一种高淬透性金属针布钢丝及其制造方法与流程

1.本发明涉及一种金属材料及其制造方法，尤其涉及一种金属针布钢丝及其制造方法。

背景技术：

2.在梳棉机中，金属针布是十分关键的梳理器材，其可以包覆在梳棉机的滚筒上，以对纤维进行梳理，金属针布的性能会直接影响到纤维的梳理质量。
3.国内在金属针布材质和制造工艺等方面进行了大量探索，国产针布的使用寿命得到了很大的提高，但与国外先进产品相比差距还很大，其主要问题体现在针布齿尖耐磨性较差，易磨损等方面，这会导致针布的锋利度迅速衰退，进而造成梳理效果不佳。
4.就目前而言，提高金属针布的使用寿命可以从三个方面进行考虑：一是合理的针布齿条几何外形的设计，以防止使用过程中齿条工作面不均匀磨损；二是强化齿条的表面状态，减少冲齿切口等加工过程形成的毛刺，降低表面粗糙度，以及采用表面涂镀高硬度耐磨层等；三是优化金属针布用钢，通过钢种的升级、合金成分的优化、热处理工艺的调控，获得合理的隐晶马氏体+球状碳化物组织，改善钢丝的硬度、韧性，从而提高针布的耐磨性能。
5.由此，为了提高国产针布钢丝的使用寿命，行业内进行了大量的改进优化措施，并且获得了一定的研究成果。
6.例如：公开号为cn205974784u，公开日为2017年2月22日，名称为“一种高效耐磨金属针布”的中国专利文献，公开了一种高效耐磨金属针布。该实用新型通过改变针布齿底、齿身和齿尖的外形，提供了一种针尖耐磨、表面平滑且易于转移，减少纤维充塞的金属针布，延长针布的使用寿命，并未考虑金属针布材料的性能对使用寿命的影响。
7.又例如：公开号为cn102296384a，公开日为2011年12月28日，名称为“一种金属针布生产工艺”的中国专利文献，公开了一种金属针布生产工艺，其利用磷酸池、磷化处理池和皂化处理池进行钢丝表面处理，通过井式真空退火炉进行球化退火等，可以提高金属针布的平整度、锋利度、光洁度和耐磨度。
8.再例如：公开号为cn110983245a，公开日为2020年4月10日，名称为“一种低温沉积高硬低摩擦系数涂层针布的制备方法”的中国专利文献，公开了一种低温沉积高硬低摩擦系数涂层针布的制备方法，其通过对针布表面进行金属cr层和dlc层交替沉积制备多层结构，成功解决了金属针布表面镀膜结合力差、不耐磨、易回火软化等问题。
9.针对上述现有改进技术进行分析，我们不难发现，目前大部分研究工作均关注于设计针布齿条的几何外形，少量专利研究了针布表面涂层技术，而鲜有文献对金属针布的材质进行升级优化，这是因为金属针布对于材料的要求相当苛刻。
10.由此，为了延长金属针布的使用寿命，发明人从改善金属针布钢丝材料的角度出发，期望获得一种新的高淬透性金属针布钢丝。

技术实现要素：

11.本发明的目的之一在于提供一种高淬透性金属针布钢丝，该高淬透性金属针布钢丝通过控制关键合金元素的添加，并结合控制优化热处理工艺，可以使高淬透性金属针布钢丝的齿尖微观组织为隐晶马氏体+细小弥散碳化物组织，齿根微观组织为球状珠光体，进而显著提高钢材的硬度和淬透性，提高产品的使用寿命。
12.该高淬透性金属针布钢丝的淬硬层深度大于5mm，洛氏硬度hrc＞60，其不仅具有较高的硬度和淬透性，还具有良好的耐磨性能和使用寿命，其可以有效应用于纺织工业中，具有良好的推广前景和应用价值。
13.为了实现上述目的，本发明提供了一种高淬透性金属针布钢丝，所述高淬透性金属针布钢丝具有齿，所述高淬透性金属针布钢丝的成分含有fe和不可避免的杂质，其成分还含有质量百分含量如下的下述各化学元素：
14.c：0.70～1.00wt.％、si：0.10～0.50wt.％、mn：0.50～1.00wt.％、cr：0.20～0.80wt.％；
15.其中，所述高淬透性金属针布钢丝的齿尖微观组织为隐晶马氏体+细小弥散碳化物组织，齿根微观组织为球状珠光体。
16.进一步地，在本发明所述的高淬透性金属针布钢丝中，其各化学元素质量百分含量为：
17.c：0.70～1.00wt.％、si：0.10～0.50wt.％、mn：0.50～1.00wt.％、cr：0.20～0.80wt.％；余量为fe和不可避免的杂质。
18.在本发明所述的高淬透性金属针布钢丝中，各化学元素的设计原理如下所述：
19.c：在本发明所述的高淬透性金属针布钢丝中，c元素不仅可以在钢中起到固溶强化作用，其还可以形成各种碳化物。当钢中c元素含量过低时，则难以保证材料的硬度及耐磨性；而当钢中c元素含量过高时，则会对钢材的韧性产生不利影响，且偏析难以控制，加大冶炼及轧制难度，易产生网状碳化物等异常组织。基于此，考虑到材料的硬度以及耐磨性，在本发明所述的高淬透性金属针布钢丝中，将c元素的质量百分含量控制在0.70～1.00wt.％之间。
20.si：在本发明所述的高淬透性金属针布钢丝中，si是一种非碳化物形成元素，其在钢中具有较强的固溶强化效果，能够有效提高钢材的硬度。但需要注意的是，钢中si元素含量不宜过高，当钢中si元素含量过高时，则会对拉拔变形产生不利影响。基于此，在本发明所述的高淬透性金属针布钢丝中，将si元素的质量百分含量控制在0.10～0.50wt.％之间。
21.mn：在本发明所述的高淬透性金属针布钢丝中，mn是关键合金元素之一，钢中添加适量的mn元素能够提高钢材的淬透性，提高奥氏体的稳定性，延缓珠光体转变，改善钢材的冲击韧性。基于此，在本发明所述的高淬透性金属针布钢丝中，将mn元素的质量百分含量控制在0.50～1.00wt.％之间。
22.cr：在本发明所述的高淬透性金属针布钢丝中，cr元素能够提高钢的淬透性、淬硬性和回火稳定性。此外，cr作为碳化物形成元素，其在钢中可以与c形成碳化物，也可固溶于铁素体中起到强化作用。基于此，综合考虑cr元素的强化作用及生产成本，在本发明所述的高淬透性金属针布钢丝中，将cr元素的质量百分含量控制在0.20～0.80wt.％之间。
23.进一步地，在本发明所述的高淬透性金属针布钢丝中，其还含有下述各化学元素
的至少其中之一：
24.0＜v≤0.30wt.％；
25.0＜nb≤0.10wt.％。
26.在本发明的上述技术方案中，为了获得更优的实施效果，本发明所述的高淬透性金属针布钢丝还可以进一步地选择添加适量的v元素和/或nb元素。
27.v、nb：在本发明所述的高淬透性金属针布钢丝中，v和nb元素可以作为微合金元素添加在钢中，二者均是强碳氮化物形成元素，其主要起到细化晶粒的作用，不仅可以有效提高钢材的硬度，同时还可以改善钢材的韧性。但需要注意的是，v、nb元素不宜添加过多，添加过量的v、nb元素会增加生产成本。基于此，在本发明所述的高淬透性金属针布钢丝中，可以进一步地选择添加适量的v元素和/或nb元素，并将v元素的质量百分含量控制为0＜v≤0.30wt.％，将nb元素的质量百分含量控制为0＜nb≤0.10wt.％。
28.进一步地，在本发明所述的高淬透性金属针布钢丝中，在其他不可避免的杂质中：p≤0.015wt.％，并且/或者s≤0.015wt.％。
29.在本发明上述的技术方案中，p元素和s元素均是本发明所述高淬透性金属针布钢丝中的杂质元素，在技术条件允许情况下，为了获得性能更好且质量更优的钢材，应尽可能降低高淬透性金属针布钢丝中杂质元素的含量。
30.需要说明的是，杂质元素p和s均易在晶界处产生偏析，降低钢的韧性，对钢的冷加工性能有较大影响，因此必须严格控制钢中p、s元素的含量，将p控制为p≤0.015wt.％，将s控制为s≤0.015wt.％。
31.进一步地，在本发明所述的高淬透性金属针布钢丝中，其淬硬层深度大于5mm，其齿尖的洛氏硬度＞60hrc。
32.相应地，本发明的另一目的在于提供一种高淬透性金属针布钢丝的制造方法，该制造方法操作简便，采用该制造方法所获得的高淬透性金属针布钢丝具有不仅具有较高的硬度和淬透性，还具有良好的耐磨性能和使用寿命，其淬硬层深度大于5mm，洛氏硬度hrc＞60，可以有效应用于纺织工业中，具有良好的推广前景和应用价值。
33.为了实现上述目的，本发明提出了上述的高淬透性金属针布钢丝的制造方法，其包括步骤：
34.(1)冶炼、浇铸、轧制，得到盘条，采用斯太尔摩风冷线调节盘条冷却速率，以使盘条的索氏体组织＞85％，并且不具有马氏体组织；
35.(2)对轧后盘条进行酸洗、磷皂化、粗拉拔和球化退火热处理，以使球化退火后得到弥散分布的球状珠光体组织，所述球状珠光体组织的显微硬度低于250hv；
36.(3)球化退火后线材通过酸洗、水洗、磷化，再进入拉丝机细拉拔成目标规格，然后进行轧扁、冲齿；
37.(4)对齿尖进行淬火处理：淬火加热温度不低于800℃，淬火冷却方式采用油冷或者风冷。
38.在本发明上述技术方案中，在上述步骤(2)中，经粗拉拔得到的线材经过后续的球化退火后可以得到弥散分布、粒径为0.1～3μm的球状珠光体组织，该球状珠光体组织的显微硬度低于250hv，以便于后续轧扁及冲齿，减少模具损耗。
39.相应地，在上述步骤(4)中，需要对齿尖进行淬火处理，齿尖局部淬火工艺需根据
加工针布的外形选择合适的加热温度及冷却方式，以获得呈梯度分布的金相组织：齿尖为隐晶马氏体+细小弥散碳化物组织，齿根为球状珠光体组织。
40.进一步地，在本发明所述的制造方法中，在步骤(1)中，盘条的抗拉强度rm≤1400mpa，断面收缩率z≥25％。
41.在上述技术方案中，在步骤(1)中，轧制得到的盘条可以控制直径φ在5.5～10mm之间。
42.进一步地，在本发明所述的制造方法中，在步骤(2)中，粗拉拔的每一道次的变形量为15～20％，总变形量不大于90％，拉拔速度不大于10m/s。
43.进一步地，在本发明所述的制造方法中，在步骤(2)中，球化退火工艺为：随炉升温至780～840℃，保温4～6h，以20～50℃/h速度冷却至700～750℃，保温4～6h，以20～50℃/h速度冷却至600℃以下出炉。
44.进一步地，在本发明所述的制造方法中，在步骤(2)中，得到的球状珠光体组织的粒径为0.1～3μm。
45.进一步地，在本发明所述的制造方法中，还包括步骤(5)回火，回火温度低于300℃。
46.相较于现有技术，本发明所述的高淬透性金属针布钢丝及其制造方法具有如下所述的优点以及有益效果：
47.不同于现有技术，发明人从改善金属针布钢丝材料的角度出发，获得了一种新的高淬透性金属针布钢丝，本发明通过控制关键合金元素的添加，并结合控制优化的热处理工艺，可以使高淬透性金属针布钢丝的齿尖微观组织为隐晶马氏体+细小弥散碳化物组织，齿根微观组织为球状珠光体，进而显著提高钢材的硬度和淬透性。
48.本发明所述的高淬透性金属针布钢丝的淬硬层深度大于5mm，洛氏硬度hrc＞60，其不仅具有较高的硬度和淬透性，还具有良好的耐磨性能和使用寿命，其可以有效应用于纺织工业中，具有十分良好的推广前景和应用价值。
具体实施方式
49.下面将结合具体的实施例对本发明所述的高淬透性金属针布钢丝及其制造方法做进一步的解释和说明，然而该解释和说明并不对本发明的技术方案构成不当限定。
50.实施例1-8
51.本发明所述实施例1-8的高淬透性金属针布钢丝均采用以下步骤制得：
52.(1)按照表1所示的化学成分进行冶炼、浇铸、轧制，得到直径φ6mm的盘条，采用斯太尔摩风冷线调节盘条冷却速率，通过风机和保温罩调节盘条冷却速率，以使盘条的索氏体组织＞85％，并且不具有马氏体组织。
53.(2)通过线材拉拔生产线对轧后盘条进行酸洗、磷皂化、粗拉拔和球化退火热处理。其中，控制粗拉拔的每一道次的变形量为15～20％，总变形量不大于90％，拉拔速度不大于10m/s；控制球化退火工艺为：随炉升温至780～840℃，保温4～6h，以20～50℃/h速度冷却至700～750℃，保温4～6h，以20～50℃/h速度冷却至600℃以下出炉。
54.(3)球化退火后线材通过酸洗、水洗、磷化，再进入拉丝机细拉拔成目标规格，然后进行轧扁、冲齿。
55.(4)对齿尖进行淬火处理：线材采用齿尖局部淬火的方式，淬火加热温度不低于800℃，淬火冷却方式采用油冷或者风冷。
56.(5)回火：控制回火温度低于300℃。
57.需要说明的是，在本发明中，实施例1-8的高淬透性金属针布钢丝的化学成分设计以及相关工艺均满足本发明设计规范要求。当然，在一些其他的实施方式中，根据具体的应用情况，也可以选择不实施上述步骤(5)的回火操作，其同样可以获得高淬透性金属针布钢丝。
58.表1列出了实施例1-8的高淬透性金属针布钢丝的各化学元素的质量百分配比。
59.表1.(wt％，余量为fe和除p、s以外其他不可避免的杂质)
[0060][0061]
表2-1和表2-2列出了实施例1-8的高淬透性金属针布钢丝在上述工艺步骤中的具体工艺参数。
[0062]
表2-1.
[0063][0064]
表2-2.
[0065][0066][0067]
在进行上述工艺步骤过程中，在完成上述工艺步骤(1)后，可以对实施例1-8对应盘条的微观组织进行观察，观察发现实施例1-8对应盘条均不具有马氏体组织，但存在索氏体组织，观察得到微观组织中的索氏体组织占比列于下述表3。
[0068]
相应地，完成上述针对实施例1-8对应盘条的微观组织观察后，可以进一步对完成上述工艺步骤(1)后获得的实施例1-8盘条进行取样，并对各实施例盘条进行常规力学性能检测，力学性能检测结果列于下述表3之中。
[0069]
相关力学性能检测手段，如下所述：
[0070]
拉伸试验：控制试验温度为25℃、控制试验湿度为60％，检测依据gb/t228.1-2010金属材料拉伸试验第1部分：室温拉伸试验方法，以获得各实施例盘条的抗拉强度rm和断面收缩率z。
[0071]
表3列出了实施例1-8的盘条的索氏体组织占比以及抗拉强度rm和断面收缩率z。
[0072]
表3.
[0073][0074]
由上述表3可以看出，实施例1-8的盘条的抗拉强度rm≤1400mpa，断面收缩率z≥25％，微观组织中索氏体组织的占比均不低于85％。
[0075]
在制造实施例1-8的过程中，在完成上述制造方法的步骤(2)后，可以对完成球化退火热处理后的实施例1-8粗拉拔线材的微观组织进行观察，观察发现实施例1-8粗拉拔线材在球化退火后能够得到弥散分布的球状珠光体组织，并对实施例1-8的微观组织中的球
状珠光体组织的粒径进行分析和计算，以列于下述表4之中。
[0076]
相应地，完成上述针对实施例1-8粗拉拔线材的微观组织观察后，可以进一步对各实施例粗拉拔线材进行取样，并对各实施例样品中的球状珠光体组织的显微硬度进行检测，检测结果列于下述表4之中。
[0077]
显微硬度检测：控制试验温度为25℃、控制试验湿度为60％，检测依据gb/t 4340.1-2009金属材料维氏硬度试验第1部分：试验方法，以获得实施例1-8粗拉拔线材的球状珠光体组织的显微硬度。
[0078]
表4列出了实施例1-8粗拉拔线材中球状珠光体组织的粒径和显微硬度。
[0079]
表4.
[0080][0081]
由上述表4可以看出，实施例1-8在步骤(2)中，经粗拉拔得到的线材经过球化退火后，可以得到弥散分布、粒径0.1～3μm的球状珠光体组织，该球状珠光体组织的显微硬度低于250hv，且在165-250hv之间，便于后续轧扁及冲齿，减少模具损耗。
[0082]
相应地，在制造实施例1-8的过程中，将通过制造方法的步骤(4)的齿尖局部淬火处理后得到的实施例1-8的高淬透性金属针布钢丝进行观察和分析，以获得实施例1-8的高淬透性金属针布钢丝对应的淬硬层深度。
[0083]
此外，还需对实施例1-8的高淬透性金属针布钢丝中的齿微观组织进行观察，以获得各实施例的高淬透性金属针布钢丝的齿尖和齿根微观组织，观察所得结果列于下述表5之中。
[0084]
表5.
[0085][0086]
[0087]
需要说明的是，在本发明的步骤(4)中，齿尖局部淬火工艺需根据加工针布的外形选择合适的加热温度及冷却方式，实施例1-8均采用了优化的工艺参数，其可以获得呈梯度分布的金相组织。由上述表5可以看出，这种金相组织为：齿尖为隐晶马氏体+细小弥散碳化物组织，齿根为球状珠光体组织。
[0088]
综上所述可以看出，本发明通过采用科学合理的添加合金元素、热处理调控隐晶马氏体组织和细小碳化物等手段设计了一种高淬透性金属针布钢丝。
[0089]
该高淬透性金属针布钢丝的淬硬层深度大于5mm，齿尖洛氏硬度hrc＞60，其不仅具有较高的硬度和淬透性，还具有良好的耐磨性能和使用寿命，其可以有效应用于纺织工业中，具有良好的推广前景和应用价值。
[0090]
需要说明的是，本案中各技术特征的组合方式并不限本案权利要求中所记载的组合方式或是具体实施例所记载的组合方式，本案记载的所有技术特征可以以任何方式进行自由组合或结合，除非相互之间产生矛盾。
[0091]
还需要注意的是，以上所列举的实施例仅为本发明的具体实施例。显然本发明不局限于以上实施例，随之做出的类似变化或变形是本领域技术人员能从本发明公开的内容直接得出或者很容易便联想到的，均应属于本发明的保护范围。

技术特征：

1.一种高淬透性金属针布钢丝，所述高淬透性金属针布钢丝具有齿，所述高淬透性金属针布钢丝的成分含有fe和不可避免的杂质，其特征在于，其成分还含有质量百分含量如下的下述各化学元素：c：0.70～1.00wt.％、si：0.10～0.50wt.％、mn：0.50～1.00wt.％、cr：0.20～0.80wt.％；其中，所述高淬透性金属针布钢丝的齿尖微观组织为隐晶马氏体+细小弥散碳化物组织，齿根微观组织为球状珠光体。2.如权利要求1所述的高淬透性金属针布钢丝，其特征在于，其各化学元素质量百分含量为：c：0.70～1.00wt.％、si：0.10～0.50wt.％、mn：0.50～1.00wt.％、cr：0.20～0.80wt.％；余量为fe和不可避免的杂质。3.如权利要求1或2所述的高淬透性金属针布钢丝，其特征在于，其还含有下述各化学元素的至少其中之一：0＜v≤0.30wt.％；0＜nb≤0.10wt.％。4.如权利要求1或2所述的高淬透性金属针布钢丝，其特征在于，在其他不可避免的杂质中：p≤0.015wt.％，并且/或者s≤0.015wt.％。5.如权利要求1或2所述的高淬透性金属针布钢丝，其特征在于，其淬硬层深度大于5mm，其齿尖的洛氏硬度＞60hrc。6.如权利要求1-5中任意一项所述的高淬透性金属针布钢丝的制造方法，其特征在于，其包括步骤：(1)冶炼、浇铸、轧制，得到盘条，采用斯太尔摩风冷线调节盘条冷却速率，以使盘条的索氏体组织＞85％，并且不具有马氏体组织；(2)对轧后盘条进行酸洗、磷皂化、粗拉拔和球化退火热处理，以使球化退火后得到弥散分布的球状珠光体组织，所述球状珠光体组织的显微硬度低于250hv；(3)球化退火后线材通过酸洗、水洗、磷化，再进入拉丝机细拉拔成目标规格，然后进行轧扁、冲齿；(4)对齿尖进行淬火处理：淬火加热温度不低于800℃，淬火冷却方式采用油冷或者风冷。7.如权利要求6所述的制造方法，其特征在于，在步骤(1)中，盘条的抗拉强度rm≤1400mpa，断面收缩率z≥25％。8.如权利要求6所述的制造方法，其特征在于，在步骤(2)中，粗拉拔的每一道次的变形量为15～20％，总变形量不大于90％，拉拔速度不大于10m/s。9.如权利要求6所述的制造方法，其特征在于，在步骤(2)中，球化退火工艺为：随炉升温至780～840℃，保温4～6h，以20～50℃/h速度冷却至700～750℃，保温4～6h，以20～50℃/h速度冷却至600℃以下出炉。10.如权利要求6所述的制造方法，其特征在于，在步骤(2)中，得到的球状珠光体组织的粒径为0.1～3μm。11.如权利要求6所述的制造方法，其特征在于，还包括步骤(5)回火，回火温度低于300℃。

技术总结

本发明公开了一种高淬透性金属针布钢丝，所述高淬透性金属针布钢丝具有齿，所述高淬透性金属针布钢丝的成分含有Fe和不可避免的杂质，其成分还含有质量百分含量如下的下述各化学元素：C：0.70～1.00wt.％、Si：0.10～0.50wt.％、Mn：0.50～1.00wt.％、Cr：0.20～0.80wt.％；其中，所述高淬透性金属针布钢丝的齿尖微观组织为隐晶马氏体+细小弥散碳化物组织，齿根微观组织为球状珠光体。此外，本发明还公开了上述高淬透性金属针布钢丝的制造方法。本发明所述的高淬透性金属针布钢丝具有较高的硬度和淬透性，其具有良好的耐磨性能和较长的使用寿命，可以有效应用于纺织工业中，具有良好的推广前景和应用价值。良好的推广前景和应用价值。