一种经济型高碳含硼针布用钢线材及其制造方法

技术领域

本发明涉及钢线材及其制造方法，具体涉及一种高碳含硼针布用钢线材及其制造方法。

背景技术

针布是用于梳理纺织纤维的重要纺纱机件，对耐磨性要求极高，因此针布用钢成分和工艺设计应首要考虑耐磨性。随着纺织业的快速发展，下游针布制造企业对针布用线材的性能要求越来越高，普通针布用线材SWRH72B、SWRH82B已无法满足高端针布的耐磨性要求，国外进口的高端针布通过在高碳钢中添加W、V、Cr等微合金元素从而提高针布的耐磨性，但是生产成本很高。因此为了实现针布行业的高质量低成本发展，急需研发一种全新的性能更优的经济型针布用钢。

公开专利号CN 105838981 A公开的一种针布用钢，具体涉及到金属针布加工技术领域。该金属针布在成分设计上选用在高碳钢中加入Nb、Cr、V等合金元素，形成C、N化物达到细化晶粒，提高强度和耐磨性。但该发明制成的盘条因其中添加了Nb、Cr等合金元素，生产制造成本高。

公开专利号CN 110295316 A公开的一种纺织起毛弹性针布钢线材及其制备方法，具体涉及及纺织领域湿式起毛弹性针布用钢的盘条及其生产方法。该弹性针布在成分上通过优化高碳钢中Mn、Cr、Al的元素设计同时优化盘条制备的工艺参数，得到组织性能良好、表面质量和内部质量优异的适合深度拉拔的针布钢盘条，但采用该发明制成的盘条其晶粒度不能达到7级。

公开专利号CN 112899583 A公开的一种高弹性高镍合金针布钢线材及其制备方法，具体涉及不锈钢丝针布用线材及其生产方法。该弹性针布在成分上通过添加Ni和稀土元素以满足针布在潮湿弱碱性环境下使用，具有高弹性、强耐腐蚀性和高使用寿命的特点，但采用该发明制成的盘条因添加贵重合金和稀土元素，制造成本高，不适应现如今市场降本的趋势。

公开专利号CN 102352469 B公开的一种超高强度钒钛复合微合金化高碳钢盘条及其制备方法，具体涉及超高强度高碳钢线材的生产方法。该高碳钢盘条采用通过添加Si、Mn、Cr、V、Ti、Cu、Al等合金元素提升强度，但生产成本高，不适应现如今市场降本的趋势。

发明内容

本发明的目的是要提供一种经济型高碳含硼针布用钢线材，通过创新化学成分设计，在高碳钢中添加B、V微合金，提高钢的淬透性，弥补过共析钢(高碳钢)由于C含量较高而导致的淬透性降低，使得该针布钢线材制作的金属针布能达到含W、Cr、V微合金元素金属针布同等耐磨性，同时又降低下游用户的制造成本，提升产品市场竞争力。

本发明解决上述问题所采用的技术方案为：一种经济型高碳含硼针布用钢线材，元素成分质量百分比为C：0.80％-1.00％，Mn：0.60％-0.90％，Si：0.10％-0.40％，P≤0.02％，S≤0.015％，B：0.001％-0.05％，V：0.05％-0.50％，其余为Fe及不可避免的杂质。

本发明的金属针布钢线材化学元素作用机理如下：

C是钢中主要的强化元素，通过固溶强化和析出强化可明显提高钢的强度，随着C含量的增加，强度呈明显上升趋势，同时线材经冷拔加工后硬化明显，有助于成品钢丝强度实现，C含量提高经过斯泰尔摩冷却得到的线材组织索氏体比例高，但是过共析钢中随着C含量的提高，淬透性反而降低，因此C含量控制在0.80％-1.00％。

Si作为脱氧剂加入钢中，与钢水中的FeO反应生成硅酸盐而被除去，提高钢水的纯净度，另外硅酸盐夹杂物在线材中容易沿拉拔方向延伸变形，不会造成拉拔断线危害，Si元素的固溶强化提高钢的加工硬化率，能显著恶化钢的冷加工性能，同时促进元素P、S的晶界偏聚，因此Si的重量百分比为0.10％-0.40％。

Mn作为强脱氧剂加入到钢中，由于Mn可以与S形成低熔点的MnS，一定程度上消除了S的有害作用。Mn可以提高钢的强度、淬透性和耐磨性，但是随着Mn

含量的提高，容易出现明显的回火脆性现象，同时Mn有促进晶粒长大的作用，因此Mn的重量百分比为0.60％-0.90％。

B元素的主要作用是提高钢的淬透性，加入极少量的B就能提高钢的淬透性。B作为表面活性元素，吸附在奥氏体晶界上，延缓γ→α转变的作用，其在奥氏体晶界的偏聚阻碍铁素体的形核而有利于贝氏体的形成。B量低于0.0005％时对提高淬透性的作用甚小，高于0.003％则会使钢种产生的B相(Fe3(C，B)、Fe23(C，B)6)、Fe2B)沿奥氏体晶界析出，产生热脆现象。坯料通过高温扩散，使得奥氏体晶粒均匀长大，减少奥氏体晶界，使硼化物析出点减少。B和O、N都有很强的亲和力，与各种缺陷有强烈的相互作用，并能和S、C化合，易于和钢中的其它元素形成各种类型的夹杂物。因此B的重量百分比为0.001％-0.05％。

V元素是强碳化物生成元素，在钢丝中一般形成非常稳定特殊碳化物，碳化物在针布退火和淬火加热时，加宽了针布淬火加热温度范围，细化了奥氏体组织，淬火后可得到细小的马氏体组织。同时这些碳化物硬度极高，针布淬火后能弥散地分布在马氏体基体上，可得到韧性好和耐磨性高的显微组织，有效地提高针布的耐磨性能。但这些高硬度小颗粒碳化物却增加了半成品规格钢丝冷压延(轧制)时的变形抗力，所以加入量不能太多。同时V含量的加入能提高针布的耐热性和抗回火稳定性，因此V的重量百分比为0.05％-0.5％。

在本申请中，B、V含量之和为0.051％＜B+V＜0.55％，B和V的添加是为了提高盘条的抗拉强度和提升针布的耐磨性，下限值是考虑盘条抗拉强度的提升，通过添加微合金元素，实现超过普通82B针布钢的性能；上限值是考虑生产制造成本及钢丝热处理性能的稳定性。通过B+V的综合效果，使得加入很少一部分的微合金元素，就大大的提升了盘条的淬透性，提高了成品针布的耐磨性，与进口含W针布钢相比，降低了生产制造成本，提升了产品市场竞争力。

P元素在针布钢中属于有害元素，显著降低钢的塑性和韧性，使性能变坏。同时磷在结晶过程中容易产生晶内偏析，使局部区域含磷量偏高，导致冷脆转变温度升高，从而发生冷脆。本产品需要满足客户淬回火工艺要求，为防止材料塑性韧性下降和回火脆性现象发生，需要将P控制在≤0.02％。

S元素在针布钢中同样属于有害元素，降低钢的延展性和韧性。在固态下，硫在铁中的溶解度极小，而是以FeS的形态存在于钢中。由于FeS的塑性差，使含硫较多的钢脆性较大。更严重的是，FeS与Fe可形成低熔点(985℃)的共晶体，分布在奥氏体的晶界上。当钢加热到约1200℃进行热压力加工时，晶界上的共晶体已溶化，晶粒间结合被破坏，使钢材在加工过程中沿晶界开裂，即热脆。另外，硫元素偏聚形成的硫化物类非金属夹杂物会在轧制时形成纤维状组织，降低高强钢产品的机械性能。本产品需要经过高温加热和大压下量轧制，因此需要严格控制S含量≤0.015％。

上述经济型高碳含硼针布用钢线材的制造方法，步骤包括

(1)钢水冶炼：包括转炉初炼、脱氧精炼和软吹氩，按照元素设计备料，采用转炉冶炼，严格控制转炉出钢温度＞1600℃和终点C％＞0.08％，防止钢水过氧化；然后转精炼炉精炼，精炼采用低碱度合成渣以保证充分脱氧去除夹杂，同时按照目标成分精确控制，为保证B合金的收得率，在精炼结束前添加硼合金，精炼过程钢水完成脱氧后，根据合金收得率计算好加入B合金的量后添加进钢水，最后取样分析，对钢水成分微调，让元素成分全部进入内控要求后钢水转RH炉直接吹氩气搅拌，软吹氩让夹杂物上浮和钢水成分均匀化，保证夹杂物上浮和钢水成分均匀性；

(2)连铸：采用≤30℃的低过热度浇铸钢水，连铸拉速：0.8m/min-1.2m/min，连铸二冷区采用弱冷：冷却水用量0.15-0.25L/Kg，防止坯料出现角部裂纹，对连铸坯的轻压下采用位移模式，并配合凝固末端电磁搅拌，确保连铸坯无明显压下裂纹、中心缩孔及V型偏析，保证连铸坯组织和成分均匀性；

(3)连铸坯下线温度＞500℃，下线后进行缓冷，防止坯料开裂(这是含B钢坯非常关键的工艺)；

(4)线材轧制：坯料经表面处理,去除表面缺陷，再将坯料加热至1150℃以上，保温1小时以上出炉，高压水除鳞后进行轧制：开轧温度为950-1000℃，入精轧温度≥930℃，入模块温度≥900℃，轧制过程分39道次以上轧制，轧制速度设定100m/s-108m/s，最终轧制成线材；

(5)吐丝：吐丝温度850-900℃；

(6)斯太尔摩冷却线风冷，风冷过程实现索氏体的转变，在线调整风机开启度使得吐丝温度到600℃之间冷却速率大于25℃/s，由于B元素的加入，盘条的冷却速率大大提高，从而有效抑制了网状碳化物的析出，待盘条中间点冷却到600℃时开始保温，保温时间70-90s，保证索氏体充分相变，同时避免生成屈氏体和贝氏体等低温相变组织，温度降到500℃后出保温。

优选地，在连铸步骤，每个辊子的轻压下量根据设定的数值进行压下，并结合各流次间压力的差异适当调整，根据连铸坯厚度，依据连铸坯厚度动态调整各辊间压力，以此动态调节各辊子的压下量。

优选地，在斯太尔摩冷却线风冷步骤，调整斯泰尔摩冷却线上1-3号风机开启度，3号以后的风机全部关闭同时关闭保温罩，设置辊道速度：0.85-0.95m/s，环境温度10-20℃，1-3号风机开启度：1号：60-80％，2号：60-80％，3号：30-50％，以实现所要求的线材冷却方式。

与现有技术相比，本发明的优点在于：

规格为φ5.5mm-φ6.5mm的所述钢线材抗拉强度为1150-1300Mpa，面缩＞40％，表面脱碳层≤0.06mm，组织为片层间距0.08-0.15μm的索氏体(组织中索氏体比例为85％以上，其余为铁素体)，晶粒度达到7级以上，网状碳化物级别＜2级。

本申请盘条的组织索氏体比例含量高，适于下游深度拉拔，成品钢丝耐磨性好。高合金含量的盘条容易出现元素偏析，出现屈氏体、马氏体等异常组织，造成下游加工过程断线。通过B元素的添加，使盘条冷却能力大大提升，规避了前述现象，同时更强的冷却能力使盘条抗拉强度得以提升、脱碳层深度减小和网状物级别降低。V元素的添加形成细小弥散的碳化物颗粒，保证针布的耐磨性。

附图说明

图1为本发明针布钢线材典型的索氏体组织示意图；

图2为本发明针布钢线材典型的索氏体片间距示意图；

图3为本发明针布钢线材典型的网状碳化物示意图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明作进一步详细描述，所述实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

采用120t的转炉冶炼，出钢温度控制1620℃，终点C％≥0.10％，然后转精炼炉精炼，精炼采用低碱度合成渣以保证充分脱氧去除夹杂，同时按照目标成分精确控制，精炼结束后匹配RH真空炉直接吹氩搅拌，通过软吹氩进一步去除夹杂物和保证钢水均匀性；再将钢水转至连铸工位，控制连铸拉速0.8m/min，连铸二冷区冷却水用量：0.25L/Kg，轻压下总压下量16mm，末端电磁搅拌1.5HZ/300A，浇注成截面尺寸200mm*200mm的连铸坯。

连铸坯经表面处理，保证表面缺陷去除干净，再将连铸坯加热至1100℃以上，炉内残氧量控制在4％以下，保温1小时出炉，高压水除鳞后进行轧制：开轧温度为1080℃，入精轧温度930℃，入模块温度900℃，轧制过程分39道次轧制，轧制速度设定100m/s，吐丝温度控制在880℃；轧制结束后，盘条经斯太尔摩冷却线风冷+缓冷，为实现冷却辊道上均衡的冷却速率，需根据季节环境温度，调整冷却线上1-3号风机风量，初始辊道速度为0.85m/s，以0.03m/s递增，环境温度15℃，设定1-3号风机开启度：1号：70％，2号：70％，3号：40％；保证吐丝温度880℃到600℃之间冷却速率大于25℃/s，抑制网状渗碳体的析出，3号风机后盘条进入保温罩保温，保温时间75s，保证索氏体转变时间足够长，避免出现低温相变组织，盘条经上述风冷辊道后，形成均匀的铁素体+索氏体组织。盘条下线后试样经时效处理，检测盘条的力学性能和金相组织。实施案例化学成分如下：

实施案例热轧盘条检验结果：