CN100398674C - 利用高能电脉冲对中、高碳钢丝进行在线软化退火方法 - Google Patents

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Abstract

一种利用高能电脉冲对中、高碳钢丝进行在线连续软化退火方法，包括如下步骤：通过开卷装置和收卷装置带动钢丝以一定速度向所述收卷装置方向传输；配置一高能脉冲电源，该电源连续不断地输出高能电脉冲，并通过一对电极输入运动着的钢丝的加电区域段进行连续软化退火处理。采用高能脉冲电流对运动着的钢丝进行连续软化退火，生产成本低，能耗低，生产效率高，钢丝表面质量和稳定性好，减少了常规退火处理过程中引起的钢丝表面脱碳、氧化现象，获得了优异的综合性能。经过电脉冲处理后，可以取代现行的热处理炉退火工序，最终可以达到常规软化退火中、高碳钢丝的性能指标。

Description

利用高能电脉冲对中、高碳钢丝进行在线软化退火方法
技术领域
本发明涉及对加工硬化的中碳钢丝、高碳钢丝(包括高碳合金钢丝、轴承钢丝等)进行软化退火处理技术，具体是一种利用高能电脉冲对中、高碳钢丝在线连续软化退火工艺，经过电脉冲处理后，最终可以达到常规退火中、高碳钢丝的性能指标。
背景技术
高碳钢丝被广泛应用于轮胎增强用钢帘线、桥梁用镀锌钢丝、预应力混凝土用钢丝、钢琴丝、轴承丝、冲针等；中碳钢丝被用于焊丝、钢绞线、钢丝绳、弹簧等，两种钢丝在工业中占据重要地位。中、高碳钢丝制品承受很大的载荷，工作条件恶劣，因而理想的钢丝应具有较高的强度和较好的塑性。适当的高强度和适中的高塑性的结合，可使材料和构件获得非常高的断裂能量或断裂功，从而极大地提高工程构件的性能和寿命。目前中、高碳钢丝加工硬化后一般需通过热处理炉进行软化退火处理。然而软化退火必须有合适的加热温度，适当的保温时间和缓慢的冷却速度。目前生产上使用的软化退火工艺，热处理周期长，生产效率低，处理后钢丝还要经过表面处理等一系列流程才可以使用，设备和工艺都十分复杂，生产成本相当高。如何用简单的工艺使中、高碳钢丝经过处理后能满足软化退火性能指标，是工程界非常关注的问题。
发明内容
本发明的目的是提供一种利用高能电脉冲对加工硬化的中、高碳钢丝在线连续软化退火处理工艺，从而取代目前使用的热处理炉退火处理工序，同时使中、高碳钢丝满足最终软化退火性能指标。
本发明的利用高能电脉冲对中、高碳钢丝进行在线连续软化退火方法，采用以下步骤：通过开卷装置和收卷装置带动钢丝以一定速度向所述收卷装置方向传输；配置一高能脉冲电源，该电源连续不断地输出高能电脉冲，并通过一对电极输入运动着的钢丝的加电区域段进行连续软化退火处理；其中，退火处理时输入运动着的钢丝加电区域段的高能脉冲电流的工艺参数为：脉冲宽度10～200μs，频率50～3000Hz，电流密度的幅值100～1500A/mm2；钢丝直径为0.05～6.5mm；正负电极之间的距离为80～400mm，所述钢丝的传输速度为0.5～80m/min。
所述高能脉冲电流的优选工艺参数为：脉冲宽度20～100μs，频率100～1500Hz，电流密度的幅值200～1500A/mm2。
本发明与现有其它常规处理中、高碳钢丝技术相比有以下有益效果：
1.在电脉冲软化退火处理过程中，中、高碳钢丝中产生一定的焦耳热效应和非热效应，由于焦耳热效应和非热效应的耦合作用，使原子振动能量进一步急剧增加，位错的攀移加速，有利于材料中因加工硬化所形成的亚晶转动，这些因素促进了铁素体的再结晶进程。通过显微组织分析，在电脉冲处理后的高碳钢丝中观察到的渗碳体仍然为球状，并均匀的分布在铁素体基体中，没有发现任何片状的珠光体。中碳钢中为灰黑色细片状珠光体以及白色铁素体组织，沿晶界分布，晶粒细小。
2.电脉冲处理时间短，处理温度低，因此处理过程中减少了材料的脱碳、氧化程度。从而减少了常规处理技术因升高温度和长时间保温所带来的脱碳、氧化加剧的现象。
3.经过电脉冲处理后，最终可以满足退火中、高碳钢丝性能指标。
4.电脉冲处理工艺具有设备简单，可取代目前使用的热处理炉退火工序，并且能够实现在线连续软化退火，大大提高生产效率。
5.本发明构思新颖，可适用于直径为0.05～6.5mm的中、高碳钢丝退火处理，具有生产成本低，效率高，能耗低，环境得到改善，处理后的中、高碳钢丝质量稳定性好，能够获得优异的综合性能。
附图说明
图1为高能电脉冲在线连续软化退火处理装置示意图；
图2为GCr15钢丝在加工硬化前的金相组织；
图3为同一GCr15冷拉钢丝加工硬化后的金相组织；
图4为同一GCr15冷拉钢丝硬化后经电脉冲处理后的金相组织；
图5为55钢丝加工硬化后的金相组织；
图6为同一55钢丝硬化后经电脉冲处理后的金相组织。
具体实施方式
参照图1，实现本发明方法的高能电脉冲退火处理设备包括开卷装置1、收卷装置2、高能脉冲电源4、设置于开卷装置1和收卷装置2之间的一对电极3、5。中、高碳钢丝6由开、收卷装置支撑并张紧，它们带有的张力调整机构保证钢丝运动过程的稳定性。开、收卷装置旋转能带动钢丝以一定速度向所述收卷装置2方向(图1箭头方向)连续传输，钢丝的传输速度可为0.5～80m/min，传输速度由变频器和力矩电机调整控制(图中未画出)，在0.5～80m/min范围内连续可调。
高能脉冲电源4的正、负输出端分别连接两个电极5、3，通过这两个电极使高能脉冲电流输入运动着的中、高碳钢丝的加电区域段进行连续软化退火处理。高能脉冲电源4的最大输出功率为15KW，输出脉冲宽度可为10～200μs，输出脉冲频率为50～3000Hz。
两个电极3、5是两个采用铜覆镍层制成的电极压块，上、下电极压块与中、高碳钢丝接触处设置用于容纳钢丝的槽，以保证接触良好，减小接触电阻。两电极之间的距离在80～400mm范围内可调，使用时根据所需的处理速度调整，速度越快，两电极之间的距离应加长。电极也可以采用铜-石墨、弥散强化铜或黄铜等导电性较好且耐磨的材料制成。
通过图1所示设备，中、高碳钢丝在线连续软化退火过程如下：
通过图1所示开卷装置1、收卷装置2带动中、高碳钢丝6以一定速度向所述收卷装置2方向传输，钢丝的传输速度根据需要可在0.5～80m/min范围内调整。
将所述高能脉冲电源4的高能脉冲电流通过电极3、5输入运动着的中、高碳钢丝6的加电区域段进行连续软化退火处理。处理时输入运动的钢丝的加电区域段的高能脉冲电流的工艺参数为：脉冲宽度10～200μs，频率50～3000Hz，电流密度的幅值100～1500A/mm2。优选高能脉冲电流的工艺参数为：脉冲宽度20～100μs，频率100～1500Hz，电流密度的幅值200～1500A/mm2。本方法适用于直径为Φ0.05～6.5mm的中、高碳钢丝的在线连续软化退火处理。
实施例1：原始退火态直径为2.00mm的GCr15钢丝经多道次冷拉拔后，丝的直径为1.05mm。采用图1所示设备和本发明高能电脉冲在线软化退火工艺对该GCr15钢丝进行处理。图2为GCr15钢丝在冷拉变形硬化前的金相组织(球化退火组织)，球状渗碳体均匀分布在铁素体基体中。图3为GCr15钢丝经过冷拉变形硬化后的金相组织，铁素体基体晶粒伸长为纤维状，渗碳体仍然为球状，沿着铁素体变形方向分布。
参照图1，GCr15钢丝由开卷装置1和收卷装置2带动按箭头方向以速度6m/min或16m/min传输，高能脉冲电源的正、负极则分别从铜覆镍层制成的电极(电极距离为250mm)接入运动的GCr15钢丝的加电区域段进行连续软化退火处理。输入的高能脉冲电流的脉冲宽度60μs，电压为110V，频率为330Hz，脉冲峰值电流密度为550A/mm2。
实验发现，经高能电脉冲处理的GCr15钢丝内，没有出现任何片状珠光体，仍然为球状渗碳体均匀分布在再结晶后的铁素体基体中(如图4)。即通过电脉冲处理使得GCr15达到了软化退火的效果，降低了能耗，提高了生产效率，材料的组织和力学性能均匀，质量稳定。
GCr15钢丝处理前后的性能比较见表1。表1结果表明：经过高能电脉冲软化退火处理的GCr15钢丝与原始退火态GCr15钢丝比较，材料抗拉强度明显提高，同时延伸率接近，经软化退火处理的GCr15钢丝综合机械性能优异。
表1
 GCr15   原始退火态(φ2.00mm)   加工硬化态(φ1.05mm)   电脉冲处理后(φ1.05mm)
 抗拉强度(MPa)   615   1180   685
 延伸率(％)   25   2   23
实施例2：原始为加工硬化态的55钢丝，直径0.98mm。采用图1所示设备和本发明高能电脉冲在线连续软化退火工艺对该55钢丝进行处理。图5为55钢丝加工硬化后的金相组织，铁素体晶粒伸长为纤维状，珠光体沿着铁素体变形方向分布。
参照图1，55钢丝由开卷装置1和收卷装置2带动按箭头方向以速度8m/min传输，高能脉冲电源的正、负极则分别从铜覆镍层制成的电极(电极距离为250mm)接入运动的55钢丝的加电区域段进行连续软化退火处理。输入的高能脉冲电流的脉冲宽度60μs，电压为110V，频率为380Hz，脉冲峰值电流密度为250A/mm2。
实验发现，经高能电脉冲处理后，55钢丝为灰黑色细片状珠光体以及白色铁素体组织，沿晶界分布，晶粒细小(如图6)。即通过电脉冲处理使得55钢丝达到了软化退火的效果，提高了生产效率，降低了能耗，材料的组织和力学性能均匀，质量稳定。
55钢丝处理前后的性能比较见表2。表2结果表明：经过高能电脉冲连续软化退火处理的55钢丝与常规退火态55钢丝比较，在延伸率接近的情况下，材料抗拉强度明显提高，即55钢丝获得了优异的综合机械性能。
表2
 55   常规退火   加工硬化态   电脉冲处理后
 抗拉强度(MPa)   660   2080   775
 延伸率(％)   13   ≤2   11

Claims (2)

1.利用高能电脉冲对中、高碳钢丝进行在线连续软化退火方法，其特征包括以下步骤：通过开卷装置和收卷装置带动钢丝以一定速度向所述收卷装置方向传输；配置一高能脉冲电源，该电源连续不断地输出高能电脉冲，并通过一对电极输入运动着的钢丝的加电区域段进行连续软化退火处理；其中，
退火处理时输入运动着的钢丝加电区域段的高能脉冲电流的工艺参数为：脉冲宽度10～200μs，频率50～3000Hz，电流密度的幅值100～1500A/mm2；钢丝直径为0.05～6.5mm；正负电极之间的距离为80～400mm，所述钢丝的传输速度为0.5～80m/min。
2.根据权利要求1的利用高能电脉冲对中、高碳钢丝进行在线连续软化退火方法，其特征是：所述高能脉冲电流的工艺参数为：脉冲宽度20～100μs，频率100～1500Hz，电流密度的幅值200～1500A/mm2。
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