CN115305317B - 一种提高冷拔高碳钢丝强塑性的电脉冲处理方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种提高冷拔高碳钢丝强塑性的电脉冲处理方法，属于钢丝处理技术领域。该方法首先对高碳热轧盘条进行前处理，而后将前处理得到的热轧盘条通过连续冷拉拔制成冷拔钢丝，最后对冷拔得到的高碳钢丝进行电脉冲处理。其中，高碳热轧盘条前处理包括酸洗和磷化工艺；连续冷拉拔过程，钢丝道次压缩率17％‑21％，拉拔速度为0.85m/s‑1.3m/s；冷拔高碳钢丝电脉冲处理过程，脉冲频率为200～500Hz，脉冲电压为30～45V，脉冲处理时间为30～160s。本发明的冷拔高碳钢丝电脉冲处理方法不仅简单易行，且可同时提高冷拔高碳钢丝的强度和塑性。

Description

一种提高冷拔高碳钢丝强塑性的电脉冲处理方法
技术领域
本发明涉及冷拔钢丝处理技术领域，特别是指一种提高冷拔高碳钢丝强塑性的电脉冲处理方法。
背景技术
高碳钢丝由热轧盘条经大变形冷拉拔制成，其在拉拔过程中产生强烈的加工硬化，并且高碳钢丝由珠光体组织组成，而珠光体为“软相”铁素体相和“硬脆相”渗碳体相相间排列而成的层状结构。所以，高碳钢丝在具有超高强度的同时仍可以保持一定的塑性。由于这种特性使其广泛应用于汽车轮胎子午钢帘线、桥梁缆索、弹簧钢和切割钢丝等重要工程领域。但随着社会经济和科学技术的日益发展，交通能源和桥梁建设等行业对高碳钢丝的综合性能提出了更高的要求。因此，研究如何进一步提高高碳钢丝的综合性能，已经成为金属材料研究领域的新热点。
高碳钢丝综合性能提升方面具有许多挑战，但其中难度最大的就是高碳钢丝强度和塑性难以相互匹配的问题。金属材料中强度和塑性属于两个相互矛盾的性能指标，强度提升的同时，塑性通常会随之降低。目前，国内外提高冷拔高碳钢丝性能常用的方法有细化珠光体片层间距、增加碳含量、添加合金元素和增加冷拔变形量。这些方法虽然都可以显著提高高碳钢丝的强度，但强度提高的同时塑性均有不同程度的下降。而随着高碳钢丝应用范围的扩大，应用环境的改变，塑性已经成为其性能的重要考察指标。因此，迫切需要开发一种新型的能够同时提高冷拔高碳钢丝强度和塑性的处理方法。
发明内容
发明目的：本发明的目的在于提供一种提高冷拔高碳钢丝强塑性的电脉冲处理方法，在提高冷拔高碳钢丝强度的同时，使其塑性也得以提升，解决了冷拔高碳钢丝强度和塑性难以同时提升的问题。
技术方案：该方法通过盘条冷拔前处理、盘条冷拔和电脉冲相结合的工艺优化，从冷拔道次压缩率、钢丝拉拔速度、脉冲电压、脉冲频率、脉冲处理时间等方面，提出了一种提高冷拔高碳钢丝强塑性的方法。实现了冷拔高碳钢丝强度和塑性的同时提高，有利于冷拔高碳钢丝综合力学性能的提升。工艺步骤及工艺技术参数如下：
(1)将高碳热轧盘条进行酸洗和磷化等拉拔前处理；
(2)将步骤(1)前处理得到的盘条通过连续冷拉拔制成冷拔钢丝；
(3)将步骤(2)得到的冷拔钢丝进行电脉冲处理。
其中所述步骤(1)中高碳热轧盘条的含碳量为0.82-1.03wt％。
所述步骤(2)中连续冷拉拔时，钢丝道次压缩率为17％-21％，钢丝拉拔速度为0.85m/s-1.3m/s。
所述步骤(3)中电脉冲处理时，采用双向脉冲，脉冲频率为200～500Hz，脉冲电压为30～45V，脉冲处理时间为30～160s。
发明原理：经大变形冷拉拔后，珠光体中的渗碳体相会由晶态转变为非晶态，且珠光体中的铁素体相内部会引入大量位错和空位缺陷。因此，冷拔得到的高碳钢丝组织处于非热力学平衡态。非热力学平衡态下组织是不稳定的，其趋向于向热力学平衡态转变，但在没有外部能量输入时，由于动力学势垒，非平衡态向平衡态的转变并不能完成。利用电脉冲处理高碳钢丝时，电脉冲处理所带来的“热效应”和“非热效应”将为组织状态的转变提供动力学条件。
由于大变形冷拉拔使得铁素体相中产生了大量的位错和空位缺陷，而位错和空位缺陷与C原子的结合能要大于渗碳体中Fe原子与C原子的结合能。所以在电脉冲处理时，渗碳体中的一部分C原子会扩散到铁素体中与位错和空位相结合，产生固溶强化的作用，使得冷拔高碳钢丝强度得以提升。
大变形冷拉拔后板条状晶态渗碳体转变为板条状非晶态渗碳体，且系统的自由能总趋向于向最小化发展。所以在电脉冲处理时，板条状非晶态渗碳体内部会发生原位再结晶生成纳米球状渗碳体。纳米球状渗碳体生成时，会吸引周围非晶态渗碳体中的C原子，使周围原本的非晶态渗碳体层由于缺少C原子而转变为铁素体。这就意味着电脉冲处理会使冷拔得到的板条状非晶态渗碳体转变为非连续渗碳体层，为材料提供了连续的铁素体基体，减弱了对位错运动的阻碍作用，使得冷拔高碳钢丝延展性得以提升。
如上所述，高碳钢丝经电脉冲处理后，渗碳体中C原子会扩散进入到铁素体中，且原本的板条状非晶态渗碳体内部会发生原位再结晶生成纳米球状渗碳体，使板条状非晶态渗碳层体转变为了非连续渗碳体层。所以，电脉冲处理冷拔高碳钢丝可以同时提高其强度和塑性。
对比文件1，申请号：CN202010458194.5公开了一种电脉冲处理高强韧高碳钢丝的生产方法，包括将高碳热轧盘条除锈，后将其拉制成冷拔钢丝；将冷拉拔后的钢丝在水浴或油浴冷却条件下，进行电脉冲处理。具有处理效率高，且钢丝制品兼具高强度高韧性的特点；处理方法简单易行，可有效提高高强度钢丝的韧性，同时保持其高抗拉强度。
本发明文件与对比文件1有如下区别：1)处理工艺不同，我们的电脉冲处理是在室温下进行的，而此篇已发表专利电脉冲处理是在水浴或油浴冷却环境下进行的；2)电脉冲处理后得到的性能也不同，本发明样品经电脉冲处理后强度和塑性均提高，而已发表的这篇专利样片经电脉冲处理后，只有塑性提高，其样品强度有小幅度下降。
对比文献2，申请号：CN202010458194.5提供了一种提高高碳钢热轧线材强度的电脉冲处理方法，属于钢丝线材技术领域。该方法首先将高碳钢坯轧制成线材，而后对线材进行控温冷却，最后将冷却得到的线材进行电脉冲处理。脉冲频率为100～500Hz，脉冲有效电流为30～500A/mm2，脉冲处理时间为20～120s。该发明电脉冲处理方法提到了提高高碳钢热轧线材强度的问题，但是不涉及塑性问题。
本发明专利文献与对比文件2相比，首先是处理对象有着明显的区别。对比文件2叙述的是对热轧盘条进行电脉冲处理，而我们这次写的专利是对热轧盘条经冷拔后得到的冷拔钢丝进行电脉冲处理。由于处理对象不同，处理效果自然是有很大不同。正如本发明原理部分所阐述的那样，冷轧盘条“经大变形冷拉拔后，珠光体中的渗碳体相会由晶态转变为非晶态，且珠光体中的铁素体相内部会引入大量位错和空位缺陷。因此，冷拔得到的高碳钢丝组织处于非热力学平衡态。非热力学平衡态下组织是不稳定的，其趋向于向热力学平衡态转变，但在没有外部能量输入时，由于动力学势垒，非平衡态向平衡态的转变并不能完成。利用电脉冲处理高碳钢丝时，电脉冲处理所带来的“热效应”和“非热效应”将为组织状态的转变提供动力学条件。”因此对冷轧盘条进行电脉冲处理对同时提高高碳钢丝的强度和塑性来说效果更为突出。
其次是因为处理对象不同，本发明所采用的电脉冲处理参数和处理时间也都不同，这也是决定本发明处理效果不同的技术保障之一。
有益效果：上述方案中，通过盘条冷拔前处理、盘条冷拔和电脉冲相结合的处理工艺，使得高碳钢丝强度和塑性得以同时提升。本发明的生产工艺与不添加电脉冲处理的生产工艺相比，生产得到的高碳钢丝强度和塑性均更高。本发明的电脉冲处理方法，不仅简单易行，而且可同时提高高碳钢丝的强度和塑性。
附图说明
图1为未经电脉冲处理的冷拔高碳钢丝微观组织TEM图。
图2为经电脉冲处理后的冷拔高碳钢丝微观组织TEM图。
具体实施方式
为使本发明要解决的技术问题、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图及具体实施例进行详细描述。
实施例1
(1)将含碳量为0.82wt％，直径为13mm的高碳盘条经酸洗和磷化后，冷拉拔制成直径为5.0mm的高碳钢丝，钢丝拉拔速度为1.2m/s，拉拔道次压缩率为21％，冷拔得到的高碳钢丝强度为1300MPa，延伸率为6.1％，此时钢丝内部组织如图1所示。
(2)将冷拔得到的高碳钢丝进行电脉冲处理，电脉冲参数为：采用双向脉冲；其中，脉冲频率为500Hz、脉冲电压为30V、脉冲处理时间为160s。电脉冲处理后钢丝的内部组织如图2所示。
(3)脉冲处理后，高碳钢丝的抗拉强度达到1420MPa，延伸率达到6.4％。通过图1与图2对比发现，电脉冲处理后高碳钢丝内部原本的板条状渗碳体转变为了纳米球状渗碳体。
实施例2
(1)将含碳量为0.92wt％，直径为13mm的高碳盘条经酸洗和磷化后，冷拉拔制成直径为5.0mm的高碳钢丝，钢丝拉拔速度为1.0m/s，拉拔道次压缩率为19％，冷拔得到的高碳钢丝强度为1405MPa，延伸率为5.7％。
(2)将冷拔得到的高碳钢丝进行电脉冲处理，电脉冲参数为：采用双向脉冲；其中，脉冲频率为300Hz、脉冲电压为35V、脉冲处理时间为90s。
(3)脉冲处理后，高碳钢丝的抗拉强度达到1470MPa，延伸率达到5.9％。
实施例3
(1)将含碳量为1.03wt％，直径为13mm的高碳盘条经酸洗和磷化后，冷拉拔制成直径为5.0mm的高碳钢丝，钢丝拉拔速度为0.85m/s，拉拔道次压缩率为17％，冷拔得到的高碳钢丝强度为1460MPa，延伸率为5.1％.
(2)将冷拔得到的高碳钢丝进行电脉冲处理，电脉冲参数为：采用双向脉冲；其中，脉冲频率为200Hz、脉冲电压为45V、脉冲处理时间为30s。
(3)脉冲处理后，高碳钢丝的抗拉强度达到1510MPa，延伸率达到5.5％。

Claims (4)

1.一种提高冷拔高碳钢丝强塑性的电脉冲处理方法，其特征在于，由以下步骤组成：
(1)将高碳热轧盘条进行酸洗和磷化拉拔前处理；
(2)将步骤(1)前处理得到的盘条通过连续冷拉拔制成冷拔钢丝；
(3)将步骤(2)得到的冷拔钢丝进行电脉冲处理；
所述步骤(1)中高碳热轧盘条的含碳量为0.82-1.03wt％；
所述步骤(2)中钢丝拉拔速度为0.85-1.2m/s，道次压缩率为17-21％；
所述步骤(3)中电脉冲处理时，采用双向脉冲，脉冲频率为200-500Hz，脉冲电压为30-45V，脉冲处理时间为30-160s。
2.根据权利要求1所述的提高冷拔高碳钢丝强塑性的电脉冲处理方法，其特征在于，所述步骤(1)中高碳热轧盘条的含碳量为0.82-1.03wt％。
3.根据权利要求1所述的提高冷拔高碳钢丝强塑性的电脉冲处理方法，其特征在于，所述步骤(2)中连续冷拉拔时，钢丝道次压缩率为17％-21％。
4.根据权利要求1所述的提高冷拔高碳钢丝强塑性的电脉冲处理方法，其特征在于，所述步骤(2)中连续冷拉拔时，钢丝拉拔速度为0.85m/s-1.3m/s。
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