CN112427484B - 一种再结晶退火调控不锈弹簧钢线成形制造方法 - Google Patents

一种再结晶退火调控不锈弹簧钢线成形制造方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种再结晶退火调控不锈弹簧钢线成形制造方法，化学成分（wt%）为C：0.04~0.06、Si：0.3~0.8、Mn：0.8~1.5、S：≤0.030、P：≤0.035、N：≤0.2、Cr：16.0~19.0、Ni：8.0~11.0、Nb：0.1~0.3，Ti：0.1~0.3，Al：0.3~0.5，其余为Fe。控制Al：N摩尔比大于1，使Ti和Nb形成强化相，细化晶粒，提高强度，防止Cr23C6型碳化物和σ相析出，提高抗晶间腐蚀能力。设计成分，真空通氮气熔炼固溶热轧后冷拔，再通过调整再结晶退火温度和时间控制成形性，最后冷拔成直径为0.7mm高强度耐腐蚀的不锈弹簧钢线。

Description

一种再结晶退火调控不锈弹簧钢线成形制造方法
技术领域
本发明属于不锈钢弹簧领域，具体涉及一种再结晶退火调控不锈弹簧钢线成形制造方法。
背景技术
弹簧是机器设备和电子行业中广泛应用的一种弹性元件。很多电器和精密仪表要求弹簧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。然而304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，严重限制其应用。为了提高强度，中国专利申请CN201010512166.3中公开了通过表面预处理之后采用冷却卷筒冷却拉丝制备了高强度奥氏体不锈弹簧钢丝，但其增加了设备和工艺难度。中国专利申请CN201910332233.4公开了在不锈弹簧钢丝冷拉制备过程中需要进行固溶软化处理，但固溶温度高，奥氏体晶粒粗大，严重影响力学性能。
发明内容
为了克服304不锈弹簧钢线强度硬度偏低的问题，避免晶间腐蚀，采用调整成分和改变成形热处理工艺的方法，通过细晶强化、沉淀强化和形变强化协同提高不锈弹簧钢线强度和耐晶间腐蚀性能，同时改善成形性能。
为了实现上述目的，本发明所采用的技术方案是：
一种再结晶退火调控不锈弹簧钢线成形制造方法，包括设计成分，精炼，固溶轧制，大变形冷拔，再结晶退火，冷拔成形。具体步骤为：
S1：将原材料清理干净，设计和配制原材料，熔炼成铸锭；
以重量百分比计，原材料合金组成包括C：0.04~0.06、Si：0.3~0.8、Mn：0.8~1.5、S：≤0.030、P：≤0.035、N：≤0.2、Cr：16.0~19.0、Ni：8.0~11.0、Nb：0.1~0.3，Ti：0.1~0.3，Al：0.3~0.5，其余为Fe。
优选地，其中Al与N的摩尔比大于1。
S2：将步骤S1铸锭固溶热轧成直径5.5mm钢线，皮膜处理烘干；
S3：将步骤S2钢线6次冷拔成直径2.0mm钢线，并清洗；
S4：将步骤S3钢线加热到900~980℃再结晶退火，皮膜处理烘干；
S5：将步骤S4钢线8次冷拔成直径为0.7mm耐蚀不锈弹簧钢线。
具体步骤如下：
S1：装料抽真空为1Pa，通氮气，加入合金元素在1550~1580℃熔炼5~10min，后降温至1520℃浇注。
S2：将步骤S1铸锭加热到1100~1200℃以3~4m/min轧制成直径5.5mm钢线后水冷烘干。用浓度18~20% AM500皮膜剂88~90℃进行皮膜处理，200℃烘干。
S3：将步骤S2钢线采用硬脂酸钠作为润滑剂在钨硬质合金模中连续冷拔成直径为4.6、3.7、3.1、2.6、2.2、2.0 mm钢线，出线速度约250~280 m/min。采用浓度8~10%的硫酸、单根钢线直流5A、24V电解酸洗，水冲洗烘干。
S4：将步骤S3钢线以6~8m/min速度进入通80ml/min氨气气氛退火炉中900~980℃再结晶退火，炉冷至500~600℃后水冷，清洗烘干，用浓度13-15% 的AM500皮膜剂在88~90℃皮膜处理，160℃烘干。
S5：将步骤S4钢线采用硬脂酸钠作为润滑剂在聚晶钻石模中连续冷拔成直径为1.65、1.35、1.15、1.0、0.90、0.82、0.76、0.70mm高强度不锈弹簧钢线，出线速度约180~200m/min。
本发明的有益效果在于：
（1）通过添加Al消耗N含量，控制Al与N摩尔比大于1，增强Ti和Nb细晶强化和合金相强化效果，防止Cr23C6型碳化物和σ相析出，提高抗晶间腐蚀能力。 Al和Ti能严格调控氧含量，还能与Ni作用析出弥散纳米沉淀强化相。
（2）奥氏体不锈钢通常在1050~1100℃固溶处理奥氏体晶粒粗大，晶粒度一般为0~2级；低于800℃再结晶退火容易出现Cr23C6型碳化物和σ相析出，造成晶间腐蚀；通过900~980℃再结晶退火，晶粒度在4~6级，避免了上述缺陷产生，实现了软化和防止晶间腐蚀一体化处理。
（3）利用成分设计和再结晶退火工艺调整，防止碳化物析出提高耐晶间腐蚀性能，净化组织结构，增加弥散纳米强化相，阻止位错移动，使不锈钢线既具有较好的成形性能又具有细晶强化、弥散强化和形变强化协同作用。
附图说明
图1为对比例2中拉拔为2.0mm钢线室温金相组织；
图2为对比例2中1050℃固溶处理后钢线金相组织；
图3为本发明实施例1中再结晶退火钢线金相组织；
图4为本发明实施例2中再结晶退火钢线金相组织；
图5为本发明实施例3中再结晶退火钢线金相组织；
图6为本发明实施例4中再结晶退火钢线金相组织；
图7为对比例3中880℃再结晶退火钢线金相组织；
图8为对比例4中1000℃再结晶退火钢线金相组织。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明。
对比例 1
配制样品（wt%），C：0.05、Si：0.4、Mn：1.2、S：≤0.025、P：≤0.030、N：≤0.2、Cr：18.0、Ni：9.0，其余为Fe。
将原料装炉抽真空至1Pa后通氮气，在1560℃熔炼后1520℃浇注。在1050℃轧制成直径5.5mm钢线水冷烘干。用浓度20%AM500皮膜剂在90℃处理，200℃烘干。采用硬脂酸钠作为润滑剂在钨硬质合金模中自动连续冷拔为直径4.6、3.7、3.1、2.6、2.2、2.0mm钢线，出线速度约280m/min。利用浓度10%的硫酸、单根直流5A、24V进行电解酸洗，水洗烘干。将2.0mm钢线以6m/min进入通80ml/min氨气气氛退火炉中，1050℃固溶处理后水冷。用浓度15%AM500皮膜剂在90℃处理，160℃烘干。采用硬脂酸钠作为润滑剂在聚晶钻石模中自动连续冷拔为直径1.65、1.35、1.15、1.0、0.90、0.82、0.76、0.70mm钢线，出线速度约200m/min。将最终0.7mm不锈弹簧钢线制取金相样品进行氯化铁溶液腐蚀，10秒就能腐蚀出清晰的晶界，硬度为450HV。
对比例 2
配制样品（wt%），C：0.05、Si：0.4、Mn：1.2、S：≤0.025、P：≤0.030、N：≤0.2、Cr：18.0、Ni：9.0、Nb：0.1，Ti：0.2，Al：0.3，其余为Fe。
将原料装炉抽真空至1Pa后通氮气，在1560℃熔炼后1520℃浇注。在1050℃轧制成直径5.5mm钢线水冷烘干。用浓度20%AM500皮膜剂在90℃处理，200℃烘干。采用硬脂酸钠作为润滑剂在钨硬质合金模中自动连续冷拔为直径4.6、3.7、3.1、2.6、2.2、2.0mm钢线，出线速度约280m/min，金相组织如图1所示。利用浓度10%的硫酸、单根直流5A、24V进行电解酸洗，水洗烘干。将2.0mm钢线以6m/min进入通80ml/min氨气气氛退火炉中，1050℃固溶处理后水冷。固溶处理后金相组织如图2所示，晶粒度为1级。用浓度15%AM500皮膜剂在90℃处理，160℃烘干。采用硬脂酸钠作为润滑剂在聚晶钻石模中自动连续冷拔为直径1.65、1.35、1.15、1.0、0.90、0.82、0.76、0.70mm钢线，出线速度约200m/min。将最终0.7mm不锈弹簧钢线制取金相样品进行氯化铁溶液腐蚀，5分钟以上才能腐蚀出清晰的晶界，硬度为480HV，合金元素添加虽然提高了抗腐蚀能力，硬度一定程度得到改善。但是采用固溶处理造成奥氏体晶粒粗大，不锈钢线硬度偏低。
实施例1
配制样品（wt%），C：0.05、Si：0.4、Mn：1.2、S：≤0.025、P：≤0.030、N：≤0.16、Cr：18.0、Ni：9.0、Nb：0.1，Ti：0.2，Al：0.3，其余为Fe。
将原料装炉抽真空至1Pa后通氮气，在1560℃熔炼后1520℃浇注。铸锭加热到1100℃以3~4m/min轧制成直径5.5mm钢线后水冷烘干。用浓度20% AM500皮膜剂在90℃处理，200℃烘干。采用硬脂酸钠作为润滑剂在钨硬质合金模中自动连续冷拔为直径4.6、3.7、3.1、2.6、2.2、2.0mm钢线，出线速度约280m/min。利用硫酸浓度10%、单根直流5A、24V进行电解酸洗，水洗烘干。将2.0mm钢线以6m/min进入通80ml/min氨气气氛退火炉中，900℃再结晶退火，炉冷至600℃水冷。金相组织如图3所示，变形组织已完全发生了再结晶，晶粒度为6级，成形性较好，用浓度15% AM500皮膜剂在90℃处理，160℃烘干。采用硬脂酸钠作为润滑剂在聚晶钻石模中自动连续冷拔为直径1.65、1.35、1.15、1.0、0.90、0.82、0.76、0.70mm钢线，出线速度约200m/min。将最终0.7mm不锈弹簧钢线制取金相样品进行氯化铁溶液腐蚀，5分钟以上才能腐蚀出清晰的晶界，硬度为511HV，合金元素添加及低温再结晶软化较大提高了抗腐蚀能力和硬度。
实施例2
配制样品（wt%），C：0.04、Si：0.3、Mn：0.8、S：≤0.030、P：≤0.035、N：≤0.2、Cr：16.0、Ni：8.0、Nb：0.1，Ti：0.1，Al：0.4，其余为Fe。
将原料装炉抽真空至0.1Pa后通氮气，在1550℃熔炼后1520℃浇注。铸锭加热到1200℃以3~4m/min轧制成直径5.5mm钢线后水冷烘干。用浓度18% AM500皮膜剂在88℃处理，200℃烘干。采用硬脂酸钠作为润滑剂在钨硬质合金模中自动连续冷拔为直径4.6、3.7、3.1、2.6、2.2、2.0mm钢线，出线速度约250m/min。利用浓度8%的硫酸、单根直流5A、24V进行电解酸洗，水洗烘干。将2.0mm钢线以6m/min进入通80ml/min氨气气氛退火炉中，920℃再结晶退火炉冷至500℃水冷。金相组织如图4所示，变形组织已完全发生了再结晶，晶粒度为6级，具有较好的成形性。用浓度13% AM500皮膜剂在88℃处理，160℃烘干。采用硬脂酸钠作为润滑剂在聚晶钻石模中自动连续冷拔为直径1.65、1.35、1.15、1.0、0.90、0.82、0.76、0.70mm钢线，出线速度约180m/min。将最终0.7mm不锈弹簧钢线制取金相样品进行氯化铁溶液腐蚀，5分钟以上才能腐蚀出清晰的晶界，硬度为508HV，合金元素添加和低温再结晶退火提高了抗腐蚀能力和硬度。
实施例3
配制样品（wt%），C：0.06、Si：0.8、Mn：1.5、S：≤0.025、P：≤0.030、N：≤0.2、Cr：19.0、Ni：11.0、Nb：0.3，Ti：0.3，Al：0.5，其余为Fe。
将原料装炉抽真空至1Pa后通氮气，在1580℃熔炼后1520℃浇注。铸锭加热到1200℃以3~4m/min轧制成直径5.5mm钢线后水冷烘干。用浓度20% AM500皮膜剂在90℃处理，200℃烘干。采用硬脂酸钠作为润滑剂在钨硬质合金模中自动连续冷拔为直径4.6、3.7、3.1、2.6、2.2、2.0mm钢线，出线速度约280m/min。利用浓度10%的硫酸、单根直流5A、24V进行电解酸洗，水洗烘干。将2.0mm钢线以8m/min进入通80ml/min氨气气氛退火炉中，950℃再结晶退火炉冷至600℃水冷。金相组织如图5所示，变形组织已完全发生了再结晶，晶粒度为5级，具有很好的成形性。用浓度15% AM500皮膜剂在90℃处理，160℃烘干。采用硬脂酸钠作为润滑剂在聚晶钻石模中自动连续冷拔为直径1.65、1.35、1.15、1.0、0.90、0.82、0.76、0.70mm钢线，出线速度约200m/min。将最终0.7mm不锈弹簧钢线制取金相样品进行氯化铁溶液腐蚀，5分钟以上才能腐蚀出清晰的晶界，硬度为506HV，合金元素添加和低温再结晶退火提高了抗腐蚀能力和硬度。
实施例4
配制样品（wt%），C：0.05、Si：0.4、Mn：1.2、S：≤0.025、P：≤0.030、N：≤0.2、Cr：18.0、Ni：9.0、Nb：0.1，Ti：0.2，Al：0.5，其余为Fe。
将原料装炉抽真空至1Pa后通氮气，在1560℃熔炼后1520℃浇注。铸锭加热到1200℃以3~4m/min轧制成直径5.5mm钢线后水冷烘干。用浓度20% AM500皮膜剂90℃皮膜处理，200℃烘干。采用硬脂酸钠作为润滑剂在钨硬质合金模中自动连续冷拔为直径4.6、3.7、3.1、2.6、2.2、2.0mm钢线，出线速度约280m/min。利用浓度10%的硫酸、单根直流5A、24V进行电解酸洗，水冲洗烘干。将2.0mm钢线以8m/min进入通80ml/min氨气气氛退火炉中980℃再结晶退火炉冷至600℃水冷。金相组织如图6所示，变形组织已完全发生了再结晶并出现晶粒长大现象，晶粒度为4级。用浓度15% AM500皮膜剂90℃皮膜处理，160℃烘干。采用硬脂酸钠作为润滑剂在聚晶钻石模中自动连续冷拔为直径1.65、1.35、1.15、1.0、0.90、0.82、0.76、0.70mm钢线，出线速度约200m/min。将最终0.7mm不锈弹簧钢线制取金相样品进行氯化铁溶液腐蚀，5分钟以上才能腐蚀出清晰的晶界，硬度为501HV，合金元素添加和低温再结晶退火提高了抗腐蚀能力和硬度。
对比例3
采用与实施例4相同的技术方案，其中区别点在于：再结晶退火温度为880℃。经测定，金相组织如图7所示，再结晶退火温度偏低，在规定时间内还没有完全再结晶。
对比例4
采用与实施例4相同的技术方案，其中区别点在于：再结晶退火温度为1000℃。经测定，金相组织如图8所示，硬度为485HV，再结晶退火温度偏高，晶粒已经粗大，造成了硬度较快下降。
本发明通过900~980℃再结晶退火处理，替代常规钢线成形中的高温固溶处理，得到产品晶粒度在4~6级，避免了对比例中的缺陷产生，实现了软化和防止晶间腐蚀一体化处理。

Claims (7)

1.一种再结晶退火调控不锈弹簧钢线成形制造方法，其特征在于：包括设计成分，精炼，固溶轧制，大变形冷拔，再结晶退火，冷拔成形；
以重量百分比计，原材料合金组成包括C：0.04~0.06、Si：0.3~0.8、Mn：0.8~1.5、S：≤0.030、P：≤0.035、N：≤0.2、Cr：16.0~19.0、Ni：8.0~11.0、Nb：0.1~0.3，Ti：0.1~0.3，Al：0.3~0.5，其余为Fe；
具体步骤为：
S1：将原材料清理干净，设计和配制原材料，熔炼成铸锭；
S2：将步骤S1铸锭固溶热轧成直径5.5mm钢线，皮膜处理烘干；
S3：将步骤S2钢线6次冷拔成直径2.0mm钢线，并清洗；
S4：将步骤S3钢线加热到900~980℃再结晶退火，皮膜处理烘干；
S5：将步骤S4钢线8次冷拔成直径为0.7mm不锈弹簧钢线。
2.根据权利要求1所述的一种再结晶退火调控不锈弹簧钢线成形制造方法，其特征在于：所述Al与N的摩尔比大于1。
3.根据权利要求1所述的一种再结晶退火调控不锈弹簧钢线成形制造方法，其特征在于：步骤S1中氮气保护条件下熔炼合金化，抽真空为1Pa，通氮气，加入合金元素在1550~1580℃熔炼5~10min，降温至1520℃浇注。
4.根据权利要求1所述的一种再结晶退火调控不锈弹簧钢线成形制造方法，其特征在于：步骤S2，将铸锭加热到1100~1200℃以3~4m/min轧制成直径5.5mm钢线后水冷烘干；用浓度18~20%AM500皮膜剂88~90℃进行皮膜处理，200℃烘干。
5.根据权利要求1所述的一种再结晶退火调控不锈弹簧钢线成形制造方法，其特征在于：步骤S3，采用硬脂酸钠作为润滑剂在钨硬质合金模中连续冷拔成直径为4.6、3.7、3.1、2.6、2.2、2.0mm钢线，出线速度250~280 m/min，采用浓度8-10%的硫酸、单根钢线直流5A、24V电解酸洗，水冲洗烘干。
6.根据权利要求1所述的一种再结晶退火调控不锈弹簧钢线成形制造方法，其特征在于：步骤S4，将2.0mm钢线以6~8 m/min速度进入通80ml/min氨气气氛退火炉中900~980℃再结晶退火，炉冷到500~600℃后水冷，清洗烘干，用浓度13~15% AM500皮膜剂88~90℃皮膜处理，160℃烘干。
7.根据权利要求1所述的一种再结晶退火调控不锈弹簧钢线成形制造方法，其特征在于：步骤S5，采用硬脂酸钠作为润滑剂在聚晶钻石模中连续冷拔成直径为1.65、1.35、1.15、1.0、0.90、0.82、0.76、0.70mm不锈弹簧钢线，出线速度180~200m/min。
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