钢丝索氏体化工艺探讨

钢丝索氏体化工艺探讨

东北特殊钢集团大连特殊钢丝有限公司徐效谦

摘要：本文分析了钢丝性能与组织结构的关系、索氏体组织转变特点；淬火介质的物理性能和化学性能、索氏体化处理的实践经验和试验数据、各国弹簧钢丝标准的技术要求。深入、系统地论证了铅淬火目前尚无法完全被取代。对国家相关产业结构的调整提出切实可行的建议。

关键词：铅淬火、水浴、盐浴、索氏体化处理。

“铅淬火”是英国人詹姆斯·豪斯福尔(James·Horsfall)19世纪中期（1854年）发明的一项热处理技术，当初作为专利(patent)技术发布，又称为派登脱(patenting)处理。就其本质而言，铅淬火(或铅浴)处理称为索氏体化处理似乎更合适。

尽管铅淬火热处理过程中产生的铅烟和铅尘对人体的危害，对环境的污染都很严重，100多年来人们也一直在寻找代替铅的淬火介质，但时至今日，铅淬火作为经典工艺，仍然广泛地应用在碳素弹簧钢丝、制绳钢丝、橡胶管增强用钢丝、胎圈钢丝、针布钢丝、预应力钢丝和钢绞线等众多生产领域，究其原因是铅淬火可以获得具有优异综合力学性能和冷加工性能的索氏体组织。要找到取代铅淬火工艺，必须首先弄清索氏体组织的特性、索氏体转变特点、以及索氏体化处理方法。

1索氏体组织的特性

索氏体是奥氏体等温转变的产物，是由铁素体薄层（片状）与渗碳体（包括碳化物）薄层（片状）交替重叠组成的共析组织，索氏体片间距大致为0.10～0.40μm，通常放大600倍以上才能看清其片层结构。在放大1500倍的显微镜中观察，其铁素体呈宽条状，渗碳体呈窄条状。若干铁素体与渗碳体平行排列组成一个晶体群叫索氏体晶团。一个奥氏体晶粒等温淬火时可能转变成几个索氏体晶团，各晶团之间的位向稍有差别。如果放大到足够倍数，就可以看清铁素体和渗碳体都呈灰白色，有珍珠的亮光，两者交界处因被腐蚀得凹凸不平而呈黑色。放大倍率不够时，渗碳体两边的界线分辨不开，渗碳体呈现为黑色细条。放大倍率太低时，整个索氏体都呈现为一片灰黑色。

索氏体是钢铁组织结构中强韧性兼备、综合力学性能最好的一种组织，具有以下特性：

（1）具有索氏体组织的碳素钢丝抗拉强度高，有优异的深冷加工性能，能承受98%减面率的拉拔，冷加工强化系数也大于其它组织的钢丝，见表1，所以高强度高韧性钢丝首先要进行索氏体化处理，尤其是超高强度（R m＞3000MPa）弹簧钢丝，希望通过铅淬火，获得索氏体晶团偏大，片间距偏薄的索氏体1。

表1 不同组织状态的碳素钢丝冷拉性能比较

（2）索氏体组织具有良好的耐磨性，就制绳用钢丝而言，如果索氏体化处理工艺不当，生成先共析铁素体，或因表面脱碳形成铁素体，都造成钢丝绳早期或局部磨损，成为安全隐患。

（3）弹簧的疲劳寿命是一项重要指标，从组织结构着手，提高疲劳寿命的基本措施是保证钢丝具有单一的、片间距基本一致的索氏体。钢丝中如有游离铁素体，其疲劳寿命会成十倍，甚至是上百倍的下降；如有贝氏体或马氏体存在，其疲劳寿命会成百倍，甚至是上千倍的下降。

（4）索氏体组织对氢脆的敏感性低于其他组织，酸洗、磷化以及弹簧电镀一般不会引起氢脆，因

此，具有索氏体组织的钢丝在高应力条件下使用，具有良好的抗延迟断裂性能2。

（5）索氏体对缺口和应力腐蚀的敏感性低于其他组织。

(６) 铅淬火+冷拉可获得纤维化的索氏体组织，见图1。具有这种组织的钢丝退火后可获得碳化物充分弥散的细粒状珠光体，特别适合进行冷顶锻、开齿、冲眼、研磨、淬火等精细加工，碳素弹簧钢丝、制绳钢丝、橡胶管增强用钢丝、胎圈钢丝、预应力钢丝和钢绞线选用铅淬火+冷拉的生产工艺是鉴于索氏体组织的前五项持性。纺织工业各种针丝和金属针布钢丝选用铅淬火+冷拉的生产工艺是鉴于索氏体组织的第六项持性1。

图1 70钢丝铅淬火+冷拉获得的索氏体组织图2 70钢丝油淬火-回火获得的回火索氏体组织回火索氏体组织也是钢丝中常见的高强度、高韧性、高疲劳寿命的组织结构。回火索氏体组织是马氏体、贝氏体、托氏体组织经高温回火（450℃～600℃）后得到的组织，如图2。回火索氏体组织可以理解为具有球化倾向的索氏体组织。在相同转变温度下得到的回火索氏体抗拉强度略低于索氏体，回火索氏体的冷加工性能却远不如索氏体，能承受的极限减面率一般不超过80%，冷加工强化系数也较低。回火索氏体对缺口和应力腐蚀的敏感性也高于索氏体组织，对酸洗、磷化、电镀引起的氢脆特别敏感。

铅淬火+冷拉钢丝金相组织呈纤维状，各向异性明显，回火索氏体几乎是各向同性的。同时油淬火-回火钢丝的抗松弛性能优于冷拉钢丝，使用温度（≤175℃）也略高于冷拉钢丝（120℃～160℃）。

回火索氏体组织另一重要特性是3：马氏体、贝氏体、托氏体回火得到的回火索氏体抗拉强度差别不大，但塑性和韧性差别很大，以断面收缩为例，原始组织为马氏体的具有最大的断面收缩率，贝氏体的其次，托氏体的最差。若用不同温度下的冲击韧性来比较，差别更明显，如图3所示，原始组织为马氏体的脆性转变温度最低（约－80℃），贝氏体的其次（约0℃），托氏体的最差（0℃以上）。正因为如此，淬火的目标是尽可能获得100%马氏体组织。

1—马氏体回火，2—贝氏体回火，3—托氏体回火

图3不同组织的钢回火到相同抗拉强度时冲击韧性的差别

2. 索氏体转变特点

铅淬火处理工艺流程是：将钢丝逐根展开，通过奥氏体化炉加热，使钢丝转变为单一的奥氏体组

织，然后进入熔融的铅槽淬火，完成索氏体化转变，出槽后水冷，用收线机组收线。钢丝在热处理过程中，遵循钢的等温转变曲线完成组织转变，转变特点可描述如下：

(1) 加热充分的钢丝组织为均匀的奥氏体，冷却后形成片状组织。未烧透的钢丝组织为不均匀的奥氏体，冷却过程中易形成粒状组织。

(2) 完全奥氏体化的钢丝，随着等温温度的下降，分别转变成片状珠光体、索氏体、托氏体、上贝氏体、下贝氏体和马氏体。在珠光体与上贝氏转变区间当奥氏体全部转化为索氏体时，钢丝抗拉强度和硬度达到最大值。

(3) 等温的过冷度与片间距有严格的对应关系，碳素钢索氏体等温转变区间为550～450℃。同一牌号的钢丝，在特定温度下等温转变，索氏体的片间距是相对衡定的。

(4) 奥氏体晶粒度对索氏体晶团的大小有决定性影响，索氏体晶团的尺寸与奥氏体的晶粒度成正比。索氏体片间距基本不受奥氏体晶粒度的影响。

(5) 索氏体等温转变除铅温外，在铅时间也是关键参数。钢丝在铅液中停留时间必须大于奥氏体完全分解所需时间，否则离开铅液时钢丝中残余奥氏体会继续分解为托氏体、上贝氏体、下贝氏体或马氏体。

(6) 常用铅液温度为550℃～450℃，奥氏体完全分解所需时间随铅温提高而缩短，分解最短时间大约在550℃～500℃范围内。奥氏体实际晶粒度偏大，会延缓奥氏体分解时间。

(7) 合金元素Mn、Cr、Ni、Cu提高奥氏体的稳定性，延缓奥氏体分解时间，所以GB/T699-1999《优质碳素结构钢》中明确规定：“铅浴淬火（派登脱）钢丝用35～85钢的锰含量为0.30%～0.60%；65Mn和70Mn钢的锰含量为0.70%～1.00%；铬含量不大于0.10%、镍含量不大于0.15%、铜含量不大于0.20%；”就碳素钢而言，亚共析钢含碳量越高，奥氏体的稳定性越大，过共析钢含碳量越高，奥氏体的稳定性越小。

(8) 对于含碳量0.35%～0.9%的碳素钢，如果延缓奥氏体分解的合金元素含量符合标准要求，奥氏体完全分解的理论时间一般不超过15s，考虑合金元素成分波动，留有一定的保险系数，也不会超过20s。实际生产中要充分考虑合金元素迟缓奥氏体分解的作用，在铅时间远远超过理论时间，笔者根据国内主要厂家实际生产工艺，推导出在铅时间经验公式如下；

t铅＝(11.6＋0.3d)d d（钢丝直径）≤4.0mm，单位s；

t铅＝(4.8＋2d)d d（钢丝直径）≥4.0mm，单位s。

3.铅浴处理的不可取代性

铅淬火过程中，钢丝出炉温度一般为850～900℃，而索氏体等温转变温度为450～550℃，要实现完全索氏体化必须以最快的冷却速度通过850℃到550℃的过渡区，防止铁素体或粗片状珠光体析出；同时希望铅淬槽温度在尽可能小的范围内波动，获得片间距基本一致的组织；铅槽恒温区要足够长，保证奥氏体在此区间完成索氏体化转变。下面分析一下，采用什么措施才能满足上述要求。

(1).如何实现850℃到550℃范围内的快速冷却：从热力学原理获知，850℃以下传热，热辐射作用减弱，对流传热逐渐起主导作用，热传导作用有限。到550℃以下时，热传导开始成为主导的传热方式，对流传热成为次要因素，辐射传热作用有限。从表2可以看出：在此温度区间，固体热导率最高，但固体之间无法实现紧密接触的热传导；而气体热导率又太低，无法实现快速传热；唯有液体可以与固体实现紧密接触，快速传热，这就是淬火通常都选用液体介质的原因。考虑到850℃时对流传热起主导作用。要求选用液体必须有良好的流动性，液体的熔点不应超过400℃。

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