彈簧鋼絲加工技術(shù)
彈簧鋼絲加工技術(shù)
金屬冷加工是鋼鐵工業(yè)生產(chǎn)的一個重要組成部分。金屬冷加工的種類較多，例如：鋼絲、鋼絲繩、鋼絞線及其它金屬制品等等。特殊鋼鋼絲生產(chǎn)在我國已有近70年的歷史。它是金屬冷加工行業(yè)較典型的產(chǎn)業(yè)。
隨著工業(yè)的不斷發(fā)展，特殊鋼鋼絲（以下簡稱：鋼絲）品種不斷增加，質(zhì)量品位不斷提高。老的作坊式生產(chǎn)摸式，逐步被半自動化、自動化生產(chǎn)所代替。但是，無論設(shè)備如何變革，就彈簧鋼絲生產(chǎn)而言，鋼絲的生產(chǎn)方式實際就是兩條線：連續(xù)線和周期線。
1 鋼絲生產(chǎn)依據(jù)
鋼絲生產(chǎn)主要是依據(jù)產(chǎn)品標準要求，確定生產(chǎn)方式。產(chǎn)品標準是供方與顧客之間的紐帶。根據(jù)產(chǎn)品標準，采用合理工藝，實行科學管理，是確保產(chǎn)品合格的基本保證。
在鋼絲生產(chǎn)中，同一個鋼號（化學成分相同），采用不同標準，生產(chǎn)方式就不同。就T9A彈簧為例：當執(zhí)行GB/T4357-89彈素彈簧鋼絲標準時，必須采用連續(xù)線生產(chǎn)，產(chǎn)出的成品鋼絲可用于制造各種彈簧、編制鋼絲繩等。當執(zhí)行GB/T5952- 86 彈素工具鋼絲標準時，就必須采用周期線生產(chǎn)，產(chǎn)出的成品鋼絲，可用于制造工具。如：刀具、鉆頭、制針等。因為，連續(xù)線和周期線產(chǎn)出的鋼絲顯微組織不同、力學性能不同、工藝性能不同，所以，用途不同。
值得闡明的是：不論是連續(xù)線生產(chǎn)還是周期線生產(chǎn)，熱處理、表面處理、加工變形，三大要素缺一不可。
2 鋼絲生產(chǎn)要素
2.1 鋼絲熱處理
熱處理是鋼絲生產(chǎn)的主要要素之一。曾有業(yè)外人士認為："拔絲屬冷加工，操作簡單，不必熱處理，只要有相應(yīng)模具擠壓拉拔就行了"。這是對鋼絲生產(chǎn)的一個誤解。所謂冷加工，是指加工變形生產(chǎn)過程在常溫下進行。而鋼絲在加工變形前，必須以熱處理手段改善鋼材內(nèi)在質(zhì)量，達到標準要求的顯微組織、同時得到良好的物理縮性和延展性，以便順利加工變形。這就是熱處理的重要所在。
鋼絲生產(chǎn)的熱處理有四個步驟：它們是原料熱處理、中間熱處理、成前熱處理、成品熱處理（不包括冷拉狀態(tài)交貨的產(chǎn)品）。
熱處理主要種類有8種：
（1）完全退火：將鋼絲加熱到完全奧氏體化，緩慢冷卻，獲得接近平衡狀態(tài)組織；不銹鋼彈簧
（2）不完全退火：將鋼絲加熱到Ac1~Ac3之間溫度，達到不完全奧氏體化，隨之緩慢冷卻；
（3）球化退火：將鋼絲（盤條）加熱到Ac1溫度之上，使鋼的碳化物達到球化狀態(tài)；
（4）再結(jié)晶退火：經(jīng)冷加工變形的鋼絲加熱到再結(jié)晶溫度以上，保溫適當時間，使變形晶粒重新結(jié)晶為均勻的等軸晶粒，消除冷加工硬化；
（5）光亮退火：鋼絲在保護氣氛或真空中退火，以防止氧化，保持鋼絲表面光亮；
（6）正火：將鋼絲加熱到Ac3以上30~50℃，保溫適當時間，再進行冷卻；
（7）索氏體化處理（派登脫處理）：將中碳或高碳鋼絲奧氏體化后，迅速移在Ar1以下適當溫度（約500℃左右）的熱溶中等溫或空氣中冷卻，以獲得索氏體組織；
（8）時效處理：鋼絲經(jīng)過固溶處理或冷縮性變形后，在室溫或一定溫度保溫，以達到沉淀硬化目的（1）。
根據(jù)鋼絲生產(chǎn)的具體情況，如：鋼絲狀態(tài)-- 原料、半成品、成品前、成品;產(chǎn)品標準要求；確定熱處理種類，非常重要。當然，加熱方式直接影響熱處理質(zhì)量。目前為止，我國冷加工的熱處理加熱方式較多，各有所長。
2.1.1 加熱方式
加熱方式有五種：
（1）燃煤加熱；
（2）燃煤--土法煤氣發(fā)生加熱；
（3）天然氣加熱；
（4）管道煤氣加熱；
（5）電加熱。
第一種加熱方式成本較低，但，爐溫不易穩(wěn)定，鋼絲表面易產(chǎn)生脫碳；第二種加熱方式較第一種方式略占優(yōu)勢；第三種和第四種加熱方式較優(yōu)越，爐溫較穩(wěn)定；第五種加熱方式是最理想的，雖然成本較高，但，無污染、爐溫穩(wěn)定、加熱均勻、產(chǎn)品內(nèi)在質(zhì)量將大大提高，是生產(chǎn)高品位鋼絲的最明智選擇。
2.1.2 熱處理主要目的
對盤條（原料）或鋼絲加熱主要目的有四種：
一是索氏體化（細化晶粒），提高抗拉強度，增加韌性和延展性；
二是球化退火，得到合理的顯微組織，增加縮性和延展性，；
三是再結(jié)晶退火，使變形晶粒重新結(jié)晶為均勻的等軸晶粒，消除冷加工硬化，有利于再次冷加工；
四是軟化退火，無顯微組織變化，僅僅是消除加工應(yīng)力，滿足力學要求（多用于成品鋼絲）。
2.2 表面處理作用
表面處理是鋼絲生產(chǎn)的第二大要素。表面處理有四個程序：一是去除熱處理產(chǎn)生的氧化皮（氧化膜）；二是中和，目的是防止殘留酸性物質(zhì)對鋼的基體產(chǎn)生腐蝕；三是涂層，為增加載體保證潤滑，有利于冷加工變形，確保鋼絲表面質(zhì)量；四是去除表面有害雜質(zhì)（包括去涂層），確保鋼絲無腐蝕，表面光滑潔凈。
2.3 冷加工變形
冷加工變形（以下簡稱拉拔）是鋼絲生產(chǎn)的第三大要素，也是最直觀的一個要素。該要素是鋼絲生產(chǎn)的主要過程。
拉拔生產(chǎn)要點有三：
一是拉拔總減面率的確定。拉拔減面率的大小，直接影響產(chǎn)品質(zhì)量。根據(jù)鋼絲品種不同、狀態(tài)不同、一般拉拔道次減面率，應(yīng)控制在9%~34%之間。合金鋼類，拉拔總減面率一般不大于58%，碳素鋼類一般不大于90%。
二是模具的選擇。模具是鋼絲拉拔生產(chǎn)唯一的縮性變形硬件。模具的質(zhì)量如：尺寸精度、角度、光潔度等，直接影響鋼絲拉拔的質(zhì)量。模具的合理選擇，關(guān)系到是否滿足鋼絲拉拔的要求。
三是潤滑劑的選擇。潤滑劑是拉拔鋼絲不可缺少的輔助材料，根據(jù)鋼絲種類不同、狀態(tài)不同、合理的選擇潤滑劑，是保證鋼絲拉拔質(zhì)量，生產(chǎn)順利進行的必備條件。
3 連續(xù)線生產(chǎn)
連續(xù)線生產(chǎn)一般適合批量較大的、品種較單一的鋼絲。所謂連續(xù)線，必備條件是，采用連續(xù)式高溫加熱爐（鉛浴爐）；有三連以上的連續(xù)拔絲機；有相應(yīng)表面處理的必要手段。碳素鋼絲、奧氏體不銹鋼絲生產(chǎn)，均適合在連續(xù)線進行。
3.1 碳素彈簧鋼絲的生產(chǎn)
3.1.1 碳素彈簧鋼絲常用鋼號及現(xiàn)形標準
碳素彈簧鋼絲常采用高碳鋼，其鋼號和現(xiàn)行標準詳見下表所示。
3.1.2 主要生產(chǎn)流程
由于碳素彈簧鋼絲的特性所決定，不但力學性能--抗拉強度較高外，還要求高的韌性。所以，該鋼絲拉拔前的熱處理，必須采用鉛淬火（索氏體化）。而且，從盤條加工至鋼絲成品，必須有足夠的拉拔減面率，以確保鋼絲滿足高的抗拉強度和高的韌性。生產(chǎn)流程見圖1所示。
?
從圖1的流程圖中可看出，碳素彈簧鋼絲的主要生產(chǎn)過程：從鉛淬火到拉拔，是反復(fù)進行的。這是鋼絲生產(chǎn)的需要，也是為滿足標準要求。在具體生產(chǎn)過程中，根據(jù)標準不同、交貨組別不同、成品鋼絲尺寸不同，需采用合理的生產(chǎn)工藝，從而產(chǎn)出顧客需求的產(chǎn)品。
3.1.3 碳素彈簧鋼絲產(chǎn)品用途
采用連續(xù)線生產(chǎn)的碳素彈簧鋼絲主要用于：直接制造各種型號的壓縮彈簧、拉力彈簧（回火定型），得到預(yù)期的力學性能。并且，可編制鋼絲繩等。
3.2 奧氏體不銹鋼絲生產(chǎn)
3.2.1 奧氏體不銹鋼絲常用鋼號及現(xiàn)行標準
奧氏體不銹鋼絲一般采用1Cr18Ni9、0Cr19Ni10、H0Cr19Ni9、1Cr18Ni9Ti、GH2132、GH3030、GH2036、D659、D660、ML1Cr19Ni9Ti 等鋼號生產(chǎn)。不銹鋼絲常用于：高尖端彈簧、高精度軸承、重要工具、耐腐蝕纜繩、耐腐蝕錄井線、重要用途冷頂件、焊接、制釘、編網(wǎng)等。由于用途廣泛，所以，標準較多。常用現(xiàn)行標準見表1。
3.2.2 奧氏體不銹鋼絲生產(chǎn)特點
奧氏體不銹鋼絲生產(chǎn)特點是需要高溫熱處理、急冷，嚴格表面處理、對涂層要求苛刻，對潤滑介質(zhì)要求高。因為，奧氏體不銹鋼耐高溫、冷加工硬化快、拉拔后，必須通過高溫固溶，快速冷卻才能消除應(yīng)力、避免偏析。同時，獲得較低的抗拉強度和較高的延展性，以便鋼絲拉拔，確保鋼絲表面質(zhì)量。對固溶后的不銹鋼盤條或半成品，應(yīng)進行浸堿、酸洗，將氧化膜徹底清除，中和后進行涂層處理。涂層應(yīng)均勻、牢固，以便增加潤滑載體，保護鋼的基體不受創(chuàng)傷。拉拔后，應(yīng)及時去除涂層，保證鋼絲表面無腐蝕、光滑潔凈。
3.2.3 奧氏體不銹鋼絲產(chǎn)品用途
奧氏體不銹鋼絲價格較昂貴，一般用于制造關(guān)鍵部件。如：航空用鉚釘、航天航空用彈簧、抗腐蝕繩纜、耐腐蝕錄井線、不銹滾珠、不銹篩網(wǎng)、高檔裝潢、高檔炊具等等。隨著工業(yè)不斷發(fā)展，人民生活水平的提高，奧氏體不銹鋼絲用途將會更加廣泛。
4 周期線鋼絲生產(chǎn)
周期線生產(chǎn)的特點是：生產(chǎn)品種可多樣化。原則上講，除了彈素彈簧鋼絲不能生產(chǎn)外，甚至，若有周期式高溫爐（950℃~1200℃），有水冷卻條件，高溫合金和奧氏體不銹鋼絲亦可生產(chǎn)。周期線鋼絲生產(chǎn)工藝流程如圖2所示。
?
4.1 鋼絲生產(chǎn)鋼種及常用現(xiàn)行標準
按用途劃分，常規(guī)生產(chǎn)鋼種有：軸承鋼、工具鋼（包括合金工具鋼）、合金彈簧鋼、合金結(jié)構(gòu)鋼（包括冷頂和焊接鋼）、碳素結(jié)構(gòu)鋼（包括冷頂和焊接）、鐵素體不銹鋼（包括冷頂和焊接）、馬氏體不銹鋼（包括冷頂和焊接）等。常用現(xiàn)行標準見下表。
標
準
分
類?標準編號?標準名稱?代表鋼號?交貨主要狀態(tài)
碳素彈簧鋼絲?GB/T4357—89?碳素彈簧鋼絲?70#、T9A、65Mn?冷拉
?GB/T4358—1995?重要用途碳素彈簧鋼絲?同上?冷拉
?GJB1497—92?特殊用途彈素彈簧鋼絲規(guī)范?T9A、T10A?冷拉
?Q/DG、J31—2001?65Mn彈素彈簧鋼絲?65Mn?冷拉
不銹鋼絲（含鉻不銹、易切）?YB（T）11—83?彈簧用不銹鋼絲?1Cr18Ni9?冷拉
?DGB09—89?高強度不銹彈簧鋼絲?1CR18Ni9Ti?冷拉
?GJB714—89?引信用不銹彈簧鋼絲?1Cr18Ni9?冷拉
?GJB2294—95?航空用不銹鋼及耐熱鋼棒規(guī)范?0Cr18Ni91Cr17等?熱處理（固溶）
?GJB3167—98?冷鐓用高溫合金鋼絲?GH2132?輕拉、冷拉
?GJB3320—98?不銹彈簧鋼絲?1Cr18Ni9?軟態(tài)、輕拉
?GJB3526—99?航空用冷頂鍛不銹鋼絲?ML1Cr18Ni9Ti?軟態(tài)、輕拉
?GJB785—99?航空用不銹焊絲?H0Cr19Ni9?冷拉
?GB/T4232—93?冷頂鍛用不銹鋼絲?ML1Cr18Ni9Ti?軟態(tài)、輕拉
?GB/T4240—93?不銹鋼絲?1Cr18Ni9
1Cr13—4Cr13?軟態(tài)、輕拉、冷拉
??? ?? ??
?YB/T5092—1996?焊接用不銹鋼絲?H1Cr18Ni9?軟態(tài)、輕拉
?Q/DG、J36—2001?不銹錄井鋼絲?D659?冷拉
?Q/DG、J37—2001?2Cr13Ni2易切不銹鋼絲?2Cr13Ni2?輕拉
滾珠軸承鋼絲?YB245—64?滾珠及滾珠軸承用鉻鋼絲?GCr15?退火
?YB688—76?高溫不銹軸承鋼絲?Cr4M4V?退火
?GB/T18579—2001?高碳鉻軸承鋼絲?GCr15?退火、輕拉
?Q/DG、J21—2000?高碳鉻軸承鋼絲?GCr15?退火、輕拉
工具鋼類鋼絲?GB/T3080—2001?高速工具鋼絲?W6Mo5Cr4V2?退火、直條
?YB/T095—1997?合金工具鋼絲?9SiCr、CrWMn?退火、直條
?GB/T5952—86?碳素工具鋼絲?T7A—T9A?退火
?GJB1665—93?槍彈芯用T12A冷拉鋼絲規(guī)范?T12A?退火
?GJB1494—92?特殊用途易切削銀亮鋼絲規(guī)范?Y75?退火、磨光
合金彈簧?GB5136—93?閥門用鉻釩彈簧鋼絲?50CrVA?退火、磨光
?GB/T5218—1999?合金彈簧鋼絲?60Si2Mn?退火、冷拉
結(jié)構(gòu)鋼絲?GB/T3206—82?優(yōu)質(zhì)彈素結(jié)構(gòu)鋼絲?08#—60#?冷拉、輕拉
?GB/T3079—93?合金結(jié)構(gòu)鋼絲?15CrA、40CrA
12CrNi4A等?冷拉、輕拉
?YB/T5032—93?重要用途低碳鋼絲?Zg?輕拉
?GB5953—1999?冷鐓鋼絲?ML15-ML45
ML30CrMnSi?輕拉
?GB/T14957—94?熔化焊用鋼絲?H08Mn2Si?冷拉（白光）
?GB/T14958—94?氣體保護焊用鋼絲?H08MnSi?冷拉（鍍銅）
?GJB1951—94?航空用優(yōu)質(zhì)結(jié)構(gòu)鋼棒規(guī)范?15CrA、30CrMoA?合同中注明
?GJB3021—97?航空用結(jié)構(gòu)焊絲規(guī)范?H18CrMoA?鍍銅、白光
?GJB3319—98?航空用冷頂鍛結(jié)構(gòu)鋼絲規(guī)范?ML15-ML45ML30CrMnSi?冷拉、退火、磨光
?GJB3327—98?輕武器用結(jié)構(gòu)鋼鋼絲規(guī)范?38CrA、40B、30CrMnSi、?磨光
? ?GB3207—88?銀亮鋼?所有鋼號?相應(yīng)標準
精密合金絲?GB198—88?鐵鎳軟磁合金技術(shù)條件?1J79、1J50?冷拉
?YB/T5135—93?發(fā)條用高彈性合金3J9?3J9?軟態(tài)、冷拉
?YB/T5231—93?鐵鎳鈷玻封合金技術(shù)條件?4J29、4J44?冷拉、注明
?YB/T5232—93?低鈷定膨脹瓷封合金?1J50、4J46?冷拉
?YB/T5233—93?無磁定膨脹瓷封合金4J78、4J80?4J80、4J82?冷拉
?YB/T5234—1995?瓷封合金技術(shù)條件?Cr20NI80 Cr30Ni70?冷拉
?YB/T5235—93?鐵鎳鉻、鐵鎳電熱合金?4J42、4J50?軟態(tài)、冷拉
?YB/T5237—93?鐵鎳鉻玻封合金4J41技術(shù)條件?4J41?冷拉、合同注明
?YB/T5240—93?鐵鉻玻封合金4J28技術(shù)條件?4J28?軟態(tài)、冷拉
?YB/T5241—93?低膨脹合金4J32、4J36、4J38和4J40技術(shù)條件?4J32、4J36、4J38、4J40?軟態(tài)、冷拉
?YB/T5252—93?軸尖用合金3J22絲材技術(shù)條件?3J22?冷拉
?YB/T5253—93?彈性元件用合金技術(shù)條件?3J21?冷拉
?YB/T5254—93?頻率元件用恒彈性合金技術(shù)條件?3J53、3J58?冷拉
?YB/T5259—93?鎳鉻電阻合金絲?6J20、6J10, ?軟態(tài)、冷拉
?GB/T14989—94?鐵鈷釩永磁合金?3J31、3J33?冷拉
表1中歸納了各鋼種的鋼絲常用產(chǎn)品標準，列舉了代表鋼號和交貨狀態(tài)。從表1可看出，相同鋼號（化學成分相同）有多項標準，所以鋼絲生產(chǎn)必須隨時調(diào)整工藝，以便滿足鋼絲標準要求。
4.2 熱處理工藝制度
4.2.1 溫度的確定
目前為止，周期線的鋼絲生產(chǎn)中，已有200多個鋼號，列為常規(guī)產(chǎn)品。在鋼絲生產(chǎn)過程中，不可能制定200個工藝制度。這就需要了解每一個鋼號的特性、相變點，根據(jù)相變點進行歸類，確定熱處理溫度。根據(jù)特性確定冷卻方式。
4.2.2 周期的確定
熱處理周期是熱處理工藝的重點。它關(guān)系到透燒程度如：鋼的纖維組織均勻性、力學性能散差值、工藝性能等，諸多影響。周期的確定應(yīng)視鋼絲直徑尺寸大小、裝爐量的多少、鋼絲狀態(tài)等，根據(jù)具體情況，調(diào)整熱處理周期，確保熱處理質(zhì)量。
4.3 表面處理程序確定
表面處理作用見2.2所述。但鋼種不同，酸洗的程序是不同的。要根據(jù)鋼的特性、鋼絲狀態(tài)、選擇合理的表面處理程序，確保表面質(zhì)量。值得注意的是：對于高碳鋼絲酸洗后，應(yīng)進行充分干燥，否則將影響拉拔質(zhì)量，造成不應(yīng)有的損失。
4.4 鋼絲拉拔
鋼絲拉拔應(yīng)根據(jù)2.3所述。針對鋼種不同、要求不同、確定拉拔總減面率和道次減面率。應(yīng)注意的是：對于馬氏體鋼等易裂鋼，拉拔后應(yīng)及時熱處理，以防止產(chǎn)生內(nèi)裂或風裂。
5 鋼絲精整
鋼絲精整是為防止鋼絲產(chǎn)品運輸過程造成缺陷。如：檫傷、銹蝕、紊亂等。一般鋼絲生產(chǎn)至成品（合格品）時，都應(yīng)進行涂油、捆扎、包裝處理。
涂油是防止鋼絲在一定的時間內(nèi)，不產(chǎn)生銹蝕。所以，防銹油的選擇是很關(guān)鍵的。筆者建議選用超薄置換形防銹油，因為，它對鋼絲性能無影響、對環(huán)境無污染、成本適中、好祛除。
包裝，直接影響企業(yè)形象，應(yīng)引起注意。包裝應(yīng)強調(diào)整潔、牢固、標識清晰、做到包裝商品化。
6 結(jié)論
鋼絲生產(chǎn)目前在我國從北到南，已全方位普及。但是，真正能生產(chǎn)出高精尖的鋼絲成品為數(shù)不多。筆者認為：在金屬冷加工過程中，只要深入了解市場，掌握國內(nèi)外標準，貫徹合理工藝、嚴格質(zhì)量控制，推行ISO9001質(zhì)量體系管理，將會使我國的金屬冷加工產(chǎn)品提高一個檔次，產(chǎn)出高品位的鋼絲產(chǎn)品。希望在盡短時間內(nèi)，生產(chǎn)出高精尖產(chǎn)品，頂替進口，走出國門。