CN101642782B

CN101642782B - 一种Cr-Ni系奥氏体耐热钢弹簧及其冷拔钢丝的制备方法

Info

Publication number: CN101642782B
Application number: CN2009100892845A
Authority: CN
Inventors: 王立民; 杨钢; 刘正东; 程世长; 林肇杰; 李密
Original assignee: Central Iron and Steel Research Institute
Current assignee: Central Iron and Steel Research Institute
Priority date: 2009-07-15
Filing date: 2009-07-15
Publication date: 2011-06-22
Anticipated expiration: 2029-07-15
Also published as: CN101642782A

Abstract

本发明涉及一种Cr-Ni系奥氏体耐热钢弹簧及其冷拔钢丝的制备方法，该冷拔钢丝的制备方法包括以下步骤：冶炼、锻造、热轧和冷变形，其中：冷拔钢丝的化学成分按重量百分比为：C：0.025～0.085、Cr：14.0～16.0、Ni：25.0～28.0、Mo：1.0～1.6、Ti：2.6～3.2、Al：0.22～0.45、Si：0.28～0.44、Mn：0.24～0.45、S：≤0.007、P：≤0.010、B：0.0025～0.01、Ca：0.0013～0.03，其余为Fe和不可避免的杂质；冷变形步骤的变形量为10～40％，最佳冷变形量为20％～25％，这样可使钢丝的强度和塑性具有最佳配合。采用上述钢丝制备的耐热钢弹簧，其回弹力大大提高，从而可提高制得弹簧的合格率。

Description

一种Cr-Ni系奥氏体耐热钢弹簧及其冷拔钢丝的制备方法

技术领域

本发明属于金属材料及其制备领域，特别涉及一种Cr-Ni系奥氏体耐热钢弹簧及其冷拔钢丝的制备方法，主要适用于冶金、机械、化工等领域。

背景技术

在目前技术中，冷拔丝材采用的冷变形量通常在百分之几至百分之九十几之间，主要根据丝材的钢种、用途和性能要求决定。如为保证Fe-Cr-Ni系奥氏体不锈钢具有较好的永磁特性，其丝材的冷拔变形量最好控制在百分之九十多(《上海钢研》2000年第26卷第3期，第1页～第4页)。而对于GH90用作弹簧的丝材，为保证满足技术条件要求，其冷拔变形量最好控制在40％～45％(《上海钢研》2005年第3期，第24页～第26页)。冷拔丝材的变形量根据不同材料、不同用途以及不同性能要求，可以有不同的选择。

制作弹簧大部分采用冷拔丝材，不同之处是有的在冷拔后直接卷曲成簧，有的是经过固溶后再制成弹簧。用两种方法制得的弹簧都要经过时效和稳定化处理，时效处理是在原基体中析出细小弥散分布的强化相，以提高丝材的强度；而稳定化处理是在时效并获得较高强度后再进行压缩时效，即在使用温度以上的某个温度强制压缩时效较长时间，一方面可以稳定弹簧的组织，另一方面可以保证弹簧在使用温度下具有较高的回弹力。所以，制造弹簧丝材时效后的强度和稳定化处理之后的回弹力直接影响弹簧的性能，但这两种性能都和制造弹簧所用丝材的冷拔变形量有关。

Cr-Ni系奥氏体耐热钢(例如1Cr15Ni27Ti3Mo1Al)，可以在不高于600℃的温度下工作。由该材料制成的弹簧可以用于冶金、机械、化工等耐热部件上。该弹簧工作在高温、高压、腐蚀等恶劣条件下，并承担着传递压力，控制某些部件的开合，作用非常重要。而和弹簧性能直接相关的就是制造弹簧所用丝材的强度以及弹簧的回弹力。选择本发明中的冷拔变形量可以提高制得弹簧的合格率，但是现有技术中对于与该成分最佳匹配的冷变形量却没有进行深入的研究。

发明内容

本发明的目的之一是提供一种Cr-Ni系奥氏体耐热钢弹簧用冷拔钢丝制备方法，采用1Cr15Ni27Ti3Mo1Al耐热钢与最佳冷变形量的结合，得到具有高强度和高塑性最佳配合的冷拔钢丝。

本发明的另一目的是提供一种Cr-Ni系奥氏体耐热钢弹簧的制备方法，采用上述方法得到的弹簧的回弹力提高，从而提高制得弹簧的合格率。

为了达到上述目的，本发明是这样实现的：

一种Cr-Ni系奥氏体耐热钢弹簧用冷拔钢丝的制备方法，包括以下步骤：冶炼、锻造、热轧和冷变形，冷拔钢丝的化学成分按重量百分比为：C：0.025～0.085、Cr：14.0～16.0、Ni：25.0～28.0、Mo：1.0～1.6、Ti：2.6～3.2、Al：0.22～0.45、Si：0.28～0.44、Mn：0.24～0.45、S：≤0.007、P：≤0.010、B：0.0025～0.01、Ca：0.0013～0.03，其余为Fe和不可避免的杂质；

冷变形步骤的变形量为10～40％。

最佳变形量为20～25％。

冷变形步骤包括2步或2步以上的冷拔工艺，冷拔工艺之间有软化退火、酸洗和精整。

所述软化退火为在1050℃±10℃，保温2～3小时。

该制备方法具有至少一组以下工艺参数：

冶炼步骤采用真空感应和真空自耗冶炼，得到的真空自耗锭为Φ200～240×1500～1800mm；

锻造步骤为采用2000t快锻机对自耗锭开坯，加工成145～165mm方坯；

热轧步骤为将上述方坯轧成Φ8～10mm直条，采用650和250轧机，开轧温度≥1060℃，停轧温度≥900℃，成品终轧温度≥950℃。

一种Cr-Ni系奥氏体耐热钢弹簧的制备方法，包括以下步骤：冶炼、锻造、热轧、冷变形和加工成弹簧，弹簧的化学成分按重量百分比为：C：0.025～0.085、Cr：14.0～16.0、Ni：25.0～28.0、Mo：1.0～1.6、Ti：2.6～3.2、Al：0.22～0.45、Si：0.28～0.44、Mn：0.24～0.45、S：≤0.007、P：≤0.010、B：0.0025～0.01、Ca：0.0013～0.03，其余为Fe和不可避免的杂质；

冷变形步骤的变形量为10～40％；

在加工成弹簧后进行时效处理和稳定化处理。

最佳变形量为20～25％。

时效处理为在700℃±10℃，空冷5～5.5小时。

稳定化处理为在500℃±10℃，空冷20～30小时。

弹簧具有至少以下性能之一：

时效后室温力学性能为：R_m：1170～1450MPa、R_p0.2：1150～1280MPa、A：3.5～8％、Z：30.0～47.5％、HV_0.1：362～475；

稳定化处理后的回弹力为24～103N。

当变形量为20～25％时，稳定化处理后的回弹力为59～103N。

本发明的关键在于：采用1Cr15Ni27Ti3Mo1Al耐热钢与最佳冷变形量的结合，得到具有高强度和高塑性配合的冷拔钢丝。

冷拔后丝材的性能与丝材所承受的冷变形量直接相关。金属或合金经过冷变形后，材料内部晶粒发生滑移，位错密度大幅度增加，逐渐出现位错缠结，进而阻碍位错在材料内部的移动，从而提高了材料的强度和硬度。同时，由于位错缠结增多，位错滑移更加困难，致塑性随冷变形量的增加而下降。很明显，冷变形量和材料的强度成正比变化，冷变形量越大，晶粒变形越激烈，位错增殖越多，强度也越高，塑性越低，反之强度越低，塑性越高。而冷变形直接时效后的性能也有同样规律，即，冷变形量越大，时效后的强度也越高，塑性越低。而且对于1Cr15Ni27Ti3Mo1Al钢而言，冷变形后直接时效会进一步提高材料的强度，因为在时效过程中析出了细小弥散的析出物，强化了基体，而冷变形量的增加也会促进这种强化相的析出。但强度提高的同时塑性会下降，对于冷变形钢丝存在一个最佳的冷变形区间，可以达到强度和塑性的最佳配合。

由1Cr15Ni27Ti3Mo1Al冷拔丝材制得的弹簧经过时效处理后还要经过稳定化处理，即在使用温度以上再经过较长时间的强制压缩时效处理，其目的之一是使组织进一步稳定，目的之二是保证弹簧在使用温度上能有较高的回弹力。稳定化处理后的性能除了和稳定化处理工艺有关外，还和丝材的冷拔变形量密切相关。冷变形量过小(＜10％)时，时效后强化相析出不充分，强度低，稳定化处理后弹性性能差，回弹力不足；冷变形量过大(＞40％)时，加工硬化严重，时效过程中强化相会出现过时效，即发生强化相粗化现象，表现为强度上升，而塑性、韧性下降。经过稳定化处理之后同样会引起回弹力的下降，影响弹簧的性能。因此，对于制造弹簧的冷拔丝材而言，存在一个最佳的冷变形量，即20～25％，可使得丝材的强度和塑性达到最佳匹配，使得弹簧的回弹力大大提高。

与现有技术相比，本发明的有益效果在于：

对于Cr-Ni系奥氏体耐热钢弹簧用冷拔钢丝，通过1Cr15Ni27Ti3Mo1Al耐热钢的成分与最佳冷变形量的结合，使得冷拔钢丝的强度和塑性达到最佳匹配。这样，使得奥氏体耐热钢弹簧的回弹力提高，从而提高制得弹簧的合格率。

具体实施方式

下面结合一个典型实施例对本发明作进一步说明。

本实施例中，采用的1Cr15Ni27Ti3Mo1Al奥氏体耐热钢的具体成分如表1所示。具体的工艺流程为：

冷拔钢丝的制备

采用真空感应+真空自耗冶炼一炉1Cr15Ni27Ti3Mo1Al奥氏体耐热钢，真空自耗铸锭规格为Φ240×1800mm。用2000t快锻机对自耗锭开坯，加工成145mm方坯，再经过650和250轧机轧成Φ8mm直条，开轧温度≥1060℃，停轧温度≥900℃，成品终轧温度≥950℃。直条经过酸洗、表面清理，冷拔到Φ5.5mm，经过1050℃软化退火，再经过酸洗、精整，分别冷拔到Φ3.16mm、Φ3.36mm、Φ3.59mm、Φ3.87mm，再经过软化退火，酸洗和精整，最后冷拔成Φ3mm丝材，保证四种丝材冷变形量分别为10％、20％、30％和40％。对这些丝材进行时效处理，测试其时效处理后的强度和塑性。

将上述冷拔钢丝制成弹簧

把不同冷变形量的丝材制成弹簧，首先在车床上安装心轴，在心轴上固定金属丝一端，用顶尖夹紧，把弹簧缠到心轴上，在心轴上固定另一端，对弹簧进行时效热处理。然后对弹簧磨光、修边。压缩弹簧至稳定化高度，进行稳定化时效处理。经过时效和稳定化处理之后，测试其回弹力及回弹高度，综合考虑时效处理后的强度和塑性以及稳定化处理之后的回弹力，提出最佳的冷变形量。

在本实施例中，1Cr15Ni27Ti3Mo1Al奥氏体耐热钢采用现有技术(冶炼、锻造、热轧、冷拔)制备试料、试样，其中，表1为本实施例化学成分，表2为本发明实施例1化学成分经过时效后的室温力学性能，可以看出，冷便量过小，材料的强度降低，弹簧的安全性降低；冷变形量过大，塑性降低，弹簧的安全性同样降低。表3为本发明实施例1化学成分制得的弹簧经过稳定化处理之后的回弹力及回弹高度，当冷变形量为20％时，制得的弹簧普遍具有最高的回弹高度和回弹力，弹簧能够较好地发挥紧固件的功能，冷变形量为30％的次之。

表1本发明实施例化学成分及对比合金成分(wt％)

表2本发明实施例1化学成分时效后室温力学性能

表1中R_m为抗拉强度，R_p0.2为规定非比例延伸强度，A为断后伸长率，Z为断面收缩率，HV_0.1为维氏硬度值。

表3本发明实施例1化学成分弹簧稳定化处理之后的回弹力

Claims

1.一种Cr-Ni系奥氏体耐热钢弹簧用冷拔钢丝的制备方法，包括以下步骤：冶炼、锻造、热轧和冷变形，其特征在于：

冷拔钢丝的化学成分按重量百分比为：C：0.025～0.085、Cr：14.0～16.0、Ni：25.0～28.0、Mo：1.0～1.6、Ti：2.6～3.2、Al：0.22～0.45、Si：0.28～0.44、Mn：0.24～0.45、S：≤0.007、P：≤0.010、B：0.0025～0.01、Ca：0.0013～0.03，其余为Fe和不可避免的杂质；

冷变形步骤包括2步或2步以上的冷拔工艺，冷拔工艺之间有软化退火、酸洗和精整，冷变形步骤的变形量为10～40％。

2.按照权利要求1所述的冷拔钢丝的制备方法，其特征在于：变形量为20～25％。

3.按照权利要求1所述的冷拔钢丝的制备方法，其特征在于：

所述软化退火为在1050℃±10℃，保温2～3小时。

4.按照权利要求1所述的冷拔钢丝的制备方法，其特征在于：

该方法具有至少一组以下工艺参数：

冶炼步骤采用真空感应和真空自耗冶炼，得到的真空自耗锭为Ф200～240×1500～1800mm；

热轧步骤为将上述方坯轧成Ф8～10mm直条，采用650和250轧机，开轧温度≥1060℃，停轧温度≥900℃，成品终轧温度≥950℃。

5.一种Cr-Ni系奥氏体耐热钢弹簧的制备方法，包括以下步骤：

冶炼、锻造、热轧、冷变形和加工成弹簧，其特征在于：

弹簧的化学成分按重量百分比为：C：0.025～0.085、Cr：14.0～16.0、Ni：25.0～28.0、Mo：1.0～1.6、Ti：2.6～3.2、Al：0.22～0.45、Si：0.28～0.44、Mn：0.24～0.45、S：≤0.007、P：≤0.010、B：0.0025～0.01、Ca：0.0013～0.03，其余为Fe和不可避免的杂质；

冷变形步骤的变形量为10～40％；

在加工成弹簧后进行时效处理和稳定化处理。

6.按照权利要求5所述的弹簧的制备方法，其特征在于：变形量为20～25％。

7.按照权利要求5所述的弹簧的制备方法，其特征在于：时效处理为在700℃±10℃，空冷5～5.5小时。

8.按照权利要求5所述的弹簧的制备方法，其特征在于：稳定化处理为在500℃±10℃，空冷20～30小时。

9.按照权利要求5所述的弹簧的制备方法，其特征在于：弹簧具有至少以下性能之一：

时效后室温力学性能为：抗拉强度R_m：1170～1450MPa、规定非比例延伸强度R_p0.2：1150～1280MPa、断后伸长率A：3.5～8％、断面收缩率Z：30.0～47.5％、维氏硬度值HV_0.1：362～475；

稳定化处理后的回弹力为24～103N。

10.按照权利要求6所述的弹簧的制备方法，其特征在于：当变形量为20～25％时，稳定化处理后的回弹力为59～103N。