钢丝的基本组织结构与使用性能

钢丝的基本组织结构与使用性能（壹佰钢铁网推荐）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，要生产出顾客滿意的钢丝产品，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Nt、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魚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。（壹佰钢铁网推荐）