本发明属于高强度弹簧丝工艺技术领域，特别涉及一种高弹性模量的高强弹簧丝及其制备方法。尤其涉及一种高弹性模量长期稳定性好的高强弹簧丝及其制备方法。
背景技术：
不锈弹簧具有耐腐蚀、抗氧化性等优点。广泛地应用于电子电器、食品工业、化学工业、纺织机械、汽车制造和航空等性能要求严格的行业中。制成的弹簧除具有不锈和耐蚀性外，还有许多其他优点，如抗松弛(弹性减退)能力比用弹簧钢和合金钢制造的弹簧好很多，甚至可以高几倍。由于不锈弹簧钢具有一般碳素弹簧钢和合金弹簧钢所不能达到的优越性能，以及某些部门对弹簧不锈、耐蚀等性能的要求越来越迫切与严格，特别是细小弹簧的发展(普通弹簧钢丝的直径很难细化)，都使得不锈弹簧钢的应用范围不断扩大，用量不断增加。国内外广泛使用的不锈弹簧丝大致分为三类：相变马氏体钢丝、形变强化奥氏体钢丝和沉淀硬化半奥氏体钢丝。
对于弹性模量较高的半奥氏体沉淀硬化不锈钢。其兼有奥氏体钢耐蚀性强，冷加工性能良好和马氏体钢可通过热处理强化的优点，也存在着组织敏感性强、性能波动大、应力裂纹扩展快，加工工艺不正确易产生脆性断裂等缺点。因此此类半奥氏体沉淀硬化不锈钢无论在热加工或冷拉时都有很大的困难，这种困难主要表现在生产工艺不正确时严重降低材料的塑性，钢丝和弹簧易产生纵长裂纹，弹簧钢丝应力裂纹倾向大。目前国内用的较多的材料为0Cr17Ni7Al和0Cr12Mn5Ni4Mo3Al不锈钢丝。根据对市场进行跟踪调研发现，0Cr17Ni7Al不锈钢丝长期保存时性能起伏较大。在保存1年后，部分丝材会发生断裂、变脆、无法绕簧现象，工艺性极差、组织不稳定；0Cr12Mn5Ni4Mo3Al不锈钢丝在新入厂时弹簧配对合格率在90％左右，1年后合格率降到70％甚至50％。同时这两种合金丝的强度难以满足更加苛刻的要求，弹簧弹力散差大。室温下不能长期存放，易于发生应力释放开裂，尤其是在低温下(-50℃)强度级别下降较多。因此，急需一种高弹性模量长期稳定性好的高强弹簧丝，为电子电器、食品工业、化学工业、纺织机械、汽车制造和航空国防等做出贡献。
技术实现要素：
本发明的目的在于提供一种高弹性模量的高强弹簧丝及其制备方法，解决了弹簧弹力散差大，室温下不能长期存放的问题。该合金丝在室温和苛刻环境条件下(如低温、高温等)，具有较高的弹性模量、优异的极限强度、扭转和缠绕性能达到较高水平，同时长期保存时具有良好的组织和性能稳定性。
一种高弹性模量的高强弹簧丝，以质量百分比计算，该合金丝的化学成分为：C：≤0.05％，Cr：12.0％～17.0％，Ni：5.0％～8.0％，Co：3.0％～6.0％，Mo：2.0％～3.0％，W：1.5％～3.5％，Nb：1.0％～2.0％，Al：0.3％～0.5％，Ti：0.3％～0.5％，Si：≤0.3％，Mn：≤0.3％，P：≤0.01％，S：≤0.01％，B≤0.005％，Ce≤0.05％，Zr≤0.01％，余量为铁。
所述的高强弹簧丝室温弹性模量为195～214GPa，100℃下弹性模量为191～203GPa，200℃下弹性模量为177～190GPa，300℃下弹性模量为168～185GPa。室温拉伸强度为1900～2500MPa，延伸率为1.0～5.0％；低温(-78℃)拉伸强度为1840～2420MPa；放置2年后，该合金丝室温拉伸极限强度变化小于5％，硬度变化小于4％。
一种高弹性模量的高强弹簧丝的制备方法，具体步骤及参数如下：
1、按照合金丝质量百分比化学成分比例取原料，其中，C：≤0.05％，Cr：12.0％～17.0％，Ni：5.0％～8.0％，Co：3.0％～6.0％，Mo：2.0％～3.0％，W：1.5％～3.5％，Nb：1.0％～2.0％，Al：0.3％～0.5％，Ti：0.3％～0.5％，Si：≤0.3％，Mn：≤0.3％，P：≤0.01％，S：≤0.01％，B≤0.005％，Ce≤0.05％，Zr≤0.01％，余量为铁。
Fe元素为纯铁、低硫铁、铬铁、高碳铬铁、钼铁、硅铁、锰铁的一种或几种；
Cr元素为铬铁、金属铬、锦铁铬、低氮锦铁铬、高纯低氧铬的一种或几种；
Mo元素为金属钼、钼铁、钼铬棒的一种或几种；
Ni元素为电解镍、金属镍、金川镍、高纯镍的一种或几种；
Si元素为高碳硅、高碳硅铁、高纯多晶硅、金属硅颗粒的一种或几种；
Mn元素为锰铁、金属锰、电解锰片的一种或几种；
Nb元素为铌铁、熔炼铌、高纯磨光铌棒的一种或几种；
W元素为钨铁、钨棒、高纯钨块的一种或几种；
Al元素为电解铝、铝棒、纯铝条的一种或几种；
Ti元素为纯钛棒、金属钛、海绵钛的一种或几种；
Co元素为电解钴、金属钴、金川钴板的一种或几种；
Ce元素为金属铈、高纯铈的一种或几种。
2、将原料按照比例混合进行真空感应和真空自耗冶炼后进行锻造和热轧至Φ6mm～Φ15mm盘条；在冷拔过程中，在开坯阶段丝材变形量控制在50％～65％，中间坯阶段控制在30～50％，成品变形量控制在40％～100％。丝材在开坯和中间坯冷拔前需要进行中间连续退火，连续退火温度控制在1000℃～1150℃，氢气保护，快速冷却；在成品冷拔前需配合成品变形量进行弥散相均匀分布热处理，丝材成盘进行热处理，热处理温度控制在1050℃～1250℃，保温60～120分钟，通Ar气或N2气保护，出炉前向炉内通入高压Ar气或N2气进行气氛冷却。出炉后进行成品冷拔。将成品丝绕成弹簧后进行450℃～550℃保温1～3小时处理后即可。
本发明的优点在于：
1、本发明的高弹性模量长期稳定性好的高强弹簧丝室温弹性模量为195～214GPa，100℃下弹性模量为191～203GPa，200℃下弹性模量为177～190GPa，300℃下弹性模量为168～185GPa。为高性能弹簧提供有力支持；室温拉伸强度为1900～2500MPa，延伸率为1.0～5.0％。低温(-78℃)拉伸强度为1840～2420MPa。综合性能达到世界先进水平。
2、该合金丝室温放置2年后，合金组织没有明显变化，合金丝室温拉伸极限强度变化小于5％，硬度变化小于4％。合金丝300℃下时效1000h，拉伸强度变化小于2.7％，在-78℃下时效1000h，拉伸强度变化小于2.0％。在严苛的环境下，该合金丝的稳定性达到世界领先水平。
3、本发明的高弹性模量长期稳定性好的高强弹簧丝制备工艺简单、成本低廉、对设备要求低、生产开发方便、节能效果良好，生产效率较高。按照合金成品配比，制备丝材只需要控制冷拔变形量和热处理工艺就可以得到性能优异的高弹性模量长期稳定性好的弹簧丝，能够节约大量能源。
具体实施方式
实施例1
一种高弹性模量的高强弹簧丝，以质量百分比计算，该合金丝的化学成分为：C：0.05％，Cr：17.0％，Ni：8.0％，Co：6.0％，Mo：3.0％，W：3.5％，Nb：2.0％，Al：0.5％，Ti：0.5％，Si：0.3％，Mn：0.3％，P：0.01％，S：0.01％，B：0.005％，Ce：0.05％，Zr：0.01％，余量为铁。
将纯铁、金属铬、金属镍混合放入坩埚底部，金属钼、金属铌、金属钨分散装在坩埚中上部。按照比例混合后进行真空感应和真空自耗冶炼后进行锻造，通过热轧至Φ6mm盘条。在冷拔过程中，在开坯阶段丝材变形量控制在50％，中间坯阶段控制在30％，成品变形量控制在40％。丝材在开坯和中间坯冷拔前需要进行中间连续退火，连续退火温度控制在1000℃，氢气保护，快速冷却；在成品冷拔前需配合成品变形量进行弥散相均匀分布热处理，丝材成盘进行热处理，热处理温度控制在1050℃，保温60分钟，通Ar气保护，出炉前向炉内通入高压Ar气进行气氛冷却。出炉后进行成品冷拔。将成品丝绕成弹簧后进行450℃保温1小时处理。弹簧丝的弹性模量和线膨胀系数如表1所示。在严苛的环境下，该弹簧丝的极限强度稳定性如表2所示。
表1本发明所述弹簧丝线膨胀系数和弹性模量
表2本发明所述弹簧丝严苛条件下强度稳定性实测值
实施例2
一种高弹性模量的高强弹簧丝，以质量百分比计算，该合金丝的化学成分为：C：0.03％，Cr：12.0％，Ni：5.0％，Co：3.0％，Mo：2.0％，W：1.5％，Nb：1.0％，Al：0.3％，Ti：0.3％，Si：0.2％，Mn：0.2％，P：0.005％，S：0.005％，B：0.00:3％，Ce：0.02％，Zr：0.008％，余量为铁。
将纯铁、金属铬、金属镍混合放入坩埚底部，金属钼、金属铌、金属钨分散装在坩埚中上部。按照比例混合后进行真空感应和真空自耗冶炼后进行锻造，通过热轧至Φ15mm盘条。在冷拔过程中，在开坯阶段丝材变形量控制在65％，中间坯阶段控制在50％，成品变形量控制在100％。丝材在开坯和中间坯冷拔前需要进行中间连续退火，连续退火温度控制在1150℃，氢气保护，快速冷却；在成品冷拔前需配合成品变形量进行弥散相均匀分布热处理，丝材成盘进行热处理，热处理温度控制在1250℃，保温120分钟，通N2气保护，出炉前向炉内通入高压N2气进行气氛冷却。出炉后进行成品冷拔。将成品丝绕成弹簧后进行550℃保温3小时处理。
实施例3
一种高弹性模量的高强弹簧丝，以质量百分比计算，该合金丝的化学成分为：C：0.01％，Cr：15.2％，Ni：7.2％，Co：4.8％，Mo：2.8％，W：2.9％，Nb：1.5％，Al：0.4％，Ti：0.4％，Si：0.1％，Mn：0.1％，P：0.001％，S：0.001％，B：0.002％，Ce：0.02％，Zr：0.005％，余量为铁。
将纯铁、金属铬、金属镍混合放入坩埚底部，金属钼、金属铌、金属钨分散装在坩埚中上部。按照比例混合后进行真空感应和真空自耗冶炼后进行锻造，通过热轧至Φ10mm盘条。在冷拔过程中，在开坯阶段丝材变形量控制在55％，中间坯阶段控制在40％，成品变形量控制在80％。丝材在开坯和中间坯冷拔前需要进行中间连续退火，连续退火温度控制在1100℃，氢气保护，快速冷却；在成品冷拔前需配合成品变形量进行弥散相均匀分布热处理，丝材成盘进行热处理，热处理温度控制在1200℃，保温100分钟，通Ar气保护，出炉前向炉内通入高压Ar进行气氛冷却。出炉后进行成品冷拔。将成品丝绕成弹簧后进行500℃保温2小时处理。
综上所述，通过适当增加Co、Ni、Mo等合金化元素，解决了现有技术中弹簧丝组织敏感性强、性能波动大、弹性模量低、应力裂纹扩展快，加工工艺不正确易产生脆性断裂等问题，特别是解决了极端环境下材料性能的下降和长期服役稳定性问题。从而提供了一种操作简单、成本低廉、综合性能优异的用于环境苛刻弹簧丝。其应用较为广泛，不仅可以应用于极端环境下服役的环境变化大、高载荷的弹簧件，还可以用于其他对低温环境要求以及强韧性匹配严格的坦克、装甲车、大型运输车、飞机伞仓门等需要用到弹簧件的部件。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明而并非限制本发明所描述的技术方案；因此，尽管本说明书参照上述的实施例对本发明已进行了详细的说明，但是，本领域的普通技术人员应当理解，仍然可以对本发明进行修改或等同替换；而一切不脱离发明的精神和范围的技术方案及其改进，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。