CN105779726A - 一种sae1065钢丝的热处理方法及系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种SAE1065钢丝的热处理方法及系统。方法包括在温度300±25℃下，对钢丝进行加载，以速度0.92～1.4mm/min均匀拉长钢丝，时长为5min后，空冷至室温，卸载，得到热处理的SAE1065钢丝。系统包括加热炉(1)，加热炉(1)两侧分别设有原料钢丝卷筒(2)和成品钢丝卷筒(3)，SAE1065钢丝(4)穿过加热炉(1)，两端分别卷绕在原料钢丝卷筒(2)和成品钢丝卷筒(3)上，所述成品钢丝卷筒(3)通过减速装置(5)和传动机构(6)与动力装置(7)相连，所述原料钢丝卷筒(2)上设有制动机构(8)。本发明的方法及系统，可大幅提高SAE1065钢丝的弯曲疲劳抗力高，延长钢丝的使用寿命。

Description

一种SAE1065钢丝的热处理方法及系统
技术领域
本发明属于热处理技术领域，特别是一种使SAE1065钢丝获取高弯曲疲劳抗力的热处理方法及系统。
背景技术
钢丝广泛应用在工程领域中。例如，用多根或多股细钢丝拧成的挠性绳索，在生产、生活中起到搬运作用机械中，供提升、牵引、拉紧和承载之用，如石油钻井用钢丝绳、起重机用钢丝绳、矿山用钢丝绳、架空索道用钢丝绳和电梯用钢丝绳等。钢丝的性能和寿命直接关系到设备的正常运转、寿命和成本，甚至直接关系到人身生命安全。
SAE1065钢丝是指用符合美国标准含碳量为0.60～0.70％的优质碳钢制成的钢丝。通常，在使用SAE1065钢丝的工程机械中，钢丝均承受重载，包括承受拉伸、压缩、扭转及疲劳弯曲等交变载荷的作用。因此，钢丝经常会发生磨损、表面损伤、腐蚀、锈蚀以及断裂等。磨损是钢丝与卷筒、滑轮或其它钢丝之间具有相对运动，造成钢丝表面材料的剥落。腐蚀是钢丝工作在恶劣的环境中，钢丝与环境介质发生反应造成腐蚀。磨损和腐蚀均会引起钢丝的表面损伤和锈蚀。这些失效形式均是渐变、逐步累积的过程，但钢丝的断裂具有突然性，也是最难预防的。研究表明，钢丝的失效形式主要有磨损、锈蚀和断裂三种。其中以断裂最为常见，而疲劳断裂约占钢丝断裂的70％。以石油开采钻井使用钢丝绳为例，如图1所示。从图中可以看出，钢丝绳中的钢丝在收、放过程中，经过定滑轮和动滑轮不断地将钻杆提高和压低。由于钢丝绳的特殊性，其断裂失效主要分为断丝、断股和断绳三类，断股和短绳均是断丝发展到一定程度的结果，而断丝的根源在于钢丝的弯曲疲劳失效，因此提高钢丝的疲劳抗力是解决SAE1065钢丝较低寿命的关键所在。
为改善钢丝性能及延长使用寿命，对钢丝的锈蚀问题，最为常见的方法为钢丝的表面涂上润滑油，或在表面上镀锌、镀铝防止腐蚀，甚至用不锈钢来制造钢丝。但这样大大增加了使用成本。也有采用退火、正火、淬火等热处理工艺提高SAE1065钢丝的韧性和强度。但对钢丝的最重要的弯曲疲劳断裂失效一直没有特别好的解决办法。
因此，现有技术存在的问题是：SAE1065钢丝的弯曲疲劳抗力不高，使其容易弯曲疲劳失效，导致使用寿命短。
发明内容
本发明的目的在于提供一种SAE1065钢丝的热处理方法，使其弯曲疲劳抗力高，以延长钢丝的使用寿命
本发明的另一目的在于提供一种SAE1065钢丝的热处理系统。
实现本发明目的的技术解决方案为：
一种SAE1065钢丝的热处理方法，包括在温度300±25℃下，对钢丝进行加载，以速度0.92～1.4mm/min均匀拉长钢丝，时长为5min后，空冷至室温，卸载，得到热处理的SAE1065钢丝。
实现本发明另一目的的技术解决方案为：
一种SAE1065钢丝的热处理系统，包括加热炉，加热炉两侧分别设有原料钢丝卷筒和成品钢丝卷筒，SAE1065钢丝穿过加热炉，两端分别卷绕在原料钢丝卷筒和成品钢丝卷筒上，所述成品钢丝卷筒通过减速装置和传动机构与动力装置相连，所述原料钢丝卷筒上设有制动机构。
本发明与现有技术相比，其显著优点为：
经热处理的SAE1065钢丝弯曲疲劳抗力高，使用寿命长。经计算，采用本发明方法处理的SAE1065钢丝抗疲劳能力提高70％。实验表明，采用本发明方法处理的SAE1065钢丝寿命可提高35％。
本发明之所以能够大幅提高SAE1065钢丝的弯曲疲劳寿命，优势在于我们提出的热处理方案能够有效降低SAE1065钢丝中的可动位错数量和强化塑性变形微区，通常弯曲疲劳断裂是一个在交变载荷下重复进行的微量塑性变形、形成裂纹及断裂的过程，塑性变形积累的过程就是材料内部的损伤，降低对SAE1065钢丝在使用过程中的疲劳损伤积累，遏制裂纹的形成，从而提高弯曲疲劳抗力。
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的详细描述。
附图说明
图1a为石油钻井用SAE1065钢丝绳工作示意图，图1b为钢丝组成钢丝绳模型。
图2为SAE1065钢丝热处理设备设计图。
图3为本发明SAE1065钢丝的热处理方法的工艺过程图。
图4为SAE1065钢丝应力幅和循环次数的关系图。
图5为SAE1065钢丝疲劳损伤曲线图。
图中，加热炉1，原料钢丝卷筒2，成品钢丝卷筒3，SAE1065钢丝4，减速装置5，传动机构6，动力装置7，制动机构8。
具体实施方式
本发明SAE1065钢丝的热处理方法，包括在温度300±25℃下，对钢丝进行加载，以速度0.92～1.4mm/min均匀拉长钢丝，时长为5min后，空冷至室温，卸载，得到热处理的SAE1065钢丝。
优选地，对钢丝进行加载时的温度为300±10℃。
优选地，对钢丝进行均匀拉长的速度为1mm/min。
本发明SAE1065钢丝的热处理系统，包括加热炉1，加热炉1两侧分别设有原料钢丝卷筒2和成品钢丝卷筒3，SAE1065钢丝4穿过加热炉1，两端分别卷绕在原料钢丝卷筒2和成品钢丝卷筒3上，所述成品钢丝卷筒3通过减速装置5和传动机构6与动力装置7相连，所述原料钢丝卷筒2上设有制动机构8。
优选地，所述加热炉1为管式加热炉。
优选地，所述动力装置7为电动机。
优选地，所述减速装置5为齿轮蜗杆减速器。
本发明SAE1065钢丝的热处理系统的工作过程如下：
第一步：将盘卷在钢丝卷筒2上未经过任何处理的SAE1065钢丝拉直穿过加热炉，盘卷在钢丝卷筒2上。
第二步：加热炉温度升至300±25℃范围内，同时通过制动装置将钢丝卷筒2的外侧圆盘制动。
对钢丝进行加载时的优选温度为300±10℃。
第三步：启动电机，经齿轮装置、齿轮蜗杆减速器和皮带装置带动钢丝卷筒1转动，即对加热炉内的钢丝段加载。保持钢丝以0.92～1.4mm/min的速度均匀拉长，持续时常为5min。
对钢丝进行均匀拉长的优选速度为1mm/min。
第四步：上述步骤结束后，短时间1S内放开制动装置，将加热炉内的钢丝段快速拉出，再启动制动装置。空冷，冷至室温时卸载。这个过程也使得下一段未处理的钢丝进入加热炉，实现很好的衔接。
第五步：重复一到四步，直至钢丝全部完成热处理。
如表1所示为不同工艺下的SAE1065钢丝在3×104次循环下的应力幅关系表，从表中可看出300℃、1.2mm/min参数下的应力幅最高，其效果最好。
如图4所示为SAE1065钢丝应力幅和循环次数的关系图。其为采用本发明方法和系统在300℃、1.2mm/min参数下热处理和未经任何处理的两种SAE1065钢丝进行弯曲疲劳试验对比，疲劳寿命测试的主要指标为在交变载荷下，钢丝发生失效时的循环次数。测试结果如图4所示(S-N图)，图中曲线1为采用本发明热处理后的SAE1065钢丝在不同交变载荷下失效时对应的循环次数，曲线2为未经任何处理的SAE1065钢丝对应情况。结果表明，采用本发明特殊处理的SAE1065钢丝寿命提高35％。本发明之所以能够大幅提高SAE1065钢丝的弯曲疲劳寿命，优势在于我们提出的热处理方案能够有效降低SAE1065钢丝中的可动位错数量和强化塑性变形微区，通常弯曲疲劳断裂是一个在交变载荷下重复进行的微量塑性变形、形成裂纹及断裂的过程，塑性变形积累的过程就是材料内部的损伤，降低对SAE1065钢丝在使用过程中的疲劳损伤积累，遏制裂纹的形成，从而提高弯曲疲劳抗力。
表1为采用本发明方法和系统在不同工况下对SAE1065钢丝进行弯曲疲劳试验得到的应力幅。
表1不同工况下SAE1065钢丝的应力幅
如图5所示为SAE1065钢丝疲劳损伤曲线图。图中曲线1为在本发明310℃、1mm/min参数下热处理后的SAE1065钢丝的-lg(Δσ/Δσ0)和lg(1-N/Nf·Δε)关系图，曲线2为未经任何处理SAE1065钢丝的对应情况。通过公式计算获得未经任何处理的SAE1065钢丝的材料特性常数为P＝1.18,而经过本发明热处理后的SAE1065钢丝的P＝2.01，材料特性常数代表着一种材料的抗疲劳的强弱。经计算，SAE1065钢丝抗疲劳能力提高70％。这是本发明的关键所在。

Claims (7)

1.一种SAE1065钢丝的热处理方法，其特征在于：包括在温度300±25℃下，对钢丝进行加载，以速度0.92～1.4mm/min均匀拉长钢丝，时长为5min后，空冷至室温，卸载，得到热处理的SAE1065钢丝。
2.根据权利要求1所述的热处理方法，其特征在于：对对钢丝进行加载时的温度为300±10℃。
3.根据权利要求1所述的热处理方法，其特征在于：对对钢丝进行均匀拉长的速度为1mm/min。
4.一种SAE1065钢丝的热处理系统，其特征在于：包括加热炉(1)，加热炉(1)两侧分别设有原料钢丝卷筒(2)和成品钢丝卷筒(3)，SAE1065钢丝(4)穿过加热炉(1)，两端分别卷绕在原料钢丝卷筒(2)和成品钢丝卷筒(3)上，
所述成品钢丝卷筒(3)通过减速装置(5)和传动机构(6)与动力装置(7)相连，所述原料钢丝卷筒(2)上设有制动机构(8)。
5.根据权利要求4所述的热处理系统，其特征在于：所述加热炉(1)为管式加热炉。
6.根据权利要求4所述的热处理系统，其特征在于：所述动力装置(7)为电动机。
7.根据权利要求4所述的热处理系统，其特征在于：所述减速装置(5)为齿轮蜗杆减速器。
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