CN109023121B - 铁素体易切削不锈钢丝的加工方法 - Google Patents

铁素体易切削不锈钢丝的加工方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种铁素体易切削不锈钢丝的加工方法，包括：(1)按照减面率为10％至20％对原料盘条进行第一次拉拔，随后进行第一次退火；(2)按照减面率为60％至80％对第一次退火后的不锈钢丝进行第二次拉拔，随后进行第二次退火；(3)按照减面率为20％至40％对第二次退火后的不锈钢丝进行第三次拉拔得到成品不锈钢丝。本发明的加工方法能够有效解决铁素体易切削不锈钢丝横截面不均匀和碳化铬析出的问题。

Description

铁素体易切削不锈钢丝的加工方法
技术领域
本发明涉及不锈钢加工技术领域，具体地，本发明涉及一种铁素体易切削不锈钢丝的加工方法。
背景技术
不锈钢丝在拉拔过程中，金属材料的变形和组织的不均匀性是客观存在的。钢丝拉拔时，材料边部的金属变形量大、晶粒组织细小，材料中部的金属变形量小、晶粒组织较大，晶粒组织的大小又影响了显微硬度的大小，这种边部和中部的差别，对于一般用途的钢丝影响不大，但是对于易切削不锈钢丝这样要打微孔的产品，影响却较大。
以易切削不锈钢丝的其中一种产品—圆珠笔头为例，在加工笔头过程中，其横截面的组织和显微硬度要求均匀性好，其边部和中心的晶粒度级别不超过一级、硬度差不超过5％。笔头加工时微小的钻头在笔头钢丝的断面要钻出壁厚均匀的孔，这样才能保证最终成品笔头的质量。如果笔头钢丝横截面组织和显微硬度不均匀，钻孔时会出现偏心，打穿侧壁，或者中心偏软、切削面粗糙，即为废品。另外，这种不均匀性还会导致钻头受力不均匀而折断，所以这种不锈钢丝性能要求里非常重要的一条是横截面维氏硬度应在240～290范围内，而且中心和边部维氏硬度差不能超过5％。
这种易切削不锈钢丝是含有易切削元素S、Pb和Te的特殊铁素体不锈钢，材料的延伸率在20～30％范围，所以其常规拉拔工艺是中等变形量多道次拉拔、多次退火。由于每道次变形量不足够大、变形不能有效渗透到中部，所以造成边部和中部的微观组织差异性较大，硬度差异也较大。如果硬度差超过5％，在加工笔头时容易发生问题。
这种易切削不锈钢丝容易出现的另外一个问题是碳化物析出。因为碳原子在铁素体组织中的固溶度很小，在600℃以下，碳原子在铁素体中的固溶度小于0.005％，多余碳以碳化物的方式析出，铁素体不锈钢中通常析出铬与碳的化合物Cr23C6，该碳化物硬度很高，一般呈网状析出，使铁素体不锈钢脆性增加，影响钢的塑性、韧性。此外，铬与碳结合后，其周围基体中铬含量减少，不锈钢中铬为主要的耐腐蚀元素，基体中铬含量减少，使不锈钢容易受到晶间腐蚀。因此，现代铁素体不锈钢的成分特点是超低碳和加入铌或钛。超低碳即是在炼钢时尽量降低碳含量，冶炼出碳小于0.01％的超纯铁素体钢，但是在工业上达到碳小于0.005％的纯度，成本较高，所以通常在钢中加入铌或钛，使铌或钛优先和碳结合，呈弥散析出，从而解决了铁素体不锈钢的脆性和易受晶间腐蚀的问题。
但是，铁素体易切削不锈钢由于要达到超易切削性能，铌或钛的碳化物对切削时刀具的磨损较大，所以铁素体易切削不锈钢中不能加入铌或钛，因此对于铁素体易切削不锈钢要解决碳化铬的析出问题，必须通过其它方法来解决。
申请号为201210337531.0的中国发明专利申请公开了一种圆珠笔头用易切削不锈钢丝的制造方法。该方法包括：(1)皮膜处理，(2)烘干，(3)第一次拉拔和第一次在线光亮退火：第一次拉拔的减面率为40-60％，第一次在线光亮退火温度为700-900℃，退火速度为3-9m/min，(4)第二次拉拔和第二次在线光亮退火：第二次拉拔的减面率为40-60％，第二次在线光亮退火温度为700-900℃，退火速度为5-12m/min，(5)第三次拉拔和第三次在线光亮退火：第三次拉拔的减面率为25-45％。该方法的三次拉拔的减面率比较平均，使钢丝边部和中部晶粒度差值超过一级、边部和中部硬度差值大于5％，而两次退火温度均较低，无法有效阻止退火过程碳化物析出，从而在钢丝后续深加工成制品时不能达到最佳水平。
总体来看，目前还没有能够同时解决铁素体易切削不锈钢丝横截面均匀性问题和碳化铬析出问题的有效方法。
发明内容
本发明的目的是针对现有技术的缺陷，提供了一种铁素体易切削不锈钢丝的加工方法，用于解决铁素体易切削不锈钢丝横截面不均匀以及存在碳化铬析出的问题。
本发明的技术方案如下：
一种铁素体易切削不锈钢丝的加工方法，包括：
(1)按照减面率为10％至20％对原料盘条进行第一次拉拔，随后进行第一次退火；
(2)按照减面率为60％至80％对第一次退火后的不锈钢丝进行第二次拉拔，随后进行第二次退火；
(3)按照减面率为20％至40％对第二次退火后的不锈钢丝进行第三次拉拔得到成品不锈钢丝。
本发明的技术方案具有如下有益效果：
(1)采用小、大、小的拉拔变形量分配原则，改变了常规工艺中等变形量多道次拉拔的工艺，解决了铁素体易切削不锈钢丝横截面不均匀的问题。
(2)通过研究铁素体易切削不锈钢丝的直径、退火温度、加热保温时间以及冷却速度的配合关系，提出了短时高温快速冷却退火工艺，避免了不含铌或钛等稳定元素的铁素体易切削不锈钢丝中碳化铬析出问题。
附图说明
图1是实施例1的成品不锈钢丝的横截面的中部组织的扫描电镜图像。
图2是实施例1的成品不锈钢丝的横截面的边部组织的扫描电镜图像。
图3是对比例1的成品不锈钢丝的横截面的中部组织的扫描电镜图像。
图4是对比例1的成品不锈钢丝的横截面的边部组织的扫描电镜图像。
图5是实施例1的成品不锈钢丝中析出相的扫描电镜图像。
图6是实施例1的成品不锈钢丝中正常黑色析出相硫化锰的元素分析图。
图7是对比例1的成品不锈钢丝中析出相的扫描电镜图像。
图8是对比例1的成品不锈钢丝中白色有害析出相碳化铬的元素分析图。
其中，图1至图5以及图7的扫描电镜图像采用英国LEO公司438VP扫描电镜观察得到。基本参数设定：分辨率：4.0nm，放大倍数：2000X，样品室真空度：<2.0x10-6torr，加速电压：300v～30Kv。
其中，图6和图8的析出相的元素分析图采用438VP扫描电镜附带的X射线能谱仪KEVEX进行分析。能谱仪采集到的X射线谱线，不同能量位置的谱峰代表不同的元素成分。谱峰的高度，即强度，代表元素含量的多少。
具体实施方式
为充分了解本发明之目的、特征及功效，借由下述具体的实施方式，对本发明做详细说明，但本发明并不仅仅限于此。
一般铁素体不锈钢钢丝，由于钢中加入铌或钛，避免了碳化铬的有害影响，在冷拔生产退火时可以采用常规的700℃～900℃退火，而不会去采用需要操作非常精细的高温快速退火工艺。目前，对于铁素体易切削不锈钢丝，基本上沿用了700℃～900℃退火的退火工艺，但是发现钢中有碳化铬析出，并对最终的易切削性有影响。如果在炼钢时将碳含量控制非常低，这种碳化铬析出的影响比较轻微，因此，目前700℃～900℃退火是一种流行且可以采取的工艺。
但是，在生产用于圆珠笔头、微型轴、微型螺丝等产品的铁素体易切削不锈钢丝时，上述工艺会造成不锈钢丝横截面不均匀并出现碳化铬析出，从而对产品造成不利影响。针对这些问题，本发明的发明人通过研究创造性地对铁素体易切削不锈钢丝的拉拔和退火方法进行改进，提出了一种铁素体易切削不锈钢丝的加工方法。
本发明的加工方法主要针对不含铌或钛等稳定元素且碳含量极低的铁素体易切削不锈钢丝，例如，本发明的加工方法针对的铁素体易切削不锈钢丝的组成(重量百分比)是：C≤0.03％，Si：0.20～0.50％，Mn：0.90～1.50％，P≤0.050％，S：0.20～0.40％，Cr19.0％～21.0％，Mo:1.5％～2.5％，N≤0.030％，Pb:0.10％～0.30％，Te:0.01％～0.07％，其余为Fe与不可避免的杂质。
本发明的铁素体易切削不锈钢丝的加工方法包括三次拉拔和两次退火。具体地，本发明的铁素体易切削不锈钢丝的加工方法依次包括如下步骤：
(1)按照减面率为10％至20％对原料盘条进行第一次拉拔，随后进行第一次退火。
其中，第一次退火具体是指：第一次拉拔后的不锈钢丝在950℃至1050℃加热保温60秒至120秒，随后立即以不小于100℃/秒的速度冷却至300℃以下。
优选地，原料盘条的直径是5.50毫米至6.50毫米。
优选地，第一次拉拔的减面率是11.93％至17.35％。
优选地，第一次退火具体是指：第一次拉拔后的不锈钢丝在1000℃至1050℃加热保温50秒至150秒，随后立即以110℃/秒至200℃/秒的速度冷却至300℃以下。
(2)按照减面率为60％至80％对第一次退火后的不锈钢丝进行第二次拉拔，随后进行第二次退火。
其中，所述第二次退火具体是指：第二次拉拔后的不锈钢丝在950℃至1050℃加热保温50秒至150秒，随后立即以不小于100℃/秒的速度冷却至300℃以下。
优选地，第二次拉拔的减面率是68.64％至78.93％。
优选地，所述第二次退火具体是指：第二次拉拔后的不锈钢丝在980℃至1010℃加热保温50秒至100秒，随后立即以120℃/秒至150℃/秒的速度冷却至300℃以下。
(3)按照减面率为20％至40％对第二次退火后的不锈钢丝进行第三次拉拔得到成品不锈钢丝。
优选地，成品不锈钢丝的直径是1.00毫米至2.30毫米。
本发明的加工方法在拉拔时科学分配道次变形量，结合在特定的规格进行特殊工艺退火，实现钢丝横截面边部和中部晶粒度级别不超过一级、硬度差不超过5％以及无碳化物析出的目的。
在本发明的加工方法中，将拉拔过程分成三个阶段，各段的变形量分配原则为小、大、小，第一阶段变形量要小，主要是通过拉拔把热轧盘条原料的椭圆度减小、尺寸精度提高，为下一步的均匀变形做准备。第一段变形后，进行钢丝软化退火，由于这一段变形量小，材料边部和中部的不均匀性不大，通过退火可形成均匀组织，为下一步大变形拉拔做好准备。第二阶段变形量大，从而使拉变形从边部渗透到中部，这一段变形量越大、中部参与变形的材料越多，与边部的变形差异越小，然后再经过一次软化退火，消除变形痕迹和内应力。由于中部和边部变形量差不多，所以退火后组织也比较均匀。最后一阶段的变形量小，从而能够提高成品尺寸精度、表面光亮度和钢丝平直度，由于这一段变形量小，对组织的影响也小，第二阶段退火形成的均匀组织可以保持到成品不锈钢丝。经过本发明的加工方法加工之后的不锈钢丝无论是组织晶粒度还是显微硬度都比较均匀，能够很好的满足诸如圆珠笔头这类产品的生产要求。
在退火过程中，铁素体不锈钢中碳化物析出区间在600℃～910℃，由于生产过程中总要通过这个温度区间，所以难免会造成碳化铬析出。本发明的加工方法是使钢丝以大于100℃/秒的速度快速通过碳化铬析出温度区间，从而可以避免碳和铬结合。这主要是基于发明人的如下发现：
由于碳原子在高温奥氏体中溶解度非常大，所以通过高温加热保温，使碳原子在高温下溶解在奥氏体组织中，然后以非常快的速度冷却，由于在很短时间内冷到300℃以下，碳原子来不及扩散和与铬反应结合，从而能够阻止碳化铬的析出。
本发明的加工方法涉及的退火过程优选是连续光亮退火炉退火。
本发明的加工方法得到的成品不锈钢丝采用1.00毫米至2.30毫米的直径，由于直径较细，所以可以实现快速冷却，而其它尺寸较大的产品无法达到此效果。
本发明的铁素体易切削不锈钢丝的加工方法主要是针对拉拔和退火方法进行的改进。除上述方法之外，加工过程中涉及的其它工艺条件均采用本领域常规的方法或工艺，本领域技术人员可以根据实际情况进行合理选择，此处不作限定。
下面通过实施例的方式进一步说明本发明，但并不因此将本发明限制在所述的实施例范围之中。下列实施例中未注明具体条件的实验方法，按照常规方法和条件，或按照商品说明书选择。
在本发明中，减面率表示钢丝在拉拔后，截面积减小的绝对值与拉拔前的截面积的百分比。可采用如下公式计算：
减面率＝【(A÷2)2-(B÷2)2】/(A÷2)2×100％
其中，A表示拉拔之前的钢丝直径，B表示拉拔之后的钢丝直径。
下述实施例中，晶粒度采用GB/T 6394-2002《金属平均晶粒度测定方法》测定。
下述实施例中，硬度HV采用GB/T 4340.1《金属材料维氏硬度试验第1部分：试验方法》测定。
下述实施例中采用的原料盘条由申请人的上游生产线提供，元素重量百分比组成是：C 0.03％，Si 0.40％，Mn 1.50％，P 0.050％，S 0.20％，Cr 20.0％，Mo 2.13％，N0.030％，Pb 0.15％，Te 0.05％，其余为Fe与不可避免的杂质。
实施例1
本实施例采用的原料盘条的直径为6.50毫米。具体加工如下：
(1)第一次拉拔将原料盘条的直径由6.50毫米拉拔到6.10毫米，减面率＝【(6.50÷2)2-(6.10÷2)2】/(6.50÷2)2×100％＝11.93％。随后，不锈钢丝以1050℃的退火加热温度在连续退火炉中加热保温时间80秒，然后，钢丝出退火炉后马上进入水冷段，以200℃/秒的水冷速度冷却至300℃以下。
(2)第二次拉拔将不锈钢丝的直径由6.10毫米拉拔到2.80毫米，减面率＝【(6.10÷2)2-(2.80÷2)2】/(6.10÷2)2×100％＝78.93％。随后，不锈钢丝不锈钢丝以1000℃的退火加热温度在连续退火炉中加热保温时间60秒，然后，钢丝出退火炉后马上进入水冷段，以150℃/秒的水冷速度冷却至300℃以下。
(3)第三次拉拔将不锈钢丝的直径由2.80毫米拉拔到2.30毫米得到成品不锈钢丝，减面率＝【(2.80÷2)2-(2.30÷2)2】/(2.80÷2)2×100％＝32.52％。
本实施例的成品不锈钢丝的横截面的中部组织如图1所示，边部组织如图2所示。通过比较图1和图2可以看出，本实施例的成品不锈钢丝的横截面组织均匀。
本实施例的成品不锈钢丝的碳化铬析出情况如图5和图6所示，从图5和图6可以看出，本实施例的成品不锈钢丝没有碳化铬析出。
本实施例的成品不锈钢丝的晶粒度和硬度如表1所示。
实施例2
本实施例采用的原料盘条的直径为5.50毫米。具体加工如下：
(1)第一次拉拔将原料盘条的直径由5.50毫米拉拔到5.00毫米，减面率＝【(5.50÷2)2-(5.00÷2)2】/(5.50÷2)2×100％＝17.35％。随后，不锈钢丝以1010℃的退火加热温度在连续退火炉中加热保温时间60秒，然后，钢丝出退火炉后马上进入水冷段，以120℃/秒的水冷速度冷却至300℃以下。
(2)第二次拉拔将不锈钢丝的直径由5.00毫米拉拔到2.80毫米，减面率＝【(5.00÷2)2-(2.80÷2)2】/(5.00÷2)2×100％＝68.64％。随后，不锈钢丝不锈钢丝以1010℃的退火加热温度在连续退火炉中加热保温时间50秒，然后，钢丝出退火炉后马上进入水冷段，以150℃/秒的水冷速度冷却至300℃以下。
(3)第三次拉拔将不锈钢丝的直径由2.80毫米拉拔到2.30毫米得到成品，减面率＝【(2.80÷2)2-(2.30÷2)2】/(2.80÷2)2×100％＝32.52％。
本实施例的成品不锈钢丝的晶粒度和硬度如表1所示。
实施例3
本实施例采用的原料盘条的直径为5.50毫米。具体加工如下：
(1)第一次拉拔将原料盘条的直径由5.50毫米拉拔到5.00毫米，减面率＝【(5.50÷2)2-(5.00÷2)2】/(5.50÷2)2×100％＝17.35％。随后，不锈钢丝以1000℃的退火加热温度在连续退火炉中加热保温时间120秒，然后，钢丝出退火炉后马上进入水冷段，以110℃/秒的水冷速度冷却至300℃以下。
(2)第二次拉拔将不锈钢丝的直径由5.00毫米拉拔到2.65毫米，减面率＝【(5.00÷2)2-(2.65÷2)2】/(5.00÷2)2×100％＝71.90％。随后，不锈钢丝不锈钢丝以980℃的退火加热温度在连续退火炉中加热保温时间100秒，然后，钢丝出退火炉后马上进入水冷段，以120℃/秒的水冷速度冷却至300℃以下。
(3)第三次拉拔将不锈钢丝的直径由2.65毫米拉拔到2.30毫米得到成品，减面率＝【(2.65÷2)2-(2.30÷2)2】/(2.65÷2)2×100％＝24.67％。
本实施例的成品不锈钢丝的晶粒度和硬度如表1所示。
对比例1
对比例1采用的原料盘条的直径为5.50毫米。具体加工如下：
(1)第一次拉拔将原料盘条的直径由5.50毫米拉拔到4.00毫米，减面率＝【(5.50÷2)2-(4.00÷2)2】/(5.50÷2)2×100％＝47.11％。随后，不锈钢丝以860℃的退火加热温度在连续退火炉中加热保温时间180秒，然后，钢丝出退火炉后进入空冷段，以20℃/秒的冷却速度冷却至300℃以下。
(2)第二次拉拔将不锈钢丝的直径由4.00毫米拉拔到2.90毫米，减面率＝【(4.00÷2)2-(2.90÷2)2】/(4.00÷2)2×100％＝47.43％。随后，不锈钢丝以860℃的退火加热温度在连续退火炉中加热保温时间150秒，然后，钢丝出退火炉后进入空冷段，以20℃/秒的冷却速度冷却至300℃以下。
(3)第三次拉拔将不锈钢丝的直径由2.90毫米拉拔到2.30毫米得到成品，减面率＝【(2.90÷2)2-(2.30÷2)2】/(2.90÷2)2×100％＝37.10％。
对比例1的成品不锈钢丝的横截面的中部组织如图3所示，边部组织如图4所示。通过比较图3和图4可以看出，对比例1的成品不锈钢丝的横截面组织不均匀。
对比例1的成品不锈钢丝的碳化铬析出情况如图7和图8所示，从图中可以看出，对比例1的成品不锈钢丝出现了碳化铬析出的情况。
对比例1的成品不锈钢丝的晶粒度和硬度如表1所示。
对比例2
对比例2采用的原料盘条的直径为6.50毫米。具体加工如下：
(1)第一次拉拔将原料盘条的直径由6.50毫米拉拔到4.50毫米，减面率＝【(6.50÷2)2-(4.50÷2)2】/(6.50÷2)2×100％＝52.07％。随后，进行第一次在线光亮退火，退火温度800℃，退火速度5m/min。
(2)第二次拉拔将不锈钢丝的直径由4.50毫米拉拔到3.00毫米，减面率＝【(4.50÷2)2-(3.00÷2)2】/(4.50÷2)2×100％＝55.56％。随后，进行第二次在线光亮退火，退火温度750℃，退火速度10m/min。
(3)第三次拉拔将不锈钢丝的直径由3.00毫米拉拔到2.30毫米得到成品不锈钢丝，减面率＝【(3.00÷2)2-(2.30÷2)2】/(3.00÷2)2×100％＝41.22％。
对比例2的成品不锈钢丝的晶粒度和硬度如表1所示。
表1
Figure BDA0001825028840000101
从表1的数据可以看出，采用本发明的方法对铁素体易切削不锈钢丝进行处理之后，不锈钢丝横截面的中部与边部的晶粒度和硬度的差值均较小，横截面组织均匀。

Claims (8)

1.一种铁素体易切削不锈钢丝的加工方法，其特征在于，包括：
(1)按照减面率为10％至20％对原料盘条进行第一次拉拔，随后进行第一次退火；
(2)按照减面率为60％至80％对第一次退火后的不锈钢丝进行第二次拉拔，随后进行第二次退火；
(3)按照减面率为20％至40％对第二次退火后的不锈钢丝进行第三次拉拔得到成品不锈钢丝；
其中，所述第一次退火包括：第一次拉拔后的不锈钢丝在950℃至1050℃加热保温60秒至120秒，随后立即以不小于100℃/秒的速度冷却至300℃以下；所述第二次退火包括：第二次拉拔后的不锈钢丝在950℃至1050℃加热保温50秒至150秒，随后立即以不小于100℃/秒的速度冷却至300℃以下；
其中，所述成品不锈钢丝的直径是1.00毫米至2.30毫米；
其中，所述铁素体易切削不锈钢丝的重量百分比组成是：C≤0.03％，Si：0.20～0.50％，Mn：0.90～1.50％，P≤0.050％，S：0.20～0.40％，Cr 19.0％～21.0％，Mo:1.5％～2.5％，N≤0.030％，Pb:0.10％～0.30％，Te:0.01％～0.07％，其余为Fe与不可避免的杂质。
2.根据权利要求1所述的铁素体易切削不锈钢丝的加工方法，其特征在于，步骤(1)中，按照减面率为11.93％至17.35％对原料盘条进行第一次拉拔。
3.根据权利要求1所述的铁素体易切削不锈钢丝的加工方法，其特征在于，步骤(2)中，按照减面率为68.64％至78.93％对第一次退火后的不锈钢丝进行第二次拉拔。
4.根据权利要求1所述的铁素体易切削不锈钢丝的加工方法，其特征在于，步骤(3)中，按照减面率为24.67％至32.52％对第二次退火后的不锈钢丝进行第三次拉拔。
5.根据权利要求1所述的铁素体易切削不锈钢丝的加工方法，其特征在于所述第一次退火包括：第一次拉拔后的不锈钢丝在1000℃至1050℃加热保温50秒至150秒，随后立即以110℃/秒至200℃/秒的速度冷却至300℃以下。
6.根据权利要求1所述的铁素体易切削不锈钢丝的加工方法，其特征在于，所述第二次退火包括：第二次拉拔后的不锈钢丝在980℃至1010℃加热保温50秒至100秒，随后立即以120℃/秒至150℃/秒的速度冷却至300℃以下。
7.根据权利要求1所述的铁素体易切削不锈钢丝的加工方法，其特征在于，所述原料盘条的直径是5.50毫米至6.50毫米。
8.根据权利要求1所述的铁素体易切削不锈钢丝的加工方法，其特征在于，所述成品不锈钢丝的横截面的中心和边部的硬度差不大于5％。
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