CN114951320A

CN114951320A - 一种高延伸高强度高碳钢丝的生产方法

Info

Publication number: CN114951320A
Application number: CN202210495751.XA
Authority: CN
Inventors: 涂益友; 陈曦; 罗茜; 李煜; 蒋建清
Original assignee: Southeast University
Current assignee: Southeast University
Priority date: 2022-05-07
Filing date: 2022-05-07
Publication date: 2022-08-30

Abstract

本发明公开了一种高延伸高强度高碳钢丝的生产方法，具体步骤为：(1)将处理后的盘条进行冷拉拔，拉制成冷拔钢丝，在油浴环境下，对冷拉拔钢丝进行短时电脉冲处理；(2)对短时电脉冲处理后的钢丝再进行冷拉拔。本发明的生产方法可以在室温下进行电脉冲处理，可抑制电脉冲的热效应，防止高温引起渗碳体球化，破坏铁素体/渗碳体界面从而降低钢丝强度，显著抑制热效应防止钢丝强度降低。使用本发明生产方法对冷拉拔钢丝先进行电脉冲处理，之后再进行一次冷拉拔，钢丝强度显著提高，而塑形不发生变化。

Description

一种高延伸高强度高碳钢丝的生产方法

技术领域

本发明属于金属制品领域，具体涉及一种高延伸高强度高碳钢丝的生产方法。

背景技术

高碳冷拉拔钢丝是现有金属材料中强度最高的工程结构材料，具有强度高、塑性好的优点，广泛应用于诸多高应力的工作环境。高强度钢丝的传统生产方法将高碳热轧盘条经过多道次的连续冷拉拔变形制成，冷拉拔变形能够减小片层间距、增大位错密度，产生强烈的加工硬化现象，使钢丝强度随着应变量的增加而不断上升。

冷拉拔应变量决定了钢丝的加工硬化率，在冷拉拔应变量相同的情况下，传统冷拉拔方法生产的钢丝强度的上升空间受到限制，对进一步提高钢丝强度造成了一定的困难。中国专利文献CN108380678A公开了一种高碳钢丝的生产方法可使成品钢丝强度较传统工艺上升，但该方法工艺流程较长，需要长达数十小时的传统热处理与冷拉拔过程反复进行，生产过程复杂，效率低下且生产成本较高，难以在工业上广泛应用。中国专利CN111763813A公开了一种电脉冲处理高强韧高碳钢丝的生产方法，可使冷拉拔钢丝的塑性显著提高，但钢丝的强度降低，无法在固定应变量下使钢丝的强度具有提高。因此，如何使用简单高效的工艺手段以满足高碳钢丝强度提升的要求，是工程界备受关注的问题。

发明内容

发明目的：针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种高延伸高强度高碳钢丝的生产方法，通过电脉冲结合冷拉拔的制备工艺，生产过程简单、高效节能，且在固定冷拉拔应变量下可让钢丝强度提高。

技术方案：为了实现上述目的，本发明所述的一种高延伸高强度高碳钢丝的生产方法，包括如下步骤：

(1)将处理后的盘条进行冷拉拔，拉制成冷拔钢丝，在油浴环境下，对冷拉拔钢丝进行短时电脉冲处理；

(2)对短时电脉冲处理后的钢丝再进行冷拉拔。

进一步地，所述步骤(1)中盘条为含碳量0.72-1.0wt.％的高碳热轧盘条。

进一步地，所述步骤(1)中冷拉拔道次为多道次。

进一步地，所述步骤(1)中冷拉拔道次总压缩率大于80％，每一道次的压缩率为15-25％。

进一步地，所述步骤(1)中油浴环境的温度为室温。

进一步地，所述步骤(1)中电脉冲处理采用单脉冲放电方式，电流密度为50-500A/mm2，脉冲宽度1-100ms，脉冲频率控制在500-5000Hz，处理总时长1-10s。

进一步地，所述步骤(2)中冷拉拔道次为一道次。

进一步地，所述步骤(2)冷拉拔道次压缩率为15-25％。

本发明所述的生产方法所生产的高延伸高强度高碳钢丝。

发明原理：高碳钢丝在冷拉拔过程中，大应变变形使珠光体片层间距减小，铁素体/渗碳体界面增加，位错迅速增殖和缠结，产生强烈的加工硬化作用，提高钢丝强度。尽管加工硬化率会随着拉拔应变量的增加而增大，但如果钢丝应变量固定，则钢丝的加工硬化率有其限度，会限制钢丝强度的进一步提升。

本发明采用电脉冲处理具有非热效应，一方面电脉冲的电子风力能够给位错提高额外的驱动力，促进位错运动加快，改变位错组态，使缠结和钉扎的位错解缠与脱钉，恢复其可动性，增加钢丝内离散的可动位错数目，提高材料塑性。另一方面非热效应的电迁移现象能够提高碳原子运动速率，促进渗碳体片层中的非晶转化为纳米晶，纳米晶分布于渗碳体片层和界面处，能够增大位错运动阻力，起到钉扎位错的作用。在电脉冲完成后的下一道次冷拉拔时，可动位错进一步增殖并与渗碳体中的纳米晶粒发生交互作用，大量位错受到钉扎作用并重新缠结，位错运动受到严重阻碍，钢丝的加工硬化作用得到增强。

本发明通过使用电脉冲处理，并结合进一步的冷拉拔变形，影响钢丝内位错组态和渗碳体形态，增强钢丝内位错和渗碳体纳米晶的交互作用，能够显著提高固定应变量下钢丝的强度，且塑性无明显降低。

有益效果：与现有技术相比，具有如下优点：

(1)本发明生产方法具有工艺简单、效率极高、能量损耗低的优势，除冷拉拔加工外只需要进行一次电脉冲处理，且电脉冲处理高效迅速，处理时长在1-10s内，耗能较小。

(2)本发明通过油浴环境，在室温下进行电脉冲处理，可抑制电脉冲的热效应，防止高温引起渗碳体球化，破坏铁素体/渗碳体界面从而降低钢丝强度，显著抑制热效应防止钢丝强度降低。

(3)本发明对冷拉拔钢丝先进行电脉冲处理，关键在于之后再进行一次冷拉拔；该生产方法与常规连续冷拉拔方法相比，在同等应变量下，能够让钢丝的强度比常规方法显著提高，且塑形无明显降低。

附图说明

图1是本发明的电脉冲处理装置示意图；

图2是实施例1最后一道次冷拉拔后的TEM照片；

图3是对比例3低温回火处理后的TEM照片。

具体实施方式

以下结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

实施例1

(1)将含碳量0.82wt.％、直径5.50mm的高碳热轧盘条除锈，至高碳热轧盘条表面光洁无氧化皮；

(2)将处理后的高碳热轧盘条采用钢丝拉拔工艺拉制成冷拉拔钢丝，拉拔直径至1.90mm，每一拉拔道次的压缩率为20％，共进行9道次的拉拔，总压缩率为88％，所得钢丝抗拉强度为2020MPa，延伸率4.8％。

(3)将冷拉拔后的钢丝在油浴条件下进行电脉冲处理，如图1，冷拉拔钢丝的两端由铜制导轮连接于脉冲电源正负两极，铜制导轮中间部分能够进行电脉冲处理，电脉冲处理中的钢丝处于油浴环境中，油浴环境温度为室温，(不在油浴处理环境中的钢丝部分并不处于电脉冲处理下)，电脉冲参数为：电流密度100A/mm2，脉冲频率3000Hz，脉冲宽度10ms，处理总时长5s。

(4)电脉冲处理完成后，对钢丝进行冷拉拔至直径1.70mm，该拉拔道次的压缩率为20％，至此共进行10道次的拉拔，钢丝总压缩率为90％。所得钢丝抗拉强度为2250MPa，延伸率4.0％，可见该方法生产的钢丝具有高强度和良好的塑性。钢丝的TEM显微结构如图2所示，可见铁素体内位错大量缠结，且渗碳体片层中出现渗碳体纳米晶。

实施例2

(2)将处理后的高碳热轧盘条采用常规钢丝拉拔工艺拉制成冷拔钢丝，拉拔至直径2.35mm，每一拉拔道次压缩率18％，共进行9道次的拉拔，总压缩率为82％，所得钢丝抗拉强度为1720MPa，延伸率6.5％。

(3)采用实施例1的处理方法将冷拉拔后的钢丝在油浴环境下进行电脉冲处理，油浴环境温度为室温，电脉冲参数为：电流密度300A/mm2，脉冲频率5000Hz，脉冲宽度50ms，处理总时长间10s。

(4)电脉冲处理完成后，对钢丝进行冷拉拔至直径2.15mm，该拉拔道次的压缩率为17％，至此共进行10道次的拉拔，钢丝总压缩率为85％。所得钢丝抗拉强度为1900MPa，延伸率5.9％。

实施例3

(1)将含碳量0.92wt.％、直径6.00mm的高碳热轧盘条除锈，至高碳热轧盘条表面光洁无氧化皮；

(2)将处理后的高碳热轧盘条采用常规钢丝拉拔工艺拉制成冷拔钢丝，直径1.50mm，每一拉拔道次的压缩率为24％，共进行12道次的拉拔，总压缩率为96％，所得钢丝抗拉强度为2430MPa，延伸率2.8％；

(3)采用实施例1的处理方法将冷拉拔后的钢丝在油浴环境下进行电脉冲处理，油浴环境温度为室温，电脉冲参数为：电流密度50A/mm2，脉冲频率1000Hz，脉冲宽度20ms，处理总时长3s；

(4)电脉冲处理后，对钢丝进行冷拉拔至直径1.30mm，该拉拔道次的压缩率为25％，至此共进行13道次的拉拔，钢丝总压缩率为97％。所得钢丝抗拉强度为2520MPa，延伸率2.6％。

对比例1

将含碳量0.82wt.％、直径5.50mm的高碳热轧盘条除锈，至高碳热轧盘条表面光洁无氧化皮。将处理后的高碳热轧盘采用常规钢丝拉拔工艺拉制成冷拔钢丝，直径1.70mm，每一拉拔道次压缩率20％，共进行10道次的拉拔，总压缩率为90％，所得钢丝抗拉强度为2140MPa，延伸率4.3％。

对比例2

(1)将含碳量0.82wt.％、直径5.50mm的高碳热轧盘条除锈，至高碳热轧盘条表面光洁无氧化皮。将处理后的高碳热轧盘采用常规钢丝拉拔工艺拉制成冷拔钢丝，直径1.70mm，每一拉拔道次压缩率20％，共进行10道次的拉拔，总压缩率为90％，所得钢丝抗拉强度为2140MPa，延伸率4.3％。

(2)采用实施例1的方法将冷拉拔后的钢丝在油浴环境下进行电脉冲处理，油浴环境温度为室温，电脉冲参数为：电流密度100A/mm2、脉冲频率3000Hz、脉冲宽度10ms、处理总时长5s。由于电脉冲处理后促进缠结钉扎的位错发生解缠和脱钉，增加可动位错数量，导致钢丝塑性提高而强度降低，钢丝抗拉强度为2090MPa，延伸率4.9％。

对比例3

(1)将含碳量0.82wt.％、直径5.50mm的高碳热轧盘条除锈，至高碳热轧盘条表面光洁无氧化皮。并按常规钢丝拉拔工艺拉制成冷拔钢丝，直径1.90mm，每一拉拔道次的压缩率为20％，共进行9道次的拉拔，总压缩率为88％，所得钢丝抗拉强度为2020MPa，延伸率4.8％。

(2)将冷拉拔后的钢丝在马弗炉中进行低温回火处理，回火温度350℃，回火时间60分钟。

(3)低温回火后，对钢丝进行冷拉拔至直径1.70mm，该拉拔道次压缩率20％，所得钢丝抗拉强度为2070MPa，延伸率5.6％。由于回火处理温度较高，造成渗碳体发生球化现象，导致钢丝强度大幅度降低，钢丝低温回火后的TEM显微结构如图3所示，可见渗碳体的明显球化，铁素体/渗碳体界面被破坏。

表1实施例与对比例含碳量0.82％钢丝(直径1.70mm)的处理后的拉伸性能

如表1所示，将处理后的高碳热轧盘条经过冷拉拔-电脉冲-冷拉拔处理(实施例1)，总压缩率是90％，达到的强度是2250MPa，延伸率4.0％。将处理后的高碳热轧盘条经过冷拉拔处理(对比例1)，总压缩率是90％，延伸率4.3％。但是强度只有2140MPa。若在拉拔至最后一道次之后，才进行电脉冲处理(对比例2)，发现由于没有后续冷拉拔时位错和渗碳体的交互作用，钢丝的强度会降低。若先进行冷拉拔，再进行热处理回火，最后再进行一道次的冷拉拔(对比例3)，发现由于受热处理回火时较高温度的影响，难以形成位错组态和钢丝微结构的特定作用，会降低钢丝的强度，且处理时间长，处理效率低。假如要提高到2250MPa需要继续进行拉拔，需要再增加拉拔道次，就会增大工程量，并且继续拉拔的话钢丝直径会减小，塑性会降低，并且限制其应用。电脉冲处理只需要进行一次，处理时间只需要在10s以内，在处理时间和效率上比热处理短很多；与只使用常规冷拉拔处理的钢丝相比，本发明的方法能够使相同强度下的应变量减小，减少拉拔道次，节约时间。

本发明的生产方法是将处理后的高碳热轧盘条经过冷拉拔，再进行电脉冲处理，最后再进行一次冷拉拔，经过该生产方法制备的钢丝，在应变量不变的基础上，强度明显提高，而塑形无明显降低。电脉冲处理要和下一道次的冷拉拔变形共同作用，电脉冲处理的目的在于改变位错组态和渗碳体形态，从而在进一步拉拔变形时增强位错和渗碳体纳米晶的交互作用，在进行完下一道次冷拉拔之后，显著提高钢丝强度。若全程不加电脉冲处理，只用冷拉拔处理，最后强度更低。如果在冷拉拔至最终应变量后，再进行电脉冲处理，一方面由于位错组态改变，位错密度减小；另一方面由于渗碳体纳米晶无法在后续冷拉拔时，产生与拉拔增殖位错的强烈交互作用，钢丝的加工硬化效果较低，最终导致钢丝的强度会降低(中国专利CN111763813A)。

Claims

1.一种高延伸高强度高碳钢丝的生产方法，其特征在于，包括如下步骤：

(2)对短时电脉冲处理后的钢丝再进行冷拉拔。

2.根据权利要求1所述的高延伸高强度高碳钢丝的生产方法，其特征在于，所述步骤(1)中盘条为含碳量0.72-1.0wt.％的高碳热轧盘条。

3.根据权利要求1所述的高延伸高强度高碳钢丝的生产方法，其特征在于，所述步骤(1)中冷拉拔道次为多道次。

4.根据权利要求1所述的高延伸高强度高碳钢丝的生产方法，其特征在于，所述步骤(1)中冷拉拔道次总压缩率大于80％，每一道次的压缩率为15-25％。

5.根据权利要求1所述的高延伸高强度高碳钢丝的生产方法，其特征在于，所述步骤(1)中油浴环境的温度为室温。

6.根据权利要求1所述的高延伸高强度高碳钢丝的生产方法，其特征在于，所述步骤(1)中电脉冲处理采用单脉冲放电方式，电流密度为50-500A/mm²，脉冲宽度1-100ms，脉冲频率控制在500-5000Hz，处理总时长1-10s。

7.根据权利要求1所述的高延伸高强度高碳钢丝的生产方法，其特征在于，所述步骤(2)中冷拉拔道次为一道次。

8.根据权利要求1所述的高延伸高强度高碳钢丝的生产方法，其特征在于，所述步骤(2)冷拉拔道次压缩率为15-25％。

9.一种权利要求1所述的生产方法所生产的高延伸高强度高碳钢丝。