摘要：本文主要针对小规格0.80mm半成品钢丝进行水浴淬火工艺研究，从热处理炉奥氏体化温度和钢丝收线速度以及水浴淬火槽长度三个主要工艺参数进行单因素试验，从而选择得出适合0.80mm钢丝生产的最佳的工艺参数为奥氏体化五区温度为990℃、1000℃、1025℃、1010℃、980℃，钢丝收线速度为68m/min，水浴淬火槽长度为20cm时。用该生产工艺生产的半成品钢丝完全可以替代现有的铅淬火钢丝。

关键词：高碳钢丝；水浴；收线速度；抗拉强度

1 问题提出
        随着钢丝绳在国民经济发展中的大量应用，一些具有高弯曲疲劳寿命的小规格钢丝绳越来越受关注，而生产小规格钢丝绳的半成品原料基本上在1.0mm以下，这类半成品钢丝一般要求具有优异的强韧性配合及稳定的组织结构即索氏体组织。以生产0.15mm的制绳钢丝为例，所需要的半成品钢丝为0.80mm，目前大部分的索氏体化工艺为铅浴淬火工艺，钢丝铅浴淬火原理是依据钢的等温转变C曲线，经奥氏体化处理后的钢丝在580℃左右的铅液中进行等温转变，获得适合钢丝进行深度拉拔的索氏体组织。铅液具有良好的高温冷却能力，因此奥氏体化后的钢丝进入铅液后可以快速冷却到铅液的温度，不会产生先析出铁素体，同时铅液具有较大的比热容，无物态变化，钢丝进入后铅液的温度不会发生较大的波动，可以保证钢丝在接近等温状态下发生索氏体转变[1]。因此目前大部分钢丝绳厂的热处理采用铅浴淬火工艺。但铅浴淬火过程中产生大量的铅蒸气会对环境和人体造成严重的伤害，同时由于国家的环保政策，为了扩大钢丝生产产能，急需开发出一种对环境污染小，高效的索氏体化处理工艺[2]。水浴淬火可以很好克服铅浴淬火的弊端，同时具有经济、高效、对环境友好的优点[3]。本文以0.80mm钢丝为例，系统研究水浴淬火工艺对钢丝组织性能的影响，同时将最优化的水浴淬火工艺条件下生产的钢丝与铅浴淬火钢丝做组织性能对比，分析水浴淬火工艺代替铅浴淬火工艺的可行性。
2 工艺试验
2.1工艺流程
        Φ0.8 mm 72A钢丝水浴淬火工艺流程为：原料丝→清洗→5区等长管式加热炉→空冷段→可调长度水浴槽→保温→空冷段→水洗→酸洗→水洗→烘干→收线
2.2试验方案
        主要控制的工艺参数为热处理炉奥氏体化温度和钢丝收线速度以及水浴淬火槽长度。钢丝收线速度与连续热处理管式炉长度决定了奥氏体化时间的长短，钢丝收线速度与水浴淬火槽长度决定了钢丝水浴淬火时间的长短。因此通过单因素法筛选钢丝最佳水浴工艺参数：奥氏体化温度、收线速度、水浴槽长度。
        第一步：在收线速度为68m/min，水浴淬火槽长度为25cm，奥氏体化温度为1005℃、1015℃、1025℃、1035℃的条件下通过分析水浴淬火试样金相组织，扫描组织及力学性能筛选出最佳奥氏体化温度。
        第二步：在筛选出的最佳奥氏体化温度1025℃，水浴淬火槽长度为25cm，收线速度为56m/min、60m/min、68 m/min的条件下通过分析金相组织，扫描组织及力学性能分析，筛选出最佳收线速度68 m/min。
        第三步：在筛选出的奥氏体化温度1025℃与收线速度68m/min，水浴槽长度为20cm、25cm、30 cm的条件下选出最佳水浴槽长度。
        第四步：最后将筛选出最佳水浴淬火工艺参数下的钢丝与铅浴处理后的钢丝做组织与性能对比。
2.3试验结果分析
2.3.1奥氏体化温度对组织性能的影响
        图1为钢丝的收线速度为68m/min，水浴淬火槽长度为25cm，不同奥氏体化温度的金相组织。从图1中可出，随着奥氏体化温度的升高，其温度从1000℃升高到1025℃的过程其晶粒尺寸有所增大，这主要是因为随着温度的升高，其碳原子的扩散速率变快，晶粒长大速度增加，其平均晶粒尺寸从10μm左右增加到20μm左右的粗大组织，同时较高的奥氏体化温度可以有助于在拉拔过程中形成的在位错等缺陷处偏聚的碳原子扩散均匀化，碳成分均匀的奥氏体组织可以最终获得较大且均匀一致的索氏体团，这样的组织具有良好的深度拉拔性能。温度在1025℃至1035℃之间晶粒变化较小。

                                                                                       

 (a)1000℃                                                                                                                                             (b)1015℃

                                                                                       

(c)1025℃                                                                                                                                            (d)1035℃

        图1   奥氏体化处理后金相组织
        图2为钢丝的收线速度为68m/min，水浴淬火槽长度为25cm，不同奥氏体化温度的扫描组织。表1为钢丝不同的奥氏体化温度下水浴淬火后组织尺寸及力学性能统计表     

                                                                                         

(a)1000℃                                                                                                                                             (b)1015℃ 

                                                                                         

(c)1025℃                                                                                                                                            (d)1035℃

        图2   奥氏体化处理后扫描组织
        从图2和表1中可以看出，其索氏体团尺寸在2.6μm左右，其尺寸随着奥氏体化温度的升高略有增大，这主要是因为索氏体团的尺寸主要由奥氏体晶粒的大小决定，而在相同的奥氏体化保温时间下，由于奥氏体化温度升高，奥氏体化处理后其所得到的奥氏体晶粒尺寸相应变大。奥氏体化温度的升高会增加钢丝水浴淬火时的过冷度，索氏体片层间距的大小与其过冷度有较大的关系，过冷度越大，其形核率会增加，而索氏体片间距的测量表明，随着奥氏体化温度的升高，索氏体片层间距略有减小，符合理论规律，通过对其力学性能的分析，其相对应的抗拉强度略有升高而其韧性指标断面收缩率略有降低，符合一般的组织性能变化规律。通过对组织性能与经济成本的的综合分析，选择1025℃为奥氏体化炉中第三区的温度。

表1 不同奥氏体化温度下显微组织尺寸与力学性能

奥氏体化温度 /℃	1005	1015	1025	1035
索氏体团尺寸 /μm	2.59	2.61	2.56	2.66
索氏体片层间距 /nm	88	87	87	84
显微硬度 /Hv0.1	326	330	328	332
抗拉强度 /MPa	1187	1192	1196	1207
断面收缩率 /%	57	55	55	53

 

        2.3.2钢丝收线速度对组织性能的影响
        图3为奥氏体化加热温度为1025℃，水浴淬火槽长度为25 cm，收线速度依次为56m/min、60m/min、68m/min时的显微组织，表2为相对应索氏体团、索氏体片间距的尺寸、显微硬度及力学性能。从图3中可以明显的看出，不同收线速度处理下钢丝的显微组织都可以获得几乎完全索氏体化的组织，先析出铁素体比例极小，可以保证组织的连贯性，符合精细制绳用钢丝进行大压缩率拉拔的要求。通过对其索氏体团尺寸的测量可以得出：其索氏体团的直径随收线速度的增大而略减小，这是因为收线速度的增加会减少奥氏体化加热时间，使得奥氏体晶粒尺寸比较小，而索氏体团的尺寸主要由奥氏体晶粒尺寸决定，因此奥氏体晶粒越细小，索氏体团尺寸也相应变的细小[4]。随着收线速度的增加，其索氏体片间距从74nm增加到87nm，这主要是因为索氏体片间距主要由转变温度决定，钢丝在水浴槽中的时间缩短，索氏体转变温度提高，因此索氏体片间距增大。
        硬度测量结果表明，钢丝显微硬度变化不大，这主要是因为其组织全部为索氏体化组织。抗拉强度随收线速度的增加而略减小，断面收缩率变大，这与钢丝索氏体团尺寸与片间距有关，因为索氏体片层间距越大，相界面减少，对位错运动的阻力减小，其抗塑性变形能力减小，所以抗拉强度降低，同理,抗拉强度降低的同时，其塑性升高，即断面收缩率变大[5]。对于柔性制绳用钢丝，其组织要求为接近全部索氏体化组织，力学性能要求为抗拉强度为1200 MPa左右，断面收缩率为55%-58%，因此，综合组织与性能分析，选择最佳收线速度为68 m/min。

                                                        

(a)56 m/min                                                                                                                                              (b)60 m/min    

(c)68 m/min

图3不同收线速度的显微组织
表2  不同收线速度下显微组织尺寸与力学性能

收线速度  m/min	56	60	68
索氏体团尺寸 /μm	2.60	2.58	2.56
索氏体片层间距 /nm	74	81	87
显微硬度 / Hv0.1	327	330	328
抗拉强度 /MPa	1245	1219	1196
断面收缩率 /%	51	53	55

 

        2.3.3水浴淬火槽长度对组织性能影响
        图4为收线速度68m/min，水浴槽长度分别为20cm、25cm、30cm时显微组织，表3为对应钢丝索氏体团、片间距的尺寸、显微硬度及力学性能。在相同的收线速度下，其奥氏体化时间一样，索氏体团的尺寸变化不大，而其索氏体片层形貌与大小有所变化，随着水浴槽长度的增加，索氏体片层间距不断减小，原因是出槽温度越低，过冷奥氏体发生转变的温度越低，碳原子扩散速度越小，同时过冷度越大，形核率越高，在这两个因素的综合作用下，其索氏体片层间距减小。当水浴槽长度为30 cm时，索氏体中渗碳体片层出现断裂现象。其抗拉强度随水浴槽的长度的增加而略变大，断面收缩率减小，同样是由于显微组织的影响。通过对组织性能的分析，选择水浴槽长度20 cm为最佳。

                      

                            

(a)20cm                                                                                 (b)25cm

 

(c)30cm

图4不同水浴槽长度时显微组织

表3不同水浴槽长度下显微组织尺寸与力学性能

水浴槽长度  /cm	20	25	30
索氏体团尺寸 /μm	2.57	2.56	2.58
索氏体片层间距 /nm	90	87	80
显微硬度 / Hv0.1	326	328	328
抗拉强度 /MPa	1195	1196	1213
断面收缩率 /%	56	55	52

        2.3.4 钢丝水浴与铅浴淬火组织性能对比
        通过对钢丝水浴淬火工艺参数的分析，得出最近工艺参数为：奥氏体化五区温度为990℃、1000℃、1025℃、1010℃、980 ℃；钢丝收线速度为68m/min；水浴淬火槽长度为20cm。从图5中可以明显的看出其奥氏体晶粒尺寸均匀，其索氏体团大小较为均匀，其索氏体片层位向随机分布。

                                                                                                                                  

                                                                                                             (a)奥氏体晶粒                                                                                      (b)索氏体组织

图5最佳水浴淬火工艺参数时的显微组织

       图6为钢丝铅浴后的显微组织，表4为钢丝通过水浴淬火和铅浴淬火后显微组织尺寸和力学性能对比。通过对最佳水浴淬火工艺后钢丝组织（图5）与铅浴淬火后组织（图6）对比，发现水浴淬火后钢丝的显微组织完全可以达到铅浴的水平。从表4可以看出，钢丝经水浴淬火后抗拉强度比铅浴淬火略高，也符合钢丝生产要求，其断面收缩率接近。

                            

(a)索氏体组织                                                                          (b)索氏体片间距

图6 72A钢丝铅浴淬火后显微组织

淬火工艺	铅浴淬火	水浴淬火
索氏体团尺寸 /μm	2.50	2.58
索氏体片层间距 /nm	88	90
显微硬度 /Hv0.1	328	327
抗拉强度 /MPa	1190	1195
断面收缩率 /%	55	56

 

3 结论
        本文通过对0.8mm的小规格钢丝进行水浴淬火工艺研究，从加热温度、收线速度和水浴槽长度三个方面进行单因素筛选试验，最终得出最佳近工艺参数为：奥氏体化五区温度为990℃、1000℃、1025℃、1010℃、980℃；钢丝收线速度为68m/min；水浴淬火槽长度为20cm时，生产出钢丝可替代现有铅浴钢丝，实现节能环保。

参考文献

[1] 徐效谦 明绍芬.特殊钢丝绳[M].北京:冶金工业出版社,2005.
[2] 赵方实,汤小雷.钢帘线生产中不同淬火方式的探讨[J].金属品,2008 ,21(2): 7-8.
[3] 钢丝水浴处理试验小结.鞍钢钢绳厂[M].天津:天津大学出版社,2000:72-78.
[4] 余国峰.钢丝无铅索氏体化等温处理[J].金属制品.2007,33(4):1-4.
[5] 韩立涛,任玉辉,白喜峰等.高速线材在线水浴处理技术开发[J].金属制品,2014, 40(1):40-43.