CN109439860B - 超易切削铁素体不锈钢精线及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种超易切削铁素体不锈钢精线的制备方法，包括：(1)酸洗：对不锈钢热轧盘条进行酸洗处理以去除其表面的氧化皮；(2)表面处理：对经过步骤(1)酸洗后的不锈钢热轧盘条进行表面覆膜处理；(3)冷拉拔：按照道次变形量≤30％并且拔程总变形量≤85％对经过步骤(2)表面处理后的不锈钢热轧盘条进行冷拉拔得到不锈钢线材。本发明还提供了采用该制备方法得到的超易切削铁素体不锈钢精线。采用本发明的制备方法能够顺利将超易切削铁素体不锈钢制成精线，并使精线保持原不锈钢的抗拉强度和伸长率等性能。

Description

超易切削铁素体不锈钢精线及其制备方法
技术领域
本发明属于不锈钢制品领域，具体地，本发明涉及一种超易切削铁素体不锈钢精线的制备方法以及采用该方法制备的不锈钢精线。
背景技术
在精密加工诸如圆珠笔头、钟表零件和精密机器轴类等耐蚀产品时，通常会用到超易切削铁素体不锈钢精线。
所谓超易切削铁素体不锈钢，是指在易切削铁素体不锈钢的基础上采用多相复合方式改善钢的切削性能。例如，S元素是传统的易切削元素，当钢种S元素超过0.15％，则对钢材的切削性能产生显著改善。由于S元素与钢中添加的Mn元素形成MnS夹杂物，割裂基体组织的连续性，切削过程中在刀具的作用下产生应力集中，易断屑，降低切削力并避免了长丝状屑缠绕，难以退屑，影响切削进程的情况。但要做到超易切削，一般钢材内部还会添加铅(Pb)、铋(Bi)等元素，形成S-Pb或者S-Bi复合超易切削效果，但是Pb元素存在毒性，而Bi因熔点较铅还低，在高速切削过程中受热易熔化，可以替代铅元素作为切削润滑剂，进一步提升了高硫钢的切削性能。
为了提高切削性能，在不锈钢基体中添加的多种复合相必然会对基体的力学性能以及加工性能产生影响。因为不锈钢基体中存在大量的夹杂物，导致了采用现有不锈钢精线制备方法所得到的产品的抗拉强度会相对降低，伸长率也会相对降低。因此，目前急需一种超易切削铁素体不锈钢精线的制备方法，以便能够在保证抗拉强度和伸长率等性能的前提之下顺利的将超易切削铁素体不锈钢制成精线。
发明内容
本发明的目的是针对现有技术的缺陷，提供一种超易切削铁素体不锈钢精线的制备方法，用于解决目前将超易切削铁素体不锈钢加工成精线后会出现抗拉强度和伸长率等性能下降的问题。
一方面，本发明提供了一种超易切削铁素体不锈钢精线的制备方法，包括：
(1)酸洗：对不锈钢热轧盘条进行酸洗处理以去除其表面的氧化皮；
(2)表面处理：对经过步骤(1)酸洗后的不锈钢热轧盘条进行表面覆膜处理；
(3)冷拉拔：按照道次变形量≤30％并且拔程总变形量≤85％对经过步骤(2)表面处理后的不锈钢热轧盘条进行冷拉拔得到不锈钢线材。
进一步，该制备方法还包括：
(4)退火：在存在保护气氛并且温度是700～1080℃的条件下对步骤(3)得到的不锈钢线材进行退火处理，退火处理的时间≤4小时，随后返回步骤(3)；
并且，重复进行步骤(3)和步骤(4)直至最后一次冷拉拔得到的不锈钢精线达到预设直径。
进一步，步骤(1)中，不锈钢热轧盘条的直径是5.5～20毫米；不锈钢热轧盘条包括以重量百分比计的如下成分：
C+N≤0.05％，Si≤1.0％，Mn 1.0～2.0％P≤0.05％，S 0.15～0.40％，Cr 19～21％，Mo 1.0～2.0％，0.05＜Bi＜0.5％，其余成分为铁及其它不超过0.5％的杂质元素。
进一步，步骤(1)中，酸洗处理包括：
采用浓度≤50％(重量)的H2SO4溶液对不锈钢热轧盘条进行第一次酸洗，第一次酸洗的时间≤100分钟；以及
采用混酸浓度≤50％(重量)的HF和HNO3混酸溶液对第一次酸洗后的不锈钢热轧盘条进行第二次酸洗，第二次酸洗的时间≤500分钟。
进一步，步骤(2)中，表面覆膜处理采用皂化处理或磷化处理。
进一步，步骤(3)中，走丝速度≤150米/分钟。
进一步，步骤(4)中，保护气氛为氢气、氮气或氩气。
进一步，步骤(4)中，退火处理在罩式炉、井式炉或者连续式退火炉中进行。
另一方面，本发明还提供了一种超易切削铁素体不锈钢精线，采用上述的制备方法得到。
进一步，，超易切削铁素体不锈钢精线的直径是1.0～20毫米。
本发明的技术方案具有如下有益效果：
(1)本发明的制备方法通过对拉拔过程中的道次变形量等参数进行优化，并在相邻两次拉拔之间采用退火软化的工艺，从而保证了将超易切削铁素体不锈钢制成精线之后各种力学性能不降低。
(2)采用本发明的制备方法得到的超易切削铁素体不锈钢精线的性能优异，可以用于高精度加工，其加工效率高，刀具寿命长。
附图说明
图1是本发明实施例2的成品精线纵向背散射SEM照片，其中黑色区域A为MnS，白色区域B为Bi；
图2是图1中黑色区域A的元素分析图；
图3是图1中白色区域B的元素分析图；
图4是本发明实施例2的成品精线切削屑形貌；
图5是本发明实施例1的成品实物照片；
图6是对比例1的成品实物照片。
具体实施方式
为了充分了解本发明的目的、特征及功效，通过下述具体实施方式，对本发明作详细说明。本发明的工艺方法除下述内容外，其余均采用本领域的常规方法或装置。除非另有说明，否则本发明中涉及的术语均具有本领域技术人员通常理解的含义。
对于耐蚀产品，例如圆珠笔头、钟表零件和精密机器轴类，通常会采用超易切削铁素体不锈钢精线来进行精密加工。例如，目前已经研发出了一种高耐蚀超易切削铁素体不锈钢，按重量百分比计，其元素组成是：C+N≤0.05％，Si≤1.0％，Mn 1.0～2.0％P≤0.05％，S 0.15～0.40％，Cr 19～21％，Mo 1.0～2.0％，0.05≤Bi≤0.5％，其余成分为铁及其它不超过0.5％的杂质元素。因其具有很高的S含量，所以具有非常优异的切削性能，又因为其具有较高的Cr、Mo含量，其耐腐蚀性能与304不锈钢相当，属于超易切削铁素体不锈钢中具有优异耐蚀性能的钢种。如能将该超易切削铁素体不锈钢制成精线，进而用于生产圆珠笔头、钟表零件和精密机器轴类等精密器件，则能够提高产品的性能，具有广阔的市场应用前景。
但是，发明人在实际生产中发现，由于这种超易切削铁素体不锈钢中添加了多种复合相，对不锈钢基体的力学性能和加工性能产生影响，使得采用常规线材加工方法将其加工为精线之后，抗拉性能和伸长率降低，不能很好的满足后续生产的要求。针对该问题，发明人通过研究，对加工工艺进行改进，从而创造性的提成了一种超易切削铁素体不锈钢精线的制备方法。
本发明的超易切削铁素体不锈钢精线的制备方法依次包括酸洗、表面处理和冷拉拔的步骤。可选地，在冷拉拔步骤之后，本发明的制备方法还包括退火步骤，以及重复进行退火→冷拉拔。
本发明的超易切削铁素体不锈钢精线的制备方法采用的原料是超易切削铁素体不锈钢热轧盘条，该不锈钢热轧盘条的直径是5.5～20毫米，包括以重量百分比计的如下成分：
C+N≤0.05％，Si＜1.0％，Mn 1.0～2.0％P≤0.05％，S 0.15～0.40％，Cr 19～21％，Mo 1.0～2.0％，0.05＜Bi＜0.5％，其余成分为铁及其它不超过0.5％的杂质元素。
具体地，本发明的超易切削铁素体不锈钢精线的制备方法包括：
(1)盘条酸洗
不锈钢热轧盘条因经过高温裸露轧制或者固溶处理后，其表面会产生一层氧化皮，因此，在制备不锈钢精线时，首先需要对不锈钢热轧盘条进行酸洗处理以去除其表面的氧化皮。
酸洗处理分为两步进行，包括第一次酸洗和第二次酸洗。具体地，首先，采用浓度为20％～50％(重量)的H2SO4溶液对不锈钢热轧盘条进行第一次酸洗，第一次酸洗的时间不超过100分钟，优选20～80分钟(更优选H2SO4溶液浓度为30％，酸洗时间50分钟)。然后，采用混酸浓度在20～50％(重量)的HF和HNO3混酸溶液，HF酸与HNO3配比可以是1∶3，对第一次酸洗后的不锈钢热轧盘条进行第二次酸洗，第二次酸洗的时间不超过80分钟，优选20～50分钟(更优选混酸浓度为30％，酸洗时间30分钟)。全程酸洗温度控制在30～70℃，优选50℃。
第二次酸洗之后，使用清水对不锈钢热轧盘条进行冲洗直至盘条表面无残余酸。
采用上述酸洗处理方式，可以使不锈钢热轧盘条表面无可见氧化皮，并且表面没有过酸现象导致的腐蚀坑缺陷。
采用本发明的酸洗方法，效率较高，酸洗后盘条表面无残留氧化皮，且无过酸洗现象，对后续拔丝的过程的模具损伤程度小，针对拔程短、表面粗糙度要求高的精线产品具有提高产品质量的作用。
(2)覆膜处理
酸洗后的盘条在首次拉拔前表面先进行表面覆膜处理，具体是，在覆膜池内浸泡后再转移至烘干炉中烘干，也可以采用在线覆膜机在拉拔前连续进行覆膜。
表面覆膜处理的作用是改善其在后续拉拔过程中的摩擦系数，减小丝材升温和保护模具。
表面覆膜处理可以采用皂化工艺或磷化工艺，其中，皂化工艺是指在待处理的金属表面涂覆皂液然后烘干，磷化工艺是指通过化学与电化学反应在待处理的金属表面形成磷酸盐化学转化膜。皂化工艺和磷化工艺中采用的具体物质、工艺条件是本领域技术人员在实际操作中能够根据需要来确定的，在此不做赘述。
(3)冷拉拔
覆膜后的盘条进入拉拔机，按照道次变形量≤30％、拔程总变形量≤85％、走丝速度≤150米/分钟进行冷拉拔。因超易切削不锈钢中的易切削含量较高，在拉拔过程中不可采用过大的变形量，单道次变形量超过30％时，可能损害材料的组织，表面和内部变形量过大，产生表面横纹或者脆断，使拉拔过程难以继续进行。拔程总变形量超过85％时，材料的伸长率接近于0，也会发生内部裂纹甚至脆断情况。拉拔过程的走丝速度若高于150米/分钟，会使模具出口钢丝温度过高，钢丝和模具发生微小的热变形，造成拉拔后的产品尺寸精度差，随着模具温度升高，模具的硬度降低，增大消耗。
对于生产直径大于等于5.5毫米的超易切削铁素体不锈钢精线而言，采用稍大规格的原料(根据成品性能的要求，例如，可选择直径是Φ6.0～7.5mm的不锈钢热轧盘条)，通过本步骤的冷拉拔即可得到。
对于生产直径小于5.5毫米的超易切削铁素体不锈钢精线而言，通过采用直径是5.5毫米(即Φ5.5mm)的不锈钢热轧盘条进行冷拉拔，期间因为加工硬化，随着硬化程度的提高，需要经过退火软化后再拉拔，即需要重复进行冷拉拔→退火→冷拉拔。
因此，在一种优选的具体实施方式中，为了获得直径更细的精线，本发明的超易切削铁素体不锈钢精线的制备方法还包括：
(4)退火
在存在保护气氛并且温度是700～1080℃的条件下对步骤(3)冷拉拔得到的不锈钢线材进行退火处理，退火处理的时间≤90分钟。退火处理之后，线材返回步骤(3)再次进行冷拉拔，并且重复进行冷拉拔→退火→冷拉拔直至最后一次冷拉拔得到的不锈钢精线达到预设直径(例如，1.0～2.3毫米)。
退火处理过程中采用的保护气氛是氢气、氮气或氩气，尤其需要避免氧气存在。采用保护气氛的作用主要是使退火处理在非氧化性气氛中进行，以避免线材在退火处理过程中被氧化。
退火处理可以在罩式炉、井式炉或者连续式退火炉中进行。采用罩式炉和井式炉退火保温时间较长，单次退火重量较大。连续式退火炉退火保温时间较短，但退火效率较低。
退火处理的目的通常为软化钢丝，避免继续拉拔过程中因塑性不足造成组织损伤或断裂等问题造成生产过程难以延续。针对本发明成分的超易切削不锈钢而言，其组织回复在700℃以上时，才显示出较高的软化速度，从而提升软化效率，而在900℃以上为较快速的再结晶温度区间，但超过1080℃会加速铁素体晶粒的长大，难以控制组织性能，使延伸加工和切削性能严重下降。故在控制产品成品性能要求，可以采用不同的温度进行退火，控制其组织形态，从而控制其成品性能。
采用本发明的超易切削铁素体不锈钢精线的制备方法能够得到直径范围是1.0～20毫米的成品精线。
实施例
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。
下述实施例中采用的不锈钢热轧盘条均来自申请人上游生产线。
实施例1
原料不锈钢热轧盘的规格是Φ20mm，化学成分(质量分数)组成为：
Figure BDA0001889460860000071
本实施例的精线的制备过程是：
(1)酸洗：采用浓度是50％(重量)的H2SO4溶液对不锈钢热轧盘条进行第一次酸洗30分钟，然后采用酸浓度是50％(重量)的HF和HNO3混酸溶液进行第二次酸洗15分钟，随后用清水将不锈钢热轧盘条表面冲洗干净。
(2)表面处理：采用磷酸盐处理10分钟和皂化液浸泡10分钟，然后烘干箱烘干2小时。
(3)冷拉拔：覆膜后的不锈钢热轧盘进入拉拔机，采用“Φ20mm→Φ18.2mm→Φ16.6mm”道次规格拉拔，走丝速度是30米/分钟，得到成品精线。
实施例2
原料不锈钢热轧盘的规格是Φ5.5mm，化学成分(质量分数)组成为：
Figure BDA0001889460860000072
本实施例的精线的制备过程是：
(1)酸洗：采用浓度是25％(重量)的H2SO4溶液对不锈钢热轧盘条进行第一次酸洗50分钟，然后采用酸浓度是35％(重量)的HF和HNO3混酸溶液进行第二次酸洗25分钟，随后用清水将不锈钢热轧盘条表面冲洗干净。
(2)表面处理：采用磷酸盐处理10分钟和皂化液浸泡10分钟，然后烘干箱烘干2小时。
(3)冷拉拔：覆膜后的不锈钢热轧盘进入拉拔机，采用“Φ5.5mm→Φ4.9mm→Φ4.4mm→Φ4.0mm→Φ3.7mm→Φ3.3mm→Φ3.0mm”道次规格拉拔，走丝速度是140米/分钟。
(4)退火和再次冷拉拔：冷拉拔得到的线材进入连续式退火炉在保护气氛下980℃退火1.5分钟，然后再次进入拉拔机，“Φ3.0mm→Φ2.6mm→Φ2.3mm”道次规格拉拔，走丝速度是100米/分钟，得到成品精线。
本实施例成品精线纵向背散射SEM照片如图1所示，其中白色为Bi、黑色为MnS。本实施例成品精线元素分析图分别如图2和图3所示。本实施例成品精线切削屑形貌如图4所示。从图1、图2、图3和图4可以看出，如图1中本材料中含有的两种物相具有降低刀具的切削力和抑制刀具过快磨损的作用，且可以防止切削屑长度过长缠绕刀具无法持续加工。图3为实际加工后的切削屑形貌，切削屑较为细碎，断屑良好，不会发生刀具缠绕问题，可视为切削性能良好的直观评价方法。
实施例3
原料不锈钢热轧盘的规格是Φ6.5mm，化学成分(质量分数)组成为：
Figure BDA0001889460860000081
本实施例的精线的制备过程是：
(1)酸洗：采用浓度是40％(重量)的H2SO4溶液对不锈钢热轧盘条进行第一次酸洗45分钟，然后采用酸浓度是28％(重量)的HF和HNO3混酸溶液进行第二次酸洗30分钟，随后用清水将不锈钢热轧盘条表面冲洗干净。
(2)表面处理：采用磷酸盐处理10分钟和皂化液浸泡10分钟，然后烘干箱烘干2小时。
(3)冷拉拔：覆膜后的不锈钢热轧盘进入拉拔机，采用“Φ6.5mm→Φ5.8mm→Φ5.3mmΦ4.8mm→Φ4.4mm→Φ4.0mm→Φ3.6mm→Φ3.3mm→Φ3.0mm”道次规格拉拔，走丝速度是100米/分钟。
(4)一次退火和第二拔程：冷拉拔得到的线材进入连续式退火炉在保护气氛下940℃退火1分钟，然后再次进入拉拔机，“Φ3.0mm→Φ2.6mm→Φ2.3mm→Φ2.0mm→Φ1.6mm→Φ1.4mm”道次规格拉拔，走丝速度是120米/分钟。
(5)二次退火和第三拔程：冷拉拔得到的线材进入连续式退火炉在保护气氛下940℃退火30秒，然后再次进入拉拔机，“Φ1.4mm→Φ1.2mm→Φ1.0mm”道次规格拉拔，走丝速度是80米/分钟，得到成品精线。
对比例1
采用与实施例1相同的原料不锈钢热轧盘，即：
原料不锈钢热轧盘的规格是Φ20mm，化学成分(质量分数)组成为：
Figure BDA0001889460860000091
本对比例的精线的制备过程是：
(1)酸洗：采用浓度是30％(重量)的H2SO4溶液对不锈钢热轧盘条进行第一次酸洗50分钟，然后采用酸浓度是20％(重量)的HF和HNO3混酸溶液进行第二次酸洗40分钟，随后用清水将不锈钢热轧盘条表面冲洗干净。
(2)表面处理：采用磷酸盐处理10分钟和皂化液浸泡10分钟，然后烘干箱烘干2小时。
(3)冷拉拔：覆膜后的不锈钢热轧盘进入拉拔机，采用“Φ20mm→Φ18.2mm→Φ16.3mm→Φ14.4mm→Φ12.5mm→Φ10.7mm→Φ8.9mm”道次规格拉拔，走丝速度是80米/分钟，得到成品精线。
实施例1和对比例1的成品实物照片分别如图5和图6所示，该组比例为极限拉拔测试对比，对比例1的最后一道次变形率已经超过30％，表面已发生表面横纹，该横纹表明钢丝组织已经发生损伤，后续难以消除，且在最后一道次拉拔过程中开始出现脆断。而实施例1的拉拔过程，变形量均在30％以内，得到的精线产品表面光滑，色泽均一，满足产品要求。
对比例2和对比例3
对比例2和对比例3分别采用了实施例2和实施例3的原料不锈钢热轧盘。其中对比例2的退火温度为600℃，连续式退火炉退火3分钟，对比例3采用罩式炉退火，退火温度为1100℃，退火时间为100分钟。
实施例2、3和对比例2、3的成品精线的切削测试结果如表1所示。
切削测试采用的方法如下：
实施例2和对比例2的精线经过切割为12mm长的圆柱材料，采用高速精密数控机床进行连续式逐个车削加工，一端夹持，自动补位。其中实施例2和对比例2采用车刀进行表面的车削加工，切削深度为0.2mm，单个圆柱样品加工总长度为5mm。
实施例3和对比例3的精线经过切割为8mm长的圆柱材料。采用高速精密数控机床进行连续式逐个车削加工，一端夹持，自动补位。实施例3和对比例3采用0.5mm直径微钻头进行中心部的钻孔加工，耽搁圆柱样品的钻孔深度为4mm。
表1
进给量 转速 刀具材质 背刀面磨损5μm所需时间
实施例2 500μm 10000r/min 钨钢 286h
实施例3 500μm 10000r/min 钨钢 159h
对比例2 500μm 10000r/min 钨钢 169h
对比例3 500μm 10000r/min 钨钢 46h
最后，需要注意的是：以上列举的仅是本发明的具体实施例子，当然本领域的技术人员可以对本发明进行改动和变型，倘若这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，均应认为是本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种超易切削铁素体不锈钢精线的制备方法，其特征在于，包括：
（1）酸洗：对不锈钢热轧盘条进行酸洗处理以去除其表面的氧化皮；
（2）表面处理：对经过步骤（1）酸洗后的不锈钢热轧盘条进行表面覆膜处理；
（3）冷拉拔：按照道次变形量≤30%并且拔程总变形量≤85%对经过步骤（2）表面处理后的不锈钢热轧盘条进行冷拉拔得到不锈钢线材；
其中，步骤（3）中，走丝速度≤150米/分钟；
（4）退火：在存在保护气氛并且温度是940~1080℃的条件下对步骤（3）得到的不锈钢线材进行退火处理，退火处理的时间≤4小时，随后返回步骤（3）；
并且，重复进行步骤（3）和步骤（4）直至最后一次冷拉拔得到的不锈钢精线达到预设直径；
其中，步骤（1）中，酸洗处理包括：
采用浓度≤50wt%的H2SO4溶液对不锈钢热轧盘条进行第一次酸洗，第一次酸洗的时间≤100分钟；以及
采用混酸浓度≤50wt%的HF和HNO3混酸溶液对第一次酸洗后的不锈钢热轧盘条进行第二次酸洗，第二次酸洗的时间≤80分钟。
2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤（1）中，不锈钢热轧盘条的直径是5.5~20毫米；不锈钢热轧盘条包括以重量百分比计的如下成分：
C+N≤0.05%，Si≤1.0%，Mn 1.0~2.0% P≤0.05%，S 0.15~0.40%，Cr 19~21%，Mo 1.0~2.0%，0.05≤Bi≤0.5%，其余成分为铁及其它不超过0.5%的杂质元素。
3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤（2）中，表面覆膜处理采用皂化处理或磷化处理。
4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤（4）中，保护气氛是氢气、氮气或氩气。
5.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤（4）中，退火处理在罩式炉、井式炉或者连续式退火炉中进行。
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