CN113275405A - 一种twip钢丝直接拉拔成形的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种TWIP钢丝直接拉拔成形的方法，将TWIP钢热轧盘条在950～1150℃进行均匀化处理，保温时间0.5～2h，然后进行淬火处理；再对TWIP钢热轧盘条进行酸洗，采用物理方法和/或化学方法使TWIP钢热轧盘条表面形成润滑层；采用直进式连续拉丝机对有润滑层的TWIP钢热轧盘条进行拉拔，拉拔速度为1～3m/s，卷筒温度控制在60℃以下，单道次压缩率控制在5～20％之间，拉拔道次为10～18道次，直至拉拔成规定线径的TWIP钢丝。本发明不仅实现了高强度、冷拔压缩率高、表面质量良好的TWIP钢丝连续式生产制备，而且去除了传统钢丝拉拔工艺中的中间退火工序，极大提高了TWIP钢丝材生产效率。
Description
技术领域
本发明涉及TWIP(Twinning-induced plasticity，孪生诱发塑性)钢丝领域，尤其涉及一种TWIP钢丝直接拉拔成形的方法。
背景技术
孪生诱发塑性(Twinning-induced plasticity，TWIP)钢具有很高的强度(Rm：550～1200MPa)和极高的塑性(A：50～110％)，强塑积高达50GPa·％以上，是强韧性最为突出的金属材料之一，在航空航天、轨道交通、石油化工、桥梁建筑等领域具有非常重要的应用价值。
TWIP钢的高强韧以及优异的成形性能源于其形变过程中奥氏体晶粒内孪晶的形成。在一定载荷作用下，组织内会产生大量形变孪晶，不断分割细化晶粒，阻碍位错滑移，继而引发动态Hall-Petch效应，使材料强度提高，同时使应变由高应变区向低应变区转移，宏观上显示出均匀的无颈缩伸长，表现出极高的塑性及成形能力。
目前，鞍钢、宝钢、韩国浦项制铁等钢企已研制出汽车用TWIP钢板材及防撞吸能部件；中科院合肥物质科学研究院针对我国探月航天器软着陆卡脖子材料难题，基于缓冲元件服役要求，开发出高吸能TWIP钢线材，延伸率达110％以上，成功保障CE-3、CE-4航天器顺利登月；此外，在航天功能产品研制基础上，他们还开发出不同型号高强韧、高吸能TWIP钢棒材，已在桥梁防撞、减振结构等领域实现批量应用。
在TWIP钢研究与应用开发方面，当前国内外的关注点主要是TWIP钢成分设计、组织调控以及强韧化机制等，多是针对板材冷轧、热轧以及深冲成形产品，而针对TWIP钢丝材拉拔成形的工艺研究，研究报道较少。鉴于TWIP钢突出的高强韧性能，TWIP钢丝材具有重要工程开发价值，有望在高强韧焊丝、防护网、预应力构件等领域发挥作用。如目前广泛应用于桥梁的系杆、拉索及各类预应力工程中的高强度预应力钢绞线，多是采用高碳钢冷拉拔成丝，再通过绞合工艺制成。然而，预应力钢绞线极高的强度是以牺牲其延伸率(约3％)为代价的，而且屈强比过高，构件安全性不足。福州大学研究团队考察了不同预应变对含铜TWIP钢材料强韧性的影响，发现针对Fe-20Mn-3Cu-1.3C TWIP钢，预应变达81％时，静态拉伸材料屈服强度可达1958MPa，而延伸率仍然超过了15％。
钢丝拉拔是一个冷变形过程，伴随着剧烈的加工硬化，一次拉拔难以形成所需的尺寸，往往存在相应的拉拔极限。一般而言，根据钢丝品种不同、状态不同、拉拔道次压缩率多控制在9％～34％之间，合金钢拉拔总压缩率一般不大于58％，碳素钢一般不大于90％。当钢丝拉拔总压缩率要求较高时，拉拔道次之间需进行中间热处理，以提升钢材均匀变形能力。
具体操作中，钢丝拉拔变形多分为大拉、中拉、细拉三个阶段，以两次中间热处理为标志：大拉阶段施以较大的冷拔压缩率，可以提升拉拔效率，随后进行退火处理，以消除加工硬化；中拉后继续进行退火处理，以提高丝材进一步变形能力，为最后细拉成形奠定基础。由于TWIP效应，TWIP钢加工硬化率较高，且易产生动态应变时效，一次拉拔难以实现较大断面压缩率。前期，中科院合肥物质科学研究院采用冷拉拔+中间退火工艺，实现了不同型号(压缩率)TWIP钢丝的制备，其中，最高拉拔总压缩率超过99％。然而，这种间断式加工方式增加了能耗，并制约了钢丝生产效率，而要实现连续式生产，则需采用连续式高温加热炉(如铅浴炉)，并配置三连以上的连续拔丝机，以及增加相应的表面处理装置，工艺复杂，成本偏高。
因此，如何在保障TWIP钢丝质量的前提下，探索直接冷拉拔成形的工艺方法，获得具有较大冷拔压缩率的TWIP钢丝，实现高效、连续式生产制备，成为了目前TWIP钢丝开发中亟待解决的关键问题。
发明内容
针对现有技术中的上述不足之处，本发明合理调控冷拉拔道次以及单道次拉拔压缩率等关键工艺参数提供了一种TWIP钢丝直接拉拔成形的方法，不仅实现了高强度、冷拔压缩率高、表面质量良好的TWIP钢丝连续式生产制备，而且去除了传统钢丝拉拔工艺中的中间退火工序，极大提高了TWIP钢丝材生产效率。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的：
一种TWIP钢丝直接拉拔成形的方法，包括以下步骤：
步骤1、热轧盘条均匀化处理：将TWIP钢热轧盘条在950～1150℃范围进行高温均匀化处理，保温时间0.5～2h，然后进行淬火处理；
步骤2、表面处理：对经过步骤1处理后的TWIP钢热轧盘条进行酸洗，然后采用物理方法和/或化学方法使经过所述酸洗后的TWIP钢热轧盘条表面形成润滑层；
步骤3、拉拔：采用直进式连续拉丝机对经过步骤2处理后的TWIP钢热轧盘条进行拉拔，拉拔速度为1～3m/s，单道次压缩率控制在5～20％之间，拉拔道次为10～18道次，直至拉拔成规定线径的TWIP钢丝。
优选地，所述的采用直进式连续拉丝机对经过步骤2处理后的TWIP钢热轧盘条进行拉拔还包括：拉丝模具压缩角为6～10°，定径带长度为2～10mm，该直进式连续拉丝机的卷筒温度控制在60℃以下，卷筒集线高度在2/3，模盒内冷却水水温≤35℃。
优选地，所述对经过步骤1处理后的TWIP钢热轧盘条进行酸洗包括：步骤21、酸洗除锈：采用120～180g/L的盐酸溶液对经过步骤1处理后的TWIP钢热轧盘条进行酸洗，酸洗温度为50～80℃，酸洗时间为3～5s，然后对酸洗后的TWIP钢热轧盘条进行水洗。
优选地，所述的采用物理方法和/或化学方法使经过所述酸洗后的TWIP钢热轧盘条表面形成润滑层包括：
步骤22、磷化处理：将经过所述酸洗后的TWIP钢热轧盘条置入磷化液中进行快速磷化处理，磷化温度为60～90℃，磷化时间为3～5s，然后对磷化处理后的TWIP钢热轧盘条进行水洗，从而使经过所述酸洗后的TWIP钢热轧盘条表面形成磷化膜润滑涂层；
步骤23、涂硼处理：将经过步骤22处理后的TWIP钢热轧盘条置入硼砂溶液中进行涂硼处理，所述硼砂溶液的浓度为120～200g/L，涂硼处理温度为80～100℃，涂硼处理时间为2～4s，然后对涂硼处理后的TWIP钢热轧盘条进行烘干处理，烘干温度为200～300℃，烘干时间为2～3s，从而使经过所述酸洗后的TWIP钢热轧盘条表面的磷化膜润滑涂层表面形成硼砂润滑涂层。
优选地，还包括以下步骤：步骤4、去除润滑层：对所述规定线径的TWIP钢丝进行抛光，以去除表面的润滑层，从而得到规定线径的TWIP钢丝产品。
优选地，所述的TWIP钢热轧盘条采用TWIP钢线材直径为6～10mm、长度大于200m的TWIP钢热轧盘条。
优选地，所述的规定线径为直径2.2～4.0mm。
优选地，经过该TWIP钢丝直接拉拔成形的方法处理一次后，一次直接拉拔成形的TWIP钢丝直径为2.2～4.0mm，抗拉强度为1.04～1.65GPa，延伸率为7.2％～14.2％。
由上述本发明提供的技术方案可以看出，本发明所提供的TWIP钢丝直接拉拔成形的方法通过对热轧盘条均匀化处理、表面处理以及单道次压缩比和拉拔速率的精确合理调控，从而不仅实现了高强度、冷拔压缩率高(总拉拔压缩率可达90％以上)、表面质量良好的TWIP钢丝连续式生产制备，而且去除了传统钢丝拉拔工艺中的中间退火工序，极大提高了TWIP钢丝材生产效率。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域的普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他附图。
图1为本发明实施例所提供TWIP钢丝直接拉拔成形的方法的工艺流程示意图。
图2为本发明实施例所提供不同冷拔压缩率TWIP钢丝材力学性能示意图。
具体实施方式
下面结合本发明实施例中的附图，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，都属于本发明的保护范围。
下面对本发明所提供的TWIP钢丝直接拉拔成形的方法进行详细描述。本发明实施例中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。
如图1所示，一种TWIP钢丝直接拉拔成形的方法，包括以下步骤：
步骤1、热轧盘条均匀化处理：将TWIP钢热轧盘条在950～1150℃范围进行高温均匀化处理，保温时间0.5～2h，然后进行淬火处理。该均匀化处理可以消除TWIP钢热轧组织缺陷，并通过控制其晶粒生长，调控后续加工成形能力。所述的TWIP钢热轧盘条最好采用TWIP钢线材直径为6～10mm、长度大于200m的TWIP钢热轧盘条。
步骤2、表面处理：表面处理主要包括两个工序：一是对经过步骤1处理后的TWIP钢热轧盘条进行酸洗，以清除TWIP钢热轧盘条表面的氧化皮；其二是采用物理方法和/或化学方法使经过所述酸洗后的TWIP钢热轧盘条表面形成润滑层，以便于后续拉拔。该表面处理具体可以包括以下工序：
(1)步骤21、酸洗除锈：采用120～180g/L的盐酸溶液对经过步骤1处理后的TWIP钢热轧盘条进行酸洗，酸洗温度为50～80℃，酸洗时间为3～5s，然后对酸洗后的TWIP钢热轧盘条进行水洗。
(2)步骤22、磷化处理：将经过步骤21处理后的TWIP钢热轧盘条置入磷化液(所述磷化液的各组分的质量百分比为：磷酸2～4％、氧化锌0.4～0.6％、硝酸锌0.5～1.5％、硝酸镍3～5％、硝酸锰2～4％、硼氟酸钠0.2～1％、氯酸钠2～3％、柠檬酸0.5～2％、余量为软化水)中进行快速磷化处理，磷化温度为60～90℃，磷化时间为3～5s，然后对磷化处理后的TWIP钢热轧盘条进行水洗，从而使经过所述酸洗后的TWIP钢热轧盘条表面形成磷化膜润滑涂层。该磷化过程将在TWIP钢表面析出磷酸锌和磷酸锌铁晶体，形成磷化膜润滑涂层，孔隙率为0.5％～1％，可随TWIP钢丝延伸15倍以上不剥落。
(3)步骤23、涂硼处理：将经过步骤22处理后的TWIP钢热轧盘条置入硼砂溶液中进行涂硼处理，所述硼砂溶液的浓度为120～200g/L，涂硼处理温度为80～100℃，涂硼处理时间为2～4s，然后对涂硼处理后的TWIP钢热轧盘条进行烘干处理，烘干温度为200～300℃，烘干时间为2～3s，从而使经过所述酸洗后的TWIP钢热轧盘条表面的磷化膜润滑涂层表面形成硼砂润滑涂层。本发明采用磷化膜涂层与硼砂涂层复合润滑方式，在TWIP钢热轧盘条表面形成了两层润滑涂层，这可以有效抑制TWIP钢在拉拔变形中与拉丝模具的摩擦，降低模具磨损，提高TWIP钢丝材均匀变形能力。
步骤3、拉拔：采用直进式连续拉丝机对经过步骤2处理后的TWIP钢热轧盘条进行直接拉拔成形(即直接冷拔成形)，拉拔速率为1～3m/s，拉丝模具压缩角为6～10°，定径带长度为2～10mm，该直进式连续拉丝机的卷筒温度控制在60℃以下，卷筒集线高度在2/3，模盒内冷却水水温≤35℃；为兼顾拉拔效率并避免过大的加工硬化，单道次压缩率控制在5～20％之间，拉拔道次为10～18道次，直至拉拔成规定线径(所述的规定线径可以为直径0.5～4.0mm，也可以为实际需要的钢丝直径数值)的TWIP钢丝，总拉拔压缩率可达90％以上。本发明采用相对较低的拉拔速率有利于提升TWIP钢成形能力，同时采用适中的单道次压缩率既保障了TWIP钢丝材生产效率，又避免了动态应变时效导致加工硬化剧烈提升带来的变形不均匀等问题。
步骤4、去除润滑层：TWIP钢丝拉拔成形后，采用抛光等方式及时对所述规定线径的TWIP钢丝进行处理，以去除表面的润滑层，保证TWIP钢丝表面无腐蚀、光滑洁净，从而得到规定线径的TWIP钢丝产品。通过对该规定线径的TWIP钢丝产品经性能检测分析，可以得出该TWIP钢丝产品是符合设计所需的TWIP钢丝材产品。
具体地，采用本发明所提供的上述TWIP钢丝直接拉拔成形的方法对TWIP钢线材直径为6～10mm、长度大于200m的TWIP钢热轧盘条进行处理一次后，一次直接拉拔成形的TWIP钢丝直径为2.2mm～4.0mm，抗拉强度为1.04～1.65GPa，延伸率为7.2％～14.2％，这有效拓展了TWIP钢丝冷拉拔极限，提高了拉拔效率，为连续式生产奠定了技术基础。
与传统钢丝拉拔工艺相比，本发明所提供的TWIP钢丝直接拉拔成形的方法通过合理调控单道次冷拔压缩率以及拉拔速率，去除了传统钢丝拉拔工艺中的中间退火工序，极大提高了TWIP钢丝材生产效率。
综上可见，本发明实施例不仅实现了高强度、冷拔压缩率高(总拉拔压缩率最高可达95％以上)、表面质量良好的TWIP钢丝连续式生产制备，而且去除了传统钢丝拉拔工艺中的中间退火工序，极大提高了TWIP钢丝材生产效率。
为了更加清晰地展现出本发明所提供的技术方案及所产生的技术效果，下面以具体实施例对本发明实施例所提供的TWIP钢丝直接拉拔成形的方法进行详细描述。
实施例1
如图1所示，一种TWIP钢丝直接拉拔成形的方法，用于制备Fe-30Mn-3Al-3Si TWIP钢丝，具体包括以下步骤：
步骤A1、热轧盘条均匀化处理：将TWIP钢线材直径为8mm、长度大于200m的Fe-30Mn-3Al-3Si TWIP钢热轧盘条置入高温炉中在1100℃高温条件下进行高温均匀化处理，保温时间2h，然后进行淬火处理。
步骤A2、酸洗除锈：采用120g/L的盐酸溶液对经过步骤A1处理后的TWIP钢热轧盘条进行酸洗，酸洗温度为80℃，酸洗时间为5s，然后对酸洗后的TWIP钢热轧盘条进行水洗。
步骤A3、磷化处理：将经过步骤A2处理后的TWIP钢热轧盘条置入磷化液(所述磷化液的各组分的质量百分比为：磷酸4％、氧化锌0.6％、硝酸锌1.5％、硝酸镍3％、硝酸锰2％、硼氟酸钠0.2％、氯酸钠2％、柠檬酸0.5％、余量为软化水)中进行快速磷化处理，磷化温度为60℃，磷化时间为5s，然后对磷化处理后的TWIP钢热轧盘条进行水洗，从而使经过所述酸洗后的TWIP钢热轧盘条表面形成磷化膜润滑涂层。
步骤A4、涂硼处理：将经过步骤A3处理后的TWIP钢热轧盘条置入硼砂溶液中进行涂硼处理，所述硼砂溶液的浓度为150g/L，涂硼处理温度为80℃，涂硼处理时间为4s，然后对涂硼处理后的TWIP钢热轧盘条进行烘干处理，烘干温度为200℃，烘干时间为3s，从而使经过所述酸洗后的TWIP钢热轧盘条表面的磷化膜润滑涂层表面形成硼砂润滑涂层。
步骤A5、拉拔：采用直进式连续拉丝机对经过步骤A4处理后的TWIP钢热轧盘条进行直接拉拔成形(即直接冷拔成形)，拉拔速率为3m/s，拉丝模具压缩角为6°，定径带长度为5mm，该直进式连续拉丝机的卷筒温度控制在60℃以下，卷筒集线高度在2/3，模盒内冷却水水温≤35℃；拉拔道次为16道次，每道次的直接拉拔成形工艺参数如下表1所示，单道次压缩率控制在5～20％之间，直至拉拔成Φ2.2mm的TWIP钢丝，总拉拔压缩率达到92.4％。
表1
步骤A6、去除润滑层：TWIP钢丝拉拔成形后，采用千叶轮及时对步骤A5所得到的Φ2.2mm的TWIP钢丝进行抛光处理，以去除表面的润滑层，保证TWIP钢丝表面无腐蚀、光滑洁净，从而得到Φ2.2mm的TWIP钢丝产品。
具体地，本发明实施例1所得到的Φ2.2mm的TWIP钢丝产品是冷拔压缩率为92.4％的一次冷拉拔TWIP钢丝；对本发明实施例1所得到的Φ2.2mm的TWIP钢丝产品进行以下检测：
(1)采用Instron 3369力学试验机对本发明实施例1所得到的Φ2.2mm的TWIP钢丝产品以及未进行冷拔压缩的TWIP钢丝、冷拔压缩率为85.9％的一次冷拉拔TWIP钢丝、冷拔压缩率为75.0％的一次冷拉拔TWIP钢丝进行拉伸力学性能检测，从而可以得到如图2所示的不同冷拔压缩率TWIP钢丝材力学性能示意图。由图2可以看出：未进行冷拔压缩的TWIP钢丝(即固溶态)的抗拉强度Rm为592.5MPa、延伸率A为86.4％，冷拔压缩率为75.0％的一次冷拉拔TWIP钢丝的抗拉强度Rm为1039.8MPa、延伸率A为14.2％，冷拔压缩率为85.9％的一次冷拉拔TWIP钢丝的抗拉强度Rm为1348.5MPa、延伸率A为9.6％，而本发明实施例1所得到的Φ2.2mm的TWIP钢丝产品的抗拉强度Rm为1649.2MPa、延伸率A为7.2％；可见：本发明实施例1实现了高强度、冷拔压缩率高的TWIP钢丝连续式生产制备；随冷拔压缩率提高，TWIP钢丝的抗拉强度增大，延伸率较低，这是材料冷拉拔过程中不断加工硬化的结果。
(2)对本发明实施例1所得到的Φ2.2mm的TWIP钢丝产品进行表面质量观测，可以看出：本发明实施例1所得到的Φ2.2mm的TWIP钢丝产品表面质量良好。
综上可见，本发明实施例不仅实现了高强度、冷拔压缩率高、表面质量良好的TWIP钢丝连续式生产制备，而且去除了传统钢丝拉拔工艺中的中间退火工序，极大提高了TWIP钢丝材生产效率。
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披露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。
Claims (8)
1.一种TWIP钢丝直接拉拔成形的方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1、热轧盘条均匀化处理：将TWIP钢热轧盘条在950～1150℃范围进行高温均匀化处理，保温时间0.5～2h，然后进行淬火处理；
步骤2、表面处理：对经过步骤1处理后的TWIP钢热轧盘条进行酸洗，然后采用物理方法和/或化学方法使经过所述酸洗后的TWIP钢热轧盘条表面形成润滑层；
步骤3、拉拔：采用直进式连续拉丝机对经过步骤2处理后的TWIP钢热轧盘条进行拉拔，拉拔速度为1～3m/s，单道次压缩率控制在5～20％之间，拉拔道次为10～18道次，直至拉拔成规定线径的TWIP钢丝。
2.根据权利要求1所述的TWIP钢丝直接拉拔成形的方法，其特征在于，所述的采用直进式连续拉丝机对经过步骤2处理后的TWIP钢热轧盘条进行拉拔还包括：拉丝模具压缩角为6～10°，定径带长度为2～10mm，该直进式连续拉丝机的卷筒温度控制在60℃以下，卷筒集线高度在2/3，模盒内冷却水水温≤35℃。
3.根据权利要求1或2所述的TWIP钢丝直接拉拔成形的方法，其特征在于，所述的对经过步骤1处理后的TWIP钢热轧盘条进行酸洗包括：
步骤21、酸洗除锈：采用120～180g/L的盐酸溶液对经过步骤1处理后的TWIP钢热轧盘条进行酸洗，酸洗温度为50～80℃，酸洗时间为3～5s，然后对酸洗后的TWIP钢热轧盘条进行水洗。
4.根据权利要求1或2所述的TWIP钢丝直接拉拔成形的方法，其特征在于，所述的采用物理方法和/或化学方法使经过所述酸洗后的TWIP钢热轧盘条表面形成润滑层包括：
步骤22、磷化处理：将经过所述酸洗后的TWIP钢热轧盘条置入磷化液中进行快速磷化处理，磷化温度为60～90℃，磷化时间为3～5s，然后对磷化处理后的TWIP钢热轧盘条进行水洗，从而使经过所述酸洗后的TWIP钢热轧盘条表面形成磷化膜润滑涂层；
步骤23、涂硼处理：将经过步骤22处理后的TWIP钢热轧盘条置入硼砂溶液中进行涂硼处理，所述硼砂溶液的浓度为120～200g/L，涂硼处理温度为80～100℃，涂硼处理时间为2～4s，然后对涂硼处理后的TWIP钢热轧盘条进行烘干处理，烘干温度为200～300℃，烘干时间为2～3s，从而使经过所述酸洗后的TWIP钢热轧盘条表面的磷化膜润滑涂层表面形成硼砂润滑涂层。
5.根据权利要求1或2所述的TWIP钢丝直接拉拔成形的方法，其特征在于，还包括以下步骤：
步骤4、去除润滑层：对所述规定线径的TWIP钢丝进行抛光，以去除表面的润滑层，从而得到规定线径的TWIP钢丝产品。
6.根据权利要求1或2所述的TWIP钢丝直接拉拔成形的方法，其特征在于，所述的TWIP钢热轧盘条采用TWIP钢线材直径为6～10mm、长度大于200m的TWIP钢热轧盘条。
7.根据权利要求1或2所述的TWIP钢丝直接拉拔成形的方法，其特征在于，所述的规定线径为直径2.2～4.0mm。
8.根据权利要求1或2所述的TWIP钢丝直接拉拔成形的方法，其特征在于，经过该TWIP钢丝直接拉拔成形的方法处理一次后，一次直接拉拔成形的TWIP钢丝直径为2.2～4.0mm，抗拉强度为1.04～1.65GPa，延伸率为7.2％～14.2％。
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| GR01 | Patent grant | ||
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