热处理工艺对316L不锈钢微丝组织和性能的影响

发布者: 发布时间:2017/7/3 9:52:22 阅读:次 【字体:

   热处理工艺对316L不锈钢微丝组织和性能的影响

  1  引言

  不锈钢微丝一般是指以 304 、304L、316 、316L等 材料制造 , 丝径φ<0.1mm 的 软 态 工业用金属丝材,与其它有机或无机纤维材料相比 ,具有强度高、塑性好、耐酸碱腐蚀等一系列优良性能,因而受到人们的重视 ,其应用领域也不断扩大。除了用于传统的金属丝网业外,在纺织品、多孔纤维材料、高强金属纤维、混凝土等领域也有广泛应用。

  不锈钢微丝的制备方法很多,单丝拉拔制备的不锈钢微丝由于表面光滑、尺寸精确均一,是生产丝网所用微丝的必需材料。然而单丝拉拔由于形变量大,拉拔速率高,因而在制备过程中,加工硬化严重,这对微丝在进一步拉拔中产生断丝有很大的影响。研究发现,在拉拔的过程中适当地进行热处理,有利于微丝拉拔的顺利进行,减少断丝率,制备出盘重( 单丝长度或 重量)满足应用要求的超细微丝( 直径φ<40μm)。然而,目前有关这方面的研究报道甚少。本文主要研究了4种不同直径的丝材经退火处理后的组织和性能的关系。

  2  试样制备和试验方法

  2.1  试样制备

  试验用316L不锈钢丝的化学成分(质量分数,%)为:17.15Cr、12.07Ni、2.05Mo、0.016C、

  1.12Mn、0.39Si、0.026P、0.001S 和 67.177Fe。微丝制备在LT22150/ 15型微拉线机上进行 , 进丝为φ0.6mm。拉丝的工序为:① 粗拉阶段 ,由φ0.6mm经15道次拉拔成φ0.245mm ,平均道次压缩率5.6%,拉 拔速度12m/s;② 中拉阶段,由φ0.245mm经15道次拉拔成φ0.10mm,平均道次压缩率为5.6%,拉拔速 度为12m/s;③ 细拉阶段:由φ0.10mm经12道次拉拔成φ0.059mm ,平均道次压缩率为5.4% ,拉拔速度12m/s;④ 微拉阶段:由φ0.059mm经13道次拉拔成φ0.03mm ,平均压缩率为4.0%,拉拔速度8m/s。模具工作刃镶嵌人造金刚石,拉拔时的粗拉阶段采用皂化液 ,以喷淋方式润滑和冷却 ,中拉与细拉阶段采用润滑油润滑与冷却。

  2.2  热处理工艺

  选择总形变量分别为61%(φ0.375mm)、83%(φ0.245mm)和96%(φ0.113mm)的3种中间态丝材,分别在900℃、1000℃、1050℃、1100℃4种温度下,保温5s和10s ,采用空冷方式冷却。对于形变量达99.8 % (φ0。03mm)的最终成品丝材,选择在900℃、950℃、1000℃、1050℃、1100℃5种温度下进行热处理,保温时间取1s与3s。

  2.3  试验方法

  在 AN 系列不锈钢丝管式热处理机组中对丝材进行热处理,采CSS-2202型电子万能试验机测量丝材的力学性能,采用O1ympus金相显微镜观察不同形变量的丝材拉拔态与热处理后的显微组织。

  3  试验结果与讨论

  3.1  显微组织

  图1所示为拉拔后压缩率为83%,丝径为φ0.245mm 丝材的显微组织,从中可见,原来的奥氏体晶粒,随着压缩率的增大,不断被拉长与破坏,当形变量增大至一定程度时,呈现纤维状组织。

  图1 压缩率为83%,丝径为φ0.245mm的丝材显微组织

  图2 所示为压缩率为61%的φ0.375mm丝材,经不同退火工艺处理后的显微组织。其中图2a所示为经 1000℃×5s处理后的显微组织,此时仍以纤维状组织为主,这是由于丝材形变量小、退火温度低,保温时间短,再结晶不充分引起的;继续升高退火温度,由于再结晶的形核率与形核速度随着退火温度的升高而逐渐增大,再结晶晶粒逐渐呈等轴化与均匀化,图2b 所示,当升温至1100℃并保温5s时的显微组织,此时再结晶充分进行,纤维状组织已完全转变成等轴晶组织,晶粒度达到10级。

  图2 φ0.375mm丝材经不同再结晶工艺处理后的组织

  图3 为不同丝径的丝材采用1100℃×5s 再结晶工艺处理后的显微组织。由图3a可见,φ0.245mm 丝材的纤维状组织完全消失,再结晶已充分进行,生成细小的等轴晶,晶粒度达到11级。图3b 所示为φ0.113mm丝材,此时再结晶已完成,且晶粒非常小,晶粒度达到12级。

  图3 不同丝径的丝材经1100℃×5s再结晶工艺处理后的显微组织

  对于丝径为φ0.03mm的丝材,压缩率达99.8%,在较低温度较短的保温时间内,就已开始发生再结晶,图4中的A与B处所示,分别为采用1000℃×3s与1050℃×1s工艺处理后的显微组织,从中可明显看出,经1000℃×3s处理后的晶粒尺寸明显大于经1050℃×1s处理后的晶粒尺寸, 因此对于φ0.03mm的丝材,在1000℃~1050℃之间热处理时,保温时间应小于3s,以1050℃×1s为宜。

  图 4 丝径为φ0.03mm的丝材经不同再结晶工艺处理后的显微组织

  3.2  中间丝材退火后的力学性能

  3种中间态丝材在4种温度下,经5s和10s保温后的力学性能变化趋势见图5 。

  由图5ac可见,3种压缩率不同的丝材,在不同的退火温度下保温5s时,形变量最小的φ0.375mm 丝材,在900℃~1100℃间,抗拉强度持续下降,而伸长率大幅上升。1000℃~1100℃保温5s时,φ0.245mm与φ0.113mm的丝材,抗拉强度起伏不大,而伸长率保持上升。形变量较大的φ0.113mm丝材在 1100℃保温5s时,再结晶已完成,晶粒细小,对应的抗拉强度也最大,达到777M Pa。试验中发现:在测量丝材的力学性能时,如采用的标距相同时,则丝径越细,标距部分的长度与直径比越大,相应表现为断裂伸长率的减小,对标准试样往往是δ5>δ10 [ 4] ,因此,图5c中所示的φ0.113mm与φ0.245mm丝材在1100℃保温5s后的伸长率比φ0.375mm的要低,由图5bd可见,在900℃~1000℃之间保温10s时, φ0.375mm的丝材的抗拉强度高于φ0.245mm的,这是由于丝材形变量小,再结晶未充分进行,内应力仍较大的缘故。继续升高退火温度时,再结晶充分进行,但由于晶粒较大,其抗拉强度又低于φ0.245mm的抗拉强度。φ0.245mm与φ01113mm的丝材在1050℃~1100℃下,保温10s时,伸长率相差不大,但在测试时,由于φ0.113mm丝材极细 ,丝材表面与内部小的缺陷即可引起丝材的断裂,从而使其伸长率<φ0.245mm的伸长率。因此对于丝径为φ0.245mm与φ0.113mm的丝材,中间热处理可以取1050℃×10s。

  3.3  超细微丝退火后的力学性能

  图6 所示为φ0.030mm的丝材采用不同的退火工艺后的力学性能变化。

  由图6a可知,保温1s时,在900℃~1050℃,随着退火温度的升高,抗拉强度不断下降。延长保温时间至3s时,在900℃~1000℃,抗拉强度下降幅度较快,但在1050℃~1100℃下,保温1s与3s时,抗拉强度都保持在713MPa ~733MPa之间,很显然,此时的抗拉强度开始趋于稳定的值。由图6b 可知,在900℃~950℃之间保温3s时,伸长率上升较快,而在950℃~1050℃之间保温3s时,上升幅度减缓,并趋于定值 28%。当保温时间为1s时,在900℃~1000℃之间伸长率不断上升,此时再结晶处于不断形核与长大阶段,在1050℃下保温1s与3s相比,伸长率只相差2% , 此时再结晶已充分进行,在实际生产中,最终成品丝的热处理,可选择在1050℃下最短时间退火,以提高生产率。因此,φ0.030mm的丝材的最佳退火工艺为 1050℃×1s。

  4  结论

  φ0.375mm的丝材在1100℃下保温5s时,再结晶已完成,生成完全的奥氏体等轴晶组织,且晶粒度达到了10级;丝径为φ0.245mm与φ0.113mm的丝材在1050℃下保温10s时,再结晶已充分进行,并具有优良 的力学性能;对于直径为φ0.030mm的最后一道丝材,由于压缩率非常大,且内部形核能高,在1050℃下保温1s后再结晶已充分进行,并具有优良的力学性能。

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