DE60030083T2

DE60030083T2 - Hochkohlenstoffhaltiger draht mit hervorragenden zieheigenschaften und ermüdungswiderstand nach dem drahtziehen

Info

Publication number: DE60030083T2
Application number: DE60030083T
Authority: DE
Inventors: Nippon Steel Corp. Kimitsu Works Wataru Kimitsu City YAMADA; Nippon Steel Corp. Kimitsu Works Seiki Kimitsu City NISHIDA; Satoshi Nippon Steel Corp. Kimitsu W Kimitsu City SUGIMARU; Nippon Steel Corporation Naoshi Chiyoda-ku HIKITA; Nippon Steel Corp. KimitsuWorks Hiromi Kimitsu City TAKAHASHI
Original assignee: Nippon Steel Corp
Current assignee: Nippon Steel Corp
Priority date: 1999-06-16
Filing date: 2000-06-16
Publication date: 2007-03-15
Anticipated expiration: 2020-06-17
Also published as: DE60030083D1; EP1114879B1; KR100408490B1; CN1313913A; KR20010072377A; CA2340680A1; CA2340680C; WO2000077271A1; BR0006819A; EP1114879A1; CN1104508C; BR0006819B1; JP3294245B2; US6447622B1; EP1114879A4

Description

Die Erfindung betrifft einen kohlenstoffreichen Stahldraht zum Drahtziehen mit ausgezeichneter Drahtziehfähigkeit und Ermüdungsfestigkeit nach Drahtziehen, wobei der Stahldraht nach Drahtziehen z. B. für Brückenseile, verschiedene Drähte für Luftfahrzeuge, lange Förderbänder, Stahlkord für Reifen usw. verwendet wird.
Allgemein muß kohlenstoffreicher Stahldraht zum Drahtziehen gegenüber Ziehen mit hoher Geschwindigkeit beständig sein und ausgezeichnete Ermüdungsfestigkeit nach Drahtziehen haben. Harte oxidartige nichtmetallische Einschlüsse sind einer der Faktoren, die diese Eigenschaften negativ beeinflussen.
Unter oxidartigen Einschlüssen sind Einschlüsse mit einer einzelnen Zusammensetzung, z. B. Al₂O₃, SiO₂, CaO, TiO₂ und MgO usw., allgemein hart und nichtviskos. Daher ist weithin bekannt, daß es notwendig ist, die Stahlschmelzenreinheit zu erhöhen und oxidartige Einschlüsse zu erweichen, um einen kohlenstoffreichen Stahldraht mit ausgezeichneter Drahtziehfähigkeit herzustellen.
Als Verfahren zum Erhöhen der Stahlreinheit und Erweichen nichtviskoser Einschlüsse offenbart die japanische geprüfte Patentveröffentlichung JP-B-S57-22969 ein Verfahren zur Herstellung eines kohlenstoffreichen Stahls mit ausgezeichneter Drahtziehfähigkeit, und die japanische ungeprüfte Patentveröffentlichung JP-A-S55-24961 offenbart ein Verfahren zur Herstellung eines ultrafeinen Drahts. Das Grundkonzept dieser Technologien beschränkt sich aber auf die Zusammensetzungssteuerung oxidartiger nichtmetallischer Einschlüsse im ternären Gesamtsystem aus Al₂O₃-SiO₂-MnO.
Weiterhin schlägt die japanische ungeprüfte Patentveröffentlichung JP-A-S50-71507 die Verbesserung der Drahtziehfähigkeit eines Produkts dadurch vor, daß man die Zusammensetzung nichtmetallischer Einschlüsse in den Bereich von Spessartit im Phasendiagramm des ternären Gesamtsystems aus Al₂O₃, SiO₂ und MnO fallen läßt, und die japanische ungeprüfte Patentveröffentlichung JP-A-S50-81907 offenbart ein Verfahren zur Verbesserung der Drahtziehfähigkeit durch Verringern schädlicher Einschlüsse mit Hilfe der Steuerung der Al-Zugabemenge zur Stahlschmelze.
Zudem schlägt die japanische geprüfte Patentveröffentlichung JP-B-S57-35243 im Zusammenhang mit der Herstellung von Stahlkord für Reifen mit einem Index nichtviskoser Einschlüsse von höchstens 20 vor, Einschlüsse durch Einspritzen von Legierungen zu erweichen, die Ca, Mg und/oder SEM enthalten, nach Vordesoxidation durch Einspritzen eines CaO mit einem Trägergas (Inertgas) enthaltenden Flußmittels in die Stahlschmelze in einer Pfanne mit vollständiger Steuerung von Al.
In den o. g. vorgeschlagenen Verfahren ist beim Umwandeln nichtmetallischer Einschlüsse im ternären System die stabile Zusammensetzungssteuerung nicht leicht, während beim Steuern nichtmetallischer Mehrkomponenteneinschlüsse die Verringerung der Größe und Anzahl von Einschlüssen sowie die Gewährleistung von Duktilität schwer zu erreichen sind, weshalb sich keine Verbesserung der Drahtziehfähigkeit und Ermüdungsfestigkeit nach Drahtziehen erwarten läßt. In der japanischen geprüften Patentveröffentlichung JP-B-H4-8499 wurde ein kohlenstoffreicher Stahldraht mit bemerkenswert hervorragender Drahtziehfähigkeit und Ermüdungsfestigkeit nach Drahtziehen durch die folgenden Schritte realisiert: Festlegen des Gesamtsauerstoffgehalts in einem vorgeschriebenen Bereich und Steuern der Menge und Zusammensetzung nichtviskoser Einschlüsse; Erhalten einer günstigen Verteilung der Menge und Größe nichtviskoser Einschlüsse durch Gewährleisten der Verringerung der Größe und Anzahl nichtviskoser Einschlüsse und ihrer Duktilität; und Erweichen von Einschlüssen durch Umwandeln der Zusammensetzung von Einschlüssen in oxidartige Ein schlüsse eines Mehrkomponentensystems, das SiO₂ und MnO enthält und selektiv Al₂O₃, MgO, CaO und TiO₂ enthält.
In der Erfindung gemäß der Offenbarung der japanischen geprüften Patentveröffentlichung JP-B-H4-8499 wird ein sekundäres Desoxidationsmittel, das Al sowie zwei oder mehr Elemente aus Mg, Ca, Ba, Ti, V, Zr und Na enthält, der Stahlschmelze zwecks Umwandeln von Einschlüssen in oxidartige Einschlüsse eines Mehrkomponentensystems zugegeben, das SiO₂ und MnO sowie selektiv Al₂O₃, MgO, CaO und TiO₂ enthält. Allerdings sind diese Legierungen zur Desoxidation teuer, weshalb zur Senkung von Produktionskosten erwünscht ist, den Einsatz dieser kostspieligen Legierungen zu reduzieren.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen kohlenstoffreichen Stahldraht mit ausgezeichneter Drahtziehfähigkeit und Ermüdungsfestigkeit nach Drahtziehen zu geringen Kosten bereitzustellen, indem der Gebrauch der o. g. teuren Legierungen verringert wird.
Diese Aufgabe kann durch die in den Ansprüchen festgelegten Merkmale gelöst werden.
Hierbei bezeichnen nichtviskose Einschlüsse solche Einschlüsse, deren Länge oder Dicke mindestens 5 μm beträgt und deren jeweilige Länge (1) und Dicke (d) die Formel 1/d ≤ 5 unter optischer Mikroskopbeobachtung eines Längsschnitts erfüllt, der die Mittellinie eines Drahts aufweist.
Allgemein ist bekannt, daß Einschlüsse, die Oxide mit einfacher Zusammensetzung oder spezifische Oxide in hoher Menge enthalten, hart sind und ihre Plastizität schlecht ist. Das wesentlichste Merkmal der Erfindung besteht in der Feststellung, daß die Einschlüsse mit einem hohen SiO₂-Gehalt weicher als die mit einem hohen Al₂O₃- und MgO-Gehalt sind und daß auch bei mehr als 20% Einschlüssen mit hohem SiO₂-Gehalt die Drahtziehfähigkeit und Ermüdungsfestigkeit nach Drahtziehen eines Stahldrahts nicht negativ beeinflußt werden, solange die Dicke (d) der Einschlüsse so gesteuert ist, daß sie 40 μm nicht übersteigt.
Zur Festlegung des Gesamtsauerstoffgehalts im Bereich von 15 bis 50 ppm
Ist der Gesamtsauerstoffgehalt von Stahl hoch, werden Gasblasen beim Erstarren der Stahlschmelze erzeugt, was Oberflächenfehler verursacht, und die Menge nichtviskoser Einschlüsse steigt in einem Stahldraht mit einem 50 ppm übersteigenden Gesamtsauerstoffgehalt. Daher ist die Obergrenze des Gesamtsauerstoffgehalts auf 50 ppm festgelegt. Obwohl es andererseits leicht ist, den Gesamtsauerstoffgehalt auf höchstens 15 ppm zu reduzieren, wenn ein starkes Desoxidationsmittel wie Al und Mg reichlich verwendet wird, ist ein Gesamtsauerstoffgehalt von mindestens 15 ppm für die Zusammensetzungssteuerung nichtviskoser Einschlüsse in einem Stahldraht der Erfindung erforderlich. Ein stärker bevorzugter Bereich des Gesamtsauerstoffgehalts beträgt 17 bis 40 ppm. Liegt ferner der Gesamtsauerstoffgehalt unter 15 ppm oder über 50 ppm, verschlechtert sich die Standzeit der Drahtziehwerkzeuge drastisch, weshalb der Gesamtsauerstoffgehalt auf 15 bis 50 ppm festgelegt ist.
Zur Festlegung der Anzahl nichtviskoser Einschlüsse
Die Menge nichtviskoser Einschlüsse unter oxidartigen nichtmetallischen Einschlüssen in einem Stahldraht beeinflußt seine Drahtziehfähigkeit und Ermüdungsfestigkeit nach Drahtziehen. Auch unter diesem Aspekt ist es für die Erfindung notwendig, die Menge nichtviskoser Einschlüsse möglichst stark zu reduzieren. Durch Eindämmen der Anzahl nichtviskoser Einschlüsse auf höchstens 1,5 Stück/mm² läßt sich ausgezeichnete Drahtziehfähigkeit und Ermüdungsfestigkeit nach Drahtziehen durch kombinierte Effekte mit den anderen hierin festgelegten Forderungen erhalten. Übersteigt die Anzahl nichtviskoser Einschlüsse 1,5 Stück/mm², steigt die Drahtbruchrate erheblich, und die Werkzeugstandzeit wird kürzer. Stärker bevorzugt ist, die Anzahl der nichtmetallischen Einschlüsse auf höchstens 1,0 Stück/mm² einzudämmen.
Zur Zusammensetzung nichtviskoser Einschlüsse
In herkömmlichen Technologien werden nichtviskose Einschlüsse durch Mischen der Zusammensetzung der Einschlüsse erweicht. In diesen Technologien ist der SiO₂-Gehalt von Einschlüssen mit höchstens 70% festgelegt, da man davon ausgeht, daß sich harte SiO₂-Einschlüsse bilden, wenn die SiO₂-Konzentration diesen Prozentsatz übersteigt.
Im Rahmen der Erfindung wurde als Ergebnis intensiver Untersuchungen festgestellt, daß auch wenn nichtviskose Einschlüsse einen hohen SiO₂-Gehalt haben, sie keine Beeinträchtigung eines anschließenden Drahtziehverfahrens verursachen, solange sie klein sind. Richtig ist, daß SiO₂-artige Einschlüsse hart sind, aber sie sind weicher als MgO- oder Al₂O₃-artige Einschlüsse. Daher sind die Drahtziehfähigkeit und Ermüdungsfestigkeit nach Drahtziehen ausreichend gut, solange die Größe der Einschlüsse auf d ≤ 40 μm begrenzt ist. Stärker bevorzugt ist, die Größe nichtviskoser Einschlüsse mit einem hohen SiO₂-Gehalt auf d ≤ 20 μm einzudämmen.
In der Erfindung bezeichnet Zusammensetzung B den Zusammensetzungsbereich von Einschlüssen, die ausreichend weich und unschädlich gemacht sind, indem sie beim Drahtziehen aufgebrochen und in winzigen Stücken dispergiert werden, während Zusammensetzung A den Zusammensetzungsbereich von Einschlüssen mit einem höheren SiO₂-Gehalt als den der Zusammensetzung B entsprechender Einschlüsse bezeichnet. Festgelegt wurde, daß die Anzahl nichtviskoser Einschlüsse, die Zusammensetzung A entsprechen, mindestens 20% ausmacht und die Gesamtanzahl derer, die den Zusammensetzungen A und B entsprechen, mindestens 80% ausmacht.
Der Grund, weshalb die Gesamtanzahl von Einschlüssen, die den Zusammensetzungen A und B entsprechen, mindestens 80% ausmachen muß, besteht darin, daß Einschlüsse mit einer Zusammensetzung, die nicht einer der Zusammensetzungen A und B entspricht, z. B. MgO- und Al₂O₃-artige Einschlüsse, hart sind und daß diese harten Einschlüsse die Drahtziehfähigkeit und Ermüdungsfestigkeit nach Drahtziehen beeinträchtigen, wenn ihr Anteil 20% übersteigt.
Daß die Anzahl von Einschlüssen, die Zusammensetzung A entsprechen, mindestens 20% ausmachen muß, ist ferner darin begründet, daß Zusammensetzung A entsprechende Einschlüsse zunehmen, wenn die Zugabemenge von Ferrolegierungen von Ca, Al, Mg und Ti in der Stahlschmelze sinkt, und daß bei Senkung der Zugabemenge dieser Ferrolegierungen in dem Maß, daß der Anteil von Zusammensetzung A entsprechenden Einschlüssen auf mindestens 20% steigt, der Kostenreduzierungseffekt, der eine Aufgabe der Erfindung ist, erreicht werden kann.
In der Erfindung ist der Bereich der Zusammensetzung B wie folgt festgelegt:

(1) sie enthält 25 bis 70% SiO₂, 8 bis 30% MnO, höchstens 40% MgO, höchstens 35% Al₂O₃, höchstens 25% CaO und höchstens 6% TiO₂, sowie mindestens 5% Al₂O₃ und/oder MgO und zusätzlich mindestens 2% CaO und/oder TiO₂,
(2) sie enthält höchstens 5% andere Oxide (die Oxide von V, Ba, Zr und/oder Na sowie Spurenmengen anderer Oxide, die unvermeidbar dazu gehören, im folgenden "andere Oxide" genannt).

Nachstehend wird der Grund erläutert, weshalb der Bereich der Zusammensetzung B beschränkt ist.
Um die Anzahl nichtviskoser Einschlüsse zu verringern und sie zu erweichen, was eine Aufgabe der Erfindung ist, ist die Kombination aus Oxidzusammensetzungen in einem Mehrkomponentensystem gemäß der vorstehenden Festlegung erforderlich. Bei einer Kombination handelt es sich um Oxide eines quaternären oder höheren Gesamtsystems, das erstens SiO₂ und MnO und dann zwangsläufig Al₂O₃ und/oder MgO sowie zusätzlich CaO und/oder TiO₂ enthält. Bei einer weiteren Kombination handelt es sich um Oxide eines quaternären oder höheren Gesamtsystems, das höchstens 5% der anderen Oxide zusätzlich zu den o. g. Oxiden enthält. Hierbei trägt die Zugabe von höchstens 5% der anderen Oxide zur noch weiteren Erweichung der nichtviskosen Einschlüsse bei. Der erfindungsgemäße Stahl ist ein Stahldraht mit ausgezeichneter Drahtziehfähigkeit und Ermüdungsfestigkeit nach Drahtziehen, wenn nichtviskose Einschlüsse, die der Zusammensetzung B entsprechen, eine der erfindungsgemäßen Kombinationen haben.
Liegt der SiO₂-Gehalt unter 25%, läßt sich keine gute Kombination mit den anderen Oxiden als Einschlüsse von Mehrkomponentensystemoxiden erhalten. Der Bereich des SiO₂-Gehalts über 70% fällt mit dem Bereich der Zusammensetzung A zusammen, der herkömmlich als jener vermieden wurde, in dem harte Einschlüsse gebildet werden.
Da MnO durch die Oxidation mit Al und Mg verdrängt oder gemischt wird, werden keine 30% MnO oder mehr gebildet. Liegt dagegen sein Gehalt unter 8%, werden die nichtviskosen Einschlüsse hart. Aus diesem Grund ist der Bereich von MnO mit 8 bis 30% festgelegt.
Bei einem MgO-Gehalt über 40% bilden sich harte MgO-Einschlüsse, weshalb sein Gehalt auf höchstens 40% begrenzt ist. Ein bevorzugter Bereich beträgt 5 bis 25%.
Bei einem Al₂O₃-Gehalt über 35% wird eine ausgeglichene Kombination von Mehrkomponentensystemoxiden gestört, wodurch die anderen Oxidelemente in Einschlüssen relativ zurückgehen, was zur Bildung harter Einschlüsse führt. Zur Vermeidung dieses Problems beträgt die Obergrenze von Al₂O₃ 35%, stärker bevorzugt 25%.
Bezüglich der Kombination von Al₂O₃ und MgO werden bei der Herstellung eines erfindungsgemäßen Stahldrahts, bei der in der Stahlschmelze suspendierte SiO₂-artige Oxide mit Ca, Mg und Al usw. während eines sekundären Desoxidationsverfahrens kombiniert werden, um Mischeinschlüsse zu bilden, nichtviskose Einschlüsse erweicht und unschädlich gemacht, wenn der Gesamtgehalt von Al₂O₃ und/oder MgO in nichtviskosen Einschlüssen, die in einem Stahldraht gebildet sind, mindestens 5% beträgt. Aus diesem Grund ist die Untergrenze von Al₂O₃ und/oder MgO mit 5% festgelegt.
Ist im Hinblick auf CaO der CaO-Gehalt hoch, werden allgemein gesagt sphärische nichtviskose Einschlüsse gebildet. Beträgt aber der CaO-Gehalt höchstens 25% und sind die Einschlüsse die eines Mehrkomponentensystems wie in der Erfindung, trägt CaO auch zur Senkung der Härte oxidartiger Einschlüsse und Reduzierung der Anzahl nichtviskoser Einschlüsse bei. Daher ist die Obergrenze des CaO-Gehalts mit 25% festgelegt. Ein stärker bevorzugter Bereich des CaO-Gehalts beträgt 1 bis 20%.
Ti ist ein Element, das allgemein zur Steuerung der Austenit-Kristallkorngröße zum Einsatz kommt. Allerdings ist es auch zum Erweichen nichtmetallischer Einschlüsse von Mehrkom ponentensystemoxiden wie in der Erfindung wirksam. Besonders wirksam ist es zum Erweichen, wenn der TiO₂-Gehalt höchstens 6% in den nichtviskosen Einschlüssen des Mehrkomponentensystems beträgt. Somit ist der Bereich des TiO₂-Gehalts mit höchstens 6% festgelegt. Ein stärker bevorzugter Bereich beträgt höchstens 4%.
Beträgt für die Kombination aus CaO und TiO₂ der Gehalt eines oder beider Bestandteile von ihnen mindestens 2%, werden die nichtviskosen Einschlüsse noch weiter erweicht.
Schließlich wird im folgenden der auf höchstens 5% begrenzte Gehalt der anderen Oxide beschrieben.
Die zuvor beschriebene Zusammensetzung ist wesentlich zum Erhalten der erfindungsgemäßen nichtviskosen Einschlüsse des Mehrkomponentensystems. Ferner werden V, Ba, Zr und Na usw. zusätzlich zu sekundären Desoxidationselementen zugegeben. Diese Oxide und andere Oxide, z. B. Oxide von Cr und K usw., die zwangsläufig in sehr geringen Mengen zum Stahl gehören, werden gemeinsam als die anderen Oxide bezeichnet. Beträgt der Gehalt der anderen Oxide höchstens 5%, tragen sie zur Erweichung nichtviskoser Einschlüsse bei. Aus diesem Grund ist die Obergrenze des kombinierten Gehalts eines oder mehrerer der anderen Oxide mit 5% festgelegt.
Im folgenden werden Kombinationen der zuvor beschriebenen Oxide erläutert.
Zunächst wird begründet, weshalb SiO₂ und MnO in jedem Fall unabdingbar sind.
Erhalten lassen sich die nichtviskosen Einschlüsse mit erfindungsgemäßen Mehrkomponentensystemoxiden gemäß der Beschreibung in Beispielen durch Bilden eines Desoxidationsprodukts aus SiO₂ + MnO bei primärer Desoxidation und anschließendes Bilden eines gemischten SiO₂-Desoxidationsprodukts bei sekundärer Desoxidation. Somit müssen natürlich SiO₂ und MnO, die die Grundlage der Desoxidationsprodukte bilden, in nichtviskosen Einschlüssen vorhanden sein.
Nachstehend wird die Kombination aus Al₂O₃ und MgO beschrieben.
Als eine der Desoxidationstechnologien zur Bildung nichtmetallischer Einschlüsse erfindungsgemäßer Mehrkomponen tensystemoxide ist eine wichtige Technologie die Nutzung starker Desoxidationseffekte von Al und Mg und der Koagulations- und Schwimmeffekte dieser Einschlüsse in der Stahlschmelze. Im Hinblick auf die Einschlüsse, die in der Stahlschmelze nach dem Frischen der Stahlschmelze verbleiben, gibt es eine Beziehung zwischen Al₂O₃ und MgO in der gefrischten Stahlschmelze derart, daß im erfindungsgemäßen Zusammensetzungsbereich nichtviskoser Einschlüsse in der Tendenz der MgO-Gehalt gering ist, wenn der Al₂O₃-Gehalt hoch ist, und umgekehrt in der Tendenz der Al₂O₃-Gehalt niedrig ist, wenn der MgO-Gehalt hoch ist. Aus diesem Grund schreibt die Erfindung vor, daß Al₂O₃ und/oder MgO enthalten sein müssen.
Als nächstes wird ein Grund erläutert, weshalb vorgeschrieben ist, daß CaO und/oder TiO₂ enthalten sein müssen.
Die nichtmetallischen Einschlüsse von Mehrkomponentensystemoxiden wie den erfindungsgemäßen zeigen stark variierende Zusammensetzungsänderungen in Abhängigkeit von Desoxidationsbedingungen. Vor diesem Hintergrund müssen CaO und/oder TiO₂ in nichtviskosen Einschlüssen vorhanden sein, besonders um die Anzahl nichtviskoser Einschlüsse von Mehrkomponentensystemeinschlüssen zu verringern und sie zu erweichen.
Ein wichtiger Punkt der Erfindung ist die Steuerung der Größe nichtviskoser Einschlüsse, die Zusammensetzung A entsprechen, so daß d ≤ 40 μm gilt. Grund dafür ist, daß die der Zusammensetzung A entsprechenden Einschlüsse nicht den Einschlußerweichungseffekt behindern, wenn die Formel d ≤ 40 μm erfüllt ist, wenngleich sie etwas härter als die Einschlüsse sind, deren Zusammensetzung in die Zusammensetzung B fällt.
Große Einschlüsse, deren d 40 μm übersteigt, sind hauptsächlich Pfannendesoxidationsprodukte, die in einer Stahlschmelze in einer Pfanne nach Desoxidation gebildet sind. Bei Mischdesoxidation unter Einbeziehung von Ca, Al, Mg und Ti, so daß die meisten nichtviskosen Einschlüsse Zusammensetzungen haben, die der Zusammensetzung B wie in der Erfindung entsprechen, sind die Desoxidationsprodukte in einer Pfanne erweicht, und die meisten der großen Einschlüsse mit einem d-Wert über 40 μm sind gedehnt, so daß 1/d > 5 gilt. Da in die sem Fall die meisten der SiO₂-reichen Einschlüsse, die der Zusammensetzung A entsprechen, jene sind, die bei der Stahlerstarrung gebildet werden, können sie nicht groß anwachsen, und die Formel d ≤ 40 μm gilt weiter. Somit kann der d-Wert der nichtviskosen Einschlüsse, deren Zusammensetzung den Zusammensetzungen A und B entspricht, so gesteuert werden, daß er 40 μm nicht übersteigt.
Wie zuvor erläutert, ist es in der Erfindung notwendig, die Anzahl nichtviskoser Einschlüsse auf höchstens 1,5 Stück/mm² zu begrenzen. Durch die Erfindung, in der eine Mischdesoxidation so durchgeführt wird, daß die Gesamtanzahl nichtviskoser Einschlüsse, die der Zusammensetzung A entsprechen, und der, die der Zusammensetzung B entsprechen, mindestens 80% ausmacht, ist es folglich möglich, die Anzahl nichtviskoser Einschlüsse auf höchstens 1,5 Stück/mm² stabil zu halten. Vorzugsweise stabilisieren sich durch Steuern der Anzahl nichtviskoser Einschlüsse auf höchstens 1,0 Stück/mm² die Drahtziehfähigkeit und Ermüdungsfestigkeit nach Drahtziehen eines Stahldrahts.
Die Erfindung kann ausgezeichnete Drahtziehfähigkeit und Ermüdungsfestigkeit nach Drahtziehen durch Steuern der Zusammensetzung, Größe und Anzahl von Einschlüssen wie zuvor beschrieben gewährleisten. Außerdem läßt sich die Standzeit von Drahtziehwerkzeugen durch die Erfindung verlängern, indem die Anzahl nichtviskoser Einschlüsse, die der Zusammensetzung A entsprechen, auf höchstens 1,0 Stück/mm² im Mittel und stärker bevorzugt auf höchstens 0,5 Stück/mm² reduziert wird.
Wie zuvor beschrieben, erreicht die Erfindung ausgezeichnete Ergebnisse in den Anwendungen, in denen Drahtziehfähigkeit und Ermüdungsfestigkeit nach Drahtziehen in dem Maß wie in herkömmlichen Fällen erforderlich sind. In letzter Zeit kommt aber Kord mit großem Durchmesser in einigen Reifenkordanwendungen zum Einsatz, bei denen die erforderliche Drahtziehfähigkeit etwas weniger streng als zuvor ist. Auch im Hinblick auf die Standzeit von Drahtziehwerkzeugen ermöglichten Verbesserungen bei der Schmierung und andere Faktoren, Ziehoperationen weiterhin durchzuführen, die nicht von einer Beeinträchtigung der Einschlußgrade in Stahlmaterialien beeinflußt sind. Der erfindungsgemäße superreine Stahl hat besonders in diesen Anwendungen eine ausgezeichnete Wirkung.
Im folgenden wird die Festlegung der chemischen Stahlzusammensetzung gemäß der Erfindung erläutert. Beruhigte Stähle für Klavierseitendrähte und Hartstahldrähte nach der Japanischen Industrienorm (JIS) G35O2 und G35O6 finden breite Verwendung als Stähle für kohlenstoffreiche Stahldrähte. Auf der Grundlage dieser JIS-Stahlgüten und unter Berücksichtigung der leichten Herstellung und tatsächlicher Anwendungen legt die Erfindung die chemische Stahlzusammensetzung gewichtsbezogen wie folgt fest: Der Stahl enthält 0,4 bis 1,2% C, 0,1 bis 1,5% Si und 0,1 bis 1,5% Mn, und er enthält nach Bedarf 0,05 bis 1,0% Cr, 0,05 bis 1,0% Ni, 0,05 bis 1,0% Cu, 0,001 bis 0,01% B, 0,001 bis 0,2% Ti, 0,001 bis 0,2% V, 0,001 bis 0,2% Nb, 0,05 bis 1,0% Mo und/oder 0,1 bis 2% Co.
C ist ein wirtschaftliches und wirksames Element zur Festigung von Stahl, und mindestens 0,4% davon sind erforderlich, um die für einen Hartstahldraht nötige Festigkeit zu erhalten. Übersteigt sein Gehalt aber 1,2%, sinkt die Duktilität des Stahls, was zu Versprödung und Schwierigkeiten beim Sekundärumformen führt. Aus diesem Grund ist der Gehalt mit höchstens 1,2% festgelegt.
Andererseits sind Si und Mn zur Desoxidation und Steuerung der Zusammensetzung von Einschlüssen notwendig. Jedes von ihnen ist unwirksam, wenn es unter 0,1% zugegeben wird. Beide Elemente sind auch zur Stahlverfestigung wirksam, wobei aber Stahl versprödet, wenn eines von ihnen 1,5% übersteigt.
Cr muß so gesteuert werden, daß es in einem Bereich von 0,05 bis 1,0% liegt, da seine notwendige Mindestmenge zur Gewährleistung seiner Wirkung zum Verfeinern von Perlitlamellen und Verbessern der Stahlfestigkeit 0,05% beträgt, weshalb die Zugabe von Cr mit der Mindestmenge von 0,05% erwünscht ist. Bei Zugabe über 1,0% sinkt aber die Duktilität. Daher ist die Obergrenze mit 1,0% festgelegt.
Ni verfestigt Stahl durch einen Effekt, der dem von Cr ähnelt, weshalb die Zugabemenge von mindestens 0,05%, bei der sich der Effekt zeigt, erwünscht ist, aber sein Gehalt darf höchstens 1,0% betragen, um keine Beeinträchtigung der Duktilität zu verursachen.
Da Cu die Zundereigenschaften und Korrosionsermüdungseigenschaften eines Drahts verbessert, ist die Zugabemenge von mindestens 0,05%, bei der sich der Effekt zeigt, erwünscht, aber sein Gehalt darf höchstens 1,0% betragen, um die Duktilität nicht zu beeinträchtigen.
B ist ein Element zur Erhöhung der Härtbarkeit von Stahl. Im Fall der Erfindung ist es möglich, die Stahlfestigkeit durch Zugabe von B zu erhöhen, aber seine übermäßige Zugabe beeinträchtigt die Stahlzähigkeit durch verstärkte Borausscheidung, weshalb seine Obergrenze mit 0,01% festgelegt ist. Eine zu kleine Zugabemenge von B zeigt keine Wirkung, weshalb seine Untergrenze mit 0,001% festgelegt ist.
Ti, Nb und V erhöhen die Festigkeit eines Stahldrahts durch Ausscheidungshärtung. Keines von ihnen ist bei Zugabe unter 0,001% wirksam, aber bei Zugabe über 0,2% verursachen sie Ausscheidungsversprödung. Daher dürfen ihre jeweiligen Gehalte höchstens 0,2% betragen. Die Zugabe dieser Elemente verfeinert auch wirksam γ-Körner beim Patentieren.
Mo ist ein weiteres Element zur Erhöhung der Stahlhärtbarkeit. Im Fall der Erfindung ist es möglich, die Stahlfestigkeit durch Mo-Zugabe zu erhöhen, aber seine übermäßige Zugabe erhöht die Stahlhärte übermäßig, was zu schlechter Umformbarkeit führt, weshalb der Bereich seiner Zugabe mit 0,05 bis 1,0% festgelegt ist. Co erhöht die Stahlduktilität durch Unterdrücken der Bildung von voreutektischem Zementit von supereutektischem Stahl.
Außerdem ist in kohlenstoffreichen Stählen bevorzugt, den Gehalt von P und S jeweils auf höchstens 0,02% zu steuern, da jedes von ihnen nicht nur die Drahtziehfähigkeit, sondern auch die Duktilität nach Drahtziehen beeinträchtigt.
Zu beachten ist, daß die Erfindung nicht nur auf einen Stahldraht, sondern auf jedes warmgewalzte Stahlprodukt angewendet werden kann.
BEISPIELE
Das Frischen der Stahlschmelze für die Beispiele erfolgte mit einem LD-Konverter, und der Schlackenaustritt aus dem Konverter in eine Pfanne beim Abstich wurde mit Hilfe einer Schlackenkugel minimiert (höchstens 50 mm Dicke).
Ein Aufkohlungsmittel und desoxidierende Ferrolegierungen wie Fe-Mn, Fe-Si und Si-Mn wurden beim Abstich zugegeben, um die Gehalte von C, Mn und Si einzustellen, wonach Argon in die Stahlschmelze vom Boden der Pfanne aus eingespritzt wurde.
Die Stahlschmelze in der Pfanne nach dem Abstich war ein beruhigter Stahl, der mit Si und Mn usw. desoxidiert war. Danach wurde die Pfanne zu einer Frischposition überführt, woraufhin nach einem Einstellverfahren für die Schlackenzusammensetzung ein sekundäres Desoxidationsmittel in Form von Ferrolegierungen, das Al und zwei oder mehr Komponenten aus Mg, Ca, Ba, Ti, V, Zr, Na und SEM enthielt, der Stahlschmelze zugegeben wurde. Die Legierung wurde in die Stahlschmelze über eine blanke Stahloberfläche zugeführt, die durch Argoneinblasen vom Boden aus von Schlacke gereinigt war.
Bei der Ferrolegierungszugabe wurde die gesamte Al-Eintragsmenge einschließlich Al aus den Ferrolegierungen zur Desoxidation und für andere Zwecke so gesteuert, daß sie 5,0 bis 9,5 g/t Stahlschmelze betrug. In herkömmlichem Stahl zum Vergleich wurden Mg- bzw. Ca-Ferrolegierungen zugegeben.
Nach der Ferrolegierungszugabe erfuhr die Stahlschmelze ferner eine Feineinstellung der Zusammensetzung vor dem Abschluß des Pfannenfrischens. Anschließend wurde die Stahlschmelze aus der Pfanne über eine Zwischenpfanne stranggegossen, in einem Nachwärmofen erwärmt, zu Knüppeln gewalzt, oberflächenkonditioniert und dann zu Drähten mit 5,5 mm Durchmesser über einen weiteren Nachwärmofen und eine Drahtwalzstraße gewalzt.
In den Beispielen wurden die Anzahl und Zusammensetzung nichtviskoser Einschlüsse wie folgt untersucht: Eine Probe mit 0,5 m Länge wurde aus einer Rolle Stahldraht mit 5,5 mm Durchmesser ausgeschnitten; kleine Prüflinge mit jeweils 11 mm Länge wurden an 10 zufällig über die Länge jeder der Proben ausgewählten Stellen ausgeschnitten; und die gesamte Oberfläche eines Längsschnitts jedes der kleinen Prüflinge mit seiner Längsmittellinie wurde kontrolliert. Die in den Beispielen verwendete Anzahl der nichtviskosen Einschlüsse ist der Mittelwert aller Proben.
Danach wurden die Drähte mit 5,5 mm Durchmesser zu Feindrähten mit höchstens 0,175 mm Durchmesser gezogen, um ihre Drahtzieheigenschaften und die Werkzeugstandzeit zu untersuchen. Bewertet wurden die Drahtzieheigenschaften durch Umwandeln der Drahtbruchhäufigkeit je vorgeschriebener Drahtziehtonnage in einen Drahtbruchindex. Ein Drahtbruchindex von höchstens 5 bedeutet "gut". Die Werkzeugstandzeit wurde mit einem Index bewertet, wobei eine minimal zulässige Werkzeugstandzeit mit herkömmlichen Materialien 100 ist und der Indexwert steigt, wenn die Standzeit länger wird. Ein Index von mindestens 100 für die Werkzeugstandzeit bedeutet "gut".
In den Tabellen 1 und 2 sind die Untersuchungsergebnisse der erfindungsgemäßen Materialien aufgeführt, und die Tabellen 3 und 4 zeigen die von Vergleichsmaterialien. Die Tabellen 2 und 4 zeigen die Bewertungsergebnisse der nichtmetallischen Einschlüsse der in Tabelle 1 bzw. 3 bewerteten Materialien, klassifiziert nach mittlerer Zusammensetzung, Zusammensetzung A und Zusammensetzung B.
Alle erfindungsgemäßen Materialien, die Nummern 1 bis 18 in den Tabellen 1 und 2, zeigten gute Ergebnisse.
Im folgenden werden die Untersuchungsergebnisse der Vergleichsmaterialien gemäß den Tabellen 3 und 4 beschrieben. Bei Nr. 19 handelt es sich um einen Fall, in dem der Sauerstoffgehalt niedriger als der erfindungsgemäße Bereich ist. Infolge von starker Desoxidation bilden sich harte Einschlüsse mit hohen Konzentrationen von Al₂O₃ und MgO, weshalb der Drahtbruchindex hoch ist. Nr. 20 ist ein Fall, in dem der Sauerstoffgehalt höher als der erfindungsgemäße Bereich ist. Hier ist die Anzahl von Einschlüssen groß, und die Werkzeugstandzeit ist schlecht. Bei Nr. 21 und 22 sind die Gehalte von Si bzw. Mn niedriger als die erfindungsgemäßen Bereiche. In beiden Fällen übersteigt die Rate der Einschlüsse mit hoher Al₂O₃-Konzentration (die nicht der Zusammensetzung A oder B entsprechen) 20%, und der Drahtbruchindex ist hoch. Bei Nr. 23 ist der Gehalt von Si höher als der erfindungsgemäße Bereich, und als Ergebnis der Bildung von Einschlüssen, die nur aus SiO₂ bestehen, während der Desoxidation und ihrer großen Größen ist der Drahtbruchindex hoch. Bei Nr. 24 ist der Mn-Gehalt höher als der erfindungsgemäße Bereich, und die Rate binärer SiO₂-MnO-Einschlüsse ist infolge eines zu starken Effekts der Si-Mn-Mischdesoxidation hoch, was zu einem hohen Drahtbruchindex führt. Bei Nr. 25 ist die Anzahl von Einschlüssen infolge von unzureichender Einschlußentfernung im Frischverfahren zu groß, was zu einem etwas höheren Drahtbruchindex zusätzlich zu einer schlechten Werkzeugstandzeit führt. Bei Nr. 26 handelt es sich um einen Fall, in dem der maximale Durchmesser nichtviskoser Einschlüsse, die der Zusammensetzung A entsprechen, größer als der erfindungsgemäße Bereich ist, und der Drahtbruchindex ist hoch.
Bewertet wurde die Ermüdungsfestigkeit für die erfindungsgemäßen Materialien und die Vergleichsmaterialien. Das erfindungsgemäße Material Nr. 2 gemäß Tabellen 1 und 2 und das Vergleichsmaterial Nr. 19 gemäß Tabellen 3 und 4 wurden zu Stahldrähten mit 5,5 mm Durchmesser warmgewalzt, auf einen Durchmesser von 1,6 mm gezogen, bei 950°C wärmebehandelt, um γ-Körner zu bilden, und anschließend in ein Bleibad mit 560°C zum Fertigpatentieren getaucht, um Stahldrähte mit einer Perlitstruktur herzustellen. Die so erhaltenen Drähte wurden dann auf einen Durchmesser von 0,3 mm kontinuierlich gezogen, und die Ermüdungseigenschaften der Produktdrähte wurden durch Ermüdungsprüfungen nach Hunter verglichen. Tabelle 5 zeigt Ergebnisse von Zugversuchen und Ermüdungsversuchen nach Hunter an den Drähten mit 0,3 mm Durchmesser.
Gemäß Tabelle 5 gibt es keinen Zugfestigkeitsunterschied zwischen dem erfindungsgemäßen Material Nr. 2 und dem Vergleichsmaterial Nr. 19. Bezogen auf die Dauerfestigkeit auf der Grundlage der Ermüdungsprüfungen nach Hunter zeigte aber das erfindungsgemäße Material Nr. 2 eine höhere Dauerfestigkeit als das Vergleichsmaterial Nr. 19, was auch aus der Tabelle hervorgeht.
Tabelle 5
Ein erfindungsgemäßer kohlenstoffreicher Stahldraht kann mit geringeren Kosten infolge von reduzierter Verwendung teurer Legierungen hergestellt werden und behält die gleiche ausgezeichnete Drahtziehfähigkeit und Ermüdungsfestigkeit nach Drahtziehen wie in herkömmlichen Fällen.

Claims

Kohlenstoffreicher Stahldraht mit ausgezeichneter Drahtziehfähigkeit und Ermüdungsfestigkeit nach Drahtziehen, wobei der Draht gewichtsbezogen enthält: 0,4 bis 1,2% C, 0,1 bis 1,5% Si und 0,1 bis 1,5% Mn, vorzugsweise P und S so kontrolliert, daß sie jeweils 0,02% nicht übersteigen, optional ein oder mehrere Elemente, die aus 0,05 bis 1,0% Cr, 0,05 bis 1,0% Ni, 0,05 bis 1,0% Cu, 0,001 bis 0,01% B, 0,001 bis 0,2% Ti, 0,001 bis 0,2% V, 0,001 bis 0,2% Nb, 0,05 bis 1,0 Mo und 0,1 bis 2% Co ausgewählt sind, wobei der Rest Eisen und unvermeidliche Verunreinigungen sind, und der Gesamtsauerstoffgehalt 15 bis 50 ppm beträgt; wobei die Anzahl nichtviskoser Einschlüsse unter darin eingeschlossenen nichtmetallischen Einschlüssen unter dem Sichtfeld eines optischen Mikroskops im Mittel höchstens 1,5 Stück/mm² beträgt; wobei unter den nichtviskosen Einschlüssen die Anzahl derjenigen mit einer Zusammensetzung, die in die nachfolgend festgelegte Zusammensetzung A fällt, mehr als 20% ausmacht und die Gesamtanzahl derjenigen mit einer Zusammensetzung, die in die Zusammensetzung A fällt, und derjenigen mit einer Zusammensetzung, die in eine nachfolgend festgelegte Zusammensetzung B fällt, mindestens 80% ausmacht; und wobei die Dicke der nichtviskosen Einschlüsse mit einer Zusammensetzung, die in die nachfolgend festgelegte Zusammensetzung A fällt, höchstens 40 μm beträgt; Zusammensetzung A: enthält über 70% SiO₂, Zusammensetzung B: enthält 25 bis 70% SiO₂, 8 bis 30% MnO, höchstens 40% MgO, höchstens 35% Al₂O₃, höchstens 25% CaO und höchstens 6% TiO₂ sowie mindestens 5% Al₂O₃ und/oder MgO und zusätzlich mindestens 2% CaO und/oder TiO₂.
Kohlenstoffreicher Stahldraht mit ausgezeichneter Drahtziehfähigkeit und Ermüdungsfestigkeit nach Drahtziehen gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Einschlüsse mit der vorstehend festgelegten Zusammensetzung B höchstens 5% Oxide von V, Ba, Zr und Na sowie Spurenmengen anderer, unvermeidbar enthaltener Oxide enthalten.
Kohlenstoffreicher Stahldraht mit ausgezeichneter Drahtziehfähigkeit und Ermüdungsfestigkeit nach Drahtziehen gemäß Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Anzahl nichtviskoser Einschlüsse mit einer Zusammensetzung, die in die Zusammensetzung A fällt, höchstens 1 Stück/mm² in einem visuellen Beobachtungsfeld beträgt.