專利名稱：利用高能電脈沖對中、高碳鋼絲進行在線軟化退火方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及對加工硬化的中碳鋼絲、高碳鋼絲(包括高碳合金鋼絲、軸承鋼絲等)進行軟化退火處理技術(shù)，具體是一種利用高能電脈沖對中、高碳鋼絲在線連續(xù)軟化退火工藝，經(jīng)過電脈沖處理后，最終可以達到常規(guī)退火中、高碳鋼絲的性能指標。
背景技術(shù)：
高碳鋼絲被廣泛應(yīng)用于輪胎增強用鋼簾線、橋梁用鍍鋅鋼絲、預應(yīng)力混凝土用鋼絲、鋼琴絲、軸承絲、沖針等；中碳鋼絲被用于焊絲、鋼絞線、鋼絲繩、彈簧等，兩種鋼絲在工業(yè)中占據(jù)重要地位。中、高碳鋼絲制品承受很大的載荷，工作條件惡劣，因而理想的鋼絲應(yīng)具有較高的強度和較好的塑性。適當?shù)母邚姸群瓦m中的高塑性的結(jié)合，可使材料和構(gòu)件獲得非常高的斷裂能量或斷裂功，從而極大地提高工程構(gòu)件的性能和壽命。目前中、高碳鋼絲加工硬化后一般需通過熱處理爐進行軟化退火處理。然而軟化退火必須有合適的加熱溫度，適當?shù)谋貢r間和緩慢的冷卻速度。目前生產(chǎn)上使用的軟化退火工藝，熱處理周期長，生產(chǎn)效率低，處理后鋼絲還要經(jīng)過表面處理等一系列流程才可以使用，設(shè)備和工藝都十分復雜，生產(chǎn)成本相當高。如何用簡單的工藝使中、高碳鋼絲經(jīng)過處理后能滿足軟化退火性能指標，是工程界非常關(guān)注的問題。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種利用高能電脈沖對加工硬化的中、高碳鋼絲在線連續(xù)軟化退火處理工藝，從而取代目前使用的熱處理爐退火處理工序，同時使中、高碳鋼絲滿足最終軟化退火性能指標。
本發(fā)明的利用高能電脈沖對中、高碳鋼絲進行在線連續(xù)軟化退火方法，采取以下步驟通過開卷裝置和收卷裝置帶動鋼絲以一定速度向所述收卷裝置方向傳輸；配置一高能脈沖電源，該電源連續(xù)不斷地輸出高能電脈沖，并通過一對電極輸入運動著的鋼絲的加電區(qū)域段進行連續(xù)軟化退火處理。
根據(jù)中、高碳鋼絲直徑和最終性能要求，退火處理過程中，輸入運動著的鋼絲加電區(qū)域段的高能脈沖電流的工藝參數(shù)可以為脈沖寬度10～200μs，頻率50～3000Hz，電流密度的幅值100～1500A/mm2。其中，所述高能脈沖電流的優(yōu)選工藝參數(shù)為脈沖寬度20～100μs，頻率100～1500Hz，電流密度的幅值200～1500A/mm2。
本發(fā)明與現(xiàn)有其它常規(guī)處理中、高碳鋼絲技術(shù)相比有以下有益效果1.在電脈沖軟化退火處理過程中，中、高碳鋼絲中產(chǎn)生一定的焦耳熱效應(yīng)和非熱效應(yīng)，由于焦耳熱效應(yīng)和非熱效應(yīng)的耦合作用，使原子振動能量進一步急劇增加，位錯的攀移加速，有利于材料中因加工硬化所形成的亞晶轉(zhuǎn)動，這些因素促進了鐵素體的再結(jié)晶進程。通過顯微組織分析，在電脈沖處理后的高碳鋼絲中觀察到的滲碳體仍然為球狀，并均勻的分布在鐵素體基體中，沒有發(fā)現(xiàn)任何片狀的珠光體。中碳鋼中為灰黑色細片狀珠光體以及白色鐵素體組織，沿晶界分布，晶粒細小。
2.電脈沖處理時間短，處理溫度低，因此處理過程中減少了材料的脫碳、氧化程度。從而減少了常規(guī)處理技術(shù)因升高溫度和長時間保溫所帶來的脫碳、氧化加劇的現(xiàn)象。
3.經(jīng)過電脈沖處理后，最終可以滿足退火中、高碳鋼絲性能指標。
4.電脈沖處理工藝具有設(shè)備簡單，可取代目前使用的熱處理爐退火工序，并且能夠?qū)崿F(xiàn)在線連續(xù)軟化退火，大大提高生產(chǎn)效率。
5.本發(fā)明構(gòu)思新穎，可適用于直徑為0.05～6.5mm的中、高碳鋼絲退火處理，具有生產(chǎn)成本低，效率高，能耗低，環(huán)境得到改善，處理后的中、高碳鋼絲質(zhì)量穩(wěn)定性好，能夠獲得優(yōu)異的綜合性能。


圖1為高能電脈沖在線連續(xù)軟化退火處理裝置示意圖；圖2為GCr15鋼絲在加工硬化前的金相組織；圖3為同一GCr15冷拉鋼絲加工硬化后的金相組織；圖4為同一GCr15冷拉鋼絲硬化后經(jīng)電脈沖處理后的金相組織；圖5為55鋼絲加工硬化后的金相組織；圖6為同一55鋼絲硬化后經(jīng)電脈沖處理后的金相組織。
具體實施例方式
參照圖1，實現(xiàn)本發(fā)明方法的高能電脈沖退火處理設(shè)備包括開卷裝置1、收卷裝置2、高能脈沖電源4、設(shè)置于開卷裝置1和收卷裝置2之間的一對電極3、5。中、高碳鋼絲6由開、收卷裝置支撐并張緊，它們帶有的張力調(diào)整機構(gòu)保證鋼絲運動過程的穩(wěn)定性。開、收卷裝置旋轉(zhuǎn)能帶動鋼絲以一定速度向所述收卷裝置2方向(圖1箭頭方向)連續(xù)傳輸，鋼絲的傳輸速度可為0.5～80m/min，傳輸速度由變頻器和力矩電機調(diào)整控制(圖中未畫出)，在0.5～80m/min范圍內(nèi)連續(xù)可調(diào)。
高能脈沖電源4的正、負輸出端分別連接兩個電極5、3，通過這兩個電極使高能脈沖電流輸入運動著的中、高碳鋼絲的加電區(qū)域段進行連續(xù)軟化退火處理。高能脈沖電源4的最大輸出功率為15KW，輸出脈沖寬度可為10～200μs，輸出脈沖頻率為50～3000Hz。
兩個電極3、5是兩個采用銅覆鎳層制成的電極壓塊，上、下電極壓塊與中、高碳鋼絲接觸處設(shè)置用于容納鋼絲的槽，以保證接觸良好，減小接觸電阻。兩電極之間的距離在80～400mm范圍內(nèi)可調(diào)，使用時根據(jù)所需的處理速度調(diào)整，速度越快，兩電極之間的距離應(yīng)加長。電極也可以采用銅-石墨、彌散強化銅或黃銅等導電性較好且耐磨的材料制成。
通過圖1所示設(shè)備，中、高碳鋼絲在線連續(xù)軟化退火過程如下通過圖1所示開卷裝置1、收卷裝置2帶動中、高碳鋼絲6以一定速度向所述收卷裝置2方向傳輸，鋼絲的傳輸速度根據(jù)需要可在0.5～80m/min范圍內(nèi)調(diào)整。
將所述高能脈沖電源4的高能脈沖電流通過電極3、5輸入運動著的中、高碳鋼絲6的加電區(qū)域段進行連續(xù)軟化退火處理。處理時輸入運動的鋼絲的加電區(qū)域段的高能脈沖電流的工藝參數(shù)為脈沖寬度10～200μs，頻率50～3000Hz，電流密度的幅值100～1500A/mm2。優(yōu)選高能脈沖電流的工藝參數(shù)為脈沖寬度20～100μs，頻率100～1500Hz，電流密度的幅值200～1500A/mm2。本方法適用于直徑為Φ0.05～6.5mm的中、高碳鋼絲的在線連續(xù)軟化退火處理。
實施例1原始退火態(tài)直徑為2.00mm的GCr15鋼絲經(jīng)多道次冷拉拔后，絲的直徑為1.05mm。采用圖1所示設(shè)備和本發(fā)明高能電脈沖在線軟化退火工藝對該GCr15鋼絲進行處理。圖2為GCr15鋼絲在冷拉變形硬化前的金相組織(球化退火組織)，球狀滲碳體均勻分布在鐵素體基體中。圖3為GCr15鋼絲經(jīng)過冷拉變形硬化后的金相組織，鐵素體基體晶粒伸長為纖維狀，滲碳體仍然為球狀，沿著鐵素體變形方向分布。
參照圖1，GCr15鋼絲由開卷裝置1和收卷裝置2帶動按箭頭方向以速度6m/min或16m/min傳輸，高能脈沖電源的正、負極則分別從銅覆鎳層制成的電極(電極距離為250mm)接入運動的GCr15鋼絲的加電區(qū)域段進行連續(xù)軟化退火處理。輸入的高能脈沖電流的脈沖寬度60μs，電壓為110V，頻率為330Hz，脈沖峰值電流密度為550A/mm2。
實驗發(fā)現(xiàn)，經(jīng)高能電脈沖處理的GCr15鋼絲內(nèi)，沒有出現(xiàn)任何片狀珠光體，仍然為球狀滲碳體均勻分布在再結(jié)晶后的鐵素體基體中(如圖4)。即通過電脈沖處理使得GCr15達到了軟化退火的效果，降低了能耗，提高了生產(chǎn)效率，材料的組織和力學性能均勻，質(zhì)量穩(wěn)定。
GCr15鋼絲處理前后的性能比較見表1。表1結(jié)果表明經(jīng)過高能電脈沖軟化退火處理的GCr15鋼絲與原始退火態(tài)GCr15鋼絲比較，材料抗拉強度明顯提高，同時延伸率接近，經(jīng)軟化退火處理的GCr15鋼絲綜合機械性能優(yōu)異。
表1

實施例2原始為加工硬化態(tài)的55鋼絲，直徑0.98mm。采用圖1所示設(shè)備和本發(fā)明高能電脈沖在線連續(xù)軟化退火工藝對該55鋼絲進行處理。圖5為55鋼絲加工硬化后的金相組織，鐵素體晶粒伸長為纖維狀，珠光體沿著鐵素體變形方向分布。
參照圖1，55鋼絲由開卷裝置1和收卷裝置2帶動按箭頭方向以速度8m/min傳輸，高能脈沖電源的正、負極則分別從銅覆鎳層制成的電極(電極距離為250mm)接入運動的55鋼絲的加電區(qū)域段進行連續(xù)軟化退火處理。輸入的高能脈沖電流的脈沖寬度60μs，電壓為110V，頻率為380Hz，脈沖峰值電流密度為250A/mm2。
實驗發(fā)現(xiàn)，經(jīng)高能電脈沖處理后，55鋼絲為灰黑色細片狀珠光體以及白色鐵素體組織，沿晶界分布，晶粒細小(如圖6)。即通過電脈沖處理使得55鋼絲達到了軟化退火的效果，提高了生產(chǎn)效率，降低了能耗，材料的組織和力學性能均勻，質(zhì)量穩(wěn)定。
55鋼絲處理前后的性能比較見表2。表2結(jié)果表明經(jīng)過高能電脈沖連續(xù)軟化退火處理的55鋼絲與常規(guī)退火態(tài)55鋼絲比較，在延伸率接近的情況下，材料抗拉強度明顯提高，即55鋼絲獲得了優(yōu)異的綜合機械性能。
表2

權(quán)利要求
1.利用高能電脈沖對中、高碳鋼絲進行在線連續(xù)軟化退火方法，其特征包括以下步驟通過開卷裝置和收卷裝置帶動鋼絲以一定速度向所述收卷裝置方向傳輸；配置一高能脈沖電源，該電源連續(xù)不斷地輸出高能電脈沖，并通過一對電極輸入運動著的鋼絲的加電區(qū)域段進行連續(xù)軟化退火處理。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的利用高能電脈沖對中、高碳鋼絲進行在線連續(xù)軟化退火方法，其特征是根據(jù)中、高碳鋼絲直徑和最終性能要求，退火處理時輸入運動著的鋼絲加電區(qū)域段的高能脈沖電流的工藝參數(shù)為脈沖寬度10～200μs，頻率50～3000Hz，電流密度的幅值100～1500A/mm2。
3.根據(jù)權(quán)利要求2的利用高能電脈沖對中、高碳鋼絲進行在線連續(xù)軟化退火方法，其特征是所述高能脈沖電流的工藝參數(shù)為脈沖寬度20～100μs，頻率100～1500Hz，電流密度的幅值200～1500A/mm2。
4.根據(jù)權(quán)利要求1和2的利用高能電脈沖對中、高碳鋼絲在線連續(xù)軟化退火方法，其特征是鋼絲直徑Φ0.05～6.5mm。
5.根據(jù)權(quán)利要求1的利用高能電脈沖對中、高碳鋼絲進行在線連續(xù)軟化退火方法，其特征是所述正負電極之間的距離為80～400mm。
6.根據(jù)權(quán)利要求1的利用高能電脈沖對中、高碳鋼絲進行在線連續(xù)軟化退火方法，其特征是所述中、高碳鋼絲的傳輸速度為0.5～80m/min。
全文摘要
一種利用高能電脈沖對中、高碳鋼絲進行在線連續(xù)軟化退火方法，包括如下步驟通過開卷裝置和收卷裝置帶動鋼絲以一定速度向所述收卷裝置方向傳輸；配置一高能脈沖電源，該電源連續(xù)不斷地輸出高能電脈沖，并通過一對電極輸入運動著的鋼絲的加電區(qū)域段進行連續(xù)軟化退火處理。采用高能脈沖電流對運動著的鋼絲進行連續(xù)軟化退火，生產(chǎn)成本低，能耗低，生產(chǎn)效率高，鋼絲表面質(zhì)量和穩(wěn)定性好，減少了常規(guī)退火處理過程中引起的鋼絲表面脫碳、氧化現(xiàn)象，獲得了優(yōu)異的綜合性能。經(jīng)過電脈沖處理后，可以取代現(xiàn)行的熱處理爐退火工序，最終可以達到常規(guī)軟化退火中、高碳鋼絲的性能指標。
文檔編號C21D1/40GK1904088SQ20061006145
公開日2007年1月31日 申請日期2006年7月4日 優(yōu)先權(quán)日2006年7月4日
發(fā)明者唐國翌, 丁飛 申請人:清華大學深圳研究生院