（材料加工工程专业论文）高碳钢丝及制品的塑性加工工艺与组织性能研究.pdf

西安建筑科技大学硕士学位论文y 6 1 6 9 8 6 高碳钢丝及制品的塑性加工工艺与组织性能研究 专业：材料加3 2 工程 硕士生：刘波 导师：王伯健副教授 摘要 本文研究了s w r h 5 7 b 、s w r h 7 2 b 和s w r h 8 2 b 高碳钢盘条的拉拔及球化退 火工艺，分析了盘条拉拔过程中珠光体组织的变化规律和低温退火过程中渗碳体球 化机理，讨论了化学成分、变形量、加热温度及保温时间对球化过程的影响。实验 结果表明，高碳钢丝在拉拔过程中，薄片状渗碳体可以通过延伸、弯曲或折叠的变 形方式来协调变形，同时提高材料的强度；采用无氧化罩式退火炉对钢丝进行球化 退火，三种钢丝均可获得良好粒状珠光体组织。在本实验条件下，细小、圆形的渗 碳体均匀的分布在铁索体等轴晶粒的晶界处，球状渗碳体颗粒大小约为lum ，铁 素体的平均晶粒大小约为3i j , m ；钢丝球化退火后表面光亮，无新增氧化脱碳现象； 并具有良好的通条力学性能。 研究了钢丝轧扁工艺，分析了圆钢丝轧制扁钢丝变形规律和特点，拟合了圆钢 a h 一 丝轧制扁钢丝的宽展经验公式为a b = ( o 1 9 4 2 o 1 9 4 9 ) 等丑 ，并应用于轧制不 爿 同规格高精度扁钢带实际生产中。 本文对高碳钢丝制品金属针布的组织性能进行了分析，实验结果表明：采用 s w r h 7 2 b 钢丝制备的金属针布齿尖金相组织为隐针状马氏体+ 少量未溶碳化物，未 溶碳化物量小于3 ；齿尖淬硬层显微组织为1 级，齿尖显微硬度为7 6 5 h v ，其基 部组织为粒状珠光体，基部显微硬度为2 0 5 h v ；采用7 0 n b v 钢丝制备金属针布齿 尖金相组织为细隐针状马氏体+ 少量未溶碳化物，未溶碳化物含量达到1 0 左右， 齿尖显微硬度为8 4 9 h v ，基部显微硬度为2 0 9 h v ，组织和性能明显优于s w r h 7 2 b 制备的金属针布，与国外先进金属针布组织和性能相当，完全可以代替进口针布。 关键词：钢丝，拉拔，轧制，球化退火，金属针布 t h e s t u d y o n p l a s t i c d e f o r m a t i o nt e c h n o l o g ya n d m i c r o s t r u c t u r e a n dm e c h a n i c a lp r o p e r t i e s o f h i g h - c a r b o n w i r ea n di tp r o d u c t s p e c i a l t y ：m a t e r i a lp r o c e s s i n ge n g i n e e r i n g p r e s e n t e db y ：l i ub o d i r e c t e db y ：a s s o c i a t ep r o f e s s o rw a n gb o j i a n a b s t r a c t i nt h i sp a p e r ，t h ed r a w i n ga n ds p h e r o i d i z ea n n e a l i n gp r o c e s s e so fs w r h 5 7 b 、 s w r h 7 2 b 、s w r h 8 2 b h i g h - c a r b o nw i r er o dw a s s t u d i e d t h ed e f o r m i n gm e c h a n i s mo f p e a r l i t ea n ds p h e r o i d i z ea n n e a l i n gm e c h a n i s m o f p e a r l i t ea tl o wt e m p e r a t u r ew a sd e e p l y a n a l y z e d t h ee f f e c to f c h e m i c a lc o m p o s i t i o n ，d e f o r m i n gd e g r e e ，h e a t i n gt e m p e r a t u r ea n d h o l d i n gt i m eo nc e m e n t i t es p h e r i c i t yw a si n v e s t i g a t e d t h er e s u l t so f e x p e r i m e n t a ls h o w n t h a tt h ec e m e n t i t el a m e l l a ew e r ed e f o r m e da n dt h i n n e dt oaf i b r o u ss h a p et h e nt h et e n s i l e s t r e n g t ho f a l lt h ed r a w nw i r e si n c r e a s e sc o n t i n u o u s l yw i t hi n c r e a s i n gs t r a i n u n d e rt h e p r e s e n te x p e r i m e n t a lc o n d i t i o n s ，b yc o n t r o la n n e a l i n gp a r a m e t e r s ，g o o do b t a i na n n e a l i n g q u a l i t yo fw i r ew a so b t a i n e d f i n e a n du n i f o 咖c e m e n t i t ew i t hs p h e r i c a la p p e a r a n c e d i s t r i b u t eo nt h ec r y s t a lb o u n d a r yo fe q n i a x e df e r r i t ec r y s t a l s t h e s i z eo fs p h e r i c a l c e m e n t i t ep a r t i c l ei sa b o u t1pma n dt h es i z e o ff e r r i t e g r a i n i sa b o u t3p m b y a n n e a l i n gi nn o n o x i d i z i n ga t m o s p h e r ec o v e ra n n e a lf u r n a c e ，n oo x i d e o d e e a r b o n i s a t i o n c o m b i n i n gw a so b s e r v e d o nt h es u r f a c eo fw i r e ，w h i c he n s u r e st h eg o o dm e c h a n i c a l p r o p e r t y o fw i r e t h ew i r e r o l l i n gp r o c e e d i n g a n d a n a l y z i n g t h e d e f o r m i n g m e c h a n i s mi n r o l l i n g h i g h p r e c i s i o nm e t a ls t r i pb a r w e r es t u d i e d t h ee x p e r i e n t i a lf o r m u l ao fw i d t hc a l c u l a t i o n w a sw e s s e d , w h i c hi s b ：( 0 1 9 4 2 0 1 9 4 9 ) 等瓦面i tc a l lb ea p p l i e dt op r a c t i c a l r o l l i n go fh i g h p r e c i s i o nm e t a ls t r i pb a r o nt h eb a s i so f a n a l y z i n gt h em i c r o s t r u c t u r e ，p r o p e r t ya n dp r o d u c i n g c r a f t w o r ko f o v e r s e aa d v a n c e dc a r dw i r e s ，s w r h 7 2 ba n d7 0 n b vh i g h - c a r b o nw i r ew e r ec h o o s e dt o 西安建筑科技大学硕士学位论文 p r o d u c ec a r dw i r e s t h e r e s u l ts h o w st h a tt h em i c r o s t r u c t u r eo ft h er a d u l a ro fs w r h 7 2 b c a r dw i r ei sf i n en e e d l e s h a p em a r t e m p e ra n daf e wc e m e n t i t ep a r t i c l e s ( 曝蕊图 图1 3 圆钢丝轧制变形前后线材截面示意图 钢丝轧制工艺的第一道次主要变形特点为压扁，由于钢丝轧压扁变形过程中，变形区长度 沿轧件宽度是变化的，变形区内金属沿纵向及横向流动不均匀。采用e s i b e l 和c n 古布金的宽 展公式对钢丝轧制的宽展计算误差较大。目前，在实际生产条件下，还没有现成计算宽展的经 验公式，所以深入研究钢丝轧扁变形规律和宽展规律，找到影响宽展的主要因素和拟合计算宽 展的经验公式具有重要的生产实用性。 7 西安建筑科技大学硕士学位论文 1 4 金属针布的应用和主要存在的问题 1 4 1 金属针布的应用 金属针布是梳棉机实现其梳理功能的主要元件，它包覆在梳棉机的各种滚筒上，对纤维进 行分梳、除杂、均匀混合及拉直纤维，其性能好坏直接影响梳理效果。近几年，为满足梳棉机 高产、优质的需要，梳棉机用针布向着矮、浅、尖、薄、密的方向发展；金属针布耐磨性能是 其使用寿命的主要指标之一，也影响到成纱的质量和梳棉机效率”。 1 4 2 国内、外金属针布的制备工艺 金属针布的制备工艺1 ，如图1 4 所示。 图1 4 金属针布制备工艺l 工艺特点：金属针布为了基部组织的需要，将线材经过拉拔得到一定规格钢丝，然后，进 行球化退火，再经联轧邯成坯条；最后，进入冲齿机和进入再结晶退火和齿尖淬火热处理联合 机。再结晶退火为箱式管状电阻炉，快速加热后空冷；淬火采用煤气压缩空气火焰加热，经油 淬火后低温回火”。 金属针布制备工艺2 ，如图1 5 所示。 i1 厂 厂 叫再结晶退火卜叫冲齿、淬火h 卷绕l 【。一【一【。一 图1 5 金属针布制各工艺2 工艺特点：以瑞士格拉夫0 g r a 。公司为例，球化退火采用氮气保护的井式退火炉，金属针布 坯条制备工艺采用三或五联轧机；再结晶退火在冲齿前进行，采用带有保护气氛的井式退火炉； 西安建筑科技大学硕士学位论文 淬火采用天然气氧气火焰加热，淬火介质采用矿物淬火油，淬火后针布齿条自行叵l 火“1 。 德国p w 公司采用无氧化退火炉对规格钢丝进行球化退火，再经五联轧机轧制成坯条；坯 片经方形箱式密封退火炉在保护气氛中进行光亮再结晶退火，然后进入冲齿淬火联合机；淬火 采用煤气氧气火焰加热，油淬后，通过带电铜质导轮进行导电加热到1 5 0 2 0 0 低温回火“ 7 】 目前，我国大部分金属针布生产厂家都采用仿瑞士格拉夫( g r a g 公司( 图1 5 ) 的针布制备 工艺。相对图1 4 所示的针布制备工艺来说，最大的区别在于针布制备工艺2 ( 图1 5 ) 中的再 结晶退火工序在冲齿前进行，这样可以减少冲切模具的损耗，提高模具使用寿命；但存在针布 齿形圆整度较难保证的缺点。 i a 3 国产针布存在的主要问题 目前国产金属针布的突出质量问题是齿条齿尖耐磨度和锋利度持久洼不够，针布使用寿命 短。由于齿条齿尖易磨损，锋利度迅速衰退，导致梳理效果下降，棉网质量恶化、棉结、杂质 增加。有的纺织厂反映进口针布可用5 6 年，而国产针布即使不轧坏也只能用2 3 年。二是 在使用同规格的金属针布时，国产针布往往比进口针布梳理质量差，棉结杂质多，这就反映国 产针布即使与国外规格参数相同，但制造精度还有差距( 即针布的圆整度、锋利度、粗糙度有差 距) ，第2 点和第4 点硬度低，这些问题产生的主要原因是由轧片、冲齿和退火、淬火热处理等 方面造成；也有钢丝的材质问题。 目前，根据北京、青岛、上海、江苏等地引进的国外针布取样分析( 包括g i a f 、e c c 、a b k 、 p w 和金井等) ，可以看出国产针布在如下三方面存在着差距“7 “1 。 1 5 3 1 针布齿条的材质分析 锡林齿条中g r a f 公司采用6 0 钢和6 0 c r v ，8 0 c r w v 两种高碳低合金钢制造，a b k 公司采 用7 0 钢和t s m n a 高级优质工具钢制造，e c c 公司采用8 0 钢，p w 公司采用7 0 钢，金井公司 采用6 0 钢和8 0 钢，还有采用含碳为1 0 5 的高碳铬钢制造，但不论锡林针布齿条还是道夫针 布齿条，其含s 、p 量都很低，均在0 0 3 o 0 1 之间，优于我国高级优质工具钢。 1 5 3 2 针布齿条的硬度及其不均率 锡林针布齿条齿尖硬度除日本金并公司较低外，一股齿尖贼平均值都不低于8 3 0 h v ，其 中以瑞士g r 吐英e c c 公司的针布为最高( ) ( = 8 鲫8 7 i v ) ，日本金井公司与我国相当( ) ( = 7 7 5 h v ) 。 硬度均方差。v ) 和硬度不匀率c v 表示硬度波动的大小，它反映了制造质量“五度” 中的淬火均匀度，其大小也反映了该针布厂热处理淬火技术和工艺水平。 9 西安建筑科技大学硕士学位论文 表1 1 各国金属针布齿条的硬度及不不均率“7 1 从国外金属针布相比较而言，g r a f 公司最好o = 3 2 h v ，c v = 4 4 7 ；中国较差，o = 5 5 h v ， c v = 1 0 ，0 3 。如以9 5 的概率计算齿尖硬度范围x 1 9 6 0 ：o r a l 为9 5 3 h v 7 9 9 h v ；我国的 齿尖硬度。和c v 虽与e c c 和金井相当，但齿尖硬度平均值较e c c 低，因而9 5 的齿尖硬 度范围低，e c c 为1 0 0 9 7 3 1 h v ，金井为9 1 2 h v 6 7 7 h v ，中匡1 为8 9 删6 5 9 h v ，由此 可见，o 和c v 大，会造成低硬度齿尖数量增加，针布耐磨性能差。 1 5 3 _ 3 针布齿条的金相组织 对各国样品做了金相检验并拍了金相组织照片，针布齿条齿尖淬硬层显微组织为1 级， g 试h o u 和e c c 针布为隐针状马氏体+ 少量低温回火马氏体+ 少量弥散碳化物；高碳f 眙金 钢针布为极细隐针状马氏体+ 低温回火马氏体+ 小颗粒碳化物。日本金井、中国产针布齿条齿 尖金相组织是隐针马氏体+ 较粗回火马氏体+ 少量碳化物。齿条基部为粒状珠光体，球状渗碳 体均匀分布在铁索体基体上。 综e 所述，国产针布的齿条齿尖金相组织普遍较粗大，反映出针布热处理工艺还存在不足。 1 4 4 提高针布性能的途径 要提高针布齿条齿尖耐磨度，根本问题是要研究和改善钢丝的材质，稳定供应钢丝的质量 以及热处理等工艺技术问题。齿尖的高耐磨性，不仅取决于钢丝的高硬度，而且还取决于钢的 化学成分和金相显微组织。因此要改善针布的耐磨性能，主要有二个途径：一为调整钢丝的化 学成分，加入适量的合金元素，即采用高碳钢和高碳低合金钢。二是通过改善热处理工艺，以 获得所需的最佳性能。因此，优良的钢丝材质为生产出优质针布齿条提供了良好的前提条件， 而热处理也是关键工艺。 目前国内针布齿条般采用5 7 1 3 ，6 0 钢制造，其平均含碳量不大于o 6 ，这对于要求耐 磨度较高的锡林针布来说，含碳量偏低致使齿条齿尖、盖板针尖硬度也偏低，硬度波动( 即。值) 大，淬火金相组织粗大，齿尖耐磨性差，针布使用寿命短。因此，为提高针布的耐磨性能，可 采用7 0 、7 2 b 和t t a 钢丝，要求较高耐磨度的针布如2 5 系列和2 0 系列，可采用8 2 b 、t 8 a 1 0 西安建筑科技大学硕士学位论文 钢丝，部分高耐磨度针布可采用高碳低合金钢丝制造。 优化针布齿条的热处理工艺。根据钢丝材质，优化和稳定热处理工艺参数，尽可能获得最 高的齿尖硬度及最小的硬度不匀，满意的齿尖金相组织应为细针状马氏体加均匀分布的弥散颗 粒状碳化物( 或合金碳化物) ，针布的耐磨性能将明显提高。 1 5 本课题立题的目的和意义 1 , 5 1 研究目的 本文试图研究以下几个方面的问题： ( 1 ) 比较三种不同含碳量的高速线材拉拔工艺，分析线材拉拔过程中珠光体组织的变形规 律及其对性能的影响。首次试用无氧化强对流罩式退火炉代替井式炉退火炉，并对经罩式退火 炉退火后的钢丝组织评定。探讨变形钢丝低温球化退：j ( 机理，分析钢丝化学成分、变形量、加 热温度及保温时间对渗碳体球化的影响。 ( 2 ) 深入研究钢丝轧扁工艺，分析钢丝轧压的变形特点和规律，提出特种钢丝压扁轧制的 宽展经验公式。实现通过控制压下量和张力来实现不同规格高精度窄钢带条的生产。 ( 3 ) 与国外针布制备工艺和性能相比，分析使用s w r b 7 2 b 和新钢种7 0 n b v 高速线材南咯 金属$ - t - 肴i 的工艺和性能的优缺点。运用试验研究的结果指导实际生产，提高国产金属针布的性 能。 1 5 2 研究的意义 通过高速线材的拉拔工艺及组织性能的研究，指导钢丝拉拔生产。分析低温球化退火的机 理及球化退火的影响因素，改进和优化钢丝球化退火工艺。采用无氧化罩式退火炉，消除钢丝 球化退火氧化脱碳现象，保证钢丝球化退火后具有良好的力学性能；同时，避免采用铅淬火处 理带来的环境污染问题， 深入研究钢丝轧扁工艺，根据批量试验的数据和钢丝轧扁实际生产条件，拟合钢丝轧制压 扁的宽展经验公式。为轧制高精度窄钢带的生产提供分析计算的依据。实现通过调整轧制道次 压下量和轧制张力等工艺参数轧制多种规格窄钢带，满足机械、航空、军事、航海和纺织器械 等对高精密特种扁钢带的需求。 通过国内、外针布的组织和性能的对比，总结了国内针布主要存在的问题。通过使用高碳 合金s w r h 7 2 b 和新研制的7 0 n b v 高速线材制备金属针布，获得与国外先进针布相近的组织 西安建筑科技大学硕士学位论文 和性能，从而代替进口昂贵的国外针布。 西安建筑科技大学硕士学位论文 2 实验材料和实验方法 2 1 实验材料 实验采用的材料是宝钢产s w r h 5 7 b 、s w r h 7 2 b 、s w r h 8 2 b 高速线材和上海钢铁二厂生 产的7 0 n b v 钢丝，其化学成分、尺寸及尺寸精度、力学性能、组织及表面特征如表2 1 和表2 2 所示。 表2 1 实验用高速线材的化学成分w t p , 表2 2 实验用高速线材尺寸精度、力学性能、组织及表面特征 西安建筑科技大学硕士学位论文 2 2 实验方法及设备 2 2 1 钢丝拉拔 拉拔试验在南通某纺织器材厂进行，粗拉采用7 _ _ 6 5 0 或9 - 6 0 0 直进式线材拉拔生产线， 盘条拉拔时道次拉拔量按1 5 - 2 0 分配，拉拔过程中采用干式润滑剂，钢丝粗拉工艺流程如下 经过粗拉加工硬化的钢丝，在无氧化罩式炉中进行球化退火，然后通过酸洗、水洗、磷化 再进入水箱拉丝机进行细拉，细拉工艺流程如下： ( i ) s w r h 8 2 b 盘条粗拉工艺： 1 4 西安建筑科技大学硕士学位论文 ( 2 ) s w r h 5 7 b 盘条拉粗拉工艺： 互h 至姬 ( 3 ) s w r h 7 2 b 盘条粗拉工艺： + 互h 至 ( 4 ) 巾2 3 m m s w r h 7 2 b 球化退火后细拉工艺如下 为了轧制和最终产品的的需要，钢丝中间退火采用低温球化退：( 工艺；为了防l e 球化退火 过程中产生氧化脱碳现象，球化退火为南通某纺织器材厂新研制的氨分解气保护无氧化罩式炉 中进行。退火工艺类型参照g b f r l 2 6 0 3 。本实验涉及到两类退回工艺：球佑艮：j ( 和再结晶退火 “。t 0 1 。本文的个目的就是研究不同钢种在罩式炉中的球化退火效果。5 7 1 3 试样的球化退火工 艺为加热到6 8 5 + 5 。c 保温8 小时，然后随炉缓冷至5 5 0 左右出炉坑冷；7 2 b 及8 2 b 试样的球 化退火工艺为加热到6 9 0 - 1 - 5 c 保温8 小时，然后，随炉缓冷至5 5 0 c 左右出炉坑冷。 2 2 3 钢丝轧制 本文采用圆钢丝进行轧扁，模拟针布坯条轧制过程，重点研究不同规格钢丝轧制过程中的 西安建筑科技大学硕士学位论文 宽展规律。钢丝的轧制在仿德国1 5 0 三联轧生产线上进行，生产线的布置如下 图2 1 钢丝轧制工艺流程示意图 原材料选用0 2 5 m m 7 2 b 球化退火态钢丝，在其它轧制工艺参数不变的情况下，改变道次 压下量、轧制三种不同规格的扁带钢。在线实、狈6 道次宽展量，并进行分析和计算圆丝轧制过程 的宽展规律。 为了比较还选用了几种不同交货状态( 铅淬火后磷化、球化退火轻拉态及光亮球化退火态) 的7 2 b 钢丝在三连轧机生产线t 进行轧扁实验，分析钢丝硬度和表面状态对轧制宽展的影响。 2 2 4 金属针布制各实验 ( 1 ) 实验用针布的制备工艺 本实验的第三个目的是研究采用5 7 b 、7 2 b 和8 2 1 3 高速线材制备的最终产品金属针布的组 织，并与新开发的钢种7 0 n b v 和国外著名金属针布生产厂家的产品进行了e b 较，为开发新型针 布钢丝提出合理的思路。不同厂家金属针布生产都有自己的特点，本文选用南通金轮针布有限 公司的设备和工艺，实验条件与实际生产状况相同。其生产工艺流程如下所示： 图2 2 7 2 b 钢丝制备针布工艺流程示意图 1 6 西安建筑科技大学硕士学位论文 图2 3 规格7 0 n b v 钢丝制各针布工艺流程示意图 ( 2 ) 针布齿条热处理工艺 。 ( a ) 再结晶退火 在氮气保护的井式电阻炉中进行，将成型的坯条加热至6 0 0 。c 7 1 0 。c ，保温一定时间，然 后缓冷至室温。实验中在炉温达到5 5 0 。c 时，将7 2 b 和7 0 n b v 针布坯条吊入：将炉温升至6 0 0 ，保温3 h 4 h ；然后，随炉缓冷至2 0 0 2 5 0 出炉空冷。 ( b ) 齿尖火焰淬火 齿尖淬火在仿瑞士金属针布齿条连续冲、淬、卷生产线e 进行，采用天然气火焰加热淬火， 淬火工艺参数如表2 3 。淬火冷却介质为1 0 号机械油。 表2 3 两种不同材质的针布齿条的淬火工艺参数 组织试样制备在西安建筑科技大学金相实验室进行，分别根据不同的要求取样，然后进行 镶嵌试样、砂纸磨细、机械抛光、腐蚀和观察。 实验用镶嵌机为x q - 2 型金相镶嵌机，试样压制最大规格为( q b 2 2 x1 5 r a m ) 。镶嵌后的试 样首先进行磨制，以获得初步平整光滑的表面，为机械抛光做准备。试样磨制分为粗磨与细磨。 首先用1 2 0 、1 5 0 + 砂纸依次进行粗磨，粗磨方向与线切割的划痕方向成9 0 0 。再用2 8 0 、4 0 0 、 6 0 0 、8 0 0 、1 0 0 0 耐水砂纸依次在预磨机匕进行预磨，每换一次砂纸，须清洗预磨盘，防止粗 砂滞留影响下一步的细砂磨制。预磨过程中不断加少量水，以防i e 试样表面由于温度升高而影 西安建筑科技大学硕士学位论文 响组织的变化，也可以帮助磨制过捌l 哽利进行，并抑制砂粒磨屑进入试样表面，影响磨削质量。 每磨完一道，换用更细的砂纸磨，直磨至上一道的划痕消失，并无明显肉眼可见的划痕存在。 将试样冲洗干净，即可进行机械抛光。 经过砂纸磨制后的试样在带有呢绒布的金相试样抛光机匕进行机械抛光。抛均匀调整所施 加压力，由重到轻，抛至最后，加适量水，减轻压力，直至抛光表面磨痕消失，基体青亮，不 附水膜为止。 将抛尚式样用4 硝酸酒精溶液进行浸蚀，采用擦拭法。即用不锈钢镊子夹一小团沾有侵 蚀剂的脱脂棉花不断擦拭试样抛光面。至试样镜面变成银灰色为限，立即停止浸蚀并用水冲洗， 再用酒精漂洗，然后用电热吹风机吹干。再用4 的硝酸酒精溶液侵蚀后，置于g - 0 4 光学显 微镜e 和电子扫描显微镜观察其金相组织并拍照。扫描电子显微分析在西安交通大学材料强度 国家重点实验室的p h i l p s x l 2 0 型电子扫描显微镜进行。 ( 1 ) 球化退火后质量检测方法： 金相：晶粒度按g b 6 3 9 4 进行，表面脱碳按g b 2 2 4 - - 8 7 中的金相法来评定，球化体评级按 j b t 5 0 7 4 9 1 根据其组织的形貌、数量、大小及分布情况综合评定。 ( 2 ) 再结晶退火后质量检测方法： 金相：晶粒度按g b 6 3 9 4 进行。 维氏硬度测试仪型号m x l 0 0 0 ，钡8 定试样的显微硬度规范参照g b ，r 4 3 4 0 - 8 4 和g b ，r 4 3 4 2 跣 实验载荷选用0 4 9 n ( 5 0 9 f ) 。每们撇放大2 0 0 倍的显微镜下选取5 个间隔加载点；每个加 载点的压痕的对角线长度测定三个值；上述数据用最小二乘法处理。其它规范见国标“1 。 2 2 7 钢丝力学性能实验 钢丝力学性能实验参照g b t 2 2 8 - 2 0 0 2 ，金属材料室温拉伸试验方法进行“”1 。 实验仪器为万能拉伸机。抗拉强度ob 和断面收缩率v ，拉伸断裂处最小截面积a l 声辩原 始截面积a o ：断面收缩率v = ( 舢一a 1 ) a o 。 试样钢丝长度选定为3 0 0 m m ，每个试样j 走取3 根进行拉伸实验并纪录数据求平均值：每个 试样原始截面积舢及拉伸断裂处最小截面积a l 用干分尺分别测量五个数据并取平均值。其它 规范见国标。 西安建筑科技大学硕士学位论文 2 2 8 针布齿条组织和性能分析实验 ( 1 ) 维氏硬度测定规范参照g b f f 4 3 4 0 8 4 和g w l 4 3 4 2 - 8 4 和纺织器械行内标准f z f f 9 3 0 3 8 母5 。 ( 2 ) 金相组织：淬火后马氏体等级按照j b f f 9 2 1 1 1 9 9 9 中、高碳钢与中碳合金钢马氏体 等级中的g b y 1 3 2 9 8 金相显微组织检验方法，在金相显微镜下放大5 0 0 倍观测五个以上视场 与标准图片比较评级。 1 9 西安建筑科技大学硕士学位论文 拉拔工艺及组织性能研究 3 1 线材拉拔实验结果与分析 图3 1 和图3 2 分别5 7 1 3 和7 2 1 3 盘条的扫描电镜图片，从图片中可以观察到盘条的原始组织 都是细片状珠光体组织；珠光体领域完整，珠光体领域内渗碳体片平行分布，珠光体领域之间 渗碳体片分布方向不同。两种组织的显微硬度分别为( 5 7 b ) h v 0 2 - 2 9 6 ： i ( 7 2 b ) h v o z = 3 1 2 。奥氏 体晶粒度为7 8 级。 图3 15 7 b 盘条组织( 2 0 0 0 x ) 图3 27 2 b 盘条组织( 2 0 t x ) x ) 图3 30 0 5 58 2 1 3 盘条冷拉成c 0 2 3 ，e = 1 7 4图3 4d 0 5 5 m m 5 7 b 盘条拉成中2 1 = 1 - 9 3 西安建筑科技大学硕士学位论文 图3 50 5 5 m m 7 2 b 盘条拉成中2 3 = 1 ，7 4 盘条经拉拔后的组织照片如图3 3 、图3 4 和图3 5 所示，可以观察到：在本实验条件下， 经过拉拔变形后，钢丝内部组织呈纤维状分布，不同珠光体领域之间原来互不平行的片层状珠 光体组织几乎全部沿拉拔方向形成取向。那些取向平行或趋于拉拔方向的片层状渗碳体在拉应 力的作用下发生塑性变形，并拉f 申成纤维状细条，珠光体片层间距减少。那些取向垂直或与拉 拔轴向有一定夹角排列的渗碳体在拉应力的作用下发生弯盐或折叠变形，如图3 3 、图3 4 和图 3 5 中的箭头所示。同时还可以观察到那些取向平行或趋于拉拔方向的片层渗碳体的片层间距减 少的更迅速。 如图3 6 、图3 7 和图3 8 所示分别是冷拔5 7 1 3 、7 2 b 和8 2 b 钢丝横截面组织照片，冷拔前 原来横截面上随机排列的片层状珠光体组织都发生弯曲和扭转变形，渗碳体片间距及厚度都减 少。随着钢丝拉拔真应变e 的增大，片层珠光体发生弯曲和扭转的程度越剧烈。 关于钢丝拉拔过程中，沿拉拔方向钢丝组织随变形量的演变规律已进行了广泛的研究，并 提出了不同的变形机理“1 ”1 。而钢丝横截面上的片状珠光体组织变形规律人们研究的较少，机 理也说不清楚。在本实验条件下，观察到冷拔钢丝横截面上片状珠光体组织变形规律，可以借 助简易的变形示意图来说明。如图3 9 所示，将 1 1 0 方向定义为钢丝拉拔方向，唧1 】方向定义 为钢丝径向方向。钢丝拉拔过程中，横截面的应力状态为平面应力状态。横截面上珠光体在平 面应力作用下剧烈变形出现亚晶胞“，通过亚晶胞来协调珠光体组织的变形。随着拉拔钢丝的 真应变e 的增大，片状珠光体发生弯曲和扭转的程度越居烈“。 西安建筑科技大学硕士学位论文 图3 68 2 b 盘条冷拉成0 2 3 ，= 1 7 4 图3 75 7 b 盘条拉成中2 1 ，e = 1 9 3 图3 8 中5 5 m m 7 2 b 盘条拉成( b 2 3 ，e = 1 7 4 综上所述，在珠光体线材深拔变形中，人们普遍认为珠光体中的渗碳体相为仂调强烈的塑 性变形主要采取以下方式：( a ) 当渗碳体的片层方向与拉 申轴向致时，渗碳体间发生颈缩变 形；( b ) 而当渗碳体片层的方向于拉伸轴向不致时，渗碳体片层将发生弯曲变形；而通常当 渗碳体相在单轴拉伸变形时，仅仅有( 0 0 1 ) 0 1 0 1 、( 1 0 1 ) 0 0 1 、( 1 0 0 ) 0 1 0 滑移系被激活 了，这对于渗碳体的塑性变形来说是不够的“，因而渗碳体大都表现出硬脆的特征；( c ) 珠光 体的深拉变形中，m i c h a e lz d i no 。“等人认为当渗碳体片间距很薄时( 约1 0 r i m 级) ，具有复杂 正交结构的渗碳体己不是阻碍铁素体变形的脆性相，而是具有一定协调变形能力的塑| 生相。珠 光体中的渗碳体相为协调大变形都表现出很强的塑性变形能力。h o n g 等“”在冷拉珠光体钢丝 中发现渗碳体的( 0 1 1 ) 和( 1 1 0 ) 面上也有滑移的痕迹，至此认为在深拔工艺中珠光体线材处 于静水应力状态，而在静水应力状态下( 1 1 0 ) 【111 1 和( 0 1 1 ) 【111 次滑移系很容易被激活， 从而为渗碳体发生塑性变形必须至少具有5 个独立的滑移系提供了必要条件“6 1 1 。深拉变形中 西安建筑科技大学硕士学位论文 的两压一拉应力状态下的拉拔变形更有利于激活渗碳体中的滑移系。 图3 9 横截面e 珠光体朗织变形示意图 3 1 3 钢丝拉拔过程中珠光体组织演变对钢丝力学性能的影响 冷拔钢丝拉拔真应变e 与力学性能关系如图3 1 0 所示。图( a ) 中表明冷拉钢丝断面收缩 率1 l r 与钢丝拉拔真应变的关系，在拉拔真应变e 小于1 2 5 时，冷拉钢丝断面收缩率随拉拔真 应变增加基本保持不变。这是因为随着拉拔变形量增加，珠光体片层间距减少，组织细化，有 利于协调变形；同时，拉拔变形使原来随机崩 歹情q 片层状渗碳体逐渐沿钢丝拉拔方向重新排列， 渗碳体破碎断裂，结构缺陷增加导致位错运动的阻力增加，这芦阶强化和软化变形机制相互作 用趋于平衡。在拉拔真应变e 等于1 2 5 时达到一个最大值，表明片状渗碳体，几乎全部沿拉拔方 向从新排列。当拉拔真应变e 大于1 2 5 后，钢丝的断面收缩率随冷拔真应变的增加而降低，这 是因为片层状渗碳体剧烈变形后，基本沿拉拔方向形成择优取向，同时大量的渗碳体呈纤维状 和碎片状形态的存在，结构缺陷进一步增加，导致钢丝塑l 生下降。 图3 1 0 ( b ) 表明实验用三种钢丝抗拉强度都随冷拉真应变e 增大而增大。拉拔过程中，片 状珠光体的片间距在拉应力的作用下不断减小，铁素体中位错密度不断增加，位错运动平均自 由程不断减小，位错运动阻力不断增加，从而导致钢丝的抗拉强度不断升高。当冷拔钢丝真应 变e 大于1 2 5 ，从图3 1 0 ( b ) 可以清楚的观察到钢丝的抗拉强度随钢丝的真应变迅速升高。钢 西安建筑科技大学硕士学位论文 丝的抗拉强度在真应变e 大于1 5 0 后迅速升高是因为细片层状珠光体几乎全部沿拉拔方向形成 取向，导致加工硬化。文献“中大量实验数据也反映了上述微观组织与钢丝机械的密切相关。 3 2 结论 美 鲁 料 媒 擎 喧 鉴 8 0 0 2 , 5 0 0 爸2 0 0 0 越1 5 0 0 嘿1 0 0 0 靼 辐5 0 0 0 f = d = 一炎 j ； 飞 毡一 p 8 2 b _ - 一7 2 b 5 7 b oo 511 52 钢丝真应变 ；f j 二 ； 可一 d 臣车 ；f 一8 2 b 卜一7 2 b h 5 7 b 1 002 50 507 5l1 2 51 51 7 52 真应变e 图3 1 0 钢丝拉拔真应变与力学性能的关系 ( a ) 断面收缩率与真应变关系；( b ) 抗拉强度与真应变关系 ( 1 ) 通过扫描电镜，观察三种高碳线材拉拔变形后的组织，可以观察到：( a ) 沿钢丝拉拔 方向，随着拉拔变形量的增加，原来随机排列的片层状珠光体组织几乎全部沿拉拔方向形成取 向。取向平行或趋于拉拔方向的片状渗碳体在拉应力的作用下发生塑性变形，并拉l 申成纤维状 细条。而取向垂直或与拉拔轴向有一定夹角排列的片状渗碳体在拉应力的作用下发生弯曲或折 叠变形。( b ) 原来横截面上随机排列的片层状珠光组织都发生弯曲和扭转变形，珠光体片间距 西安建筑科技大学硕士学位论文 及厚度都减少。钢丝拉拔的真应变e 的越大，片状珠光体发生弯曲和扭转的程度越剧烈。 ( 2 ) 通过分析钢丝拉拔过程中珠光体组织与钢丝力学性能的研究得出如下结论：三种钢丝 抗拉强度都随钢丝拉拔真应变e 增大而增大。例如：当拉拔真应变达到e 一1 7 4 左右，8 2 b 钢 丝的抗拉强度为2 0 0 0 m p 左右。拉拔过程中，片状珠光体的片间距在拉应力的作用下不断减少， 细片层珠光体组织不断细化是钢丝的抗拉强度不断升高的主要原因。 当拉拔真应交大于1 2 5 后，钢丝面减率随真应变的增加而刚氐的趋势，是因为片层状渗 碳体剧烈变形后基本形成沿拉拔方向的取向，同时大量的纤维状渗碳体和碎片状结构的存在， 结构缺陷进一步增加，导致钢丝塑性下降。 西安建筑科技大学硕士学位论文 4 钢丝的球化退火实验结果及组织评定 ( 1 ) 球化退火后组织 如图4 1 至图4 6 所示，是经冷拉变形的三种不同材质高碳钢丝，在罩式无氧化炉中球化退 火后，不同方向取样条件下的组织特征。图4 1 和图4 2 分别为m 2 3 r r n 的8 2 b 钢丝( 退火前 变形量为8 2 5 ) 球化退火后钢丝横截面上和沿拉拔方向上的粒状珠光体组织照片。从图中不 同放大倍数的照片可以看到，在本实验采用的球化退火工艺条件下，经球化退火后，观察到钢 丝横截面上组织为均匀分布的粒状珠光体，细小均匀球状渗碳体颗粒均匀的分布在铁素体基体 上；在钢丝拉拔方向上同样观察到粒状珠光体组织，但是，发现其中渗碳体存在一定的取向性； 在高倍电镜下观察发现部分球状渗碳体形状不规则，大小存在一定的差异。 图4 1 巾2 3 m m 的8 2 b 钢丝球化退火后钢丝横截面方向取样。 图4 2c p 2 3 m m 的8 2 b 钢丝球化退火后钢丝纵向方向取样。 西安建筑科技大学硕士学位论文 图4 3 0 2 3 m m 的7 2 b 钢丝球化退火后钢丝横截面方向取样。 图4 a 中2 3 m m 的7 2 b 钢丝球化退火后钢丝纵向方向取样。 图4 5 中2 1 m m 的5 7 b 钢丝球化退：_ l ( 后钢丝横截面方向取样。 2 7 西安建筑科技大学硕士学位论文 图4 。6 中2 1 m m 的5 7 b 钢丝球化退火后钢丝纵向方向取样。 图4 3 和图4 4 为中2 3 m m 的冷拉7 2 b 钢丝( 球化退火前变形量为8 2 5 ) 球化退火后钢 丝横截面上和沿拉拔方向上的组织照片。从不同放大倍数照片可以看到，在本实验条件下，7 2 b 钢丝球化退火后钢丝横截面上组织为均匀分布的粒状珠光体，细小均匀球状渗碳体颗粒均匀的 分布在铁素体基体上；在钢丝拉拔方向上观察到组织同样为均匀分布的粒状珠光体组织；在高 倍电镜下可以观察到球状渗碳体形状规则、细小，分布非常均匀。 图4 5 和图4 6 为中2 1 m m 的冷拉5 7 b 钢丝( 球化退火前变形量为8 5 4 ) 球化退火后钢 丝横截面上和沿拉拔方向上的组织照片。从不同放大倍数的照片可以看到，在本实验条件下， 钢丝球化退火后在横截面上观察到均匀分布的粒状珠光体组织，球状渗碳体颗粒细小均匀；在 钢丝拉拔方向上观察到的粒状珠光体组织中，渗碳体还存在一定的取向性：在高倍电镜下还可 观察到球状渗碳体形状基本规则，大小差异不大。 通过球化退：i ( 组织观察可以得到，在罩式无氧化退火炉中退火，采用本实验条件下，冷拉 5 7 b 、7 2 b 和8 2 b 钢丝均可以获得粒状珠光体组织，但是，组织中球状碳化物颗粒大小和分布的 均匀程度不同，其中8 2 b 钢丝组织表现最为明显。 碳化物球化有它独特的规律，国外对此进行了广泛的研究，并不断改善各种球化退火的工 艺方法，但迄今人们对球化微观机制的了解和研究还不够透彻。根据碳化物球化工艺；w e - 的不 同，可以分为四种情况讨论：( 1 ) 低于临界点氏l 温度共析碳化物的球化；( 2 ) 在稍高于临界 点氏l ( 2 0 f c c 0 5 譬 ( 4 r 4 ) 因此使沟槽不断加深加宽的驱动力是渗碳体亚晶界的表面张力6c c 。 换言之，由于渗碳体内亚晶界张力60 c 作用，而使渗碳体片和铁素体界面上出现了沟槽。 沟槽形成后在渗碳体亚晶界的两侧表面将呈现曲面。当温度和压力相同时，在曲面处的渗碳体 中的碳原子比平面处具有更高的化学位，由吉布斯一汤姆森方程。1 ，此化学位的差u 为： 图4 8 片层渗碳体的溶断机理示意图 舡= o v a = 盯屹女 ( 4 5 ) r 式中v a _ 一原子体积： k 一为渗碳体表面曲度。 从图4 8 中可以看出化学位依距亚晶界不同位置处的变化l 青况，在x = o 处化学位最高，向 3 0 畸荆单扑单 西安建筑科技大学硕士学位论文 两侧逐渐降低，化学位梯度将驱动扩散的发展使亚晶界的沟槽加深加宽，从而导致片层状渗碳 体的溶断球化。 4 3 影响碳化物球化的因素 ( 1 ) 化学成分的影响 碳对钢中碳化物球化具有重要影响，钢中含碳量越高、碳化物数量越多。从三种不同含碳 量的钢丝球化退火后组织对比可以看出： 如图4 1 和图4 2 所示，材质为8 2 b 的钢丝球化退火后，球状碳化物的数量多，颗粒大小 都在1pm 左右。相比较而言，5 7 b 的钢丝球化退火后，球状碳化物的数量相对较少，但细小、 均匀分布在铁索体等轴晶的晶界处。 对于亚共析钢如5 7 1 3 、7 2 b 钢，钢的含碳量不如过共析钢8 2 b 高，碳化物比例较小，原始 组织中有铁索体区域存在，因此球化比较困难。采用本实验的球化退火工艺，7 2 b 和5 7 b 钢丝 球化退火球化质量可以达到相当好的水平( 渗碳体颗粒均匀弥散分布在铁素体等轴晶晶界处) ， 球状碳化物的颗粒平均大小都在1um 左右。 在高倍扫描电镜下观察下，如图4 2 中所示，8 2 1 3 钢丝退火后球状碳化物分布从总体来看 还有一定的取向性，球状碳化物粗细略有不均及多角形块状碳化物存在。可能是因为在本实验 条件下，8 2 b 钢丝球化退火温度过低，碳化物溶解不完全，导致碳化物颗粒过于集聚，分布不 均。建议在退火工艺上做一些改进，或者采用等温球化退火工艺。 合金元素对碳化物球化过程影响的规律比较复杂，因为合金元素( 特别是形成碳化物的合 金元素) 将影响碳化物的成分、结构和在奥氏体中的溶解度，碳在钢中的扩散以及合金元素本 身的在分配过程，从而对球化过程发生复杂的影响。 ( 2 ) 球化退火的冷却速度虽对形成碳化物的形状没有影响，但它是决定球状珠光体中渗碳 体颗粒大小的主要因素，冷却越慢，渗碳体集聚作用大，渗碳体球的体积越大，弥散度小；反 之，冷速快，渗碳体集聚作用小，球体来不及长大，故颗粒细小，弥散度大。因此，本实验在 保温后均先是随炉冷却到5 5 0 c 以下出炉坑冷，随炉冷却的最大冷速控制在2 0 3 5 。c h 。从退 火实验结果来看，7 2 b 和5 7 b 钢丝的球状碳化物的颗粒平均大小都在1ui t 左右，分布均匀。 ( 3 ) 原始组织的影响 球化退火前原始组织的类型、晶粒粗细、以及自由铁素体、碳化物的大小、形状、数量及 分布等均显著影响球化过程。钢丝球化前经过冷拔加