CN112391577A - 一种赝奥氏体不锈弹簧钢丝及其性能调控方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种赝奥氏体不锈弹簧钢丝及其性能调控方法，成分(wt％)为C：0.05～0.08、Si：0.3～0.8、Mn：1.0～2.0、S：≤0.030、P：≤0.035、Cr：16.0～19.0、Ni：8.00～11.00、Ti：0.1‑0.3、其余为Fe，控制N含量，满足Ti、N、C的化学成分摩尔比值nTi/nN+C小于1，通过调控Ti含量既能固定碳和细化晶粒又能提高不锈钢丝抗晶间腐蚀能力。本发明采用调整综合成分和大变形量(＞30％)来调控马氏体开始转变温度，在室温附近使奥氏体基体上能弥散分布极少量马氏体，该调控方法在细化晶粒的同时获得弥散分布极少量马氏体组织，提高了奥氏体不锈弹簧钢丝强度和耐晶间腐蚀性能力。

Description

一种赝奥氏体不锈弹簧钢丝及其性能调控方法
技术领域
本发明涉及一种赝奥氏体不锈弹簧钢丝及其性能调控方法，主要是在304不锈钢中添加了Ti和N元素，通过Ti调整C含量，细化晶粒，抑制Cr23C6型碳化物和σ相析出，有利于提高不锈弹簧钢丝抗晶间腐蚀性。通过调整综合成分和大变形量调控马氏体开始转变温度，利用大变形过程中在奥氏体基体上产生弥散分布极少量马氏体组织，获得高性能赝奥氏体组织，为不锈钢弹簧钢丝性能改变提供一种新思路。
背景技术
国内外不锈钢在家用电器、精密仪器行业几乎全部取代了镀铬或镀锌碳钢，在食品、交通、机械、建筑等行业需求持续上升。一些电器、精密仪器行业，要求不锈钢既要保证良好的耐蚀性，也要保证高强度。304奥氏体不锈钢作为用量最大、应用最为广泛的一种奥氏体不锈钢，具有高韧性和塑性、易切削性以及良好耐蚀性等优点而广泛应用于航空航天、石油化工、交通运输等几乎所有工业领域。随着资源日益短缺、能源消耗和环境污染不断加剧，金属构件和装备不断向高性能、轻质、节能环保方向发展，服役环境越来越复杂。304奥氏体不锈钢的屈服强度和硬度偏低，抗疲劳性能、耐摩擦磨损性能以及耐局部腐蚀性能仍有不足，严重限制其在苛刻工况环境下应用。可以采用调控材料成分、微观组织结构和内部缺陷来强化，包括固溶强化、形变强化、弥散强化等。一般304不锈钢采用固溶时效进行强化，但时间长，工艺复杂。针对304不锈钢传统热处理缺点及成分特征，本发明提供了一种赝奥氏体不锈弹簧钢丝组织和性能调控方法，以满足高强度和耐腐蚀性要求。
发明内容
发明目的：为了克服304奥氏体不锈弹簧钢丝形变强化后强度硬度偏低，采用形变和相变协同强化的方法，满足不锈弹簧钢丝高强和耐晶间腐蚀性能。
为实现上述目的，本发明所采用技术方案：成分的重量百分比含量(wt％)为C：0.05～0.08、Si：0.3～0.8、Mn：1.0～2.0、S：≤0.030、P：≤0.035、Cr：16.0～19.0、Ni：8.00～11.00、Ti：0.1-0.3，控制N含量，满足Ti与N、C成分摩尔比值nTi/nN+C小于1。
根据成分配制原材料精炼，热轧制在线固溶，大变形量冷拉拔成形。具体步骤为：
S1：将原材料清理干净，除去铁锈，依据不锈弹簧光丝金相组织与成分关系：Ms＝502-810ω(C)-13ω(Mn)-12ω(Cr)-30ω(Ni)-1230ω(N)-42ω(Ti)；Md30＝413-462ω(C+N)-8.1ω(Mn)-9.2ω(Si)-13.7ω(Cr)-9.5ω(Ni)+12ω(Ti)配制不锈钢熔炼原材料。
S2：将步骤S1配好的原材料在真空控氮熔炼炉中进行熔炼。抽真空至0.1Pa后，通氮气0.2-1大气压，在1540-1570℃熔炼完后降温至1500-1540℃浇注。
S3：将步骤S2铸锭加热到1080-1180℃轧制成直径为5.5mm钢线，控制线速为3-6m/min，在线进固溶处理完成后水冷。
2.S4：将步骤S3钢线进行在线皮膜处理，采用成分配方为Ca(OH)2：Na2SO4：Na3PO4:MoS2＝4:4:2:1不含氯离子环保型皮膜剂，控制温度为90±3℃，皮膜剂浓度为20±2％，在线200±10℃连续烘干。
S5：将步骤S4钢线穿过套模进行大变形量拉拔。采用钨硬质合金模，硬脂酸钠作为润滑剂，控制不同变形量，将直径5.5mm钢线拉拔为直径2.0mm，出线速度约250-280m/min。
S6：将步骤S5的不锈弹簧钢丝进行酸洗，步骤为：先进行硫酸预酸洗，采用的硫酸浓度为300g/L-320g/L。再进行混酸酸洗，所述混酸采用硝酸和氢氟酸，混酸酸洗所采用的硝酸浓度为100g/L-140g/L，氢氟酸浓度为35g/L-40g/L，比例4:1。
本发明的有益效果在于：
(1)形变和相变协同强化，大变形诱发马氏体相变，在单相奥氏体基体上弥散分布极少量马氏体组织提高强度，既具有较好的成形性又提高力学性能。
(2)添加Ti和N元素，以Ti固定和调控奥氏体中C元素，在形成氮化物时存在多余固溶氮，通过含氮量控制Ms点和变形马氏体转变点，进而调控大变形过程中组织演变和细化晶粒，同时可以抑制Cr23C6晶间析出，提高304不锈弹簧钢丝强度和耐晶间腐蚀性。
(3)通过综合改变Cr、Ni、N含量控制Ms点和变形马氏体开始转变点，依靠大变形量获得极少量马氏体组织，从而调控不锈弹簧钢丝的力学性能。
附图说明
图1为304样品腐蚀20s的金相组织图。
图2为304样品腐蚀35s的金相组织图。
具体实施方式
对比例
将原材料清理干净，除去铁锈，配制304样品成分(wt％)为C：0.074、Si：0.436、Mn：1.21、S：0.001、P：0.032、Cr：18.0、Ni：8.0。将配好原材料放入真空控氮熔炼炉，抽真空为0.1Pa后，1550℃熔炼后降温至1520℃浇注。铸锭加热到1120℃轧制成直径为5.5mm钢线并在线完成固溶处理水冷。采用浓度20％的Ca(OH)2:Na2SO4:Na3PO4:MoS2＝4:4:2:1皮膜剂在90℃皮膜处理，在线200℃连续烘干。采用硬脂酸钠作为润滑剂在钨硬质合金模中大变形量拉拔为直径5.5、4.6、3.3、3.1、2.6、2.2、2.0mm钢线，出线速度约280m/min。最后将不锈弹簧钢丝在浓度为300g/L硫酸先进行预酸洗，再用硝酸浓度100g/L：氢氟酸浓度35g/L＝4:1的混酸清洗，最后用水冲洗烘干。测得直径为2.0钢线维氏硬度为450HV，采用5克FeCl3，15ml浓盐酸和75ml水配成的腐蚀剂腐蚀金相组织20秒出现清晰晶界。
实施例1
将原材料清理干净，除去铁锈，配制样品成分(wt％)为C：0.07、Si：0.43、Mn：1.2、S：0.05、P：0.030、Cr：18.0、Ni：8.0、Ti：0.1。将配好原材料放入真空控氮熔炼炉，抽真空为0.1Pa后，通氮气0.5大气压，1550℃熔炼后降温至1520℃浇注。铸锭加热到1120℃轧制成直径为5.5mm钢线并在线完成固溶处理水冷。采用浓度20％的Ca(OH)2:Na2SO4:Na3PO4:MoS2＝4:4:2:1皮膜剂在90℃皮膜处理，在线200℃连续烘干。采用硬脂酸钠作为润滑剂在钨硬质合金模中大变形量拉拔为直径5.5、4.6、3.3、3.1、2.6、2.2、2.0mm钢线，出线速度约280m/min。最后将弹簧钢丝在浓度为300g/L硫酸先进行预酸洗，再用硝酸浓度100g/L：氢氟酸浓度35g/L＝4:1的混酸清洗，最后用水冲洗烘干。测得直径为2.0钢线维氏硬度为462HV，采用5克FeCl3，15ml浓盐酸和75ml水配成腐蚀剂腐蚀35秒晶界不如304样品被腐蚀20秒清晰，如图1、2所示，耐腐蚀性能提高。
实施例2
将原材料清理干净，除去铁锈，配制样品成分(wt％)为C：0.07、Si：0.43、Mn：1.2、S：0.005、P：0.030、Cr：18.0、Ni：8.0、Ti：0.2。将配好原材料放入真空控氮熔炼炉，抽真空为0.1Pa后，通氮气0.8大气压，1550℃熔炼后降温至1520℃浇注。铸锭加热到1120℃轧制成直径为5.5mm钢线并在线完成固溶处理水冷。采用浓度20％的Ca(OH)2:Na2SO4:Na3PO4:MoS2＝4:4:2:1皮膜剂在90℃皮膜处理，在线200℃连续烘干。采用硬脂酸钠作为润滑剂在钨硬质合金模中大变形量拉拔为直径5.5、4.6、3.3、3.1、2.6、2.2、2.0mm钢线，出线速度约280m/min。最后将弹簧钢丝在浓度为300g/L硫酸先进行预酸洗，再用硝酸浓度100g/L：氢氟酸浓度35g/L＝4:1的混酸清洗，最后用水冲洗烘干。测得直径为2.0钢线维氏硬度为483HV，采用5克FeCl3，15ml浓盐酸和75ml水配成腐蚀剂腐蚀35秒晶界不如304样品被腐蚀20秒清晰，耐腐蚀性能提高。
实施例3
将原材料清理干净，除去铁锈，配制样品成分(wt％)为C：0.07、Si：0.43、Mn：1.2、S：0.010、P：0.025、Cr：18.0、Ni：8.0、Ti：0.3。将配好原材料放入真空控氮熔炼炉，抽真空为0.1Pa后，通氮气1大气压，1550℃熔炼后降温至1520℃浇注。铸锭加热到1120℃轧制成直径为5.5mm钢线并在线完成固溶处理水冷。采用浓度20％的Ca(OH)2:Na2SO4:Na3PO4:MoS2＝4:4:2:1皮膜剂在90℃皮膜处理，在线200℃连续烘干。采用硬脂酸钠作为润滑剂在钨硬质合金模中大变形量拉拔为直径5.5、4.6、3.3、3.1、2.6、2.2、2.0mm钢线，出线速度约280m/min。最后将弹簧钢丝在浓度为300g/L硫酸先进行预酸洗，再用硝酸浓度100g/L：氢氟酸浓度35g/L＝4:1的混酸清洗，最后用水冲洗烘干。测得直径为2.0mm维氏硬度为475HV，采用5克FeCl3，15ml浓盐酸和75ml水配成腐蚀剂腐蚀35秒晶界不如304样品被腐蚀20秒清晰，耐腐蚀性能提高。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种赝奥氏体不锈弹簧钢丝，其特征在于：其质量百分比含量为C：0.05～0.08、Si：0.3～0.8、Mn：1.0～1.5、S：≤0.030、P：≤0.035、Cr：16.0～19.0、Ni：7.00～11.00、Ti：0.1～0.3、其余为Fe，其中Ti、N、C的化学成分摩尔比值满足nTi/nN+C小于1。
2.一种赝奥氏体不锈弹簧钢丝的性能调控方法，其特征在于:所述方法包括成分精炼，热轧制在线固溶，大变形量冷拉拔成型，具体步骤为：
S1：将原材料清理干净，除去铁锈，设计和配制原材料；
S2：将步骤S1原材料在真空控氮熔炼炉中熔炼成铸锭；
S3：将步骤S2铸锭加热轧成直径为5.5mm钢线并固溶处理；
S4：将步骤S3钢线进行皮膜处理烘干；
S5：将步骤S4钢线大变形冷拉成直径2.0mm不锈弹簧钢丝；
S6：将步骤S5不锈弹簧钢丝进行清洗。
3.根据权利要求1所述的一种赝奥氏体不锈弹簧钢丝的性能调控方法，其特征在于：控制N含量，Ti、N、C成分摩尔比值满足nTi/n(N+C)小于1，综合改变Cr、Ni、N等含量控制Ms点和变形过程中马氏体转变点。
4.根据权利要求2所述的一种赝奥氏体不锈弹簧钢丝的性能调控方法，其特征在于：依据形变马氏体量与成分关系，采用调整综合成分调控大变形过程中马氏体转变温度，在室温附近使奥氏体基体上能弥散分布极少量马氏体，获得赝奥氏体组织。
5.根据权利要求2所述的一种赝奥氏体不锈弹簧钢丝的性能调控方法，其特征在于：抽真空度至0.1Pa后，通氮气0.2-1大气压，在1540-1570℃熔炼完后降温至1500-1540℃浇注，通过氮气压力调控N含量，从而控制变形马氏体转变温度。
6.根据权利要求2所述的一种赝奥氏体不锈弹簧钢丝的性能调控方法，其特征在于：铸锭加热到1080-1180℃轧制成直径为5.5mm钢线，轧制过程中控制线速度3-6m/min，在线固溶处理水冷。
7.根据权利要求2所述的一种赝奥氏体不锈弹簧钢丝的性能调控方法，其特征在于：钢线进行皮膜处理，采用不含氯离子的环保型皮膜剂，成分比例为Ca(OH)2：Na2SO4：Na3PO4:MoS2＝4:4:2:1，控制温度为90±3℃，皮膜剂浓度为20±2％，在线200±10℃连续烘干。
8.根据权利要求2所述的一种赝奥氏体不锈弹簧钢丝的性能调控方法，其特征在于：采用钨硬质合金模，硬脂酸钠作为润滑剂，控制不同变形量，将直径5.5mm钢线拉拔为直径2.0mm不锈弹簧钢丝，出线速度约250-280m/min。
9.根据权利要求2所述的一种赝奥氏体不锈弹簧钢丝的性能调控方法，其特征在于：弹簧钢丝进行清洗，步骤为：先进行硫酸预酸洗，采用硫酸浓度为300g/L-320g/L；再进行混酸酸洗，所述混酸采用硝酸和氢氟酸，混酸酸洗所采用的硝酸浓度为100g/L-140g/L，氢氟酸浓度为35g/L-40g/L，比例4:1。
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