钢丝的直径)。

[表3]

参照表1至3，在满足根据本公开内容的合金组成的实施例1至4的线材中，没有形成导致在拉拔过程期间断裂的珠光体，具有30μm至50μm的平均晶粒尺寸和取向差角度为15°或更大的大角度晶界的铁素体的面积分数为60％或更大，并因此获得了450MPa或更大的抗拉强度。

此外，在实施例1至4的情况下，即使在干法拉拔之后且在湿法拉拔之前不进行LP热处理时，各最终钢丝的抗拉强度也不小于1,500MPa，并且基于100D(D为各钢丝的直径)的长度，不发生分层的扭转数不小于60，因此钢丝可以应用于通过对钢丝进行扭转而制造的产品。

此外，在实施例1至4的情况下，在室温时效24小时之后的抗拉强度的增加不大于40MPa，以及在室温时效24小时之后的扭转数的减少为2次或更少，因此可以解决由于静态时效而发生的安全问题。

比较例1示出了由于低C含量而无法获得线材和最终钢丝的足够的抗拉强度的情况。相反，在比较例2的情况下，0.035％的C含量超过了本公开内容中提出的上限0.03％，因此形成了珠光体并且在湿法拉拔期间发生断裂。

在比较例3的情况下，0.04％的P含量低于本公开内容提出的下限0.05％，因此最终钢丝的抗拉强度可能无法达到1500MPa的目标值。

在比较例4的情况下，0.21％的P含量超过了本公开内容提出的上限0.15％，因此在晶界中发生P偏析并且铁素体硬度增加，从而导致在湿法拉拔期间断裂。

在比较例5的情况下，0.8％的Mn含量低于本公开内容提出的下限1.0％，因此最终钢丝的抗拉强度不能达到1500MPa的目标值。

在比较例6的情况下，2.1％的Mn含量超过了本公开内容提出的上限2.0％，因此发生Mn偏析，从而导致在湿法拉拔期间断裂。

在比较例7和比较例8中可以确定添加作为本公开内容的主要元素的Sn的效果。参照表2，由于Sn不影响强度，因此在线材和经干法拉拔的线材的强度之间不存在差别。然而，在比较例7中，0.01％的Sn含量远低于本公开内容提出的下限0.02％，因此在最终湿法拉拔之后的室温时效期间，抗拉强度从1590MPa显著增加至1710MPa，并且扭转数从61次显著减少至40次。因此，鉴于时效现象，不能获得可靠的机械特性。

在比较例9中，0.2％的Si含量超过了本公开内容提出的上限0.15％，因此由于铁素体硬度的增加而导致在湿法拉拔期间发生断裂。

在比较例10中，0.02％的Al含量超过了本公开内容提出的上限0.005％，因此形成了硬夹杂物并且在湿法拉拔期间发生断裂。

尽管已经参照示例性实施方案具体描述了本公开内容，但本领域技术人员应理解，在不脱离本公开内容的精神和范围的情况下，可以做出形式和细节上的各种改变和修改。

工业适用性

根据本公开内容的线材即使以低C含量也可以具有1,500MPa或更大的强度，并且可以省略作为在拉拔期间恢复延性的过程的LP热处理，因此可以减少制造成本并且可以使用线材作为钢纤维用材料。