油淬火-回火钢丝产品介绍

油淬火-回火钢丝产品介绍
东北特钢集团大连特殊钢丝有限公司徐效谦
摘要：本文简要介绍了油淬火-回火钢丝的特性，现行产品标准、产品发展方向；以及产品生产流程和工艺控制要点，为用户合理选用该类钢丝牌号，订购优质产品提供了有用信息。

关键词：油淬火-回火处理，预硬化处理，多次回火，在线探伤。

特殊钢丝中有一部分产品最终需要在淬火-回火状态下使用，传统的做法是金属制品厂提供冷拉或退火状态的钢丝，下游企业将钢丝制成相应零部件或元件，再进行淬火+回火处理，强韧性达到预定要求后交付使用。

因为零部件或元件的尺寸、形状千变万化，带来最终热处理炉千差万别，势必造成生产成本增加，热处理性能波动加大。

现在逐步演变成：将形状不复杂、加工成形方便的零部件或元件用钢丝的淬火+回火处理转移到金属制品厂进行，由此形成了一个新品种——淬火-回火钢丝。

1. 概况
油淬火-回火处理：指将拉拔到成品尺寸的钢丝，在连续炉中进行淬火和回火处理，展开的钢丝首先在连续炉中加热到完全奥氏体化温度，然后通过油槽淬火获得马氏体组织，再通过连续炉回火，获得预期的强韧性。

油淬火-回火钢丝平直度好，力学性能的均匀性，制成零部件或元件后只需进行低温消除应力处理即直接可使用。

油淬火-回火热处理炉由张力放线装置、加热炉、油淬火槽、回火炉和收线机5个部分组成。

常用于碳素弹簧钢丝、合金弹簧钢丝、弹性针布钢丝、合金结构钢丝和马氏体不锈钢丝等成品热处理，热处理后钢丝的显微组织通常为回火马氏体、回火托氏体或回火索氏体，具有很高的强度（硬度）、适宜的韧性和良好的挺直性能。

预硬化处理：是一种特殊的油淬火-回火处理，指钢丝拉拔到成品尺寸后进行油淬火处理，然后根据牌号及使用情况，再进行一次或多次高温回火处理，使钢丝的硬度或抗拉强度达到相应级别的要求。

常用于冷作模具钢丝、热作模具钢丝和塑料模具钢丝等成品热处理。

因为此类钢丝碳和合金元素含量较高，油淬火-回火时必须采用一些特殊的工艺措施：
①为保证碳和合金元素充分溶解，必须提高奥氏体化加热温度（有的高达1150℃），延长保温时间；
②淬火后钢丝中残留奥氏体含量大，为促使残奥分解确保钢丝达到预定硬度，必须选用多次回火的方法，回火保温时间比一般回火要延长数倍到数百倍。

③一般淬火-回火处理时，回火的目的是：促进马氏体转变成回火马氏体、回火托氏体、回火索氏体或珠光体，回火后钢丝的韧性和塑性显著提高，但抗拉强度和硬度必然有不同幅度的下降。

预硬化处理时，回火同样有促使组织转变的目的，但同时还具有沉淀硬化效应，钢中的Fe、Mn和合金元素（Cr、Mo、Ti、V、W、、Al等）的碳化物、氮化物或金属间化合物（γ＇和γ＇＇相）沉淀析出，钢丝可以做到在韧性和塑性显著提高的同时，抗拉强度和硬度无明显下降，甚至有所提高。

特殊的工艺要求决定了预硬化处理的设备与一般（弹簧钢丝）油淬火-回火设备有很大不同：弹簧钢丝通常选用连续炉进行油淬火-回火处理，淬火炉最高使用温度900℃，回火炉最高使用温度600℃，炉长相对较短。

硬化处理的淬火和一次回火通常也选用连续炉，但炉子的最高使用温度和炉长均有大幅度的提高。

目前世界先进水平的预硬化处理炉，淬火炉最高使用温度1150℃、有效加热区长度22m；回火炉最高使用温度700℃、有效加热区长度30m。

此外，收放线系统可对钢丝施加一定的、可调整的预张力，以改善钢丝的抗蠕变和抗应力松弛性能。

一般说来，预硬化处理炉可以用于油淬火-回火处理，但油淬火-回火炉无法用于预硬化处理。

更大的不同是：预硬化处理通常需进行的2次或2次以上的回火，回火保温时间以小时计算，无法在连
续炉中完成，需在周期式退火炉中进行，生产厂可配置不同规格的周期式气体保护退火炉，为该类钢丝的研制和开发奠定基础。

2. 油淬火-回火弹簧钢丝
油淬火-回火弹簧钢丝金相组织为均匀的回火马氏体或回火索氏体，各向同性，；在抗拉强度相同条件下，比冷拉钢丝具有更高的弹性极限，有良好的弹直性能，抗应力松弛性能和抗蠕变性能优于冷拉钢丝；如要保证松驰率≤6.0%，冷拉碳素钢丝的最高工作温度为120℃，油淬火-回火碳素钢丝的最高工作温度为150℃，油淬火-回火合金钢丝50CrV的最高工作温度为200℃，55CrSi和60Si2MnA的最高工作温度为250℃，65Si2MnW A的最高工作温度为350℃。

使用油淬火-回火钢丝绕制的弹簧，经消除应力回火后直接使用，简化了弹簧厂的生产工艺流程、降低生产成本；与原绕制后再淬火-回火的弹簧相比，弹簧表面脱碳与力学性能均匀性有了根本性改善，疲劳寿命有了数十倍的提高。

目前日本的合金弹簧钢丝标准，已完全用油淬火-回火状态取代了冷拉状态。

我国近年来中大规格油淬火-回火钢丝大有取代冷拉钢丝趋势。

油淬火-回火钢丝的缺点是处理不当表面氧化、脱碳较重，影响疲劳寿命；钢丝的氢脆敏感性强，抗应力腐蚀性稍差。

我国现行标准GB/T18983-2003《油淬火回火弹簧钢丝》是参照ISO/FDIS8458-3起草的，自2003年实施之日起，代替YB/T5008（原GB2271）《阀门用油淬火-回火铬钒合金弹簧钢丝》、YB/T5102（原GB/T4359-85）《阀门油淬火-回火碳素弹簧钢丝》、YB/T5103（原GB/T4360-85）《油淬火-回火碳素弹簧钢丝》、YB/T5104（原GB/T4361-85）《油淬火-回火硅锰弹簧钢丝》、YB/T5105原（GB/T5362
-85）《阀门用油淬火-回火铬硅合金弹簧钢丝》。

目前世界最先进的标准是欧洲标准化委员会2011年10月发布，2012年4月正式实施的新标准：EN 10270-2:2011(E)《机械用弹簧钢丝—第2部分：油淬火－回火弹簧钢》。

油淬火-回火弹簧钢丝常用牌号及化学成分如表1。

表1 钢丝的化学成分（熔炼分析）, 质量分数%
1.1 GB/T18983-2003《油淬火回火弹簧钢丝》的主要技术要求
（1）钢丝的分类、代号及直径范围如表2，钢丝直径及允许偏差如表3。

表2 钢丝的分类、代号及直径范围
表3 钢丝直径及允许偏差
钢丝表面应光滑，不应有对钢丝使用产生有害影响的划伤、裂纹、锈蚀、折叠、结疤等缺陷，允许有最大深度不超过表4规定的表面缺陷。

表4 表面缺陷允许最大深度
（3
静态级和中疲劳级钢丝的力学性能如表5，如表6。

表5 静态级和中疲劳级钢丝的力学性能
表6 高疲劳钢丝的力学性能
同一根钢丝抗拉强度允许波动范围：
a）VD级钢丝不应超过50MPa。

b）TD级钢丝不应超过60MPa。

c）FD级钢丝不应超过70MPa。

（4）工艺性能
缠绕试验：直径＜3.0mm钢丝应进行缠绕试验，钢丝在芯棒上缠绕至少4圈，芯棒直径等于钢丝直径，试验后其表面不得产生裂纹或赶断开。

扭转试验：直径为0.70～6.00mm钢丝应进行扭转试验，试样标距长度为钢丝直径的100倍，经协议，允许用其他标距长度。

试验方法有两种：
a）单向扭转试验，即试样向一个方向扭转至少3次，直到断裂，断口应平齐。

b）TD级和VD级钢丝也可选用双向扭转试验，具体要求见表7。

表7 双向扭转试验要求
试验后不得出现裂纹。

卷绕试验：根据需方要求，直径≤0.70mm钢丝可进行卷绕试验。

试验方法如下：将长度约500mm 的试样，均匀地密绕在芯棒上，芯棒直径等于钢丝直径的3～3.5倍。

把绕好的线圈从芯棒上取下后拉长，使其在松开后达到线圈原始长度大约3倍，在此状态下线圈螺距和圈径应均匀。

（5）脱碳
VD级和TD级钢丝表面不得有全脱碳层，钢丝表面其他脱碳层要求应符合表8规定。

表8 表面脱碳层深度要求
（6
根据需方要求，经供需双方协商，可在合同中注明以下特殊要求：
a)代号或牌号；
b)抗拉强度；
c)包装类型；
d)非金属夹杂级别和试验方法；
e)是否涡流探伤；
f)奥氏体晶粒度级别；
g)其他要求。

1.2 EN 10270-2:2011(E) 《机械用弹簧钢丝—第2部分：油淬火－回火弹簧钢》主要技术要求
与GB/T18983-2003（ISO/FDIS8458-3）相比，该标准对油淬火-回火弹簧钢丝的分类、特性、交货方式和表面质量作更详细的描述和规定，并增加了一组FDSiCrV 、TDSiCrV 和VDSiCrV 超高强度钢丝。

具有内容如下： （1）分类
标准收录了所有类型的油淬火－回火弹簧钢丝，常用的FD 级碳素或合金钢丝，适用于静载荷条件。

具有中等疲劳寿命的弹簧钢丝，如制作的离合器弹簧用碳素或合金钢丝，简称TD 级钢丝。

在高频动载荷条件下工作的碳素或合金弹簧钢丝，如阀门弹簧以及其他有类似要求的弹簧，简称为VD 级钢丝。

各级别钢丝的直径范围见表1。

中等和高疲寿命TD 和VD 级钢丝的特性体现为：高的纯净度、特定的化学成分、力学性能和工艺性能、良好的表面状态，包括表面缺陷和脱碳深度。

静态FD 级钢丝的特性体现为：钢的化学成分、力学性能和工艺性能，当然包括特定表面状态，以及相关的表面缺陷和脱碳深度。

（2）交货方式
油淬火－回火弹簧钢丝以盘卷、工字轮盘绕或定尺直条方式交货。

盘卷和工字轮盘绕钢丝应由一根钢丝组成。

每个包装卷可以由一盘或几盘钢丝组成。

VD 和TD 级钢丝，最终拉拔前热处理（成前热处理）时，不容许焊接； FD 级钢丝，用户如无特殊要求，（成前热处理时）可以焊接。

交货的钢丝卷应盘绕紧密，确保钢丝螺圈不会出人意料地弹起。

盘卷开始端应有明显标志，未端应用防护套包裹。

（3）表面质量
钢丝表面应光滑、盘卷端部表面缺陷深度应符合表9规定。

如有要求VD 级钢丝可进行剥皮或磨光处理。

对于直径2.50～8.00 mm 的TD 和VD 级钢丝，可选用适宜的在线无损探伤法，测定钢丝通长缺陷。

对整个表面上，超出表10规定的缺陷都要作清晰、永久性的标识，再由供需双方商定这种缺陷允许存在的个数。

FD 级钢丝不进行涡流探伤检验。

表9 表面缺陷允许深度/mm 表10 在线涡流探伤表面缺陷允许深度
（4）力学性能
CrSiV(60CrSiV A)钢丝力学性能和工艺性能如表11。

表11 CrSiV(60CrSiV A)钢丝力学性能和工艺性能
2. 预硬化模具钢丝
目前预硬化模具钢丝主要用作模具材料。

由于模具材料种类繁杂，选用钢种涉及到YB/T5322-2010《碳素工具钢丝》、YB/T095-1997《合金工具钢丝》、YB/T5302-2010《高速工具钢丝》和YB/T5301-2010《合金结构钢丝》和Q/DT0019-2008《不锈钢盘条企业标准》。

常用牌号及淬火-回火工艺与对应硬度的参考值修订如表12。

预硬化状态是国外模具钢丝常用的一种交货状态，国内已经逐步认同和采用预硬化状态钢丝，但国内标准中均未列入预硬化状态，本次修订YB/T095-1997时，参照ASTMA681-2007《合金工具钢》的规定，增加了预硬化状态。

表12 预硬化模具钢丝淬火-回火工艺与对应硬度的参考值
2.1 YB/T095-(2012年报批稿)《合金工具钢丝》
新标准录入16个合金工具钢牌号，其中14个牌号来自于GB/T1299-2000，其余个2牌号5SiMoV(S2)和(Y)4Cr5MoSiVS是国内市场常用牌号。

标准中首次引入预硬化概念，明确规定：
（1）预硬化状态prehardened condition 代号Ph。

钢丝拉拔到成品尺寸后进行油淬火处理，然后根据牌号及使用情况，再进行一次或多次回火处理，使钢丝的硬度或抗拉强度达到相应级别的要求。

（2）交货状态
钢丝以退火、预硬化或磨光状态交货。

按预硬状态交货时，应注明级别。

（3）力学性能
预硬化状态交货钢丝的洛氏硬度或抗拉强度应符合表13的规定，其中钢丝直径大于3.0mm时检验硬度，直径不大于3.0mm时检验抗拉强度，其合格级别由双方协商确定。

根据需方要求，经双方协商并在合同注明，允许以其他性能指标交货。

表13 各级别预硬钢丝的硬度和抗拉强度
（4
退火和预硬交货钢丝一边总脱碳层，应不大于其公称直径的1.5%，含硅合金钢应不大于公称直径的2.0%。

磨光钢丝表面不允许有脱碳层。

2.2 订购预硬化模具钢丝时，可根据牌号和用途，按表13规定选定级别。

也可以参照表12的数据与生产厂签订相应技术协议。

2013年1月16日
（作者附言：撰写本文的目的是推介钢丝新产品，促使国内相关产品的研制和生产能跟上国际发展步伐。

按文库编审提示，已删除文中与“宣传推介有关的语句”，如还有不妥处，请协助修改。

如果宣传国内外新标准也算是“有关的语句”的话，就不用劳神修改了。

顺致敬意！）。