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钢丝的基本组织结构与使用性能

2014-05-16 14:16:00    

钢丝的组织结构除指显微组织、晶粒度外,还包括显微组织缺陷。显微组织缺陷指钢丝实际晶格结构与理想晶格结构之间存在的差异,按冶金学理论,金属材料的显微组织缺陷可以分为:点缺陷、线缺陷、面缺陷、体缺陷。显微组织结构的各种缺陷可用相应的技术参数去定义和度量,也可以借助各种检验方法去观察和研究。钢丝的性能完全取决于组织结构,而组织结构在很大程度上取决于热处理和冷加工工艺,要生产出顾客满意的钢丝产品,必须搞清组织结构与使用性能的关系,以及组织结构与热处理工艺的关系。

1 钢丝的几种基本组织形态

钢铁材料有7种基本组织结构:奥氏体、铁素体和渗碳体、珠光体、贝氏体、马氏体和莱氏体,其中奥氏体、铁素体和渗碳体是基本相,珠光体、贝氏体、马氏体和莱氏体是多相混合物。钢丝具有的各种组织结构的表观特性及性能特点描述如下:

奥氏体:观察Mn13或奥氏体钢1Cr18Ni9Ti的钢丝金相组织可发现,奥氏体的晶界比较直,晶内有孪晶或滑移线。淬火钢中的残余奥氏体分布在马氏体的空隙处,颜色浅黄、发亮。

奥氏体钢丝具有优异的冷加工性能,在高低温条件下均可保持良好的强韧性。一般来说奥氏体钢的冷加工硬化速率远大于珠光体和索氏体钢,经大减面拉拔可以制备具有特殊性能的弹簧,高锰奥氏体钢具有优异的耐磨性能和减振性能,奥氏体不锈钢具有良好的耐蚀性能和耐热性能。固溶状态的奥氏体钢无磁,经深冷加工有微弱的磁性。

铁素体:铁素体晶界圆滑,晶内很少见孪晶或滑移线,颜色浅绿、发亮,深腐蚀后发暗。钢中铁素体以片状、块状、针状和网状存在。纯铁素体组织具有良好的塑性和韧性,但强度和硬度都很低;冷加工硬化缓慢,可以承受较大减面率拉拔,但成品钢丝抗拉强度很难超过1200MPa。常用铁素体钢丝有铁素体不锈钢丝(0Cr17)和铁-铬-铝电热合金丝(0Cr25Al5)等。

渗碳体:钢中渗碳体以各种形态存在,外形和成分有很大差异。一次渗碳体多在树枝晶间处析出,呈块状,角部不尖锐;共晶渗碳体呈骨骼状,破碎后呈多角形块状;二次渗碳体多在晶界处或晶内,可能是带状、网状或针状;共析渗碳体呈片状,退火、回火后呈球状或粒状。在金相图谱中渗碳体白亮,退火状态呈珠光色。一次渗碳体和破碎的共晶渗碳体只有在莱氏体钢丝,如9Cr18、Cr12、Cr12MoV和W18Cr4V中才能见到,只要热加工工艺得当,冷拉用盘条中的一次渗碳体块度应较小、无尖角,共晶碳化物应破碎成小块、角部要圆滑,否则根本无法拉拔,渗碳体带轻度棱角的盘条,可以通过正火后球化退火+轻度(Q020%)拉拔+高温再结晶退火的方法加以挽救。带状和网状渗碳体也是拉丝用盘条中不应出现的组织,这两种组织提高钢的脆性,不利于钢丝加工成形,显著降低成品钢丝的切削性能和淬火均匀性,对网状2.5级的盘条可用正火的方法改善网状,一般来说钢丝经冷拉-退火两次以上循环,网状可降低0.5-1级。

珠光体:珠光体是由片状铁素体和渗碳体组成的混合物,其中渗碳体的质量分数为12%,铁素体的质量分数为88%,两者密度相近,在金相图谱中铁素体呈宽条状,渗碳体呈窄条状。

片状珠光体是由成分均匀的奥氏体冷却转变来的,等温转变温度,或连续冷却速度直接影响到珠光体的片间距。同一牌号的钢丝,在一定等温区间,珠光体的片间距是相对恒定的。实验证明,奥氏体晶粒度虽然对珠光体晶团的大小有决定性影响,但基本不影响珠光体片间距。

片状珠光体经适当的热处理,渗碳体变为球状或粒状,转化为粒状珠光体。从奥氏体状态冷却时,是转变为片状珠光体,还是粒状珠光体,主要取决于奥氏体成分的均匀性。完全奥氏体化的成分均匀的奥氏体,冷却后形成片状珠光体;成分不均匀的奥氏体,冷却后形成粒状珠光体。在奥氏体临界点(A1)附近反复冷却-加热,然后缓冷,或钢丝冷拉后再退火,都是实现粒状珠光体转变的有效方法。

珠光体钢丝的力学性能(抗拉强度Rm、伸长率A、断面收缩率Z、硬度),可拉拔性(变形抗力、冷加工硬化速率、极限减面率Q),工艺性能(弯曲Nb、扭转N t、缠绕、顶锻、冲压)与显微组织结构密切相关。一般来说,粒状珠光体钢丝的抗拉强度Rm和硬度要低于片状珠光体钢丝,伸长率A和断面收缩率Z前者要高于后者;粒状珠光体钢丝的拉拔性能优于片状珠光体钢丝,表现为拉拔力低、冷加工硬化慢、能承受的极限减面率大;工艺性能前者优于后者。在粒状珠光体范围内,随着球化度提高(球化组织从1级升到3级),钢丝抗拉强度和硬度下降,塑性和韧性上升,可拉拔性和工艺性能也越来越好,特别冷顶锻和深冲性能显著改善。在片状珠光体范围内,珠光体晶团和片间距对钢丝性能起决定性的影响,珠光体晶团的尺寸与奥氏体的晶粒度成正比;而片间距与奥氏体的晶粒度基本无关,主要取决于过冷度(冷却速度),可以说,在一定的转变温度范围内,片间距必定在一定的范围内。此外,碳和合金元素的含量对片间距也有一定的影响,随着碳含量的增加,片间距逐渐减小,Co、尤其是Cr能显著减小片间距,而Ni、Mn、Mo则使片间距加大。当片间距小到索氏体范围内时,钢丝的各项性能又有另一番变化。

贝氏体:贝氏体转变温度范围较宽,在较高温度下(500-350℃),奥氏体等温转变生成上贝氏体。在贝氏体区下部等温转变生成下贝氏体。下贝氏体晶粒呈针状,两端尖,针叶不交叉,但可以交接。晶内渗碳体呈细针状,与铁素体长轴成55°-65°夹角,颜色分散度大,比马氏体针颜色深。

在贝氏体转变温度范围内(Bs-Bz),渗碳体扩散缓慢,铁素体的扩散受阻,即使温度降到Bs点以下,贝氏体转变仍无法完成,随温度下降,贝氏体数量逐渐增加,直到Bz点,过冷奥氏体往往也不能完全转变,剩余未转变奥氏体叫残余奥氏体。对于大多数钢来说,贝氏体转变温度范围大约是120℃,Bz点可能位于Ms点以上,也有可能位于Ms点以下,而且基本不受碳和合金元素含量的影响,多在315-375℃之间。

马氏体:常见马氏体组织有两种类型。中低碳钢淬火获得板条状马氏体,板条状马氏体是由许多束尺寸大致相同,近似平行排列的细板条组成的组织,各束板条之间角度比较大;高碳钢淬火获得针状马氏体,针状马氏体呈竹叶或凸透镜状,针叶一般限制在原奥氏体晶粒之内,针叶之间互成60°或120°角。

马氏体转变同样是在一定温度范围内(Ms-Mz)连续进行的,当温度达到Ms点以下,立即有部分奥氏体转变为马氏体。板条状马氏体有很高的强度和硬度,较好的韧性,能承受一定程度的冷加工;针状马氏体又硬又脆,无塑性变形能力。马氏体转变速度极快,转变时体积产生膨胀,在钢丝内部形成很大的内应力,所以淬火后的钢丝需要及时回火,防止应力开裂。

莱氏体:常温下,莱氏体是珠光体、渗碳体和共晶渗碳体的混合物。在高温下形成的共晶渗碳体呈鱼骨状或网状分布在晶界处,经热加工破碎后,变成块状,沿轧制方向链状分布,其块度和形状对冷加工性能有决定性的影响,热加工变形程度不足、终锻或终轧温度偏高,往往造成共晶渗碳体块度大,带明显的尖角,这样的盘条根本无法冷拔。莱氏体钢丝热处理的目标是,使经冷拔逐步破碎的共晶渗碳体逐步球化。

2 钢丝的使用性能

冷加工性能:钢丝的可拉拔性能与显微组织结构密切相关。以珠光体钢丝为例,渗碳体几乎没有塑性变形能力,塑性变形全部在铁素体中进行,随着冷拉减面率的增加,铁素体片伸长变薄,内部位错密度不均匀性增加,形成胞状亚结构(俗称位错胞),逐步堆积在相界处,相界很快就变得模糊不清。粗片状渗碳体无法变形,在拉应力作用下只能破碎成链状碎片或碎粒,破碎的渗碳体与位错胞缠结在一起,很快阻塞铁素体中位错线的移动,钢丝就达到了拉拔极限。当珠光体片层减薄到索氏体范围时,渗碳体与铁素体相界急剧加长,钢丝抗拉强度进一步提高,同时可变形铁素体更加分散,不均匀变形产生位错胞的几率明显减少,可变形深度加大,强化均匀性有所改善,钢丝的可拉拔性能和工艺性能自然相应提高。索氏体中渗碳体薄到一定程度后塑性和韧性也产生一定的变化,拉拔时可产生小角度的弯曲和扭转,破碎阻塞作用明显减小,对提高冷拉变形极限也做出一份贡献。近期研究成果证明,当渗碳体薄到一定程度后确实有一定的塑性。理论解释是,渗碳体薄片能沿几个位向滑移,并断裂成碎片,同时也产生一些显微裂纹。渗碳体碎片表面具有很高的自由能,变得很不稳定,其中碳原子自发向铁素体位错胞处扩散,产生强制溶解现象,随减面率增大,渗碳体最终变成微粒,弥散硬化效应进一步增强,钢丝的抗拉强度可增大到5000MPa以上。同时拉拔产生的高温使显微裂纹实现自愈合,金相观察也证实了这点,经90%以上减面率拉拔的碳素弹簧钢丝,组织沿拉拔方向完全纤维化,绝无显微裂纹存在。

粒状珠光体中渗碳体呈球状分布,相界变短,钢丝变形抗力减小,同时铁素体连成一体,由于变形的不均匀性,很容易在局部形成位错胞,在有的铁素体变形还不充分时,局部已经达到了变形极限,所以粒状珠光体钢丝抗拉强度低,冷加工硬化慢,但承受最大减面率远不如索氏体钢丝,不同组织状态的碳素钢丝冷拉性能数据。

铁素体钢丝中没有渗碳体的阻碍作用,变形抗力更小,冷加工硬化慢,可拉拔性能优于珠光体钢丝,但承受深冷加工变形能力不如索氏体钢丝。

奥氏体钢丝冷拉变形时可滑移面多,冷加工塑性良好,但变形抗力大、冷加工硬化快,部分奥氏体钢丝冷拉时会产生形变马氏体,进一步加快冷加工硬化速度,所以尽管奥氏体钢丝塑性好,但拉拔抗力大,如果拉丝模质量不很好、表面处理不当、或润滑不良,极易造成钢丝与模具的局部熔接,生产难度反而超过铁素体和珠光体钢丝。

莱氏体钢丝塑性变形能力最差,但只要盘条生产工艺得当,经过球化处理,还是可以拉拔的,但冷拉减面率不宜过大(原料冷拉减面率不宜超过25%),要及时退火,防止出现渗碳体过度破碎,在钢丝内部形成退火无法修复的孔洞,失去拉拔塑性。

切削加工性能:切削性能一般用工件切削后的表面粗糙度和刀具寿命等来衡量,金属材料在具有适中硬度(HB170-230)和一定脆性的条件下切削性能最好。为获得理想切削性能,不同钢种可采用不同热处理工艺来得到适于切削加工的组织结构。低碳钢采用正火得到片状珠光体组织,中碳钢采用再结晶退火得到带有少量片的粒状珠光体(1-2级)组织,高碳钢和合金钢采用球化退火得到3-4级的粒状珠光体组织。为提高切削的脆性,改善工件表面光洁度,推荐选用含硫或含硒的易切削钢。

冷顶锻性能:冷顶锻指工件不经机械加工,直接顶压或锻造成形,是一件高效、资源节约型加工方法。冷顶锻变形量大,变形速率快,要求钢丝的硬度适中(HRB70-98)。钢丝太硬模具破损大,太软的钢丝切断时易产生粘连;冷加工硬化要慢;承受极限变形能力要大(有时加工率大于90%);变形尽可能均匀。根据前四条要求,在珠光体钢中粒状珠光体组织性能完全符合要求,3级粒状珠光体组织最佳。改善变形均匀性的有效方法是加粗晶粒度,因为晶界是阻碍变形,造成变形不均的主要因素,晶粒适当加粗,界晶减少,变形均匀性提高,同时冷加工硬化也减慢。对于低碳和低合金铆螺钢丝,如ML10、ML20和ML20CrMoA等,为防止硬度太软,切断时粘连,多选用球化退火后轻拉状态交货。

淬-回火性能:工具钢丝和合金弹簧钢丝制成零部件后,最终要进行淬-回火才能使用,要保证淬-回火性能,关键是控制碳化物形态,细片状渗碳体或细粒状渗碳体钢加热时,渗碳体比较容易溶化奥氏体中,获得均匀的奥氏体,是理想的淬-回火组织。中低碳钢正火获得细片状珠光体,强度适中,塑性良好,所以淬-回火用中低碳钢丝中间热处理多选用正火。高碳钢正火后强度偏高,不利于拉拔,实际生产中多采用球化退火+再结晶退火工艺,原料一般进行球化退火,获得细粒状珠光体,中间热处理选用再结晶退火,小规格钢丝为防止渗碳体球过度长大,随着拉拔-热处理循环次数增加,退火温度应逐步降低到650℃左右。降低退火温度的另一目的是减轻脱碳趋势。

编辑:宋玉琤     来源:钢丝
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