具有非磁性特性的高强度线材及其制造方法与流程

1.本公开内容涉及用作用于电力线用芯线的材料的线材，更特别地，涉及具有高强度和非磁性特性的线材及其制造方法。


背景技术：

2.国内或国外的电力线由双结构形成，其中在电力线的外部，由铝(al)或铝合金线进行电力传输，以及在电力线的中心，使用钢线、殷钢线、或复合材料线来保持刚性。
3.电力传输是通过在电线杆与钢塔之间悬挂电力线来进行的，在电力传输期间，由于电阻和电磁感应(来自芯线侧的感应)使传输线的温度升高，从而使得电力线低垂。这种现象被称为“下垂”。
4.此外，由于传输线中的热产生最终引起功率损耗，因此全球的趋势集中在刚性的开发以发挥低的下垂特性以及非磁性。
5.目前使用的用于电力传输的芯线是通过采用高强度碳钢线、殷钢/殷钢合金线或复合材料线制造的，在应用这些材料时，存在如下优点和缺点：
6.(1)高强度碳钢线由于其高强度和低价格而是最广泛使用的材料，但由于碳钢的磁性特性而由此产生由电磁感应引起的温度升高和功率损耗。此外，其热膨胀系数处于11
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/℃至14
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/℃的水平，从而引起严重的下垂。
7.(2)为了弥补如上所述的碳钢线的缺点，开发并部分应用了殷钢(36％ni)和殷钢合金，特别地，殷钢和殷钢合金的低的热膨胀系数(0.2
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/℃至5
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/℃)用于开发低的下垂的电力线。然而，殷钢和殷钢合金在居里温度(约230℃)或低于居里温度(约230℃)下显示出铁磁性特性，使得与使用碳钢线的情况相比，电磁感应现象是非常常见的。因此，与使用利用碳钢线的电力线的情况相比，功率损耗高，此外，大量添加昂贵的镍(ni)，从而引起经济上的缺点。
8.(3)作为仅利用高强度碳钢线以及殷钢和殷钢合金的优点而开发的复合材料线，使用碳纤维、陶瓷、塑料等来制造线材，然后将其应用。复合材料线的热膨胀系数低于或等于殷钢线的热膨胀系数。此外，由于非磁性特性而不发生电磁感应现象，使得功率损耗处于非常低的水平，并因此，复合材料线可以为具有最好的特性的芯线。然而，成本是非常高的，使得在应用所述线时存在限制。
9.因此，需要开发表现出适合作为用于电力线的芯线的材料的非磁性特性，显示出低的下垂特性和低的热膨胀系数并且在经济上是有利的材料。
10.(专利文献1)：韩国专利注册第10-0361969号
11.(专利文献2)：韩国专利注册第10-0507904号


技术实现要素：

12.技术问题
13.本公开内容的一个方面是提供适合作为用于电力线的芯线的材料并具有高强度、
非磁性特性和低的热膨胀系数的线材及其制造方法。
14.本公开内容的目的不限于以上描述。本公开内容的目的将从本说明书的全部内容中理解，并且本公开内容所属领域的技术人员将毫无困难地理解本公开内容的另外的目的。
15.技术方案
16.根据本公开内容的一个方面，非磁性线材按重量计包含：27％至42％的锰(mn)、0.35％或更少(不包括0％)的碳(c)、0.5％或更少的硅(si)、0.03％或更少的磷(p)、和0.03％或更少的硫(s)，以及余量中的fe和其他不可避免的杂质，其中线材的奈耳温度(n
é
el temperature)高于150℃。
17.根据本公开内容的另一个方面，用于制造非磁性线材的方法包括：准备按重量计包含以下的钢件或钢锭：27％至42％的锰(mn)、0.35％或更少(不包括0％)的碳(c)、0.5％或更少的硅(si)、0.03％或更少的磷(p)、和0.03％或更少的硫(s)，以及余量中的fe和其他不可避免的杂质；在1000℃至1250℃的温度范围对钢件或钢锭进行热处理以制造坯料；以及使坯料在800℃至1250℃的温度范围经受线材轧制以制造线材，其中线材的奈耳温度高于150℃。
18.有益效果
19.如上所述，根据本公开内容中的一个示例性实施方案，提供了在不使用昂贵的元素或材料的情况下具有高强度和非磁性特性并显示出低的下垂特性的线材，这在经济上是有利的。此外，本公开内容的线材可以适当地用作用于电力线的芯线的材料。
具体实施方式
20.本发明人确定了用作用于电力线的芯线的现有材料的局限性，并进行了深入研究从而以低成本开发显示出高强度、非磁性特性和低的下垂特性的材料。
21.因此，确定锰(mn)用于提供作为目标材料的线材，从而大大降低制造成本并提供高强度线材。特别地，确定由于优异的非磁性特性，当在实际环境中使用时，本公开内容可以具有大大降低功率损耗的效果，并提供了由于低的热膨胀系数而显示出低的下垂特性的线材，从而完成了本公开内容。
22.在下文中，将详细地描述本公开内容。
23.根据本公开内容中的一个示例性实施方案的非磁性线材按重量计可以包含：27％至42％的锰(mn)、0.35％或更少(不包括0％)的碳(c)、0.5％或更少的硅(si)、0.03％或更少的磷(p)、和0.03％或更少的硫(s)。
24.在下文中，将详细地描述如上所述限制本公开内容中提供的线材的合金组成的原因。
25.同时，除非在本公开内容中另有特别说明，否则各元素的含量按重量计，以及组织的比率按面积计。
26.锰(mn)：27％至42％
27.由于锰(mn)在较高含量的情况下显示出组织稳定的奥氏体组织，因此其促进线材的线材拉拔。当以25％或更多的量添加mn时，可以获得这种效果，但在这种情况下，线材的奈耳温度降低至低于150℃并且达不到作为电力线(例如，耐热铝电力线)的连续使用温度
的150℃，使得难以将线材应用于实际使用中。
28.即，具有25％的mn含量水平的材料显示出低的奈耳温度并且由于在奈耳温度或高于奈耳温度下的抗殷钢效应而倾向于以大于20
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/℃的热膨胀系数膨胀，并因此，难以由合金体系制造适用于电力线用芯线的线材。
29.考虑所述事实，在本公开内容中可以以27％或更多包含mn。然而，当含量大于42％时，奈耳温度反而降低，并且mn含量增加，并因此，制造成本上升。
30.因此，在本公开内容中可以以27％至42％包含mn。
31.碳(c)：0.35％或更少(不包括0％)
32.碳(c)是有利于改善奥氏体稳定化的元素，并且改善线材的线材拉拔特性。此外，由于碳(c)具有优异的强度改善效果，因此在确保包含一定量或更多的mn的钢的强度方面可以添加碳(c)。
33.然而，当过量添加c时，线材的热膨胀系数倾向于快速增加，并因此考虑所述事实，可以将含量限制为0.35％或更小且不包括0％。
34.硅(si)：0.5％或更少
35.硅(si)是在钢的脱氧和脱磷的过程中不可避免地添加的元素。当添加时，si对线材的物理特性不具有特别影响，但如有可能，降低含量是有利的。具体地，由于在诸如脱氧和脱磷的过程中可以以高至0.5％包含si，因此可以将其含量限制为0.5％或更小。
36.磷(p)：0.03％或更少以及硫(s)：0.03％或更少
37.磷(p)和硫(s)是在钢的制造过程中不可避免地引入的杂质，当它们的含量分别大于0.03％时，在连铸和铸锭期间出现裂纹。因此，需要将p和s的含量控制为0.03％或更小。
38.如上所述，本公开内容的线材可以仅通过包含一定量的mn和c并控制杂质元素的含量来制造。然而，为了进一步改善线材的物理特性的目的，还可以包含铌(nb)。
39.铌(nb)：3.5％或更少
40.当以一定量添加时，铌(nb)对于降低线材的热膨胀系数是有效的，并且可以通过形成nb碳化物而具有强度改善效果。
41.然而，当nb的含量大于3.5％时，由于改善的强度，线材倾向于是脆的，并因此可以将含量限制为3.5％或更小。
42.本公开内容的剩余组分为铁(fe)。然而，由于在常见的制造过程中，可能从原材料或周围环境中不可避免地引入非预期的杂质，因此可能无法排除所述组分。由于这些杂质对于常见的制造过程中的任何技术人员是已知的，因此本说明书中没有特别提及其全部内容。
43.具有上述合金组成的本公开内容的非磁性线材可以包含奥氏体单相组织作为显微组织，并且通过具有这样的奥氏体单相组织，即使在接收外部能量时也可以保持非磁性。
44.特别地，由于合金组成的优化，本公开内容的非磁性线材具有有高稳定性的奥氏体相，并且由此本公开内容的线材可以具有1.05μ或更小的相对磁导率和10
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/℃或更小的室温下的热膨胀系数的特性。
45.暴露于由涡电流引起的电磁场的材料的损耗与材料的磁性密切相关。涡电流的发生随着磁性增加而增加，使得损耗增加。通常，磁性与磁导率(μ)成比例。即，磁性随着磁导率增加而增加。磁导率被定义为感应磁场(b)与磁场(h)之比，即由式μ＝b/h来定义。换言
之，当磁导率降低时，材料的磁性降低，并因此，当材料暴露于电场时，防止表面上的涡电流的损失以增加能量效率。因此，使用不具有磁性并具有低的热膨胀系数的线材作为用于电力线的芯线的材料，以防止能量损失并确保低的下垂特性是有利的。
46.此外，由于本公开内容的非磁性线材具有奈耳温度高于150℃的特性，因此其可以适当地用作用于电力线的芯线的材料。
47.在此，奈耳温度是指顺磁性材料(paramagnetic material)变为反铁磁性材料(antiferromagnetic material)的温度，并且其意味着该温度越高，产生磁致伸缩(magnetostriction)的温度范围越宽。
48.在下文中，将详细地描述根据本公开内容中的另一个示例性实施方案的用于制造非磁性线材的方法。
49.首先，可以通过准备满足上述合金组成的钢件或钢锭然后在1000℃至1250℃的温度范围对钢件或钢锭进行热处理来制造坯料。
50.当在热处理中温度低于1000℃时，热变形阻力增加，从而使得生产率下降，但当温度高于1250℃时，晶粒可能变得粗化从而使韧性降低。
51.可以使经热处理的坯料经受线材轧制以获得线材。
52.在此，线材轧制是作为热轧而进行的，并且可以在800℃至1250℃的温度范围进行。当在热轧中温度低于800℃时，在轧制期间负荷增加并且变形阻力可能增加，但当温度高于1250℃时，晶粒可能过度粗化从而使韧性降低。
53.在如上所述进行热轧之后，将其冷却至室温以获得具有目标显微组织和机械特性的线材。
54.在此，由于冷却可以取决于在常见线材的制造过程中应用的条件，因此在本公开内容中冷却没有特别限制，并且本领域任何技术人员可以容易地进行冷却。然而，作为实例，冷却可以作为水冷却而进行，以5℃/秒或更大的冷却速率。
55.由本公开内容中提出的合金组成和制造条件制造的最终线材具有有高稳定性的奥氏体相作为显微组织，从而确保优异的非磁性特性并具有低的热膨胀系数以及高强度的特性。
56.在下文中，将通过以下实施例具体地描述本公开内容。然而，应注意，以下实施例仅用于通过举例说明来详细地描述本公开内容，而不旨在限制本公开内容的权利范围。原因是本公开内容的权利范围由权利要求中描述的事项及由其合理推断的事项来确定。
57.发明实施方式
58.(实施例)
59.准备具有下表1中示出的合金组成的锭，然后在1200℃下加热以制造坯料。在加热之后，立即在800℃至1200℃下对坯料进行热轧至8mm的直径，然后以5℃/秒或更大的冷却速率进行水冷却以制造直径为8mm的线材。
60.此后，测量各线材的机械特性(奈耳温度、热膨胀系数和相对磁导率)。
61.将各线材的奈耳温度推导为使用thermo-calc程序计算的值，使用膨胀测量法(dilatometry)来测量热膨胀系数。此外，使用购自stefan mayer instruments的ferromaster仪器来测量作为真空与空气中的磁导率比的相对磁导率。下表2中示出了各物理特性值。
62.同时，准备已经用作用于电力线的材料的碳钢线材(ks d 3559 hswr 67a)和殷钢合金(36％ni)以用于比较，以相同的方式测量机械特性，并示出了结果。
63.[表1]
[0064][0065]
[表2]
[0066][0067]
发现用作用于电力线的材料的碳钢线材(常规例1)具有高的相对磁导率，使得非磁性特性是低的，并且确定热膨胀系数是相对高的。
[0068]
具有36％的镍的殷钢合金线材(常规例2)具有最低的热膨胀系数，但具有非常高的相对磁导率，并显示出230℃的居里温度。
[0069]
如上所述，碳钢线材由于其的碳的高的热膨胀系数和高的磁导率而在使用时具有高的热产生，并引起下垂，从而显示出高的功率损耗。同时，由于殷钢合金具有优异的热膨胀系数的特性，因此其在下垂方面是有利的，但磁导率是碳钢的8倍至9倍，并且显示出大量的热产生，从而具有大的功率损耗。
[0070]
包含25％的锰(mn)的比较例1和2具有低于150℃的奈耳温度，并在实际应用中具有局限性。确定虽然热膨胀系数是相对高的，但显微组织通过大量的锰由奥氏体形成，从而大大地改善磁导率。
[0071]
同时，发现包含27％或更多的锰(mn)的发明例1至12具有150℃或更高的奈耳温度、与常规碳钢线材相比低得多的热膨胀系数、以及1.05或更小的优异的相对磁导率，从而显示出优异的非磁性特性。
[0072]
考虑所述结果，随着线材中mn的含量增加，奈耳温度升高，并且在该温度(奈耳温度)或更低下发生由于电磁特性而引起的体积变化，这抵消了热膨胀，从而使热膨胀系数降低。
[0073]
特别地，当在钢中以27％或更多包含mn时，在室温下的热膨胀系数降低至10
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/℃或更低。此外，殷钢和殷钢合金在居里温度或更低下显示出铁磁性特性，但与殷钢和殷钢合金不同，本公开内容的线材在奈耳温度或更低下显示出反铁磁性特性以获得非磁性特性。
[0074]
此外，本公开内容的线材允许通过在线材拉拔期间奥氏体加工硬化的效果来制造高强度钢线。
[0075]
作为实例，直径为8mm的线材(发明例1)的拉伸强度为约600mpa，但当使其经受线材拉拔至6mm的直径时，拉伸强度提高至1300mpa的水平，此外，当使其经受线材拉拔至4mm的直径时，拉伸强度增加至1700mpa，以及当经受线材拉拔至3mm的直径时，拉伸强度增加至2100mpa。
[0076]
因此，本公开内容的线材可以通过增加加工量而具有大大改善的拉伸强度，但显示出具有降低的韧性和较高强度的趋势，并因此，可以通过在制造过程之间进行热处理来匹配目标刚性。
[0077]
目前，由于使用拉伸强度为1300mpa或更大的材料作为用于电力线的材料，并甚至施加高至2100mpa的拉伸强度，因此本公开内容的线材可以通过调节加工量和热处理的次数而经受线材拉拔以使线材的物理特性与实际使用所需的那些物理特性相匹配，然后将其应用。