CN112391519B - 一种高强耐疲劳气弹簧用钢管的加工工艺 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种高强耐疲劳气弹簧用钢管的加工工艺。本发明以304不锈钢棒为主体，利用动态压缩塑性变形技术将尺寸较小的纳米碳化硅栾晶填补在微米晶粒和纳米金属栾晶间隙，减少了位错滑移空间和滑移带间距；将微米晶粒细化在钢内部形成致密化结构，使得滑移活动具有较高的阻力，有效降低循环应变的局部化，成功抑制裂纹产生，增加了钢管的强度和耐疲劳性。在DPD过程中直接渗氮处理，一是提高了费米能级的电子态密度，促进金属原子无定向性键合，二是减少了后续用氮气对钢管淬火使结构致密化的步骤。我们采用低压冷喷涂在钢管表面形成Al/Zn薄膜保护层，增加钢管的耐腐蚀性，提高钢管的冲击韧性。

Description

一种高强耐疲劳气弹簧用钢管的加工工艺
技术领域
本发明涉及冶金材料技术领域，具体为一种高强耐疲劳气弹簧用钢管的加工工艺。
背景技术
气弹簧是一种可以起支撑、缓冲、制动、高度调节及角度调节等功能的工业配件；其中升降气弹簧在日常生活中也得到了广泛的应用，作为可调整高度和角度的家具器械的主要构成部分，尤其在办公家具和医疗器械中得到了更为广泛的应用。而制作气弹簧所用的钢管，大部分应用于气缸、油缸运动执行部件中，且是一个运动频繁、操作过多的物质。而用于气弹簧中钢管的抗拉伸强度、耐疲劳性，都决定了气弹簧的使用寿命。
304不锈钢是近年来使用最广泛的耐热不锈钢，其良好的耐腐蚀和成型性等性能使其被广泛运用于食品用设备、化工用设备、原子能工业用设备中。但其存在抗拉强度中等，耐疲劳性不优异等缺点，因此如何提高304不锈钢的抗拉强度、耐疲劳性，使其可以用其气弹簧是很有必要的，其目前金属热处理过程复杂，时间较长，使得制备过程能耗较高，如何制备过程简单化，也是我们一直研究的方向。
发明内容
本发明的目的在于提供一种高强耐疲劳气弹簧用钢管的加工工艺，以解决上述背景技术中提出的问题。
为了解决上述技术问题，本发明提供如下技术方案：
一种高强耐疲劳气弹簧用钢管的加工工艺，包括以下步骤：
（1）动态压缩塑性变形技术喂入纳米碳化硅；
（2）钢棒加热穿孔；
（3）钢管退火；
（4）钢管低压冷喷涂层。
较为优化地，包括以下步骤：
（1）动态压缩塑性变形技术喂入纳米碳化硅：将304不锈钢棒置于氢气氛围处理箱中（氧含量小于0.3vol%），在1200~1400℃下退火2~3小时，得到粗晶粒尺寸均匀的304不锈钢棒；将其转移至氮气氛围的处理箱中，加入纳米碳化硅，设置氮气压力为100~150Mpa，反应温度为180~220℃，冲击能量为2.5KJ，以总应变量为ε=1.3，高应变率为102~103s-1，执行多步动态压缩塑性变形过程，得到圆柱钢棒；
（2）钢棒加热穿孔：将所得圆柱钢棒置于氮气氛围炉中，控制穿孔偏心率，设置加热为1165~1175℃，执行穿孔，得到钢管；
（3）钢管退火：将所得钢管中，在氢气氛围中，以25~26℃/s的速度加热至1150~1180℃，保温30分钟，然后于氮气氛围下以100℃/h的速度降温至600℃，保温20~40分钟，然后，以20~22℃/s，降温至300℃，取出，空冷，得到高强耐疲劳气弹簧用钢管；
（4）钢管低压冷喷涂层：将铝粉和锌粉均匀混合，得Al/Zn混合粉，备用；将钢管表面用丙酮和乙醇清洗干净，并用石英喷砂预处理；采用低压冷喷工艺，将Al/Zn混合粉，以送粉速率为0.556g/s∼1.389g/s，喷雾温度为500℃，工作气体为氮气，气体压力为0.8Mpa，执行操作，得到具有Al/Zn薄膜的高强耐疲劳气弹簧用钢管。
较为优化地，所述304不锈钢棒的包括以下组分：铁：18.29wt%，铬：18.10wt%，镍：0.061 wt%，碳：0.34wt%，硅：1.38wt%，锰：0.007wt%，硫：小于0.008wt%，磷：小于0.008wt%，有余量不可避免杂质。
较为优化地，所述纳米碳化硅的尺寸为1.2~5.6nm。
较为优化地，步骤（1）中，所述粗晶粒的尺寸为160~180μm。
较为优化地，步骤（2）中，所述穿孔偏心率小于5%。
较为优化地，步骤（4）中，所述锌粉尺寸为5~14μm；铝粉尺寸为15~45μm。
较为优化地，步骤（4）中，所述Al/Zn薄膜厚度为327~367μm。
本技术方案中，以304不锈钢棒为主体，通过动态压缩塑性变形技术喂入纳米碳化硅，来制备高强耐疲劳气弹簧用钢管，并于钢管表面用低压冷喷技术喷涂Al/Zn涂层，增加钢管的耐腐蚀性。
具体为：将304不锈钢棒先在高温1200~1400℃下退火，使得304不锈钢棒内部形成的粗晶粒平均尺寸为160~180μm，而微米级晶粒的奥氏体304不锈钢棒，强度较低，易于加工，动态压缩塑性变形技术（DPD）过程中的低温工作，温度为180~220℃，较平常以热处理方式喂入，温度低，时间短；减少了长时间热处理引起的脱碳问题，降低了传统奥氏体化过程中出现的沉淀。此外，以热处理方式喂入，后续的退火或其他热处理操作，又会因较高的温度会引发晶粒的生长，再加上处理时间较长，使得钢管的整体性能降低。但以DPD方式喂入，钢管内部具有细密度的组织结构，在后续热处理过程中化学成分和晶粒尺寸不会发生明显变化，本发明加工工艺中后续的钢棒加热穿孔、钢管退火等步骤的操作，并不会降低钢管的整体性能。
同时，动态压缩塑性变形过程是在氮气氛围中进行的，利用锰和铬金属溶解氮，在DPD过程中直接渗氮处理。惰性气体的流动，在DPD过程中能量的冲击下，可以有效去除氧等副产物。且氮的渗入有利于各种原子在晶格中的分布，一是与硅产生氮化硅提高了费米能级的电子态密度，为晶粒在晶格间提供自由电子，从而促进了金属原子无定向性键合，使得含有较高原子的间隙也不会破坏材料的延展性；与碳的合金化，也使得材料强度增加；可以增加铁晶格的有序化，从而提高钢管的强度。二是，减少了后续用氮气对钢管淬火使结构致密化以抑制沉淀的过程。
同时，以纳米碳化硅晶形式将碳与硅元素采用DPD方式的再次喂入，线性增加钢管的抗拉伸强度、提高屈服点、弹性极限，尽可能降低因碳元素再次喂入钢棒的塑性呈现大幅度降低和耐疲劳性降低。具体：以纳米碳化硅喂入增加钢管中碳和硅两种元素，在DPD过程中能量的冲击下，钢棒内部微米晶粒大部分细化形成15~66nm纳米金属栾晶，喂入的1.2~5.6nm纳米碳化硅进入钢棒内部，也有一部分形成纳米碳化硅栾晶，与尺寸较小的纳米碳化硅一起填补在微米晶粒纳米金属栾晶的间隙，相互作用，使得钢内部结构致密化，提高了钢棒的机械强度，强度的增加使得材料可以承受较高的应力，从而具有较高的耐疲劳寿命。
耐疲劳机制方面，一般来说，常规金属的疲劳损伤主要来自于不可逆的位错逐渐累积或局限性。与常规的金属应变局部化不同，本工艺中所制备的高强耐疲劳气弹簧用钢管，其内部具有高密度的独特变形栾晶，且具有特别有尺寸较小的纳米碳化硅栾晶填补间隙，减少了位错滑移空间和滑移带间距；使得滑移活动具有较高的阻力，有效降低循环应变的局部化，成功抑制裂纹产生。虽说，我们后续的有其他如退火等操作步骤，但是有部分脱栾和马氏体变化的再结晶晶粒，但其在栾晶周围建立了适度的塑性应变状态，影响了栾晶的周期性塑性变化，协调了循环变形的相容性，从而有效的释放了应变局部变化，抑制了表面开裂，使得钢管具有较高的耐疲劳性。
另外，我们采用低压冷喷涂将Al/Zn混合粉喷涂在钢管表面，再其表面形成327~367μm的Al/Zn薄膜，形成一层保护层，增加钢管的耐腐蚀性，提高钢管的冲击韧性，从而提高钢管的耐疲劳性。为了提高涂层与钢管基体之间的机械粘结效果，在喷涂前使用丙酮和酒精进行超声波清洗，去除基体表面的污渍，再采用石英砂喷砂预处理，增加基材表面粗糙度，有利于涂层材料颗粒与基材之间的粘结。
与现有技术相比，本发明所达到的有益效果是：本发明以304不锈钢棒为主体，利用动态压缩塑性变形技术将纳米碳化硅晶喂入，线性增加钢管的抗拉伸强度、提高屈服点、弹性极限。（1）DPD将尺寸较小的纳米碳化硅栾晶填补在微米晶粒和纳米金属栾晶间隙，减少了位错滑移空间和滑移带间距；将微米晶粒细化在钢内部形成致密化结构，使得滑移活动具有较高的阻力，有效降低循环应变的局部化，成功抑制裂纹产生，增加了钢管的强度和耐疲劳性。（2）在DPD过程中直接渗氮处理，一是提高了费米能级的电子态密度，促进金属原子无定向性键合，二是减少了后续用氮气对钢管淬火使结构致密化的步骤。（3）我们采用低压冷喷涂在钢管表面形成Al/Zn薄膜保护层，增加钢管的耐腐蚀性，提高钢管的冲击韧性。
具体实施方式
下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例1：
步骤一：动态压缩塑性变形技术喂入纳米碳化硅：将304不锈钢棒置于氢气氛围处理箱中（氧含量小于0.3vol%），在1200℃下退火2小时，得到粗晶粒尺寸均匀的304不锈钢棒；将其转移至氮气氛围的处理箱中，加入纳米碳化硅，设置氮气压力为100Mpa，反应温度为180℃，冲击能量为2.5KJ，以总应变量为ε=1.3，高应变率为102~103s-1，执行多步动态压缩塑性变形过程，得到圆柱钢棒；
步骤二：钢棒加热穿孔：将所得圆柱钢管置于氮气氛围炉中，控制穿孔偏心率，设置加热为1165℃，执行穿孔，得到钢管；
步骤三：钢管退火：将所得钢管中，在氢气氛围中，以25℃/s的速度加热至1150℃，保温30分钟，然后于氮气氛围下以100℃/h的速度降温至600℃，保温20分钟，然后，以20℃/s，降温至300℃，取出，空冷，得到高强耐疲劳气弹簧用钢管；
步骤四：钢管低压冷喷涂层：将铝粉和锌粉均匀混合，得Al/Zn混合粉，备用；将钢管表面用丙酮和乙醇清洗干净，并用石英喷砂预处理；采用低压冷喷工艺，将Al/Zn混合粉，以送粉速率为0.556g/s，喷雾温度为500℃，工作气体为氮气，气体压力为0.8Mpa，执行操作，得到具有Al/Zn薄膜的高强耐疲劳气弹簧用钢管。
本实施例中，所述Al/Zn薄膜厚度为327μm。
实施例2：
步骤一：动态压缩塑性变形技术喂入纳米碳化硅：将304不锈钢棒置于氢气氛围处理箱中（氧含量小于0.3vol%），在1400℃下退火3小时，得到粗晶粒尺寸均匀的304不锈钢棒；将其转移至氮气氛围的处理箱中，加入纳米碳化硅，设置氮气压力为150Mpa，反应温度为220℃，冲击能量为2.5KJ，以总应变量为ε=1.3，高应变率为102~103s-1，执行多步动态压缩塑性变形过程，得到圆柱钢棒；
步骤二：钢棒加热穿孔：将所得圆柱钢管置于氮气氛围炉中，控制穿孔偏心率，设置加热为1175℃，执行穿孔，得到钢管；
步骤三：钢管退火：将所得钢管中，在氢气氛围中，以26℃/s的速度加热至1180℃，保温30分钟，然后于氮气氛围下以100℃/h的速度降温至600℃，保温40分钟，然后，以22℃/s，降温至300℃，取出，空冷，得到高强耐疲劳气弹簧用钢管；
步骤四：钢管低压冷喷涂层：将铝粉和锌粉均匀混合，得Al/Zn混合粉，备用；将钢管表面用丙酮和乙醇清洗干净，并用石英喷砂预处理；采用低压冷喷工艺，将Al/Zn混合粉，以送粉速率为1.389g/s，喷雾温度为500℃，工作气体为氮气，气体压力为0.8Mpa，执行操作，得到具有Al/Zn薄膜的高强耐疲劳气弹簧用钢管。
本实施例中，所述Al/Zn薄膜厚度为367μm。
实施例3：
步骤一：动态压缩塑性变形技术喂入纳米碳化硅：将304不锈钢棒置于氢气氛围处理箱中（氧含量小于0.3vol%），在1300℃下退火2.5小时，得到粗晶粒尺寸均匀的304不锈钢棒；将其转移至氮气氛围的处理箱中，加入纳米碳化硅，设置氮气压力为120Mpa，反应温度为200℃，冲击能量为2.5KJ，以总应变量为ε=1.3，高应变率为102~103s-1，执行多步动态压缩塑性变形过程，得到圆柱钢棒；
步骤二：钢棒加热穿孔：将所得圆柱钢管置于氮气氛围炉中，控制穿孔偏心率，设置加热为1170℃，执行穿孔，得到钢管；
步骤三：钢管退火：将所得钢管中，在氢气氛围中，以25℃/s的速度加热至1160℃，保温30分钟，然后于氮气氛围下以100℃/h的速度降温至600℃，保温30分钟，然后，以21℃/s，降温至300℃，取出，空冷，得到高强耐疲劳气弹簧用钢管；
步骤四：钢管低压冷喷涂层：将铝粉和锌粉均匀混合，得Al/Zn混合粉，备用；将钢管表面用丙酮和乙醇清洗干净，并用石英喷砂预处理；采用低压冷喷工艺，将Al/Zn混合粉，以送粉速率为1g/s，喷雾温度为500℃，工作气体为氮气，气体压力为0.8Mpa，执行操作，得到具有Al/Zn薄膜的高强耐疲劳气弹簧用钢管。
本实施例中，所述Al/Zn薄膜厚度为340μm。
实施例4：
步骤一：动态压缩塑性变形技术喂入纳米碳化硅：将304不锈钢棒置于氢气氛围处理箱中（氧含量小于0.3vol%），在1400℃下退火3小时，得到粗晶粒尺寸均匀的304不锈钢棒；将其转移至氮气氛围的处理箱中，设置氮气压力为150Mpa，反应温度为220℃，冲击能量为2.5KJ，以总应变量为ε=1.3，高应变率为102~103s-1，执行多步动态压缩塑性变形过程，得到圆柱钢棒；
步骤二：钢棒加热穿孔：将所得圆柱钢管置于氮气氛围炉中，控制穿孔偏心率，设置加热为1175℃，执行穿孔，得到钢管；
步骤三：钢管退火：将所得钢管中，在氢气氛围中，以26℃/s的速度加热至1180℃，保温30分钟，然后于氮气氛围下以100℃/h的速度降温至600℃，保温40分钟，然后，以22℃/s，降温至300℃，取出，空冷，得到高强耐疲劳气弹簧用钢管；
步骤四：钢管低压冷喷涂层：将铝粉和锌粉均匀混合，得Al/Zn混合粉，备用；将钢管表面用丙酮和乙醇清洗干净，并用石英喷砂预处理；采用低压冷喷工艺，将Al/Zn混合粉，以送粉速率为1.389g/s，喷雾温度为500℃，工作气体为氮气，气体压力为0.8Mpa，执行操作，得到具有Al/Zn薄膜的高强耐疲劳气弹簧用钢管。
本实施例中，步骤一种，动态压缩塑性变形过程中不喂入纳米碳化硅；
所述Al/Zn薄膜厚度为367μm；
实施例5：
步骤一：动态压缩塑性变形技术喂入纳米碳化硅：将304不锈钢棒置于氢气氛围处理箱中（氧含量小于0.3vol%），在1400℃下退火3小时，得到粗晶粒尺寸均匀的304不锈钢棒；将其转移至氩气氛围的处理箱中，加入纳米碳化硅，设置氩气压力为150Mpa，反应温度为220℃，冲击能量为2.5KJ，以总应变量为ε=1.3，高应变率为102~103s-1，执行多步动态压缩塑性变形过程，得到圆柱钢棒；
步骤二：钢棒加热穿孔：将所得圆柱钢管置于氮气氛围炉中，控制穿孔偏心率，设置加热为1175℃，执行穿孔，得到钢管；
步骤三：钢管退火：将所得钢管中，在氢气氛围中，以26℃/s的速度加热至1180℃，保温30分钟，然后于氮气氛围下以100℃/h的速度降温至600℃，保温40分钟，然后，以22℃/s，降温至300℃，取出，空冷，得到高强耐疲劳气弹簧用钢管；
步骤四：钢管低压冷喷涂层：将铝粉和锌粉均匀混合，得Al/Zn混合粉，备用；将钢管表面用丙酮和乙醇清洗干净，并用石英喷砂预处理；采用低压冷喷工艺，将Al/Zn混合粉，以送粉速率为1.389g/s，喷雾温度为500℃，工作气体为氮气，气体压力为0.8Mpa，执行操作，得到具有Al/Zn薄膜的高强耐疲劳气弹簧用钢管。
本实施例中，步骤一中，动态压缩塑性变形过程中将氮气氛围换成氩气氛围；
所述Al/Zn薄膜厚度为367μm。
实施例6：
步骤一：动态压缩塑性变形技术喂入纳米碳化硅：将304不锈钢棒置于氢气氛围处理箱中（氧含量小于0.3vol%），在1400℃下退火3小时，得到粗晶粒尺寸均匀的304不锈钢棒；将氢气换成氮气氛围的处理箱中，加入纳米碳化硅，在1400℃下继续热处理退火2小时；
步骤二：钢棒加热穿孔：将所得圆柱钢管置于氮气氛围炉中，控制穿孔偏心率，设置加热为1175℃，执行穿孔，得到钢管；
步骤三：钢管退火：将所得钢管中，在氢气氛围中，以26℃/s的速度加热至1180℃，保温30分钟，然后于氮气氛围下以100℃/h的速度降温至600℃，保温40分钟，然后，以22℃/s，降温至300℃，取出，空冷，得到高强耐疲劳气弹簧用钢管；
步骤四：钢管低压冷喷涂层：将铝粉和锌粉均匀混合，得Al/Zn混合粉，备用；将钢管表面用丙酮和乙醇清洗干净，并用石英喷砂预处理；采用低压冷喷工艺，将Al/Zn混合粉，以送粉速率为1.389g/s，喷雾温度为500℃，工作气体为氮气，气体压力为0.8Mpa，执行操作，得到具有Al/Zn薄膜的高强耐疲劳气弹簧用钢管。
本实施例中，步骤一中，采用基本热处理方式将纳米碳化硅喂入；所述Al/Zn薄膜厚度为367μm。
实验：
取实施例1~6所制备的一种高强耐疲劳气弹簧管用钢管，按照GB/T228.1-2010测试标准，对钢管的拉伸前度和屈服强度进行测试；参照CN201180044623.3专利中疲劳试验方法，设定应力R=0.05拉伸-拉伸型，设定频率为15Hz，使负荷应力振幅呈阶段性变化，测定应力循环，得到S-N曲线，求出200万次循环下疲劳强度；所得结果如表1所示：
表1
实施例 拉伸强度/MPa 疲劳极限/ MPa
实施例1 823 606
实施例2 891 622
实施例3 850 613
实施例4 680 520
实施例5 734 582
实施例6 723 501
结论：从实施例1-3，可以发现，三种钢管的拉伸强度都在800 MPa以上，疲劳强度在600 MPa，以上表明：所制备气弹簧管用钢管确实具有高强耐疲劳性。
再对比实施例4，不喂入纳米碳化硅所制备的钢管拉伸强度和疲劳极限数据均有显著下降，表明喂入纳米碳化硅确实能增肌钢管的强度，但其疲劳强度仍有520 MPa，是因为DPD技术细化钢管内的粗晶粒，增强了钢管的耐疲劳性，这一点对比实施例6可以得到证实。
再与实施例5对比，未在DPD过程中用氮气氛围渗氮，从数据可以看出拉伸强度和疲劳极限有所下降，原因是氮的渗入一是提高了费米能级的电子态密度，促进金属原子无定向性键合，二是减少了后续用氮气对钢管淬火使结构致密化的步骤。我们选择DPD过程中渗氮进行强度增强和步骤简化的。
最后应说明的是：以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种高强耐疲劳气弹簧用钢管的加工工艺，其特征在于：包括以下步骤：
（1）动态压缩塑性变形技术喂入纳米碳化硅：将304不锈钢棒置于氢气氛围处理箱中，处理箱中氧含量小于0.3vol%，在1200~1400℃下退火2~3小时，得到粗晶粒尺寸均匀的304不锈钢棒；将其转移至氮气氛围的处理箱中，加入纳米碳化硅，设置氮气压力为100~150Mpa，反应温度为180~220℃，冲击能量为2.5KJ，以总应变量为ε=1.3，高应变率为102~103s-1，执行多步动态压缩塑性变形过程，得到圆柱钢棒；
（2）钢棒加热穿孔：将所得圆柱钢棒置于氮气氛围炉中，控制穿孔偏心率，设置加热温度为1165~1175℃，执行穿孔，得到钢管；
（3）钢管退火：将所得钢管中，在氢气氛围中，以25~26℃/s的速度加热至1150~1180℃，保温30分钟，然后于氮气氛围下以100℃/h的速度降温至600℃，保温20~40分钟，然后以20~22℃/s的速度降温至300℃，取出，空冷，得到高强耐疲劳气弹簧用钢管；
（4）钢管低压冷喷涂层：将铝粉和锌粉均匀混合，得Al/Zn混合粉，备用；将钢管表面用丙酮和乙醇清洗干净，并用石英喷砂预处理；采用低压冷喷工艺，将Al/Zn混合粉，以送粉速率为0.556g/s∼1.389g/s，喷雾温度为500℃，工作气体为氮气，气体压力为0.8Mpa，执行操作，得到具有Al/Zn薄膜的高强耐疲劳气弹簧用钢管。
2.根据权利要求1所述的一种高强耐疲劳气弹簧用钢管的加工工艺，其特征在于：所述纳米碳化硅的尺寸为1.2~5.6nm。
3.根据权利要求1所述的一种高强耐疲劳气弹簧用钢管的加工工艺，其特征在于：步骤（1）中，所述粗晶粒的尺寸为160~180μm。
4.根据权利要求1所述的一种高强耐疲劳气弹簧用钢管的加工工艺，其特征在于：步骤（2）中，所述穿孔偏心率小于5%。
5.根据权利要求1所述的一种高强耐疲劳气弹簧用钢管的加工工艺，其特征在于：步骤（4）中，所述锌粉尺寸为5~14μm；铝粉尺寸为15~45μm。
6.根据权利要求1所述的一种高强耐疲劳气弹簧用钢管的加工工艺，其特征在于：步骤（4）中，所述Al/Zn薄膜厚度为327~367μm。
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