專利名稱：陸上光纜增強用異型鋼絲的制作方法
技術領域：
本發明涉及陸上使用的光纜增強用異型鋼絲。
背景技術：
近年來，由于IT技術的革命性發展，應用于陸上光纜的光纖迅速地普及。作為光纜的結構，例如有特開平5-60956、特開平6-69915、特開平7-49439、特開平11-23923、特願2000-310728中所述的結構。
圖1所示的是陸上用光纜的結構的一個例子，其基本的結構是在光纜的芯部配置張力構件，其周圍配置光纖單元，在光纖單元的外周配置內包光纖單元的增強管，其外周設置封套、鎧裝增強層、護套等。
但是，這樣的結構十分復雜，而且由于吊線支點間距、電線桿間距的緣故，不能增加光纜的重量，因而強化光纖的增強管也受到限制。為此，以提高耐久性為目的，例如如同特開平5-60956中所述，在光纜的外周部填充陶瓷粉末，或者如特開平6-69915中所述，卷繞多層吸水帶，但這樣做很費事，而且導致成本提高。
作為結構簡單、耐久性和耐水性高的光纜結構，特公平7-65142中記載了如圖2所示的海底光纜增強用異型鋼絲，該鋼絲是用滿足Ceq＝C+(Mn+Cr)/5≥0.57％的鋼絲制造的抗拉強度在1226MPa或以上的呈扇形斷面的異型鋼絲。但是，該鋼絲所能達到的抗拉強度的最大值是1520MPa級，低于琴鋼絲的抗拉強度1800～2000MPa。
近年來，市場上對于提高光纜的傳輸容量以及減輕光纜自身重量以改善其鋪設性能的要求越來越高，但是，為了提高傳輸容量，即使增大扇形的異型鋼絲的內徑，減小異型鋼絲的斷面壁厚，增加光纖的根數，從確保張力構件的強度的角度考慮，減小壁厚也是有一定限度的，使用扇形斷面的異型鋼絲的光纜，越來越不能適應逐年增加的要求提高傳輸容量的市場需求。
為了改善鋪設性能，要求減輕光纜本身的重量，采用以往強度的扇形的異型鋼絲，即使為減輕重量而減小壁厚，從確保增強層強度的角度考慮，也不能充分地減小壁厚，因而這種方法對于解決逐年增加的要求減小光纜自身重量的市場需求來說作用十分有限。
發明內容
本發明使用冷加工性能優異的長尺寸的高強度鋼絲用的線材，提供了強度高的陸上光纜增強用異型鋼絲。
本發明是為了解決上述問題而完成的，本發明的要點如下。
(1)一種陸上光纜增強用異型鋼絲，其特征在于以質量％計含有C大于0.65％且不超過1.1％，Si0.15～1.5％，Mn0.20～1.5％，還含有Cr1.2％或以下且(Mn+Cr)0.2～1.5％，以及Mo0.01～0.1％、V0.01～0.1％、Al0.002～0.1％、Ti0.002～0.1％、Nb0.001～0.3％、B0.0005～0.1％中的1種、2種或以上且含量合計為0.0005～0.5％，余量為Fe和不可避免的雜質，此外，Ceq＝C+1/4Si+1/5Mn+4/13Cr滿足0.80％≤Ceq≤1.80％，顯微組織是鐵素體-珠光體組織或珠光體組織，并且橫過L斷面中心軸線上的剪切帶(相對于軋制方向具有斜度的剪切帶)的數目以每單位長度中心軸線計算是20根/mm或以下，而且所述中心軸與剪切帶所成的角度在10～90°的范圍內，抗拉強度為1800MPa或以上，橫截面為大致扇形，若干個這樣的大致扇形合在一起構成容納光纖的圓形中空斷面。
(2)一種陸上光纜增強用異型鋼絲，其特征在于以質量％計含有C大于0.65％且不超過1.1％，Si0.50～1.5％，Mn0.20～1.5％，還含有Cr1.2％或以下且(Mn+Cr)0.2～1.5％，以及Mo0.01～0.1％、V0.01～0.1％、Al0.002～0.1％、Ti0.002～0.1％、Nb0.001～0.3％、B0.0005～0.1％中的1種、2種或以上且含量合計為0.0005～0.5％，余量為Fe和不可避免的雜質，此外，Ceq＝C+1/4Si+1/5Mn+4/13Cr滿足0.80％≤Ceq≤1.80％，顯微組織是鐵素體-珠光體組織或珠光體組織，并且Si存在偏析，使得在珠光體組織中從滲碳體和鐵素體的界面向鐵素體相一側的30nm范圍內，滿足滲碳體/鐵素體界面的Si最大偏析度(從滲碳體和鐵素體的界面向鐵素體相一側的30nm范圍內的最大Si濃度÷總體的Si含量)≥1.1，橫過L斷面中心軸線上的剪切帶(相對于軋制方向具有斜度的剪切帶)的數目以每單位長度中心軸線計算是20根/mm或以下，而且所述中心軸與剪切帶所成的角度在10～90°的范圍內，抗拉強度為1800MPa或以上，橫截面為大致扇形，若干個這樣的大致扇形合在一起構成容納光纖的圓形中空斷面。
圖1是以往的陸上光纜的橫截面圖。
圖2(a)是使用以往強度的大致扇形的異型鋼絲形成耐壓層的海底光纜的立體圖，圖2(b)是該海底光纜的橫截面圖。
圖3是使用本發明的大致扇形的異型鋼絲形成保護層的陸上光纜的橫截面圖。
圖4表示TS＝2100MPa級的扇形的異型鋼絲的Si含量和Si在鐵素體中的存在狀況對于大致扇形的異型鋼絲的加工性能的影響。
圖5表示采用AP-FIM測定0.82％C～1.02％Si～0.52％Mn～0.0042％Al成分系的大致扇形的異型鋼絲的珠光體組織中的Si分布狀況的例子。
圖6(a)和圖6(b)是表示大致扇形的異型鋼絲的L斷面組織的照片。
圖7(a)和圖7(b)是表示大致扇形的異型鋼絲在加工過程中斷線事例的照片。
圖8表示大致扇形的異型鋼絲的橫過L斷面中心軸線上的剪切帶數量和剪切帶的角度對于扇形的異型鋼絲的斷線的影響。
具體實施例方式
下面詳細地說明本發明。
為提高傳輸容量和減輕自身重量而減小陸上光纜的保護管的壁厚，必須使該大致扇形的異型鋼絲的抗拉強度達到1800MPa或以上。
異型鋼絲的抗拉強度是由原料線材的抗拉強度和冷加工量決定的，在制造扇形的異型鋼絲時，最大的問題是加工過程中發生斷線，本發明的要點就是謀求無斷線和高強度化。本發明人經過研究發現，例如為了制造圖3中所示的陸上光纜增強用的大致扇形的異型鋼絲20～25并且在加工過程中不發生斷線，控制相對于軋制方向具有斜度的剪切帶是至關重要的。為此，例如在大致扇形的異型鋼絲的抗拉強度為1800MPa的情況下將總斷面縮小率抑制在85％或以下，在抗拉強度為2000MPa的情況下將總斷面縮小率抑制在80％或以下是有效的。為了滿足這些條件，大致扇形的異型鋼絲的抗拉強度在1800MPa的情況下，軋制線材的抗拉強度必須在1100MPa或以上，大致扇形的異型鋼絲的抗拉強度在2000MPa的情況下，軋制線材的抗拉強度必須在1200MPa或以上。
另外，本發明人還發現，大致扇形的異型鋼絲在制造過程中斷線，是由于冷加工過程中發熱引起滲碳體分解而固溶于鋼材中的游離碳和固溶于鋼材中的游離氮引起的應變時效而導致的。因此，為了抑制因加工發熱引起的滲碳體分解，本發明人對有效的添加合金元素及其最適宜的添加量進行了研究，結果發現調整鐵素體中的滲碳體/鐵素體界面存在的Si量是有效的，同時，通過輔助添加Cr、Mo、V、Ti、Nb等形成碳化物的合金元素，可以進一步抑制冷加工過程中滲碳體的分解。
此外，本發明人還發現，在減少鋼材中的氮的同時，利用Mo、Al、Ti、Nb、V、B的氮化物將不可避免地固溶的氮固定下來，可以有效地抑制因氮而引起的應變時效。
再者，在上述鋼材是將原料線材冷加工制成大致扇形的異型鋼絲的場合，要求該鋼材具有良好的強度和韌性。為了達到高強度的目的而添加的C、Si、Mn和Cr，在其添加量增大時，往往形成導致冷加工性能惡化的組織，因此，希望將這些合金元素限定在使高強度化和冷加工性能達到平衡的最適宜的范圍內。
如上所述，在本發明中，為了全面滿足高強度和良好的冷加工性能的要求，對成分元素的范圍進行了限定。下面說明這些成分范圍的限定依據。
CC含量在0.65％或以下時，不能確保抗拉強度達到1100MPa或以上，反之，其含量超過1.1％時，在連續鑄造過程中偏析增大，軋制線材內產生微馬氏體(ミクロマルテンサイト)、先共析滲碳體，使得冷加工性能明顯惡化，因而將C的含量規定為大于0.65％且不超過1.1％。
SiSi具有通過固溶強化作用而強化線材的作用。其含量在0.15％或以下時，不能獲得這種效果，反之，高于1.5％時，導致韌性惡化，因此將其含量規定為0.15～1.5％。
特別地，為減小異型加工過程中的斷線率，如前面所述，為了抑制冷加工過程中因C而引起的應變時效，必須抑制冷加工過程中滲碳體的分解和C在鐵素體中的固溶，為此，必須控制Si的存在，使Si的含量在0.5～1.5％并且在珠光體組織中從滲碳體與鐵素體的界面向鐵素體相一側的30nm范圍內，滿足滲碳體/鐵素體界面的Si最大偏析度(從滲碳體與鐵素體的界面向鐵素體相一側的30nm范圍內的最大Si濃度÷總體的Si含量)≥1.1。圖4表示扇形的異型鋼絲的Si含量和Si在鐵素體相中的存在狀況對于扇形的異型鋼絲的加工性能的影響。只要這些參數在本發明的范圍內，加工過程中就不發生斷線。另外，滲碳體/鐵素體界面的Si偏析度的分布情況，例如如圖5所示，可以采用AP-FIM等進行測定、求出。
為了使Si在滲碳體/鐵素體界面有效地偏析，例如可以在不析出導致拉絲加工性能惡化的粗珠光體的限度內提高珠光體相變溫度，延長到珠光體相變結束的時間，盡可能增加滲碳體析出時被排出到鐵素體相一側的Si量。為此，將線材軋制后的風冷冷卻速度控制在1～10℃/秒或以下是有效的。
MnMn可以提高強度并以硫化物的形式將S固定，是抑制線材軋制過程中的熱脆性的元素，優選在可能的范圍內添加。其含量不足0.2％時，不能以硫化物的形式將S固定，而且不能確保線材的抗拉強度在1100MPa或以上，反之，其含量超過1.5％時，線材的淬透性過高，有時產生微馬氏體，導致加工性能明顯惡化，因而將Mn含量規定為0.2～1.5％。
CrCr是具有與Mn作用完全相同的元素，可以添加Cr來代替一部分Mn。另外，Cr還能細化珠光體，提高線材的強度，此外如上所述，Cr能形成碳化物，是促進滲碳體穩定化的元素。如果Cr含量超過1.2％且Mn與Cr的含量合計超過1.5％，將會形成微馬氏體，因而規定Cr1.2％或以下且(Cr+Mn)0.2～1.5％。
Mo、Al、V、Ti、Nb和B這些元素都能調整γ相的晶粒度，而且如前面所述，可以形成碳化物、氮化物，是促進滲碳體穩定化和固定固溶氮的元素。當含有Mo不到0.01％、Al不到0.002％、V不到0.01％、Ti不到0.002％、Nb不到0.001％、V不到0.001％、B不到0.0005％中的1種、2種或以上且含量合計低于0.0005％時，得不到上述效果。當含有Mo高于0.1％、Al高于0.1％、V高于0.1％、Ti高于0.1％、Nb高于0.3％、V高于0.3％、B高于0.1％中的1種、2種或以上且含量合計高于0.5％時，上述效果達到飽和，而且韌性惡化，因而規定Mo0.01～0.1％、V0.01～0.1％、Al0.002～0.1％、Ti0.002～0.1％、Nb0.001～0.3％、B0.0005～0.1％中的1種、2種或以上且含量合計為0.0005～0.5％。
從P和S都使韌性惡化的觀點來看，優選它們各自的含量在0.03％或以下。另外，從抑制時效的角度考慮，希望將N的含量抑制在0.01％或以下。
原料線材的強度可以根據Ceq(Ceq＝C+1/4Si+1/5Mn+4/13Cr)和線材從奧氏體區域的冷卻速度來確定。Ceq越高，冷卻速度越大，則線材的強度增大越多，而根據本發明人的研究，如果Ceq不足0.80％，就不能得到具有1100MPa或以上強度的線材，因而在異型鋼絲的抗拉強度為1800MPa或以上的情況下，規定Ceq在0.80％或以上。這是因為Ceq低于這一數值時，為了確保線材的強度，必須將線材的冷卻速度提高到極高的速度，從而不可避免地析出對于冷加工性能有害的貝氏體或馬氏體。
另外，Ceq超過1.80％時，線材的淬透性升高，即使調整線材的冷卻速度，有時仍會析出對于冷加工性能有害的貝氏體或馬氏體，致使加工性能顯著惡化，因而規定其上限為1.80％。
在利用拉絲模拉拔加工成圓鋼絲的場合，大量形成與軸向方向一致的纖維織構，而在制造扇形的異型鋼絲時，一般地說，由于使用具有大致扇形的孔型的軋輥進行冷軋，如圖6(a)和6(b)所示，形成了與軸向平行的組織以及相對于軋制方向具有斜度的剪切帶28。剪切帶28的珠光體片層間距，比與軋制方向一致的珠光體的片層間距要細小得多，呈現出加工應變局部集中。因此剪切帶28的延性比周圍低，在最壞的情況下，如圖7(a)和7(b)所示，在加工過程中以剪切帶為起點發生斷線31，另外，它還是導致大致扇形的異型鋼絲本身延性降低的原因，因此必須盡量減少它的存在，在不能完全避免其存在的情況下，應使剪切帶28與中心軸29所成的角度30不致于變成極低的角度，這一點十分重要。低的角度意味著輥軋過程中大致扇形的外徑一側與內徑一側的變形情況差異很大，應變進一步在剪切帶集中，致使延性降低。如圖8所示，通過規定橫過大致扇形的異型鋼絲的L斷面中心軸線29上的剪切帶28的數量以每單位長度中心軸線計算是20根/mm或以下并且中心軸與剪切帶所成的角度30在10～90°的范圍內，可以抑制加工過程中的斷線。
作為抑制該剪切帶28產生的方法，例如如前面所述，可以通過隨著大致扇形的異型鋼絲的強度升高而減小總的斷面縮小率來實現。但是，對于以往使用的線徑5.0mm的線材來說，減小冷加工時的斷面縮小率是有限度的。對于線徑5.0mm或以下例如4.5mm、4.0mm、3.0mm等的線材進行冷加工，制造大致扇形的異型鋼絲，可以降低斷面縮小率。另外，將線徑規定為5.0mm或以下，線材軋制過程中的加工量增大，由此γ相的粒徑變得細小，可以使其細化達到γ相晶粒度等級8級或以上，發揮比單純減小總的斷面縮小率更大的延性改善效果。此外，如上所述，調整Si添加量和抑制拉絲加工過程中的應變時效也是有效的。
再者，為抑制剪切帶28的產生并且控制角度30，調整上、下軋輥的孔型形狀使大致扇形的外徑一側與內徑一側的相對速度不要差別太大也是有效的。另外，圖8所示的情況，雖然剪切帶的角度滿足本發明的范圍要求，但剪切帶的根數是每單位長度24.3根/mm，超出了本發明規定的范圍，因而發生斷線。
至于大致扇形的異型鋼絲的根數，圖3中所示的是將圓形分割成6份的大致扇形的形狀，但并不限于分割成6份，根據其用途和使用條件也可以是多根的分割扇形。另外，從工業生產的角度考慮，最好是約2～10根的扇形。陸上用的光纜不要求套管具有很大的耐壓性，但要求光纜具有柔軟性，因而分割成3份或以上的管例如分割成4～6份左右的扇形異型鋼絲是有益的。
實施例1本發明的陸上光纜增強用的異型鋼絲，例如可以按以下所述制造。將含有0.82％C～1.0％Si～0.50％Mn～0.0045％Al(Ceq＝1.23)的單重2噸的鋼坯加熱至1050℃，然后軋制成4.5mm的線徑，經過約7℃/秒的風冷，制成抗拉強度調整到1300MPa的單重2噸的線材卷。然后，去除氧化皮，進行磷酸鋅覆膜處理，利用拉絲模拉絲至3.0mm，用軋輥冷軋至1.8mm厚的橫截面為矩形的線材。隨后，為了形成大致扇形，使用具有大致扇形孔型的軋輥進行冷軋，可以得到圖4的陸上光纜中所示的外徑b5.2mm、內徑a2.55mm、厚度t1.325mm、抗拉強度1820MPa的異型鋼絲18～20。該大致扇形的異型鋼絲的L斷面的顯微組織中不存在剪切帶。
表1～表4(表2～表4是表1的續表)中示出線材的組成、Ceq、TS、將線材加工成大致扇形的異型鋼絲時的加工性能、異型鋼絲的強度、形成保護層的異型鋼絲的數目等。
No.1～31是本發明例，其它是比較例。根據本發明，可以制造確保線材的良好加工性能、強度超過2000MPa級的大致扇形的異型鋼絲。
如比較例No.32所示，Ceq低于本發明的范圍時，為了抑制斷線而控制總斷面縮小率在85％或以下制造時，不能確保1800MPa或以上的大致扇形的異型鋼絲的強度。
如比較例No.33所示，C含量高于本發明的范圍時，加工性能顯著惡化，不能穩定地制造大致扇形的異型鋼絲。
如比較例No.34所示，Si含量高于本發明的范圍時，加工性能顯著惡化，不能穩定地制造大致扇形的異型鋼絲。
如比較例No.35所示，(Mn+Cr)含量高于本發明的范圍時，加工性能顯著惡化，不能穩定地制造大致扇形的異型鋼絲。
如比較例No.36所示，即使Ceq在本發明的范圍內，如果Al、Ti、Mo、V、Nb和B的總含量高于本發明的范圍，加工性能仍顯著惡化，不能穩定地制造大致扇形的異型鋼絲。
以上，如比較例No.32～36所示，只要鋼的成分在本發明的范圍之外，就不能穩定地制造高強度的大致扇形的異型鋼絲。
如比較例No.37所示，大致扇形的異型鋼絲內的剪切帶數目大于本發明的范圍時，如比較例No.38所示，上述剪切帶的角度小于本發明的范圍時，如比較例No.39所示，大致扇形的異型鋼絲內的剪切帶數量和剪切帶角度均在本發明的范圍之外時，加工過程中頻繁發生斷線，不能穩定地制造大致扇形的異型鋼絲。
如比較例No.37～39所示，即使鋼的成分在本發明的范圍內，但作為顯微組織，如果剪切帶數量和角度在本發明的范圍之外，也不能穩定地制造高強度的大致扇形的異型鋼絲。
如比較例No.40所示，滲碳體/鐵素體界面的Si偏析度高于本發明的范圍時，拉絲過程中發生時效，加工性能顯著惡化，不能穩定地制造大致扇形的異型鋼絲。
由以上的實施例可以清楚地看出，本發明的大致扇形的異型鋼絲可以確保非常高的強度，因而在減輕陸上光纜的重量和提高耐久性方面能夠發揮極大的作用，在工業上產生很大的效益。
表1
表2(續表1)
表3(續表1)
表4(續表1)
權利要求
1.一種陸上光纜增強用異型鋼絲，其特征在于以質量％計含有C大于0.65％且不超過1.1％，Si0.15～1.5％，Mn0.20～1.5％，還含有Cr1.2％或以下且(Mn+Cr)0.2～1.5％，以及Mo0.01～0.1％、V0.01～0.1％、Al0.002～0.1％、Ti0.002～0.1％、Nb0.001～0.3％、B0.0005～0.1％中的1種、2種或以上且含量合計為0.0005～0.5％，余量為Fe和不可避免的雜質，此外，Ceq＝C+1/4Si+1/5Mn+4/13Cr滿足0.80％≤Ceq≤1.80％，顯微組織是鐵素體—珠光體組織或珠光體組織，并且橫過L斷面中心軸線上的剪切帶(相對于軋制方向具有斜度的剪切帶)的數目以每單位長度中心軸線計算是20根/mm或以下，而且所述中心軸與剪切帶所成的角度是在10～90°的范圍內，抗拉強度為1800MPa或以上，橫截面為大致扇形，若干個這樣的大致扇形合在一起構成容納光纖的圓形中空斷面。
2.一種陸上光纜增強用異型鋼絲，其特征在于以質量％計含有C大于0.65％且不超過1.1％，Si0.50～1.5％，Mn0.20～1.5％，還含有Cr1.2％或以下且(Mn+Cr)0.2～1.5％，以及Mo0.01～0.1％、V0.01～0.1％、Al0.002～0.1％、Ti0.002～0.1％、Nb0.001～0.3％、B0.0005～0.1％中的1種、2種或以上且含量合計為0.0005～0.5％，余量為Fe和不可避免的雜質，此外，Ceq＝C+1/4 Si+1/5Mn+4/13Cr滿足0.80％≤Ceq≤1.80％，顯微組織是鐵素體—珠光體組織或珠光體組織，并且Si存在偏析，使得在珠光體組織中從滲碳體和鐵素體的界面向鐵素體相一側的30nm范圍內，滿足滲碳體/鐵素體界面的Si最大偏析度(從滲碳體和鐵素體的界面向鐵素體相一側的30nm范圍內的最大Si濃度÷總體的Si含量)≥1.1，橫過L斷面中心軸線上的剪切帶(相對于軋制方向具有斜度的剪切帶)的數目以每單位長度中心軸線計算是20根/mm或以下，而且中心軸與剪切帶所成的角度在10～90°的范圍內，抗拉強度為1800MPa或以上，橫截面為大致扇形，若干個這樣的大致扇形合在一起構成容納光纖的圓形中空斷面。
全文摘要
本發明使用冷加工性能優異的長尺寸的高強度鋼絲用線材，提供了強度高的陸上光纜增強用的大致扇形的異型鋼絲，該異型鋼絲的特征在于以質量％計含有C0.40％～1.1％、Si0.15～1.5％、Mn0.20～1.5％、還含有Cr、Mo、V、Al、Ti、Nb和B中的1種、2種或以上且含量合計為0.0005～0.5％，Ceq＝C+1/4Si+1/5Mn+4/13Cr滿足0.80％≤Ceq≤1.80％，具有鐵素體－珠光體組織或珠光體組織，抗拉強度為1800MPa或以上，異型鋼絲的橫截面為大致扇形，若干根這樣的異形鋼絲合在一直構成容納光纖的圓形中空斷面。
文檔編號H01B7/18GK1646715SQ0380824
公開日2005年7月27日 申請日期2003年1月14日 優先權日2002年4月12日
發明者大橋章一, 村尾雅嗣, 本多通保 申請人:新日本制鐵株式會社, 納米泰株式會社