不锈钢知识

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    不锈钢钢丝二次加工技术动向

    发布时间:2016-11-28 13:06 努力加载中...

    不锈钢的主要成分是Fe(50%以上),此外,一般还含有Cr(11%以上)。不锈钢“不锈”的原因是在生产过程中,钢的表面被氧化,生成钝化膜,从而使钢具有耐蚀性和抗氧化性。当钝化膜有瑕疵时,在大气中有氧的环境下,钝化膜可以再生。但在不能再生的环境下,即使是不锈钢也会生锈。

    添加了Cr、Ni、Mo 的不锈钢,不仅耐蚀性和抗氧化性良好,而且提高了钢的耐热性和高温强度、硬度。在冷加工时,选择适宜的热处理条件和拔丝条件可以改变不锈钢的物理性能和力学性能。

     

    1

     不锈钢的种类

    按照钢的组织,可将不锈钢分为五大类别:①奥氏体不锈钢;②铁素体不锈钢;③马氏体不锈钢;④奥氏体-铁素体双相不锈钢;⑤析出硬化不锈钢。

    1.1 奥氏体不锈钢

    奥氏体不锈钢的代表牌号是18Cr-8Ni。奥氏体不锈钢具有从低温到高温的稳定力学性能,并且具有良好的耐蚀性和加工性,广泛用于化工机械、食品机械等产业机械和器具。

    奥氏体不锈钢具有很大的加工硬化性,冷加工就可以使奥氏体不锈钢达到高强度化。图1示出各种不锈钢冷加工硬化的情况。这是应变诱发相变的结果。冷加工使γ相(面心立方晶格)发生马氏体转变,转变为α'相(体心立方晶格)。拔丝速度和加工温度对应变诱发相变有很大影响,通过对冷加工条件的控制,可以改变钢的硬化程度。

    图1 各种不锈钢的冷加工硬化

    1.2 铁素体不锈钢

    铁素体不锈钢是含有Cr 的铁基合金(例如,18Cr 钢)。铁素体不锈钢α相在常温、高温下都是稳定相,急冷热处理也不发生硬化。铁素体不锈钢热处理的目的是消除加工应变,降低硬度,获得韧性。铁素体不锈钢退火冷却时,如果缓慢冷却到500 ℃以下,会发生脆化,所以,应从650 ℃附近开始空冷。

    铁素体不锈钢的加工硬化性不如奥氏体不锈钢明显,因此冷加工性良好。为了进一步提高铁素体不锈钢的加工性,开发出降低C、N 含量、添加少量Ti 、Nb 的铁素体不锈钢。

    1.3 马氏体不锈钢

    马氏体不锈钢的耐蚀性虽然不及其他不锈钢,但淬火硬化性高,适用于要求强度和耐磨性的用途。马氏体不锈钢的C 含量越多,硬化性越高,但耐蚀性下降。

    马氏体不锈钢在冷加工前要进行退火,以消除内部应力和调整组织。C 含量高的马氏体不锈钢中有一次碳化物和二次碳化物,所以冷加工困难,有时要进行温加工或热加工。

    1.4 奥氏体-铁素体双相不锈钢

    奥氏体-铁素体双相不锈钢是具有奥氏体和铁素体两种组织的不锈钢,因此,其特性介于奥氏体不锈钢和铁素体不锈钢之间。调整钢中的奥氏体量和铁素体量的比例,可以改变双相不锈钢的各种特性。双相不锈钢的抗拉强度和屈服强度高,所以冷加工时,要求高的加工应力。双相不锈钢的加工硬化性小于通常的奥氏体不锈钢。

    1.5 析出硬化不锈钢

    析出硬化不锈钢是在对钢进行固溶处理后,使Al、Ti、Cu 等元素的化合物在基钢上析出、发生硬化的不锈钢。析出硬化不锈钢的硬化热处理温度低于马氏体不锈钢,所以热处理变形和氧化铁皮的问题不严重。此外,析出硬化不锈钢的耐蚀性优于马氏体不锈钢。析出硬化不锈钢用于轴类部件、涡轮机部件、弹簧等。

    SUS630 在固溶状态下是马氏体组织,所以冷加工受到制约。而SUS631 在固溶状态下是柔软的奥氏体组织,所以容易进行加工。

    2

    典型的不锈钢钢丝制造工艺

    图2 奥氏体不锈钢钢丝的生产流程

    图2是奥氏体不锈钢钢丝的生产流程,图3是马氏体不锈钢和铁素体不锈钢钢丝的生产流程。以下对各工序的目的进行说明。

    图3  马氏体不锈钢钢丝和铁素体不锈钢钢丝的生产流程

    2.1 热处理

    1)固溶处理

    固溶处理的目的是,将奥氏体不锈钢线材热加工时,析出的Cr 碳化物和σ 相等固溶在奥氏体内,获得均匀的组织。通过再结晶软化和内应力消除,使钢的延性、韧性、耐蚀性、耐热性得到恢复。如果固溶处理后,Cr 碳化物在晶界上析出,晶界附近形成贫Cr 区,成为晶界腐蚀的原因,降低钢的耐蚀性和加工性。

    2)光亮退火处理

    不锈钢冷加工引起的应变诱发马氏体,使钢硬化、韧性下降、并且使耐蚀性不良。如果钢中残留内部应力,会产生时效裂纹、腐蚀裂纹和残留应力释放导致的变形。因此,要将应变诱发马氏体返回为奥氏体,消除内应力。在氢气或惰性气体气氛中进行退火,不使不锈钢因热处理失去金属光泽的退火处理叫做光亮退火处理。

    3)退火处理

    为了对马氏体线材进行冷加工,必须对线材进行退火软化处理。退火处理有完全退火和低温退火(消除应变退火)。完全退火是将退火材料加热到高于转变点50℃-100 ℃的高温区,并进行充分均热,然后缓慢冷却,使碳化物成球状均匀析出在基钢上。碳化物球化不充分时,不能使钢充分软化,在后续的冷加工中,会产生裂纹和淬火回火后硬度不均匀。完全退火需要在高温下长时间保温,而低温退火加热温度低,退火所需要的时间短。低温退火的目的是使材料软化,以便进行冷加工,钢的组织没有大的变化。

    铁素体不锈钢线材经热处理后,硬度几乎没有变化。所以铁素体不锈钢线材的热处理基本上都是退火。退火的目的是组织均匀化、完全软化、提高耐蚀性和韧性。如果铁素体不锈钢线材的处理温度高于正确的退火温度,则会发生晶粒显著粗大、发生脆化。对于铁素体不锈钢线材来说,晶粒度是重要的质量指标。

    2.2 酸洗(除鳞)

    不锈钢的氧化铁皮致密而坚固、化学成分复杂。不锈钢的化学除鳞方法一般采用盐酸、硫酸、硝酸、氢氟酸以及盐浴处理相组合的处理方法。其中奥氏体不锈钢的耐酸性很强,一般用氟硝酸处理。机械除鳞方法有喷丸、辊压弯曲、研磨等方法。机械除鳞方法不需要废酸处理设备,并且可以在热处理作业线或拔丝作业线上高效率除鳞。所以考虑到环保因素,采用机械除鳞的实例不断增加。

    2.3 皮膜处理

    为减小线材与拔丝模具的摩擦力、防止钢丝表面缺陷的发生和防止模具磨损,需要对线材表面进行皮膜处理。皮膜的种类有树脂皮膜、水溶性皮膜和草酸皮膜。过去,多采用将四氯乙烯作为溶质的氯系树脂皮膜。为了控制挥发性有机化合物的排放,改用水溶性皮膜。高强度线材高加工率时,使用草酸皮膜。草酸皮膜可以耐高压力和加工发热,防止热粘结的发生。

    2.4 拔丝加工

    不锈钢等高强度线材拔丝时,如果模具的耐久性不良,模具就会产生桔皮状粗糙和磨损,从而导致钢丝表面产生桔皮状粗糙和表面缺陷。因此,不锈钢拔丝模具一般使用金刚石模具。

    在对不锈钢进行冷拔丝时,不仅要考虑模具材质对拔丝的影响,而且要考虑模具孔型、接近角角度以及润滑油对拔丝的影响。在冷拔丝过程中,要观察润滑剂薄片的状况和拔丝产生的废料情况,根据观察结果选用适宜的润滑剂。

    观察时的判断标准是:①拔丝材料是否出现桔皮状粗糙;②拔丝材料是否被润滑皮膜覆盖,是否有金属光泽;③润滑剂薄片的形状、大小、颜色是否发生变化;④拔丝产生的废料量是否不断增加。

    润滑剂薄片从模具出口出来时,应是纸片状细长地连续产生,并且在连续拔丝的情况下,逐渐变小,呈粉末状。润滑状态不良时,润滑剂发生碳化、颜色变黑。拔丝产生的废料与润滑剂熔融为一体成为固化物。这种固化物大量残留在模具入口时,会影响润滑剂进入模具,使润滑作用显著下降。

    3

    结语

    今后对不锈钢钢丝制造的要求是进一步提高效率、降低成本。提高拔丝速度是提高不锈钢钢丝生产效率的有效方法。为了不降低不锈钢钢丝的韧性,需要对钢丝进行强化冷却以及提高皮膜和润滑剂的润滑性。

    在环境保护方面,为减少废酸和处理淤泥的量,应进行废酸回收和处理淤泥有效利用的研究,进一步应抛弃用酸清洗和除鳞的传统除鳞方法,推广机械除鳞工艺。

     

    不锈钢的主要成分是Fe(50%以上),此外,一般还含有Cr(11%以上)。不锈钢“不锈”的原因是在生产过程中,钢的表面被氧化,生成钝化膜,从而使钢具有耐蚀性和抗氧化性。当钝化膜有瑕疵时,在大气中有氧的环境下,钝化膜可以再生。但在不能再生的环境下,即使是不锈钢也会生锈。

    添加了Cr、Ni、Mo 的不锈钢,不仅耐蚀性和抗氧化性良好,而且提高了钢的耐热性和高温强度、硬度。在冷加工时,选择适宜的热处理条件和拔丝条件可以改变不锈钢的物理性能和力学性能。

     

    1

     不锈钢的种类

    按照钢的组织,可将不锈钢分为五大类别:①奥氏体不锈钢;②铁素体不锈钢;③马氏体不锈钢;④奥氏体-铁素体双相不锈钢;⑤析出硬化不锈钢。

    1.1 奥氏体不锈钢

    奥氏体不锈钢的代表牌号是18Cr-8Ni。奥氏体不锈钢具有从低温到高温的稳定力学性能,并且具有良好的耐蚀性和加工性,广泛用于化工机械、食品机械等产业机械和器具。

    奥氏体不锈钢具有很大的加工硬化性,冷加工就可以使奥氏体不锈钢达到高强度化。图1示出各种不锈钢冷加工硬化的情况。这是应变诱发相变的结果。冷加工使γ相(面心立方晶格)发生马氏体转变,转变为α'相(体心立方晶格)。拔丝速度和加工温度对应变诱发相变有很大影响,通过对冷加工条件的控制,可以改变钢的硬化程度。

    图1 各种不锈钢的冷加工硬化

    1.2 铁素体不锈钢

    铁素体不锈钢是含有Cr 的铁基合金(例如,18Cr 钢)。铁素体不锈钢α相在常温、高温下都是稳定相,急冷热处理也不发生硬化。铁素体不锈钢热处理的目的是消除加工应变,降低硬度,获得韧性。铁素体不锈钢退火冷却时,如果缓慢冷却到500 ℃以下,会发生脆化,所以,应从650 ℃附近开始空冷。

    铁素体不锈钢的加工硬化性不如奥氏体不锈钢明显,因此冷加工性良好。为了进一步提高铁素体不锈钢的加工性,开发出降低C、N 含量、添加少量Ti 、Nb 的铁素体不锈钢。

    1.3 马氏体不锈钢

    马氏体不锈钢的耐蚀性虽然不及其他不锈钢,但淬火硬化性高,适用于要求强度和耐磨性的用途。马氏体不锈钢的C 含量越多,硬化性越高,但耐蚀性下降。

    马氏体不锈钢在冷加工前要进行退火,以消除内部应力和调整组织。C 含量高的马氏体不锈钢中有一次碳化物和二次碳化物,所以冷加工困难,有时要进行温加工或热加工。

    1.4 奥氏体-铁素体双相不锈钢

    奥氏体-铁素体双相不锈钢是具有奥氏体和铁素体两种组织的不锈钢,因此,其特性介于奥氏体不锈钢和铁素体不锈钢之间。调整钢中的奥氏体量和铁素体量的比例,可以改变双相不锈钢的各种特性。双相不锈钢的抗拉强度和屈服强度高,所以冷加工时,要求高的加工应力。双相不锈钢的加工硬化性小于通常的奥氏体不锈钢。

    1.5 析出硬化不锈钢

    析出硬化不锈钢是在对钢进行固溶处理后,使Al、Ti、Cu 等元素的化合物在基钢上析出、发生硬化的不锈钢。析出硬化不锈钢的硬化热处理温度低于马氏体不锈钢,所以热处理变形和氧化铁皮的问题不严重。此外,析出硬化不锈钢的耐蚀性优于马氏体不锈钢。析出硬化不锈钢用于轴类部件、涡轮机部件、弹簧等。

    SUS630 在固溶状态下是马氏体组织,所以冷加工受到制约。而SUS631 在固溶状态下是柔软的奥氏体组织,所以容易进行加工。

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    典型的不锈钢钢丝制造工艺

    图2 奥氏体不锈钢钢丝的生产流程

    图2是奥氏体不锈钢钢丝的生产流程,图3是马氏体不锈钢和铁素体不锈钢钢丝的生产流程。以下对各工序的目的进行说明。

    图3  马氏体不锈钢钢丝和铁素体不锈钢钢丝的生产流程

    2.1 热处理

    1)固溶处理

    固溶处理的目的是,将奥氏体不锈钢线材热加工时,析出的Cr 碳化物和σ 相等固溶在奥氏体内,获得均匀的组织。通过再结晶软化和内应力消除,使钢的延性、韧性、耐蚀性、耐热性得到恢复。如果固溶处理后,Cr 碳化物在晶界上析出,晶界附近形成贫Cr 区,成为晶界腐蚀的原因,降低钢的耐蚀性和加工性。

    2)光亮退火处理

    不锈钢冷加工引起的应变诱发马氏体,使钢硬化、韧性下降、并且使耐蚀性不良。如果钢中残留内部应力,会产生时效裂纹、腐蚀裂纹和残留应力释放导致的变形。因此,要将应变诱发马氏体返回为奥氏体,消除内应力。在氢气或惰性气体气氛中进行退火,不使不锈钢因热处理失去金属光泽的退火处理叫做光亮退火处理。

    3)退火处理

    为了对马氏体线材进行冷加工,必须对线材进行退火软化处理。退火处理有完全退火和低温退火(消除应变退火)。完全退火是将退火材料加热到高于转变点50℃-100 ℃的高温区,并进行充分均热,然后缓慢冷却,使碳化物成球状均匀析出在基钢上。碳化物球化不充分时,不能使钢充分软化,在后续的冷加工中,会产生裂纹和淬火回火后硬度不均匀。完全退火需要在高温下长时间保温,而低温退火加热温度低,退火所需要的时间短。低温退火的目的是使材料软化,以便进行冷加工,钢的组织没有大的变化。

    铁素体不锈钢线材经热处理后,硬度几乎没有变化。所以铁素体不锈钢线材的热处理基本上都是退火。退火的目的是组织均匀化、完全软化、提高耐蚀性和韧性。如果铁素体不锈钢线材的处理温度高于正确的退火温度,则会发生晶粒显著粗大、发生脆化。对于铁素体不锈钢线材来说,晶粒度是重要的质量指标。

    2.2 酸洗(除鳞)

    不锈钢的氧化铁皮致密而坚固、化学成分复杂。不锈钢的化学除鳞方法一般采用盐酸、硫酸、硝酸、氢氟酸以及盐浴处理相组合的处理方法。其中奥氏体不锈钢的耐酸性很强,一般用氟硝酸处理。机械除鳞方法有喷丸、辊压弯曲、研磨等方法。机械除鳞方法不需要废酸处理设备,并且可以在热处理作业线或拔丝作业线上高效率除鳞。所以考虑到环保因素,采用机械除鳞的实例不断增加。

    2.3 皮膜处理

    为减小线材与拔丝模具的摩擦力、防止钢丝表面缺陷的发生和防止模具磨损,需要对线材表面进行皮膜处理。皮膜的种类有树脂皮膜、水溶性皮膜和草酸皮膜。过去,多采用将四氯乙烯作为溶质的氯系树脂皮膜。为了控制挥发性有机化合物的排放,改用水溶性皮膜。高强度线材高加工率时,使用草酸皮膜。草酸皮膜可以耐高压力和加工发热,防止热粘结的发生。

    2.4 拔丝加工

    不锈钢等高强度线材拔丝时,如果模具的耐久性不良,模具就会产生桔皮状粗糙和磨损,从而导致钢丝表面产生桔皮状粗糙和表面缺陷。因此,不锈钢拔丝模具一般使用金刚石模具。

    在对不锈钢进行冷拔丝时,不仅要考虑模具材质对拔丝的影响,而且要考虑模具孔型、接近角角度以及润滑油对拔丝的影响。在冷拔丝过程中,要观察润滑剂薄片的状况和拔丝产生的废料情况,根据观察结果选用适宜的润滑剂。

    观察时的判断标准是:①拔丝材料是否出现桔皮状粗糙;②拔丝材料是否被润滑皮膜覆盖,是否有金属光泽;③润滑剂薄片的形状、大小、颜色是否发生变化;④拔丝产生的废料量是否不断增加。

    润滑剂薄片从模具出口出来时,应是纸片状细长地连续产生,并且在连续拔丝的情况下,逐渐变小,呈粉末状。润滑状态不良时,润滑剂发生碳化、颜色变黑。拔丝产生的废料与润滑剂熔融为一体成为固化物。这种固化物大量残留在模具入口时,会影响润滑剂进入模具,使润滑作用显著下降。

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    结语

    今后对不锈钢钢丝制造的要求是进一步提高效率、降低成本。提高拔丝速度是提高不锈钢钢丝生产效率的有效方法。为了不降低不锈钢钢丝的韧性,需要对钢丝进行强化冷却以及提高皮膜和润滑剂的润滑性。

    在环境保护方面,为减少废酸和处理淤泥的量,应进行废酸回收和处理淤泥有效利用的研究,进一步应抛弃用酸清洗和除鳞的传统除鳞方法,推广机械除鳞工艺。

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