弹簧钢丝加工技术
弹簧钢丝加工技术
金属冷加工是钢铁工业生产的一个重要组成部分。金属冷加工的种类较多，例如：钢丝、钢丝绳、钢绞线及其它金属制品等等。特殊钢钢丝生产在我国已有近70年的历史。它是金属冷加工行业较典型的产业。
随着工业的不断发展，特殊钢钢丝（以下简称：钢丝）品种不断增加，质量品位不断提高。老的作坊式生产摸式，逐步被半自动化、自动化生产所代替。但是，无论设备如何变革，就弹簧钢丝生产而言，钢丝的生产方式实际就是两条线：连续线和周期线。
1 钢丝生产依据
钢丝生产主要是依据产品标准要求，确定生产方式。产品标准是供方与顾客之间的纽带。根据产品标准，采用合理工艺，实行科学管理，是确保产品合格的基本保证。
在钢丝生产中，同一个钢号（化学成分相同），采用不同标准，生产方式就不同。就T9A弹簧为例：当执行GB/T4357-89弹素弹簧钢丝标准时，必须采用连续线生产，产出的成品钢丝可用于制造各种弹簧、编制钢丝绳等。当执行GB/T5952- 86 弹素工具钢丝标准时，就必须采用周期线生产，产出的成品钢丝，可用于制造工具。如：刀具、钻头、制针等。因为，连续线和周期线产出的钢丝显微组织不同、力学性能不同、工艺性能不同，所以，用途不同。
值得阐明的是：不论是连续线生产还是周期线生产，热处理、表面处理、加工变形，三大要素缺一不可。
2 钢丝生产要素
2.1 钢丝热处理
热处理是钢丝生产的主要要素之一。曾有业外人士认为："拔丝属冷加工，操作简单，不必热处理，只要有相应模具挤压拉拔就行了"。这是对钢丝生产的一个误解。所谓冷加工，是指加工变形生产过程在常温下进行。而钢丝在加工变形前，必须以热处理手段改善钢材内在质量，达到标准要求的显微组织、同时得到良好的物理缩性和延展性，以便顺利加工变形。这就是热处理的重要所在。
钢丝生产的热处理有四个步骤：它们是原料热处理、中间热处理、成前热处理、成品热处理（不包括冷拉状态交货的产品）。
热处理主要种类有8种：
（1）完全退火：将钢丝加热到完全奥氏体化，缓慢冷却，获得接近平衡状态组织；不锈钢弹簧
（2）不完全退火：将钢丝加热到Ac1~Ac3之间温度，达到不完全奥氏体化，随之缓慢冷却；
（3）球化退火：将钢丝（盘条）加热到Ac1温度之上，使钢的碳化物达到球化状态；
（4）再结晶退火：经冷加工变形的钢丝加热到再结晶温度以上，保温适当时间，使变形晶粒重新结晶为均匀的等轴晶粒，消除冷加工硬化；
（5）光亮退火：钢丝在保护气氛或真空中退火，以防止氧化，保持钢丝表面光亮；
（6）正火：将钢丝加热到Ac3以上30~50℃，保温适当时间，再进行冷却；
（7）索氏体化处理（派登脱处理）：将中碳或高碳钢丝奥氏体化后，迅速移在Ar1以下适当温度（约500℃左右）的热溶中等温或空气中冷却，以获得索氏体组织；
（8）时效处理：钢丝经过固溶处理或冷缩性变形后，在室温或一定温度保温，以达到沉淀硬化目的（1）。
根据钢丝生产的具体情况，如：钢丝状态-- 原料、半成品、成品前、成品;产品标准要求；确定热处理种类，非常重要。当然，加热方式直接影响热处理质量。目前为止，我国冷加工的热处理加热方式较多，各有所长。
2.1.1 加热方式
加热方式有五种：
（1）燃煤加热；
（2）燃煤--土法煤气发生加热；
（3）天然气加热；
（4）管道煤气加热；
（5）电加热。
第一种加热方式成本较低，但，炉温不易稳定，钢丝表面易产生脱碳；第二种加热方式较第一种方式略占优势；第三种和第四种加热方式较优越，炉温较稳定；第五种加热方式是最理想的，虽然成本较高，但，无污染、炉温稳定、加热均匀、产品内在质量将大大提高，是生产高品位钢丝的最明智选择。
2.1.2 热处理主要目的
对盘条（原料）或钢丝加热主要目的有四种：
一是索氏体化（细化晶粒），提高抗拉强度，增加韧性和延展性；
二是球化退火，得到合理的显微组织，增加缩性和延展性，；
三是再结晶退火，使变形晶粒重新结晶为均匀的等轴晶粒，消除冷加工硬化，有利于再次冷加工；
四是软化退火，无显微组织变化，仅仅是消除加工应力，满足力学要求（多用于成品钢丝）。
2.2 表面处理作用
表面处理是钢丝生产的第二大要素。表面处理有四个程序：一是去除热处理产生的氧化皮（氧化膜）；二是中和，目的是防止残留酸性物质对钢的基体产生腐蚀；三是涂层，为增加载体保证润滑，有利于冷加工变形，确保钢丝表面质量；四是去除表面有害杂质（包括去涂层），确保钢丝无腐蚀，表面光滑洁净。
2.3 冷加工变形
冷加工变形（以下简称拉拔）是钢丝生产的第三大要素，也是最直观的一个要素。该要素是钢丝生产的主要过程。
拉拔生产要点有三：
一是拉拔总减面率的确定。拉拔减面率的大小，直接影响产品质量。根据钢丝品种不同、状态不同、一般拉拔道次减面率，应控制在9%~34%之间。合金钢类，拉拔总减面率一般不大于58%，碳素钢类一般不大于90%。
二是模具的选择。模具是钢丝拉拔生产唯一的缩性变形硬件。模具的质量如：尺寸精度、角度、光洁度等，直接影响钢丝拉拔的质量。模具的合理选择，关系到是否满足钢丝拉拔的要求。
三是润滑剂的选择。润滑剂是拉拔钢丝不可缺少的辅助材料，根据钢丝种类不同、状态不同、合理的选择润滑剂，是保证钢丝拉拔质量，生产顺利进行的必备条件。
3 连续线生产
连续线生产一般适合批量较大的、品种较单一的钢丝。所谓连续线，必备条件是，采用连续式高温加热炉（铅浴炉）；有三连以上的连续拔丝机；有相应表面处理的必要手段。碳素钢丝、奥氏体不锈钢丝生产，均适合在连续线进行。
3.1 碳素弹簧钢丝的生产
3.1.1 碳素弹簧钢丝常用钢号及现形标准
碳素弹簧钢丝常采用高碳钢，其钢号和现行标准详见下表所示。
3.1.2 主要生产流程
由于碳素弹簧钢丝的特性所决定，不但力学性能--抗拉强度较高外，还要求高的韧性。所以，该钢丝拉拔前的热处理，必须采用铅淬火（索氏体化）。而且，从盘条加工至钢丝成品，必须有足够的拉拔减面率，以确保钢丝满足高的抗拉强度和高的韧性。生产流程见图1所示。
从图1的流程图中可看出，碳素弹簧钢丝的主要生产过程：从铅淬火到拉拔，是反复进行的。这是钢丝生产的需要，也是为满足标准要求。在具体生产过程中，根据标准不同、交货组别不同、成品钢丝尺寸不同，需采用合理的生产工艺，从而产出顾客需求的产品。
3.1.3 碳素弹簧钢丝产品用途
采用连续线生产的碳素弹簧钢丝主要用于：直接制造各种型号的压缩弹簧、拉力弹簧（回火定型），得到预期的力学性能。并且，可编制钢丝绳等。
3.2 奥氏体不锈钢丝生产
3.2.1 奥氏体不锈钢丝常用钢号及现行标准
奥氏体不锈钢丝一般采用1Cr18Ni9、0Cr19Ni10、H0Cr19Ni9、1Cr18Ni9Ti、GH2132、GH3030、GH2036、D659、D660、ML1Cr19Ni9Ti 等钢号生产。不锈钢丝常用于：高尖端弹簧、高精度轴承、重要工具、耐腐蚀缆绳、耐腐蚀录井线、重要用途冷顶件、焊接、制钉、编网等。由于用途广泛，所以，标准较多。常用现行标准见表1。
3.2.2 奥氏体不锈钢丝生产特点
奥氏体不锈钢丝生产特点是需要高温热处理、急冷，严格表面处理、对涂层要求苛刻，对润滑介质要求高。因为，奥氏体不锈钢耐高温、冷加工硬化快、拉拔后，必须通过高温固溶，快速冷却才能消除应力、避免偏析。同时，获得较低的抗拉强度和较高的延展性，以便钢丝拉拔，确保钢丝表面质量。对固溶后的不锈钢盘条或半成品，应进行浸碱、酸洗，将氧化膜彻底清除，中和后进行涂层处理。涂层应均匀、牢固，以便增加润滑载体，保护钢的基体不受创伤。拉拔后，应及时去除涂层，保证钢丝表面无腐蚀、光滑洁净。
3.2.3 奥氏体不锈钢丝产品用途
奥氏体不锈钢丝价格较昂贵，一般用于制造关键部件。如：航空用铆钉、航天航空用弹簧、抗腐蚀绳缆、耐腐蚀录井线、不锈滚珠、不锈筛网、高档装潢、高档炊具等等。随着工业不断发展，人民生活水平的提高，奥氏体不锈钢丝用途将会更加广泛。
4 周期线钢丝生产
周期线生产的特点是：生产品种可多样化。原则上讲，除了弹素弹簧钢丝不能生产外，甚至，若有周期式高温炉（950℃~1200℃），有水冷却条件，高温合金和奥氏体不锈钢丝亦可生产。周期线钢丝生产工艺流程如图2所示。
4.1 钢丝生产钢种及常用现行标准
按用途划分，常规生产钢种有：轴承钢、工具钢（包括合金工具钢）、合金弹簧钢、合金结构钢（包括冷顶和焊接钢）、碳素结构钢（包括冷顶和焊接）、铁素体不锈钢（包括冷顶和焊接）、马氏体不锈钢（包括冷顶和焊接）等。常用现行标准见下表。
标
准
分
类 标准编号 标准名称 代表钢号 交货主要状态
碳素弹簧钢丝 GB/T4357—89 碳素弹簧钢丝 70#、T9A、65Mn 冷拉
GB/T4358—1995 重要用途碳素弹簧钢丝 同上 冷拉
GJB1497—92 特殊用途弹素弹簧钢丝规范 T9A、T10A 冷拉
Q/DG、J31—2001 65Mn弹素弹簧钢丝 65Mn 冷拉
不锈钢丝（含铬不锈、易切） YB（T）11—83 弹簧用不锈钢丝 1Cr18Ni9 冷拉
DGB09—89 高强度不锈弹簧钢丝 1CR18Ni9Ti 冷拉
GJB714—89 引信用不锈弹簧钢丝 1Cr18Ni9 冷拉
GJB2294—95 航空用不锈钢及耐热钢棒规范 0Cr18Ni91Cr17等 热处理（固溶）
GJB3167—98 冷镦用高温合金钢丝 GH2132 轻拉、冷拉
GJB3320—98 不锈弹簧钢丝 1Cr18Ni9 软态、轻拉
GJB3526—99 航空用冷顶锻不锈钢丝 ML1Cr18Ni9Ti 软态、轻拉
GJB785—99 航空用不锈焊丝 H0Cr19Ni9 冷拉
GB/T4232—93 冷顶锻用不锈钢丝 ML1Cr18Ni9Ti 软态、轻拉
GB/T4240—93 不锈钢丝 1Cr18Ni9
1Cr13—4Cr13 软态、轻拉、冷拉
YB/T5092—1996 焊接用不锈钢丝 H1Cr18Ni9 软态、轻拉
Q/DG、J36—2001 不锈录井钢丝 D659 冷拉
Q/DG、J37—2001 2Cr13Ni2易切不锈钢丝 2Cr13Ni2 轻拉
滚珠轴承钢丝 YB245—64 滚珠及滚珠轴承用铬钢丝 GCr15 退火
YB688—76 高温不锈轴承钢丝 Cr4M4V 退火
GB/T18579—2001 高碳铬轴承钢丝 GCr15 退火、轻拉
Q/DG、J21—2000 高碳铬轴承钢丝 GCr15 退火、轻拉
工具钢类钢丝 GB/T3080—2001 高速工具钢丝 W6Mo5Cr4V2 退火、直条
YB/T095—1997 合金工具钢丝 9SiCr、CrWMn 退火、直条
GB/T5952—86 碳素工具钢丝 T7A—T9A 退火
GJB1665—93 枪弹芯用T12A冷拉钢丝规范 T12A 退火
GJB1494—92 特殊用途易切削银亮钢丝规范 Y75 退火、磨光
合金弹簧 GB5136—93 阀门用铬钒弹簧钢丝 50CrVA 退火、磨光
GB/T5218—1999 合金弹簧钢丝 60Si2Mn 退火、冷拉
结构钢丝 GB/T3206—82 优质弹素结构钢丝 08#—60# 冷拉、轻拉
GB/T3079—93 合金结构钢丝 15CrA、40CrA
12CrNi4A等 冷拉、轻拉
YB/T5032—93 重要用途低碳钢丝 Zg 轻拉
GB5953—1999 冷镦钢丝 ML15-ML45
ML30CrMnSi 轻拉
GB/T14957—94 熔化焊用钢丝 H08Mn2Si 冷拉（白光）
GB/T14958—94 气体保护焊用钢丝 H08MnSi 冷拉（镀铜）
GJB1951—94 航空用优质结构钢棒规范 15CrA、30CrMoA 合同中注明
GJB3021—97 航空用结构焊丝规范 H18CrMoA 镀铜、白光
GJB3319—98 航空用冷顶锻结构钢丝规范 ML15-ML45ML30CrMnSi 冷拉、退火、磨光
GJB3327—98 轻武器用结构钢钢丝规范 38CrA、40B、30CrMnSi、 磨光
GB3207—88 银亮钢 所有钢号 相应标准
精密合金丝 GB198—88 铁镍软磁合金技术条件 1J79、1J50 冷拉
YB/T5135—93 发条用高弹性合金3J9 3J9 软态、冷拉
YB/T5231—93 铁镍钴玻封合金技术条件 4J29、4J44 冷拉、注明
YB/T5232—93 低钴定膨胀瓷封合金 1J50、4J46 冷拉
YB/T5233—93 无磁定膨胀瓷封合金4J78、4J80 4J80、4J82 冷拉
YB/T5234—1995 瓷封合金技术条件 Cr20NI80 Cr30Ni70 冷拉
YB/T5235—93 铁镍铬、铁镍电热合金 4J42、4J50 软态、冷拉
YB/T5237—93 铁镍铬玻封合金4J41技术条件 4J41 冷拉、合同注明
YB/T5240—93 铁铬玻封合金4J28技术条件 4J28 软态、冷拉
YB/T5241—93 低膨胀合金4J32、4J36、4J38和4J40技术条件 4J32、4J36、4J38、4J40 软态、冷拉
YB/T5252—93 轴尖用合金3J22丝材技术条件 3J22 冷拉
YB/T5253—93 弹性元件用合金技术条件 3J21 冷拉
YB/T5254—93 频率元件用恒弹性合金技术条件 3J53、3J58 冷拉
YB/T5259—93 镍铬电阻合金丝 6J20、6J10, 软态、冷拉
GB/T14989—94 铁钴钒永磁合金 3J31、3J33 冷拉
表1中归纳了各钢种的钢丝常用产品标准，列举了代表钢号和交货状态。从表1可看出，相同钢号（化学成分相同）有多项标准，所以钢丝生产必须随时调整工艺，以便满足钢丝标准要求。
4.2 热处理工艺制度
4.2.1 温度的确定
目前为止，周期线的钢丝生产中，已有200多个钢号，列为常规产品。在钢丝生产过程中，不可能制定200个工艺制度。这就需要了解每一个钢号的特性、相变点，根据相变点进行归类，确定热处理温度。根据特性确定冷却方式。
4.2.2 周期的确定
热处理周期是热处理工艺的重点。它关系到透烧程度如：钢的纤维组织均匀性、力学性能散差值、工艺性能等，诸多影响。周期的确定应视钢丝直径尺寸大小、装炉量的多少、钢丝状态等，根据具体情况，调整热处理周期，确保热处理质量。
4.3 表面处理程序确定
表面处理作用见2.2所述。但钢种不同，酸洗的程序是不同的。要根据钢的特性、钢丝状态、选择合理的表面处理程序，确保表面质量。值得注意的是：对于高碳钢丝酸洗后，应进行充分干燥，否则将影响拉拔质量，造成不应有的损失。
4.4 钢丝拉拔
钢丝拉拔应根据2.3所述。针对钢种不同、要求不同、确定拉拔总减面率和道次减面率。应注意的是：对于马氏体钢等易裂钢，拉拔后应及时热处理，以防止产生内裂或风裂。
5 钢丝精整
钢丝精整是为防止钢丝产品运输过程造成缺陷。如：檫伤、锈蚀、紊乱等。一般钢丝生产至成品（合格品）时，都应进行涂油、捆扎、包装处理。
涂油是防止钢丝在一定的时间内，不产生锈蚀。所以，防锈油的选择是很关键的。笔者建议选用超薄置换形防锈油，因为，它对钢丝性能无影响、对环境无污染、成本适中、好祛除。
包装，直接影响企业形象，应引起注意。包装应强调整洁、牢固、标识清晰、做到包装商品化。
6 结论
钢丝生产目前在我国从北到南，已全方位普及。但是，真正能生产出高精尖的钢丝成品为数不多。笔者认为：在金属冷加工过程中，只要深入了解市场，掌握国内外标准，贯彻合理工艺、严格质量控制，推行ISO9001质量体系管理，将会使我国的金属冷加工产品提高一个档次，产出高品位的钢丝产品。希望在尽短时间内，生产出高精尖产品，顶替进口，走出国门。