CN111254272A - 一种高强度弹簧钢丝的制备方法 - Google Patents

一种高强度弹簧钢丝的制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种高强度弹簧钢丝的制备方法，包括拉拔、感应加热、蒸汽淬火、水淬火、感应加热回火、涡流探伤、制作成品等步骤。本发明具有采用蒸汽+水基淬火液组合冷却技术，采用感应加热技术的特点。

Description

一种高强度弹簧钢丝的制备方法
技术领域
本发明涉及弹簧钢丝生产领域，尤其涉及一种高强度弹簧钢丝的制备方法。
背景技术
汽车用弹簧钢丝作为高技术含量、高附加值的线材下游深加工制品，主要用于制造汽车、摩托车的减震螺旋弹簧，具有很高的市场、技术和品牌协同价值。随着汽车工业继续向轻量化、高强度方向发展，对汽车用弹簧的性能要求也随之提高，目前车用领域的弹簧逐步由高强度级(抗拉强度σb1950MPa～2050MPa，断面收缩率ψ≥40％，表面缺陷深度≤0.07mm)新材料取代现有的1750MPa～1850MPa级产品。
现有的弹簧钢丝的生产工艺技术流程为：原料检验-酸洗-拉拔半成品-加热-油淬火-回火-收线-检验入库。现有工艺有几个缺点：1、原料采用酸洗去除氧化铁皮，材料有氢脆风险且会产生严重的环境污染；2、材料未经过表面探伤检测，会影响材料制成的弹簧疲劳寿命；3、淬火采用油淬火，不能充分淬透材料，造成芯部残余奥氏体较多，无法获取新材料需要的高强度和高塑性。
发明内容
发明目的：针对现有技术的不足与缺陷，本发明提供一种高强度弹簧钢丝的制备方法，采用蒸汽+水基淬火液组合冷却技术，采用感应加热技术。
技术方案：本发明的一种高强度弹簧钢丝的制备方法，其特征在于：包括下述步骤：
1)拉拔：对钢丝原料进行检验机械抛丸后采用拉丝模进行拉拔，拉丝模定径带长度为2.4mm～2.6mm且拉拔半成品不圆度≤0.03mm；
2)感应加热：通过6KHz～8KHz的中频电源将钢丝预加热至750℃以上，感应线圈采用若干个长度0.5m～0.6m的线圈作为加热装置；通过高频电源将钢丝加热至860℃～900℃，高频电源中采用50KHz～60KHz的电源进行前加热并采用90KHz～100KHz的电源进行后加热，感应线圈采用若干个长度0.5m～0.6m的线圈作为前加热装置与后加热装置；通过40KHz～50KHz的高频电源保持钢丝加热温度，使钢丝芯与钢丝表面温度一致，感应线圈采用若干个长度1m～1.2m的线圈作为保温装置；
3)蒸汽淬火：钢丝在导向机构的牵引下进入蒸汽淬火装置，通过带有压力的蒸汽对高温的钢丝进行淬火，在钢丝表面形成恒温的蒸汽换热层，将钢丝整体温度降至600℃～650℃，控制蒸汽流量为1m3/h～1.21m3/h；
4)水淬火：钢丝进入水淬火装置的淬火通道，通过四周4组朝向钢丝喷射带有压力的水对高温的钢丝进行淬火，在钢丝表面形成恒温的水换热层，将钢丝整体温度降至100℃以下，控制水温为45℃～55℃，4组喷头的水流量分别控制为70L/min～80L/min、70L/min～80L/min、5L/min～15L/min、10L/min～20L/min；
5)感应加热回火：通过6KHz～8KHz的中频电源将钢丝加热至420℃～480℃使钢丝完成回火工序，感应线圈采用若干个长度0.5m～0.6m的线圈作为回火加热装置；通过40KHz～50KHz的高频电源保持钢丝回火温度，使钢丝芯与钢丝表面温度一致，感应线圈采用若干个长度1.5m～1.7m的线圈作为回火保温装置；
6)涡流探伤：采用涡流探伤仪对钢丝进行探伤，在线监测材料表面质量；
7)制作成品：对钢丝进行预弯操作后通过收卷装置进行收线，检验入库后获得高强度弹簧钢丝成品。
其中，所述的步骤2)中钢丝通过夹送轮进行前进速度的控制，加热前控制前进速度为19.8m/min～20.2m/min，加热后控制前进速度为20m/min～20.4m/min。
其中，所述的步骤2)中通过200KW/7KHz的中频电源将钢丝预加热至750℃以上，感应线圈采用4个长度0.55m的线圈作为加热装置；通过高频电源将钢丝加热至860℃～900℃，高频电源中采用160KW/50KHz的电源进行前加热并采用100KW/100KHz的电源进行后加热，感应线圈采用3个与1个长度0.55m的线圈作为前加热装置与后加热装置；通过50KW/40KHz的高频电源保持钢丝加热温度，使钢丝芯与钢丝表面温度一致，感应线圈采用2个长度1.1m的线圈作为保温装置。
其中，所述的长度1.1m的感应线圈内置耐高温隔磁Ni-Ti合金钢管，外层包裹耐高温绝缘材料层，在内腔形成恒温环境。
其中，所述的步骤3)中钢丝段穿过上部导向槽与下部导向槽之间，上部轴承通过上部传动轴与上部导向轮连接且下部轴承通过下部传动轴与下部导向轮连接，上部导向轮与下部导向轮从动转动，对钢丝段进行导向，保持水平行进。
其中，所述的步骤3)中蒸汽淬火装置包括连接接头并在连接接头顶部设有外部接口且外部接口顶部外侧设有外螺纹段，外部接口与蒸汽管活动连接并在蒸汽管端部设有蒸汽管接头且蒸汽管接头设有内螺纹段，外部接口与蒸汽管通过外螺纹段与内螺纹段活动连接；所述连接接头一端端部设有进钢丝口并在另一端端部设有内部螺纹段，连接接头与端部设有外部螺纹段的管体通过内部螺纹段与外部螺纹段活动连接，钢丝段贯穿进钢丝口、连接接头与管体；所述管体长度为1.5m～3mm且管体通过若干个定位机构与外部操作台连接；所述定位机构包括通过隔板分隔为2个支撑区的支撑块且每个支撑区顶部开设有上部孔并在底部开设有下部孔，支撑块通过穿过2个下部孔的螺栓与外部操作台连接且支撑块顶部与固定箍活动连接；所述固定箍的两端端部均设有定位螺纹段且定位螺纹段穿过对应的上部孔并通过螺母进行固定；所述管体穿过固定箍；所述连接接头侧部设有导向装置且导向装置包括支架并在支架上对应设置有上部轴承与下部轴承；所述上部轴承通过上部传动轴与上部导向轮连接并在上部导向轮上开设有上部导向槽且下部轴承通过下部传动轴与下部导向轮连接并在下部导向轮上开设有下部导向槽；所述上部导向槽与下部导向槽对应设置且钢丝段穿过上部导向槽与下部导向槽之间。
其中，所述的步骤4)中水淬火装置的水淬火通道为喇叭形并在水淬火通道内壁开设有若干排喷水口且喷水口均朝向钢丝。
其中，所述的步骤5)中通过200KW/7KHz的中频电源将钢丝加热至420℃～480℃使钢丝完成回火工序，感应线圈采用4个长度0.55m的线圈作为回火加热装置；通过50KW/40KHz的高频电源保持钢丝回火温度，使钢丝芯与钢丝表面温度一致，感应线圈采用6个长度1.6m的线圈作为回火保温装置。
有益效果：与现有技术相比，本发明具有以下显著优点：本发明的蒸汽+水基溶液淬火采用带有压力的蒸汽与带有压力的水，在高温钢丝表面形成恒温的蒸汽换热层与水换热层，充分淬透钢丝，使钢丝整体的温度下降，消除残余奥氏体的存在，提高钢丝强度与硬度。本发明采用感应加热技术，快速加热钢丝，时间可缩短至20s～30s钢丝即可被加热至860℃之上，有效抑制了高温下晶粒长大，大幅度减少表面氧化，完全消除了产生脱碳的危害。以此制作高强度的弹簧钢丝产品。
附图说明
图1为本发明的蒸汽淬火装置的结构示意图；
图2为本发明的定位机构的结构示意图；
图3为本发明的上部导向轮与下部导向轮的结构示意图；
图4为本发明的水淬火通道的结构示意图；
图中1为连接接头、2为管体、3为进钢丝口、4为外部接口、5为钢丝段、6为定位机构、7为外部螺纹段、8为下部孔、9为上部孔、10为螺栓、11为固定箍、12为定位螺纹段、13为螺母、14为蒸汽管、15为蒸汽管接头、16为上部导向轮、17为下部导向轮、18为上部导向槽、19为下部导向槽、20为上部传动轴、21为下部传动轴、22为上部轴承、23为下部轴承、24为支架、26为水淬火通道、27为喷水口。
具体实施方式
下面结合附图及具体实施方式对本发明的技术方案做进一步的描述。
本发明的一种高强度弹簧钢丝的制备方法，其特征在于：包括下述步骤：
1)拉拔：对钢丝原料进行检验机械抛丸后采用拉丝模进行拉拔，拉丝模定径带长度为2.5mm且拉拔半成品不圆度≤0.03mm；
2)感应加热：通过200KW/7KHz的中频电源将钢丝预加热至750℃以上，感应线圈采用4个长度0.55m的线圈作为加热装置；通过高频电源将钢丝加热至860℃～900℃，高频电源中采用160KW/50KHz的电源进行前加热并采用100KW/100KHz的电源进行后加热，感应线圈采用3个与1个长度0.55m的线圈作为前加热装置与后加热装置；通过50KW/40KHz的高频电源保持钢丝加热温度，使钢丝芯与钢丝表面温度一致，感应线圈采用2个长度1.1m的线圈作为保温装置；钢丝通过夹送轮进行前进速度的控制，加热前控制前进速度为20m/min，加热后控制前进速度为20.2m/min；长度1.1m的感应线圈内置耐高温隔磁Ni-Ti合金钢管，外层包裹耐高温绝缘材料层，在内腔形成恒温环境；
3)蒸汽淬火：钢丝在导向机构的牵引下进入蒸汽淬火装置，通过带有压力的蒸汽对高温的钢丝进行淬火，在钢丝表面形成恒温的蒸汽换热层，将钢丝整体温度降至600℃～650℃，控制蒸汽流量为1m3/h；钢丝段5穿过上部导向槽18与下部导向槽19之间，上部轴承22通过上部传动轴20与上部导向轮16连接且下部轴承23通过下部传动轴21与下部导向轮17连接，上部导向轮16与下部导向轮17从动转动，对钢丝段5进行导向，保持水平行进；蒸汽淬火装置包括连接接头1并在连接接头1顶部设有外部接口4且外部接口4顶部外侧设有外螺纹段，外部接口4与蒸汽管14活动连接并在蒸汽管14端部设有蒸汽管接头15且蒸汽管接头15设有内螺纹段，外部接口4与蒸汽管14通过外螺纹段与内螺纹段活动连接；连接接头1一端端部设有进钢丝口3并在另一端端部设有内部螺纹段，连接接头1与端部设有外部螺纹段7的管体2通过内部螺纹段与外部螺纹段7活动连接，钢丝段5贯穿进钢丝口3、连接接头1与管体2；管体2长度为1.5m～3mm且管体2通过若干个定位机构6与外部操作台连接；定位机构6包括通过隔板分隔为2个支撑区的支撑块且每个支撑区顶部开设有上部孔9并在底部开设有下部孔8，支撑块通过穿过2个下部孔8的螺栓10与外部操作台连接且支撑块顶部与固定箍11活动连接；固定箍11的两端端部均设有定位螺纹段12且定位螺纹段12穿过对应的上部孔9并通过螺母13进行固定；管体2穿过固定箍11；连接接头1侧部设有导向装置且导向装置包括支架24并在支架24上对应设置有上部轴承22与下部轴承23；上部轴承22通过上部传动轴20与上部导向轮16连接并在上部导向轮16上开设有上部导向槽18且下部轴承23通过下部传动轴21与下部导向轮17连接并在下部导向轮17上开设有下部导向槽19；上部导向槽18与下部导向槽19对应设置且钢丝段5穿过上部导向槽18与下部导向槽19之间；
4)水淬火：钢丝进入水淬火装置的淬火通道，通过四周4组朝向钢丝喷射带有压力的水对高温的钢丝进行淬火，在钢丝表面形成恒温的水换热层，将钢丝整体温度降至100℃以下，控制水温为45℃～55℃，4组喷头的水流量分别控制为70L/min～80L/min、70L/min～80L/min、5L/min～15L/min、10L/min～20L/min；水淬火装置的水淬火通道26为喇叭形并在水淬火通道26内壁开设有若干排喷水口27且喷水口27均朝向钢丝；
5)感应加热回火：通过200KW/7KHz的中频电源将钢丝加热至420℃～480℃使钢丝完成回火工序，感应线圈采用4个长度0.55m的线圈作为回火加热装置；通过50KW/40KHz的高频电源保持钢丝回火温度，使钢丝芯与钢丝表面温度一致，感应线圈采用6个长度1.6m的线圈作为回火保温装置；
6)涡流探伤：采用涡流探伤仪对钢丝进行探伤，在线监测材料表面质量；
7)制作成品：对钢丝进行预弯操作后通过收卷装置进行收线，检验入库后获得高强度弹簧钢丝成品。
本发明采用机械抛丸替代化学酸洗，完全避免了酸洗造成的环境污染；本发明采用感应加热采用电为能源，避免了采用天然气等化工原料造成的排放污染源，可实现生产线随用随开、随停，比传统的天然气辐射加热炉，没有了炉子预热等空耗现象，可节能5～10％；本发明采用水基淬火，避免了采用油而产生的气体和液体的污染排放；本发明采用在线无损涡流探伤，有效避免了表面缺陷被带入最终弹簧产品，大大提高了产品的使用安全性；本发明采用预弯技术，避免了材料在成品后的自断现象，节省由于材料自断造成的损失达到10％～15％；本发明的整线技术，可保证材料的通条强度波动被控制在35Mpa以内，而现有技术通常在50MPa～60MPa范围内。
本发明的方法针对含V(钒)的部分合金类且直径小的钢丝，极易淬裂的问题，采用蒸汽+水基溶液淬火，防止材料淬裂。这是本发明的创新点。
本发明的蒸汽+水基溶液淬火采用带有压力的蒸汽与带有压力的水，在高温钢丝表面形成恒温的蒸汽换热层与水换热层，充分淬透钢丝，使钢丝整体的温度下降。现有淬火技术淬火液无压力，属于自然淬火，工件不能淬透，不能生产高强度、高性能弹簧钢丝。这是本发明的创新点。
针对现有技术存在的问题：“辐射加热钢丝加热时间较长，需要5min～10min，由此，钢丝加热到860℃～900℃左右时钢丝晶粒度长大，表面氧化严重，并伴随脱碳产生，造成后续卷制的弹簧耐疲劳性能差，尤其随着钢丝直径不能满足高端弹簧制造需求”。本发明采用感应加热技术，快速加热钢丝，时间可缩短至20s～30s钢丝即可被加热至860℃之上，有效抑制了高温下晶粒长大，大幅度减少表面氧化，完全消除了产生脱碳的危害。以此制作高强度的弹簧钢丝产品。
针对现有技术的不足“1、原料采用酸洗去除氧化铁皮，材料有氢脆风险且会产生严重的环境污染”，本发明采用喷丸工序代替传统酸洗工艺，即0.5mm直径的微小钢丸高速喷射到材料表面，依靠冲击力将材料表面的氧化铁皮击碎、脱落。完全避免了酸洗工序可能引发的氢脆危害以及环保压力。同时，本发明采用感应加热技术，以电为能源，具有加热速度快的特点，节能降耗无污染，产品性能稳定的特点。
针对现有技术的不足“2、材料未经过表面探伤检测，会影响材料制成的弹簧疲劳寿命”，本发明采用表面涡流探伤装置，可以监测到钢丝表面存在的缺陷，并做标识，便于后续弹簧的制作，避免缺陷进入弹簧成品，在使用中发生早期疲劳断裂和可能的交通事故。
针对现有技术的不足“3、淬火采用油淬火，不能充分淬透材料，造成芯部残余奥氏体较多，无法获取新材料需要的高强度和高塑性”，本发明采用水基专用淬火液，可以充分淬透钢丝，消除残余奥氏体的存在，提高钢丝强度与硬度。同时，本发明对一些含V的合金材料，可采用蒸汽+水基淬火液组合冷却技术，达到淬火目的。

Claims (8)

1.一种高强度弹簧钢丝的制备方法，其特征在于：包括下述步骤：
1)拉拔：对钢丝原料进行检验机械抛丸后采用拉丝模进行拉拔，拉丝模定径带长度为2.4mm～2.6mm且拉拔半成品不圆度≤0.03mm；
2)感应加热：通过6KHz～8KHz的中频电源将钢丝预加热至750℃以上，感应线圈采用若干个长度0.5m～0.6m的线圈作为加热装置；通过高频电源将钢丝加热至860℃～900℃，高频电源中采用50KHz～60KHz的电源进行前加热并采用90KHz～100KHz的电源进行后加热，感应线圈采用若干个长度0.5m～0.6m的线圈作为前加热装置与后加热装置；通过40KHz～50KHz的高频电源保持钢丝加热温度，使钢丝芯与钢丝表面温度一致，感应线圈采用若干个长度1m～1.2m的线圈作为保温装置；
3)蒸汽淬火：钢丝在导向机构的牵引下进入蒸汽淬火装置，通过带有压力的蒸汽对高温的钢丝进行淬火，在钢丝表面形成恒温的蒸汽换热层，将钢丝整体温度降至600℃～650℃，控制蒸汽流量为1m3/h～1.21m3/h；
4)水淬火：钢丝进入水淬火装置的淬火通道，通过四周4组朝向钢丝喷射带有压力的水对高温的钢丝进行淬火，在钢丝表面形成恒温的水换热层，将钢丝整体温度降至100℃以下，控制水温为45℃～55℃，4组喷头的水流量分别控制为70L/min～80L/min、70L/min～80L/min、5L/min～15L/min、10L/min～20L/min；
5)感应加热回火：通过6KHz～8KHz的中频电源将钢丝加热至420℃～480℃使钢丝完成回火工序，感应线圈采用若干个长度0.5m～0.6m的线圈作为回火加热装置；通过40KHz～50KHz的高频电源保持钢丝回火温度，使钢丝芯与钢丝表面温度一致，感应线圈采用若干个长度1.5m～1.7m的线圈作为回火保温装置；
6)涡流探伤：采用涡流探伤仪对钢丝进行探伤，在线监测材料表面质量；
7)制作成品：对钢丝进行预弯操作后通过收卷装置进行收线，检验入库后获得高强度弹簧钢丝成品。
2.根据权利要求1所述的高强度弹簧钢丝的制备方法，其特征在于：所述的步骤2)中钢丝通过夹送轮进行前进速度的控制，加热前控制前进速度为19.8m/min～20.2m/min，加热后控制前进速度为20m/min～20.4m/min。
3.根据权利要求1所述的高强度弹簧钢丝的制备方法，其特征在于：所述的步骤2)中通过200KW/7KHz的中频电源将钢丝预加热至750℃以上，感应线圈采用4个长度0.55m的线圈作为加热装置；通过高频电源将钢丝加热至860℃～900℃，高频电源中采用160KW/50KHz的电源进行前加热并采用100KW/100KHz的电源进行后加热，感应线圈采用3个与1个长度0.55m的线圈作为前加热装置与后加热装置；通过50KW/40KHz的高频电源保持钢丝加热温度，使钢丝芯与钢丝表面温度一致，感应线圈采用2个长度1.1m的线圈作为保温装置。
4.根据权利要求3所述的高强度弹簧钢丝的制备方法，其特征在于：所述的长度1.1m的感应线圈内置耐高温隔磁Ni-Ti合金钢管，外层包裹耐高温绝缘材料层，在内腔形成恒温环境。
5.根据权利要求1所述的高强度弹簧钢丝的制备方法，包括钢丝段(5)，其特征在于：所述的步骤3)中钢丝段(5)穿过上部导向槽(18)与下部导向槽(19)之间，上部轴承(22)通过上部传动轴(20)与上部导向轮(16)连接且下部轴承(23)通过下部传动轴(21)与下部导向轮(17)连接，上部导向轮(16)与下部导向轮(17)从动转动，对钢丝段(5)进行导向，保持水平行进。
6.根据权利要求1所述的高强度弹簧钢丝的制备方法，其特征在于：所述的步骤3)中蒸汽淬火装置包括连接接头(1)并在连接接头(1)顶部设有外部接口(4)且外部接口(4)顶部外侧设有外螺纹段，外部接口(4)与蒸汽管(14)活动连接并在蒸汽管(14)端部设有蒸汽管接头(15)且蒸汽管接头(15)设有内螺纹段，外部接口(4)与蒸汽管(14)通过外螺纹段与内螺纹段活动连接；所述连接接头(1)一端端部设有进钢丝口(3)并在另一端端部设有内部螺纹段，连接接头(1)与端部设有外部螺纹段(7)的管体(2)通过内部螺纹段与外部螺纹段(7)活动连接，钢丝段(5)贯穿进钢丝口(3)、连接接头(1)与管体(2)；所述管体(2)长度为1.5m～3mm且管体(2)通过若干个定位机构(6)与外部操作台连接；所述定位机构(6)包括通过隔板分隔为2个支撑区的支撑块且每个支撑区顶部开设有上部孔(9)并在底部开设有下部孔(8)，支撑块通过穿过2个下部孔(8)的螺栓(10)与外部操作台连接且支撑块顶部与固定箍(11)活动连接；所述固定箍(11)的两端端部均设有定位螺纹段(12)且定位螺纹段(12)穿过对应的上部孔(9)并通过螺母(13)进行固定；所述管体(2)穿过固定箍(11)；所述连接接头(1)侧部设有导向装置且导向装置包括支架(24)并在支架(24)上对应设置有上部轴承(22)与下部轴承(23)；所述上部轴承(22)通过上部传动轴(20)与上部导向轮(16)连接并在上部导向轮(16)上开设有上部导向槽(18)且下部轴承(23)通过下部传动轴(21)与下部导向轮(17)连接并在下部导向轮(17)上开设有下部导向槽(19)；所述上部导向槽(18)与下部导向槽(19)对应设置且钢丝段(5)穿过上部导向槽(18)与下部导向槽(19)之间。
7.根据权利要求1所述的高强度弹簧钢丝的制备方法，其特征在于：所述的步骤4)中水淬火装置的水淬火通道(26)为喇叭形并在水淬火通道(26)内壁开设有若干排喷水口(27)且喷水口(27)均朝向钢丝。
8.根据权利要求1所述的高强度弹簧钢丝的制备方法，其特征在于：所述的步骤5)中通过200KW/7KHz的中频电源将钢丝加热至420℃～480℃使钢丝完成回火工序，感应线圈采用4个长度0.55m的线圈作为回火加热装置；通过50KW/40KHz的高频电源保持钢丝回火温度，使钢丝芯与钢丝表面温度一致，感应线圈采用6个长度1.6m的线圈作为回火保温装置。
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Denomination of invention: A Preparation Method of High Strength Spring Steel Wire

Effective date of registration: 20230605

Granted publication date: 20210713

Pledgee: Nanjing Bank Co.,Ltd. Jiangyan Branch

Pledgor: Taizhou Rongding spring steel wire Co.,Ltd.

Registration number: Y2023320000312