一种高性能油淬火弹簧钢丝的制备方法

技术领域

本发明涉及一种高性能油淬火弹簧钢丝的制备方法，具体说是一种高强高面缩的直径为2.8mm-4mm的油淬火弹簧钢丝的感应回火工艺制备方法，属于油淬火弹簧钢丝的绿色高效制备领域。

背景技术

油淬火弹簧钢丝广泛应用于汽车和摩托车制造，可用于生产悬挂簧、发动机气门簧等重要零部件，具有提高汽车安全性和舒适性的作用。根据制造工艺和化学成分特点，弹簧钢丝种类繁多，多达20余种。但共同特点是弹簧钢丝都需要进行热处理强化，热处理技术是材料加工的重要技术之一，通过对工件加热、保温和冷却，实现组织的转变，满足工件的服役要求。油淬火弹簧钢丝传统的热处理手段多为油淬火和铅浴回火，钢丝经油淬火后热应力小、变形小，但传统的铅浴回火虽然稳定性好，但铅蒸汽挥发造成环境污染和损害人体健康，无法满足新时代绿色发展目标，且铅浴回火时间长，占地空间大，造成资源浪费和生产效率低下，急需一种绿色无铅化热处理技术。

感应加热应用广泛，管材、轴材、齿轮、带材等零件的局部强化常利用感应淬火以得到一定深度的淬硬层，形成“表面强硬而心部韧”的组织结构。其原理就是电生磁、磁生电、电生热的法拉第电磁感应定律和电阻热效应，具有加热速度快、效率高、非接触无损伤等特点。

目前，针对铅浴回火造成环境污染和资源浪费，以及铅浴回火时间长、生产效率低、脱碳等问题，急需开发出一种可细化晶粒、提高强度、减少脱碳及回火时间、高效率的油淬火弹簧钢丝制备工艺。

发明内容

发明目的：针对现有技术存在的问题，本发明的目的是提供了一种高性能油淬火弹簧钢丝的感应回火的制备方法。

技术方案：本发明所述一种高性能油淬火弹簧钢丝的制备方法，包括以下步骤：

(1)表面处理：采用喷丸和砂带打磨去除直径为6.5mm的55SiCr钢丝盘条表面的氧化层，55SiCr钢丝盘条脱碳层的厚度≤1％55SiCr钢丝盘条的直径，然后在钢丝盘条表面涂覆硼砂液；

(2)钢丝拉拔：将步骤(1)表面处理过的55SiCr钢丝盘条送入拉丝模具进行多道次拉拔，拉拔成直径为2.8mm-4mm的半成品钢丝，其中，拉拔的首道次和尾道次采用小压缩率，而拉拔的中间道次采用大压缩率；

(3)感应预热：将步骤(2)处理过的半成品钢丝运送到感应预热装置预热；

(4)油淬火热处理：将步骤(3)感应预热的半成品钢丝输送至电阻炉中奥氏体化，然后油淬火；

(5)感应回火热处理：将步骤(4)油淬火后的半成品钢丝(15)送至感应回火装置的高温隔磁合金管内进行感应回火处理，然后通过冷却水供应装置(9)进行冷却；

(6)涂油收线：将步骤(5)水冷后的钢丝通过机械运送装置进行涂油并收线卷绕，得到油淬火弹簧钢丝。

其中，步骤(1)中，55SiCr钢丝盘条脱碳层的厚度小于0.031mm。

其中，步骤(1)中，55SiCr钢丝盘条的化学成分按质量百分比为：C：0.51-0.59％、Si：1.20-1.60％、Mn：0.50-0.80％、P：≤0.025％、S：≤0.020％、Cr：0.50-0.80％、Ni：≤0.35％、Cu：≤0.25％。

其中，步骤(1)中，硼砂液的浓度为250±50g/L，硼砂液的温度为85-95℃。

其中，步骤(2)中，小压缩率为9-12％的压缩率，大压缩率为14-20％的压缩率。

钢丝拉拔时采用两边小压缩率、中间大压缩率，可以使钢丝在初变形时有一定的残余压应力和很小的形变内应力，为大变形打下基础，最终钢丝表面获得较大的残余应力和较小的变形内应力，钢丝表面存在大的残余应力时，淬火时可以提高温度和冷却速度，从而得到更多的马氏体组织和更少的残余奥氏体，因为残余压应力可以阻碍钢丝表面裂纹的萌生与扩展，钢丝的塑韧性提高，经过回火后钢丝的变形小，所以热处理后的油淬火弹簧钢丝直径偏差远远小于国标规定。

其中，步骤(2)中，钢盘条丝由6.5mm拉拔为3.5±0.030mm、其中，步骤(2)中，多次拉拔道次为7次，各拉拔道次拉拔工艺为：6.5-6.2-5.56-5.02-4.50-4.03-3.71-3.5mm，各拉拔道次压缩率分别为9.0-9.3％、19-20％、18-19％、19-20％、19-20％、14-16％、11-12％。

其中，步骤(3)中，感应预热时电源为6KHz-8KHz的中频感应加热电源，感应预热时的温度为650-727℃。

钢丝在进入电阻炉加热前，先采用感应加热预热，使钢丝温度升至650℃-727℃左右，此时其内部的晶粒具有大的扩散驱动力和扩散系数，使钢丝在奥氏体化时更均匀充分，表层和心部温差更小，减小了钢丝的热应力。

其中，步骤(4)中，感应预热的半成品钢丝的温度在600℃以上输送至电阻炉中奥氏体化，奥氏体化温度为900℃-920℃。

其中，步骤(4)中，电阻炉长度≥20m，电阻炉的前部区域、中间区域、后部区域均设置了电阻加热区，中间区域电阻最多，油淬火的温度≤60℃。

其中，步骤(5)中，感应回火装置的管道分为两段，前段为加热管道，后段为保温管道；感应回火装置的感应线圈内置高温隔磁合金管，感应线圈外层包裹绝缘隔热材料，保温管道后端与冷却水供应装置对应，冷却水装置设有左下水喷头、正下方水喷头、右下水喷头，3个水喷头呈交叉式喷水。

其中，步骤(5)中，高温隔磁合金管为低碳的Ni-Ti-Cu合金钢管，高温隔磁合金管正对应正下方水喷头。

感应回火时，感应线圈内置有Ni-Ti-Cu合金钢管，其中Ni是奥氏体化元素，可作为合金元素使不锈钢的耐腐蚀性能得到改善；Ti是强碳化物形成元素，可细化奥氏体晶粒，增加强韧性，加入到不锈钢管中可以增加钢的点蚀电位，并且TiC颗粒可形成氢陷阱阻碍氢的进入，防止晶间腐蚀；在此基础上再加入微量Cu元素，可形成致密的保护膜抵制Cl

其中，步骤(5)中，加热管道的长度为1-2m，保温管道的长度为6-7m。

其中，步骤(5)中，感应回火处理时加热管道采用6KHz-8KHz的中频感应加热电源，通过调节中频感应加热电源的工作电压控制回火温度为420℃-480℃。

其中，步骤(5)中，所述的感应回火时，加热管道的工作电压调至234V，回火温度通过出口处的红外测温仪得到为440℃，误差为±5℃；

其中，步骤(5)中，感应回火处理时保温管道采用40KHz-50KHz的高频感应加热电源保持回火温度。

其中，步骤(5)中，油淬火后的半成品钢丝与高温隔磁合金管之间间距为5mm-8mm。

将油淬火后的半成品钢丝与高温隔磁合金管之间的间隙设置为5-8mm，可以有效利用热源，经过保温使钢丝表面与心部温度基本相同，获得的晶粒比较细小，组织转变比较均匀。若距离太远，加热效率太低，造成热能的浪费；距离过近，钢丝表面升温太快，热应力梯度增大，甚至可能引起晶粒粗大。

其中，步骤(5)中，3个水喷头的水流量为20-22m

其中，步骤(6)中，收线卷绕的速度与钢丝的运行速度一致，均为8.5-9.8m/min。

有益效果：与现有技术相比，本发明具有如下显著优点：

(1)采用本发明一种高性能油淬火弹簧钢丝的感应回火绿色高效制备方法，油淬火弹簧钢丝可在20s内快速感应加热至回火温度，其生产效率相比铅浴回火提高15％-20％，且由于回火感应加热速度快，导致钢丝铁素体来不及长大，可细化钢丝晶粒，减小脱碳厚度；

(2)本发明制备方法生产的直径2.8mm-4mm油淬火55SiCr弹簧钢丝，表层和心部组织均匀、晶粒细化、脱碳少，抗拉强度＞2000MPa，可达2010MPa，组织片间距小，面缩率高达58％，远超国标要求≥45％，且组织片间距可细至100nm以下，同时可提高生产效率降低生产成本，满足绿色发展理念。

附图说明

图1为本发明制备油淬火弹簧钢丝的感应回火装置及冷却水供应装置示意图；

图2为本发明制备油淬火弹簧钢丝的脱碳层厚度金相图；

图3为本发明制备油淬火弹簧钢丝的表层组织金相图；

图4为本发明制备油淬火弹簧钢丝的心部组织金相图；

图5为本发明制备油淬火弹簧钢丝的组织片间距图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的技术方案作进一步说明。

本发明高性能油淬火弹簧钢丝的制备方法中涉及的感应回火装置及冷却水装置如图1所示，感应回火装置包括感应加热回火工作台1，感应加热回火工作台1上部设有回火开始和暂停按钮2、回火加热工作电压控制按钮3；回火加热工作电流控制按钮4、回火保温工作电压控制按钮5和回火保温工作电流控制按钮6。感应回火装置的管道分为两段，前段为加热管道7，后段为保温管道8；感应回火装置的感应线圈内置高温隔磁合金管14，保温管道8末端与冷却水供应装置9对应，冷却水装置设有左下水喷头10、正下方水喷头11和右下水喷头12，3个水喷头呈交叉式喷水。高温隔磁合金管14正对应正下方水喷头11。高温隔磁合金管采用低碳的Ni-Ti-Cu合金钢管，感应线圈外层包裹绝缘隔热材料13，加热管道7的长度为1.1m，保温管道8的长度为6.2m。高温隔磁合金管出口处设有红外测温仪16。

实施例1

(1)表面处理：采用喷丸和砂带打磨技术，选用6.5mm55SiCr钢丝盘条进行表面预处理，盘条脱碳层厚度约为0.031mm，55SiCr钢丝盘条的化学成分按质量百分比为：C：0.58％、Si：1.45％、Mn：0.68％、P：0.008％、S：0.007％、Cr：0.67％、Ni：0.01％、Cu：0.011％，满足国标要求。选用0.5mm直径的微小钢丸高速喷射到材料表面，使用浓度约200g/L，温度约92℃的硼砂液涂覆去除氧化皮后的钢丝盘条表面；

(2)钢丝拉拔：将步骤(1)得到的表面清洁的钢丝送入拉丝模具，经7道次拉拔，采用的拉拔工艺为6.5-6.2-5.56-5.02-4.50-4.03-3.71-3.5，各道次压缩率分别为9.0％、19.6％、18.5％、19.6％、19.8％、15.3％、11％，最终得到实际直径为3.495mm的55SiCr钢丝；

(3)感应预热：将直径为3.495mm的钢丝运送到感应预热装置，采用6KHz-8KHz的中频感应加热电源加热至650-727℃之间，实测温度约650℃；

(4)油淬火热处理：将预热到约650℃的钢丝输送至电阻炉中奥氏体化，奥氏体化实测温度约为902℃，然后油淬火，油淬火温度约60℃；

(5)感应回火热处理：将油淬火后的钢丝继续运送至感应回火装置的加热管道7，采用6KHz-7KHz的中频感应加热电源，调节感应设备的工作电压到234V，通过感应线圈内置耐高温隔磁合金Ni-Ti-Cu管道，迅速加热到回火温度约440℃，后续保温管道8采用40KHz-50KHz的高频感应加热电源保持回火温度，然后通过设在钢丝出口处的左下水喷头10、正下方水喷头11和右下水喷头12三个水喷头进行过交叉喷水冷却，水温约为26℃；油淬火后的钢丝与高温隔磁Ni-Ti-Cu合金管之间间距约为5mm；

(6)涂油收线：将水冷后的钢丝通过机械运送装置进行涂油并收线卷绕到工字轮上，收线速度为9.5m/min，得到高性能油淬火55SiCr弹簧钢丝。

实施例2利用上述系统制备高性能油淬火弹簧钢丝

(1)表面处理：选用实施例1中的6.5mm55SiCr盘条进行表面预处理，盘条脱碳层厚度约为0.031mm，满足国标要求，采用喷丸和砂带打磨技术，选用0.5mm直径的微小钢丸高速喷射到材料表面，去除氧化皮后，使用浓度约260g/L，温度约85℃的硼砂液涂覆钢丝表面；

(2)钢丝拉拔：将表面清洁的钢丝送入拉丝模具，经7道次拉拔，采用的拉拔工艺为6.5-6.2-5.56-5.02-4.50-4.03-3.71-3.5，各道次压缩率分别为9.0％、19.6％、18.5％、19.6％、19.8％、15.3％、11％，最终得到实际直径为3.512mm的55SiCr钢丝；

(3)感应预热：将直径为3.512mm的钢丝运送到感应加热处，采用6KHz-8KHz的中频感应加热电源加热至650-727℃之间，实测温度约676℃；

(4)油淬火热处理：将预热到约676℃的钢丝输送至电阻炉中奥氏体化，奥氏体化实测温度约905℃，然后油淬火，油淬火温度约56℃；

(5)感应回火热处理：将油淬火后的钢丝继续运送至感应回火装置加热管道7，采用6KHz-7KHz的中频感应加热电源，调节感应设备的工作电压到234V，通过感应线圈内置耐高温隔磁合金Ni-Ti-Cu管道，迅速加热到回火温度约440℃，后续保温管道8采用40KHz-50KHz的高频感应加热电源保持回火温度，然后通过设在钢丝出口处的左下水喷头10、正下方水喷头11和右下水喷头12三个水喷头进行过交叉喷水冷却，水温约为22℃；油淬火后的钢丝与高温隔磁Ni-Ti-Cu合金管之间间距约为6mm；

(6)涂油收线：将水冷后的钢丝通过机械运送装置进行涂油并收线卷绕到工字轮上，收线速度为9.5m/min，得到高性能油淬火55SiCr弹簧钢丝。

实施例3

(1)表面处理：选用实施例1中的6.5mm55SiCr盘条进行表面预处理，盘条脱碳层厚度约为0.031mm，满足国标要求，采用喷丸和砂带打磨技术，选用0.5mm直径的微小钢丸高速喷射到材料表面，去除氧化皮后，使用浓度约300g/L，温度约90℃的硼砂液涂覆钢丝表面；

(2)钢丝拉拔：将表面清洁的钢丝送入拉丝模具，经7道次拉拔，采用的拉拔工艺为6.5-6.2-5.56-5.02-4.50-4.03-3.71-3.5，各道次压缩率分别为9.0％、19.6％、18.5％、19.6％、19.8％、15.3％、11％，最终得到实际直径为3.482mm的55SiCr钢丝；

(3)感应预热：将直径为3.482mm的钢丝运送到感应加热处，采用6KHz-8KHz的中频感应加热电源加热至650-727℃之间，实测温度约727℃；

(4)油淬火热处理：将预热到约727℃的钢丝输送至电阻炉中奥氏体化，奥氏体化实测温度约为908℃，然后油淬火，油淬火温度约58℃；

(5)感应回火热处理：将油淬火后的钢丝继续运送至感应回火装置的加热管道7，采用6KHz-7KHz的中频感应加热电源，调节感应设备的工作电压到234V，通过感应线圈内置耐高温隔磁合金Ni-Ti-Cu管道，迅速加热到回火温度约440℃，后续保温管道8采用40KHz-50KHz的高频感应加热电源保持回火温度，然后通过设在钢丝出口处的左下水喷头10、正下方水喷头11和右下水喷头12三个水喷头进行过交叉喷水冷却，水温为22℃；油淬火后的钢丝与高温隔磁Ni-Ti-Cu合金管之间间距约为6mm；

(6)涂油收线：将水冷后的钢丝通过机械运送装置进行涂油并收线卷绕到工字轮上，收线速度为9.5m/min，得到高性能油淬火55SiCr弹簧钢丝。

实施例4

(1)表面处理：选用实施例1中的6.5mm55SiCr盘条进行表面预处理，盘条脱碳层厚度约为0.031mm满足国标要求，采用喷丸和砂带打磨技术，选用0.5mm直径的微小钢丸高速喷射到材料表面，去除氧化皮后，使用浓度约290g/L，温度约95℃的硼砂液涂覆钢丝表面；

(2)钢丝拉拔：将表面清洁的钢丝送入拉丝模具，经7道次拉拔，采用的拉拔工艺为6.5-6.2-5.56-5.02-4.50-4.03-3.71-3.5，各道次压缩率分别为9.0％、19.6％、18.5％、19.6％、19.8％、15.3％、11％，最终得到实际直径为3.491mm的55SiCr钢丝；

(3)感应预热：将直径为3.491mm的钢丝运送到感应加热处，采用6KHz-8KHz的中频感应加热电源加热至650-727℃之间，实测温度约717℃；

(4)油淬火热处理：将预热到约717℃的钢丝输送至电阻炉中奥氏体化，奥氏体化实测温度约903℃，然后油淬火，油淬火温度约55℃；

(5)感应回火热处理：将油淬火后的钢丝继续运送至感应回火装置的加热管道7，采用6KHz-7KHz的中频感应加热电源，调节感应设备的工作电压到234V，通过感应线圈内置耐高温隔磁合金Ni-Ti-Cu管道，迅速加热到回火温度约440℃，后续保温管道8采用40KHz-50KHz的高频感应加热电源保持回火温度，然后通过设在钢丝出口处的左下水喷头10、正下方水喷头11和右下水喷头12三个水喷头进行过交叉喷水冷却，水温为24℃；油淬火后的钢丝与高温隔磁Ni-Ti-Cu合金管之间间距约为8mm；

(6)涂油收线：将水冷后的钢丝通过机械运送装置进行涂油并收线卷绕到工字轮上，收线速度为9.5m/min，得到高性能油淬火55SiCr弹簧钢丝。

对比例1采用传统制备工艺和铅浴回火的例子

(1)表面处理：选用实施例1中的6.5mm55SiCr盘条进行表面预处理，盘条脱碳层厚度约为0.043mm，满足国标要求，采用喷丸和砂带打磨技术，选用0.5mm直径的微小钢丸高速喷射到材料表面，去除氧化皮后，使用浓度约为260g/L，温度约90℃的硼砂液涂覆钢丝表面；

(2)钢丝拉拔：将表面清洁的钢丝送入拉丝模具，拉拔率满足70％-90％，得到实测直径为3.512mm的55SiCr钢丝；

(3)感应预热：将直径为3.512mm的钢丝运送到感应预热装置，采用6KHz-8KHz的中频感应加热电源加热，实测温度约623℃；

(4)油淬火热处理：将预热的钢丝输送至电阻炉中奥氏体化，奥氏体化实测温度约903℃，然后油淬火，油淬火温度约56℃；

(5)铅浴回火：将淬火后的钢丝运送到铅槽中，加热温度到440℃左右，保温2min后，水冷，水温为26℃。

(6)涂油收线：将水冷后的钢丝通过机械运送装置进行涂油并收线卷绕到工字轮上，收线速度为4m/min，得到油淬火弹簧钢丝。

实施例5

对实施例2得到高性能油淬火55SiCr弹簧钢丝分别进行金相表层脱碳厚度鉴定、表层到心部显微组织的扫描电子显微SEM观测和回火组织的片间距测定。结果如图2-5所示，图2为本发明制备油淬火弹簧钢丝的脱碳层厚度金相图；分析图2可知，本发明制得的油淬火55SiCr弹簧钢丝的脱碳层厚度约0.028mm，相比原始的钢丝盘条脱碳层厚度减小约0.004mm；图3为本发明制备油淬火弹簧钢丝的表层组织金相图；图4为本发明制备油淬火弹簧钢丝的心部组织金相图；分析图3和图4可知，油淬火弹簧钢丝的表层和心部组织均匀，均为细小的回火屈氏体组织；图5为本发明制备油淬火弹簧钢丝的组织片间距图。分析图5可知，本发明制得油淬火55SiCr弹簧钢丝的组织片间距平均值为98nm，分布致密。

实施例6

将实施例1-4及对比例1的得到弹簧钢丝进行室温单轴拉伸测试，其力学性能分析结果见表1。

表1本发明制备油淬火弹簧钢丝的力学性能。

由表1可知，本发明制得的油淬火55SiCr弹簧钢丝，平均抗拉强度高达2010MPa以上，平均面缩率高达58％，远超国标要求≥45％，而利用传统制备工艺和铅浴回火后制备的油淬火弹簧钢丝面缩率勉强满足国标要求，仅有47％。说明本发明方法制备得到的高性能油淬火55SiCr弹簧钢丝综合力学性能优异。