不锈钢是20世纪重要发明之一，经过近百年的研制和开发已形成一个有300多个牌号的系列化的钢种。在特殊钢体系中不锈钢性能独特，应用范围广，起其它特殊钢无法代替的作用。而不锈钢几乎可以涵盖其它任何一种特殊钢。
不锈钢合金含量高，价格比较高，但使用寿命远远高于其他钢种，维护费用少，是使用成本最低的钢种。不锈钢回收利用率高，对环境污染少，是改善环境，美化生活的绿色环保材料。
1. 不锈钢的特性、用途及品种
不锈钢是指一些在空气、水、酸性溶液及其它腐蚀介质中具有较高化学稳定性，在高温下具有抗氧化性的钢。不锈钢的耐腐蚀性能和抗氧化性与其化学成分密切相关。
1.1不锈钢的组织、性能和用途
不锈钢的牌号很多，我国常用不锈钢牌号就有50多个。如把不同牌号的不锈钢加热到高温（900℃～1100℃），然后在空气中冷却，得到的金相组织各不相同。根据金相组织类型可将不锈钢分为：⑴马氏体钢，包括马氏体一碳化物钢；⑵铁素体钢；⑶奥氏体钢；⑷奥氏体—铁素体双相钢;(5)沉淀硬化钢。各类钢的常用牌号、用途和特点如下。
1.1.1马氏体钢
马氏体钢是一种可硬化不锈钢，根据化学成分可分为铬不锈马氏体钢和铬镍不锈马氏体钢，常用牌号有1Cr13、2Cr13、3Cr13(Mo)、4Cr13、1Cr17Ni2、2Cr13Ni2、Y1Cr13和9Cr18(Mo)。马氏体钢有良好的淬透性，可通过淬、回火改变其强度和韧性，常温下有良好的耐腐蚀和耐磨性能，耐高温性能优良，直到500℃强度也不降低，在高达700℃大气中仍能抗氧化。1Cr13、2Cr13和3Cr13(Mo)用于制作刀具、精密轴、滚动体、喷咀、弹簧、阀门和手术器材等。1Cr17Ni2用作具有较高强度的耐硝酸及有机酸腐蚀的零件、轴、活塞杆、螺栓等。Y1Cr13和2Cr13Ni2属于易切削不锈钢，用于制作表面光洁度高、又承受较大应力的耐蚀零件，如仪表轴、销、齿轮等。9Cr18(Mo)是不锈钢中硬度最高的一种钢，多用作要求高硬度及耐磨的零件，如切削工具、轴承，弹簧及医疗器械等。
马氏体不锈钢作结构件和刀具用需进行淬火—回火处理。其耐蚀性能在淬火状态最好，淬回火状态次之，退火状态下最差。
马氏体钢通过退火实现软化，因为具有自硬性，退火后的冷却速度至关重要。退火方式有完全退火、再结晶退火和消除应力退火3种。
马氏体钢属于易裂钢，热加工和热处理时的热应力，冷加工时的残余应力，都能导致钢的开裂。所以热加工时应严格控制升温、降温速度，热加工后及时退火。冷加工后用及时进行消除应力处理。
1.1.2铁素体钢
铁素体钢在常温下以铁素体组织为主，具有体心立方晶格结构，钢中含铬11—30%，一般不含镍，有时含有少量的Mo、Ti和Nb。铁素体钢的耐腐蚀性能优于马氏体钢，具有导热系数大、膨胀系数小、抗氧化性能好和抗应力腐蚀性能优异等特点。常用牌号有0Cr13、0Cr17(Mo)、0Cr28。0Cr13用做汽车排气处理装置、锅炉燃烧室喷咀等。0Cr17(Mo)用作家用电器部件、食品用具、清洗球及建筑装饰材料等。0Cr28用于制作浓硝酸、磷酸和次氯酸钠等化工设备零件和管道等。
1.1.3奥氏体钢
奥氏体钢在常温下为奥氏体组织，具有面心立方晶格结构。奥氏体钢是以18—8型铬镍钢为基础发展起来的钢。常用牌号有1Cr18Ni9、1Cr18Ni9Ti、0Cr18Ni9Cu3、0Cr17Ni12Mo2、0Cr25Ni20。1Cr18Ni9因冷加工强化效应显著，主要用作不锈弹簧和制绳材料。1Cr18Ni9Ti具有良好的抗晶间腐蚀性能，0Cr18Ni9Cu3冷加工性能优良，磁性较弱，用于制造螺栓、筛网和编织钢丝，0Cr17Ni12No2（316）在海水和其它含氯离子和硫化氢介质中有很好的耐点腐蚀性能，用于制作化工、石油、食品用设备的零部件、销、轴、网、传送带、螺栓等。0Cr25Ni20（310）兼有较高的耐蚀和耐热性能，作为耐蚀钢，用于制作食品工业中与浓醋酸和柠檬酸接触的部件，作为耐热钢用于制作各种连续炉和周期炉的传送带，炉辊，炉膛部件，马氟炉管，辐射管等。
奥氏体钢具有高的耐蚀性能，良好的焊接性能，常温和低温下有很高的塑性和韧性，加工性能远优于其它类型不锈钢，无磁性或具有弱磁性。缺点是钢的热膨胀系数较大,同铁素体钢一样，不能通过热处理强化,并对晶间腐蚀性能比较敏感。实际生产中常用降低碳含量、添加易形成碳化物的元素和采用稳定化处理的方法来消除这种敏感性。
1.1.4奥氏体—铁素体双相钢
奥氏体—铁素体双相钢常用牌号有00Cr25Ni5Mo3Si2,这种钢耐应力腐蚀和点腐蚀性能好，可用于含氯离子环境中，主要用在化工、石油、造纸的工业热交换器和冷凝器上。
奥氏体—铁素体双相钢中的铁素体含量随化学成分和加热温度的不同而有较大的变化，与奥氏体钢相比，这类钢具有屈服强度较高，抗晶间腐蚀和应力腐蚀能力较强，焊接时产生热裂纹倾向小，铸造流动性好等优点。缺点是热加工性能稍差，易产生σ相脆性。
1.1.5沉淀硬化钢
沉淀硬化钢常用牌号有0Cr17Ni7Al和0Cr17Ni4Cu4Nb。沉淀硬化钢具有良好的耐蚀性能和较高的强度。0Cr17Ni7Al多用作飞机外壳、结构件、喷气发动机零件、弹簧、天线、紧固件、仪表零件等。0Cr17Ni4Cu4Nb用于有一定耐蚀要求的高强度容器、高强度螺栓和喷气发动机零件等。
奥氏体不锈钢加工性能好，但强度低，不能通过热处理强化。马氏体钢淬火—回火能获得高强度，但加工性能不太好。沉淀硬化不锈钢兼有两者的优点，退火（固溶）状态较软，容易加工成形，通过热处理可获得高强度；具有与奥氏体不锈钢相当的耐蚀性能。此外，这类钢通过适当的时效处理，会析出沉淀相，使强度进一步提高。
1.2 不锈钢的品种
不锈钢的品种很多，除产量最大的不锈钢板材外，还有丝、管、棒、带等品种，其中不锈钢丝是发展的比较快的一个品种。在工业发达的国家，有用不锈钢丝取代碳素钢丝的趋势，致使不锈钢丝的需求量迅速增长。不锈钢丝按用途可分为不锈耐热钢丝、不锈弹簧钢丝、不锈焊丝、不锈冷顶锻钢丝、不锈轴承钢丝、不锈易切削钢丝等。
不锈钢丝是一种生产难度比较大的特殊钢丝。这类钢丝的热处理、表面处理和拉拔工艺和一般钢丝不一样，下面分类介绍不锈钢丝生产技术。
2、不锈钢丝生产工艺技术
2.1不锈耐热钢丝
不锈耐热钢丝现行标准GB/T4240-93，为国际一般水平标准。该标准包括23个钢号：奥氏体钢14个，铁素体钢2个，马氏体钢7个。成品钢丝主要考核尺寸偏差、表面质量和力学性能3项。奥氏体钢有3种交货状态：冷拉、轻拉、软态。马氏体和铁素体钢除4Cr13、1Cr17Ni2和9Cr18以退火状态交货外均以轻拉状态交货。家用电器和微型电机用精密轴、筛网和编织用钢丝、生产细丝用原料，捆绑线等均可按此标准定货。
2.1.1生产工艺流程
奥氏体不锈钢丝生产流程如下：
奥氏体—铁素体不锈钢丝，以及部分电热合金、高温合金、耐蚀合金和精密合金丝材，因组织、成分与奥氏体不锈钢丝有相似之处，可按此工艺流程生产。
马氏体、铁素体不锈钢丝生产流程如下：
2.1.2热处理
不锈钢丝冷加工过程中的热处理与其它制品热处理的目的和方法不完全相同。
2.1.2.1 固溶处理
奥氏体不锈钢丝通过固溶处理来软化，一般将钢丝加热到950～1150℃左右，保温一段时间，使碳化物和各种合金元素充分均匀地溶解于奥氏体中，然后快速淬水冷却，碳及其它合金元素来不及析出，获得纯奥氏体组织，称之为固溶处理。固溶处理的作用有3点。
⑴使钢丝组织和成分均匀一致，这对原料尤其重要，因为热轧线材各段的轧制温度和冷却速度不一样，造成组织结构不一致。在高温下原子活动加剧，σ相溶解，化学成分趋于均匀，快速冷却后就获得均匀的单相组织。
⑵消除加工硬化，以利于继续冷加工。通过固溶处理，歪扭的晶格恢复，伸长和破碎的晶粒重新结晶，内应力消除，钢丝抗拉强度下降，伸长率上升。
⑶恢复不锈钢固有的耐蚀性能。由于冷加工造成碳化物析出，晶格缺陷，使不锈钢耐蚀性能下降。固溶处理后钢丝耐蚀性能恢复到最佳状态。
对于钢丝而言，固溶处理的3个要素是温度、保温时间和冷却速度。
固溶温度主要根据化学成分确定。一般说来，合金元素种类多、含量高的牌号，固溶温度要相应提高。特别是锰、钼、镍、硅含量高的钢，只有提高固溶温度，使其充分溶解，才能达到软化效果。但稳定化钢，如1Cr18Ni9Ti，固溶温度高时稳定化元素的碳化物充分溶解于奥氏体中，在随后的冷却中会以Cr23C6的形态在晶界析出，造成晶间腐蚀。为使稳定化元素的碳化物（TiC和NbC）不分解、不固溶，一般采用下限固溶温度。
保温时间应根据热处理炉型和装炉量确定。周期炉多采用热装炉，即炉温升到预定温度后装炉，保温后快速出炉淬水。从装炉到出炉热处理周期一般为0.5-2h。
冷却速度对不锈钢性能有很大影响。如前所述，在冷却过程中碳要从奥氏体中析出，550～800℃为σ相析出区，还有475℃脆性区，因此，固溶后的钢丝应采用快速冷却的方式防止碳化物析出，避开上述温度区，获得最佳热处理效果。直径φ3.0mm以上的钢丝一般用水冷，直径φ3.0mm以下可以用风冷。美国304(0Cr19Ni9)和316(0Cr17Ni12Mo2)钢现场冷却作业标准认为，超过3min钢仍为红色就说明冷却速度不够。一般说来，固溶处理后钢丝抗拉强度主要取决于固溶温度，温度升高，抗拉强度偏低。伸长率似乎更多取决于冷却速度，冷却加快，伸长率偏高。
近年来，新兴不锈钢丝生产企业几乎全部选用氨分解气体保护连续炉，自由放线、倒立式收线或线轴收线的方式进行钢丝热处理。选用氨分解气体（25%N2+75%H2的体积比）作为保护气的原因是液氨资源丰富，储运方便，制气装备简单，制出的气体纯度比较高，稍作净化即可使用。因为不锈钢中铬含量高，保护气体中的氧和水份的含量必须降到相当低的水平才能实现光亮热处理。对于铬—镍不锈钢，保护气体露点为-45～-55℃就能得到光亮表面。对于含有稳定化元素Ti、Nb或Mn、Al含量较高的钢，因为这些元素与氧的亲和力比铬大，即使保护气体的露点低于-55℃，钢的表面也会变成淡灰色和亮灰色。以氢气保护连续炉热处理0Cr17Ni7Al为例，氢气露点和钢表面变色的关系如表2-1。不锈钢表面蓝色氧化皮很难酸洗去除，如还原性气氛露点达不到要求，还不如采微氧化性（含5%游离O2）气氛好。
表2-1 氢气露点与0Cr17Ni7Al表面色泽关系
露点，℃ -66 -49 -40.5 -37.6 -34 |
表面光泽 光亮 光亮 乳白色 微蓝 较深蓝色 |
不锈钢丝气体保护连续炉设计规范对保护气体要求一般为氧含量≤10ppm,露点低于-60℃。另外一个重要参数是气体流量，不同企业热处理实际使用流量往往有很大差别，造成差别的原因有两方面：①系统的气密性，②钢丝的洁净度。
系统的气密性是指气体发生装置和传输管路泄漏状况，尤其应注意管路的焊接头、连接点、法兰盘及阀门的泄漏，系统泄漏不仅造成气体流失，还严重降低气体纯度，造成不锈钢丝氧化变色。炉管两端的封堵，特别是进气端的封堵，可以有效地减少气体流量。
钢丝表面洁净度是一个容易忽视的因素，表面潮气、残留油脂和润滑剂带入炉管，恶化炉管内气氛，往往造成钢丝氧化。此时为使钢丝恢复光亮，必须用大量高纯气体稀释水气，改善炉管内气氛，这就是不同企业热处理炉气体流量差别很大的原因。现代化不锈钢丝生产线非常注意拉拔后钢丝表面清洗，通常在拉丝机后配上一组清洗槽，有的还在连续炉前再配置一组电解清洗装置和干燥炉，成品钢丝表面质量确实有根本性提高。
保护气体流量可以用换气系数来确定，每小时通气量等于炉管总容积时换气系数为1。不锈钢丝光亮热处理炉的实际换气系数为15～45。
2.1.2.2 退火处理
马氏体不锈钢丝采用退火处理。退火的目的是消除内应力，防止裂纹；消除加工硬化，以利于继续加工。
从软化效果来看，完全退火最好，但退火温度较高，钢丝表面氧化相对比较重。所以钢丝原料和中间软化处理一般采用再结晶退火工艺；原料在800℃左右退火，炉冷到650℃以下出炉，热处理周期6-7h；半成品通常在750～800℃之间退火，保温后空冷，热处理周期约5～6h。
马氏体钢冷加工的残余应力如不及时消除往往导致钢的开裂。对1-4Cr13，工艺规定拉拔后的半成品钢丝，必须在12h内装炉热处理，一些含镍的马氏体钢，等于如1Cr17Ni2，由于镍的作用，奥氏体完全分解成珠光体所需时间非常长，很难通过退火达到软化的目的，通常采用高温回火的办法来实现软化。日本JIS标准推荐采用二段退火法来软化1Cr17Ni2，第一次750℃、空冷；第二次650℃、空冷。尽管如此，还是不能软化到HB230以下。
铁素体不锈钢丝采用退火处理来消除由于热加工和冷加工引起的应变和硬化。退火后钢丝抗拉强度下降，伸长率和耐蚀都能都得到改善。退火温度一般为750-850℃，保温后空冷。高铬铁素体钢丝，为防止晶粒粗化，也常采用650-750℃低温退火工艺。铁素体钢丝热处理的关键是防止因过热而导致的晶粒过分长大，在475℃脆性区停留时间尽可能地短。连续炉处理铁素体钢丝，因在炉内时间很短，炉温可提高到830～850℃。
2.1.3表面处理
不锈钢的变形抗力很大，拉拔时极易粘在模具上，造成表面划伤。为保证拉拔顺利进行，必须对钢丝进行适当的表面处理。表面处理包括去除表面氧化皮和在表面涂敷一层附着良好的润滑涂层两项内容。
不锈钢的合金元素多，表面氧化皮构成复杂。有必要首先介绍一下不锈钢中常见元素及其氧化物的性质:
铬及其氧化物：金属铬在碱、硝酸、碳酸盐的溶液和有机酸中非常稳定，但易溶于盐酸和热浓硫酸中。
铬生成三种氧化物：CrO、Cr2O3、CrO3、CrO很不稳定，在空气中氧化生成Cr2O3。Cr2O3是一种绿色的难溶物质，几乎不溶于酸碱溶液中。CrO3是铬酐，能溶于硫酸和硝酸溶液中。
镍及其氧化物：金属镍几乎不溶于硫酸和盐酸，仅溶于硝酸中。
镍的氧化物有NiO和Ni2O3两种。NiO溶于盐酸和硫酸，Ni2O3坚韧致密，不溶于硫酸。
锰及其氧化物：金属锰能溶于酸中，锰的氧化物有五种：MnO、Mn2O3、MnO2、Mn3O4、Mn2O7。低价氧化物呈碱性，MnO2呈两价，高价氧化物是酸酐。钢丝表面氧化皮是低价锰，能溶于酸中。
硅及其氧化物：氧化物为SiO2，仅能和酸中的氢氟酸作用。SiO2溶于热碱溶液中生成相应的硅酸盐。
钼及其氧化物：金属钼不与盐酸和稀硫酸起作用，只能溶于硝酸和热硫酸中。氧化物为MoO3，溶于酸、碱中。
钛及其氧化物：金属钛在常温下很稳定，耐腐蚀，高温时易和氧、氮生成化合物（TiO2、TiN）、TiO2溶于硫酸和碱中。
铝及其氧化物：金属铝常温下被氧化生成一层致密的Al2O3，保护内部铝不继续氧化。Al2O3不溶于水和酸，能与碱起作用。
不锈钢的氧化皮主要成分是Cr2O3和NiO，以铬尖晶石（Fe0·Cr2O3）和镍尖晶石（NiO·Fe2O3）形态存在。这层皮致密、坚韧，与基体结合牢固，很难酸洗去除，一般用碱浸和混合酸洗的方法去除。
2.1.3.1 碱浸
将钢丝浸泡在碱性熔盐或溶液中去除氧化皮的操作称为碱浸。碱浸可分为熔盐碱浸和溶液碱浸两种。
熔盐一般由碱金属或碱土金属的氢氧化物或碳酸盐和氧化剂组成。常用氧化剂有硝酸盐、重铬酸盐、过氧化钠、高锰酸钾及硼砂等，具体配方如表2-2。
表2-2 碱性熔盐常用配方
成 分，% 编号 NaOH NaNO3 Na2B7O4 NaH 使用温度，℃ |
1 80～75 20～25 450～600 2 75～82 15 3～10 480～550 3 95～98 5～2 370～400 |
熔盐碱浸操作过程是将钢丝置于熔融的碱性溶液中（400-600℃），浸泡一段时间，然后迅速淬水，其作用原理分两方面：一方面是钢丝氧化皮和基体金属的膨胀系数不一样，氧化皮可塑性小，钢丝淬水时部分氧化皮爆裂、脱落；另一方面是氧化皮中部分成分，如SiO2、MoO3、TiO2和Al2O3溶于碱性溶液中，Cr2O3也能与熔盐作用，形成高价铬酸盐，其反应方程式为：
Cr2O3+3NaNO3+4NaOH=2Na2CrO4+3NaNO2+2H2O
随着部分成分的溶解和高价铬盐的生成，氧化皮变得疏松，在随后的酸洗中易剥离。熔盐去除氧化皮的优点是不浸蚀基体金属，不产生酸洗氢脆。由于碱性熔盐有很强的氧化性，碱浸可以脱脂和消除钢丝表面黑灰，其反应方程式如下：
C+2NaNO3=2NaNO2+CO2↑
MoS2+6NaOH+9NaNO3=NaMoO4+2Na2SO4+9NaNO2+3H2O
反应生成的NaNO2能自动吸收空气中的氧，还原成NaNo3。
2NaNO2+O2=2NaNO3
所以氧化剂NaNO3实际上起触煤作用。碱浸时如熔盐保持无淤渣（碱泥）状态，只要按比例补充被带走的熔盐，就足以使碱浸处理连续进行。
碱浸操作时进入碱槽的钢丝必须干燥，不能带水，否则将引起爆炸，钢丝必须全部浸入熔盐中，碱浸后快速淬水。淬水后应及时清洗，去除表面残碱，防止钢丝碱蚀。熔碱槽使用一段时间后，底部沉积一层碱泥，落入碱泥中的钢丝未受碱作用，在随后的酸洗中会产生局部氧化皮洗不掉的缺陷，因此要定期去除沉淀的碱泥。
不锈钢丝熔盐碱浸工艺如表2-3。特别应注意部分不锈钢丝，如沉淀硬化钢丝和高铬铁素体钢丝，450～600℃碱浸会降低其塑性，应严格控制温度和时间（最好＜420℃和下限时间）。但氧化性熔盐熔点较高，420℃以下粘度增大，无法使用。国外也有采用还原性熔盐的，其成分如表2-2的3#配方，使用温度380～400℃，必要时可降至370℃，碱浸时间为1～20min。
熔盐碱浸的最大缺点是需设专门的碱槽，碱槽升温周期长，能源消耗大。一些产量不大、不能连续生产的厂家多选用溶液碱浸工艺。
表2-3 不锈钢丝碱浸工艺
钢 种 |
奥氏体钢 |
马氏体钢 |
铁素体、奥氏体—铁素体、硅含量1.0%以上的钢 |
温度，℃ 时间，min |
500～600 30～60 |
450～550 20～50 |
450～500 5～10 |
溶液碱浸的工作原理与熔盐碱浸相同，但使用温度低于溶液沸点，碱浸时间相应要加长。国内外常用溶液配方如表2-4。
表2-4 碱性高锰酸钾碱浸工艺
溶液浓度，g/l 编号 NaOH KMnO4 KOH 温度，℃ 时间，h |
1 50～100 50～100 80～100 1.5～4.0 2 60 80 80～95 1.5～4.0 |
1#配方在加拿大和美国已使用30多年，主要用于疏松高合金钢氧化皮，也可用来去除钢丝表面残留油脂和润滑剂，去除钢丝表面酸洗残渣和黑灰。溶液中的高锰酸钾是一种强氧化剂，氢氧化钠（或氢氧化钾）的作用是促进高锰酸钾分解，放出原子氧，随着NaOH含量的增加，分解加快，如果KMnO4分解速度太快，原子氧不能充分利用，生产氧气跑掉，KMnO4消耗量增大，碱浸速度并不能加快，反应方程式为：
2KMnO4+2KOH=2K2Mn4+H2O+[O]
绿色的锰酸钾是中间产物，它很快继续分解，再生成高锰酸钾和氢氧化钾：
3K2MnO4+2H2O=2KMnO4+MnO2↓+4KOH
从反应方程式可看出氢氧化物消耗不大，KMnO4耗量较大。碱性溶液疏松不锈钢氧化皮的反应方程式如下：
Cr2O3+2KMnO4+2NaOH=K2CrO4+Na2CrO4+2MnO2↓+H2O
新配溶液呈紫色，使用中生成MnO2棕色沉淀，紫色逐渐消褪。实际生产中可按每吨钢丝200-1000g的比例及时添加KMnO4，NaOH的消耗远低于KMnO4，可根据分析结果定期补加。高锰酸钾耗尽时，中间产物锰酸盐（K2MnO4）使溶液变成绿色。
溶液碱浸与酸洗配合使用，可明显缩短时间。不锈钢丝去除氧化皮一般采用酸洗→水冲洗→溶液碱浸→水冲洗→三酸洗的工艺流程。
2.1.3.2 酸洗
由于不锈钢氧化皮成分复杂，用单一酸很难将其彻底去除，因此，不锈钢丝多采用混合酸洗。表2-5是几种常用酸液配方。
表2-5 酸洗工艺
酸溶液浓度，g/l 编号 H2SO4 HCl HNO3 HF NaNO3 NaCl 温度℃ 时间min |
1 165～250 20～50 20～40 60～80 5～30 2 125～220 110～165 30～50 3～10 3 200～240 30～50 50～65 20～90 4 100～160 20～50 ≤50 10～60 |
1#酸液可用来洗经熔盐碱浸的不锈钢丝。硫酸中加入硝酸钠和食盐后，酸液中的H离子能与盐水解生成的Cl和NO3组成相应的酸，实际起硫酸、硝酸和盐酸三酸溶液作用。酸液中的硝酸钠是强氧化剂，对钢丝表面起钝化作用。酸洗后的钢丝表面呈银白色。这种酸液对基体的腐蚀作用较强，酸洗温度和时间控制不当，钢丝表面很容易形成麻点。此外，酸洗时产生橙色的NO2气体对人体毒害作用大，要注意排除废气，改善劳动条件。
2#酸液能比较好地溶解不锈钢氧化皮，适用洗不宜进行熔盐碱浸的高铬铁素体钢和沉淀硬化不锈钢丝。这种酸液成本高、酸性强，对金属基体腐蚀更强烈，使用时更应注意控制好钢丝表面质量。
#酸液可与高锰酸钾溶液配合使用，进行钢丝的预酸洗，也可用来洗熔盐碱浸后的铬不锈钢丝。酸液中的食盐在一定程度上起缓蚀作用，减少硫酸对基体的腐蚀，减轻钢丝酸洗后的氢脆。
4#酸液清洗不锈钢氧化皮最有效。因为氢氟酸对金属基体作用很弱，所以更能避免酸洗缺陷，容易得到更纯净的光亮表面。这种酸液浓度应保持一定的比例，即HNO3:HF=5:1。特别应注意的是氢氟酸液体和蒸气都有毒，能给人造成难以愈合的创伤，使用时必须配有特殊的预防措施。为防止挥发，酸液温度一般控制在50℃以下。
酸洗后的钢丝应立即用压力为0.8～1.2MPa的高压水，将表面残酸及残渣冲洗干净，然后进行涂层处理。
2.1.3.3 涂层
涂层的目的是在钢丝表面形成一层粗糙、多孔、能吸附和携带润滑剂的载体，拉丝时借助这层润滑载体将拉丝粉带入模具中。不锈钢丝常用涂层分盐石灰、草酸盐和氯（氟）系树脂3种类型。
盐石灰涂层成本低，原料购制方便，是国内应用最广泛的涂层，常用配方如表2-6。
表2-6 盐石灰涂层液配方
乳液浓度，% 编号 消石灰 食盐 元明粉 氯化石腊 磷酸三钠 二硫化钼 温度 涂层方法 Ca(OH)2 NaCl Na2SO4 Na3PO4 MoS2 ℃ |
1 20～30 8～10 ＞70 3次 2 20～30 8～10 10～20 2.0～2.5 ＞80 3次 3 15 10 0.5 1.5 0.2 ＞90 3次 4 10 13 6.5 3 ＞90 3次 |
盐石灰涂层质量的好坏主要取决于它在钢丝表面的粘附强度，而不是它的厚度。粘附强度又取决于石灰颗粒的细度。因此配制消石灰时，必须挑选焙烧完全，洁白纯净的石灰块，放入8～10倍的水中，待其消化后搅拌均匀，用80目筛网过滤，去除砂石和未消化的碎块。经过滤的石灰乳放置沉淀槽内，继续消化一周后呈雪花膏状，即可使用。沉淀槽内石灰应保持湿润状态，槽上要盖好盖。
消石灰中加入食盐可以提高石灰对钢丝的粘附性能，在随后的拉拔过程中食盐作为极压添加剂能提高拉丝粉的软化点，改善润滑质量。食盐—石灰涂层的最大缺点是潮湿天气极易返潮，造成涂层脱落。为此，国内各厂家配制多种盐石灰涂层，减少其吸湿性能。其中元明粉是粘附添加剂，氯化石腊和磷酸三钠是极压添加剂，二硫化钼直接改善润滑性能。
涂层后的不锈钢丝应在150～200℃下充分干燥。干燥一方面促使钢丝表面形成载体粗膜，另一方面也有去除酸洗氢脆作用，这点对含碳高的铬不锈钢丝（如9Cr18和4Cr13）尤其重要。
草酸盐涂层也是不锈钢丝的一种有效涂层，历史上曾广泛使用，近年来国内外均较少采用，这种涂层配方如表2-7。
表2-7 草酸盐涂层配方
溶液浓度，g/l 编 草酸 食盐 大苏打 亚硫酸钠 钼酸铵 氟化钠 硫酸铁 柠檬酸 温度 时间 号 H2C2O4 NaCl Na2S2O3 Na2SO3 (NH4)MoO4 NaF Fe2(SO4)3 C3H4OH(COOH)3 ℃ min |
1 40～60 10～30 0.5～1.0 80～90 10～20 2 50 25 3 30 10 60～70 5～10 3 37.5 1.2 8.7 50～70 30 4 120 30 3.0 160 50～70 5～15 |
新型涂层剂多以粉状结晶体供货，直接溶于水即可使用，使用维护方便。与老涂层方法相比，新涂层吸湿性少，不象硼砂和盐石灰那样易返潮；不象草酸盐那样着色；不象石灰皂那样易脱落而引起粉尘；不象树脂那样影响环境和危害健康，拉丝后的残余涂层去除方便。据初步分析，新涂层多以硼砂和元明粉（Na2SO4·10H2O）为基础，添加适量防潮剂、硫系或氯系极压剂配制而成。现在国内、日本、台湾不锈钢丝生产企业常用涂层液配比及工艺如表2-8 。近年来天津特润丝、天津东亚、济南龙海、西安新勇、靖江博通都有类似涂层供应。
表2-8 不锈钢丝涂层液配比及工艺
品种 |
外观 |
涂层工艺 |
适用范围 |
|||
浓度克/升 |
温度℃ |
PH值 |
浸涂时间分 |
|||
法CONDAT4020 |
白色 |
180～250 |
90～95 |
9.0～10 |
8 |
一般不锈钢丝 |
法CONDAT408 |
灰色 |
180～200 |
90～95 |
9.0 |
10 |
不锈弹簧钢丝 |
法CONDAT915 |
浅灰褐色 |
150～250 |
90-95 |
9.2 |
10～15 |
铁素体不锈丝 |
日共荣社SP-3 |
白-淡紫色 |
100～200 |
>90 |
9.2 |
>10 |
一般不锈钢丝 |
日共荣社SP-100 |
白-淡黄色 |
50～150 |
90～95 |
7.8 |
>10 |
不锈弹簧丝 |
注：涂层后钢丝自然风干或120～130℃烘烤10分钟
2.1.3.4 去涂层及中和
国为涂层中含有氯离子，拉拔后钢丝如直接热处理，氯离子会造成钢丝表面点腐蚀，所以热处理前要去除钢丝表面残留润滑膜（即去涂层）。残留润滑膜呈碱性，只要将钢丝置于酸液中漂洗一下，然后用高压水冲洗就可以去除。
去涂层后的钢丝需用消石灰（Ca(OH)2)的饱和溶液中和处理，中和液通常保持沸腾状态，钢丝出槽后利用自身热量即可烘干。
2.1.4拉丝
经固溶处理的奥氏体不锈钢丝塑性良好，但变形抗力大，加工硬化效应强，拉拔时要有良好的润滑剂和适宜的模具。
拉拔大尺寸（直径大于5.0mm）不锈钢丝一般选用YG8硬质合金模，模孔工作锥度为14°左右；小尺寸（直径5.0～0.5mm）钢丝选用YG6硬质合金模，模孔工作锥角度为12°左右。使用硬质合金模拉拔时，采用干式润滑剂。一般认为选用含有极压添加剂，软化点较高的脂肪酸皂较为适宜。直径0.5mm以下的不锈钢丝多采用聚晶金刚石模，在油性液体润滑剂（酸化蓖麻油、纺织助剂等）中拉拔。直径小于0.2mm的细丝大都采用天然金刚石模，配以肥皂水拉拔。
近年来不锈钢干式拉丝普遍采用压力模技术，即在压力模盒内同时装有两个模具，第一个模具（压力模）孔径稍大于钢丝直径，第二个模具为正常拉丝模。压力模起两种作用：1、为钢丝定位，保证钢丝沿中心线进入拉丝模，均匀变形。2、阻止润滑剂回流，在拉丝模前形成高压区，加大润滑剂粘附厚度，有利于多次拉拔。根据加拿大的使用经验，压力模孔径比钢丝（盘条）直径大一个固定值（K），使用效果最好，见表2-9和表2-10。
表2-9 钢丝拉拔压力模尺寸选择表
注：压力模孔径=钢丝直径+K
表2-10 盘条拉拔压力模尺寸选择表
注：压力模孔径=钢丝直径+K
油拉是近年常用的另一项新技术，干粉润滑剂拉出的不锈钢丝，在去除表面残余润滑膜后表面无光泽,称为半雾面状态。如经酸漂洗或打毛处理，彻底消除表面光泽后，则称为雾面状态。有的用户要求交货钢丝保持良好的金属光泽，称为光亮状态。光亮状态钢丝根据光洁度要求不同，必须在拉拔过程中预留1～2个道次，采用油性液体润滑剂拉拔。由于油性润滑剂的润滑效果远不如干粉润滑剂，油性拉拔的减面率一般控制在15%以下，拉拔速度限制在150m/min以下。马氏体钢丝可选用硬质合金模配合油性润滑剂拉拔。奥氏体和铁素体不锈钢丝最好选用聚晶钻石模与油性润滑剂配合拉拔。
与碳素弹簧钢丝相比，不锈钢丝拉拔的特点是总减面率较小，道次减面率较大。因为不锈钢丝时效温度较高，对模具和卷筒的冷却要求没有弹簧钢丝那样严格，甚至可以认为卷筒温度升高有利于不锈钢丝的拉拔。
保证表面涂层干燥，完整是不锈钢丝顺利拉拔的先决条件。一旦发现涂层返潮或局部脱落，应重新涂层后拉拔。拉拔过程中发现润滑不良也应重新涂层，否则钢丝极易与模孔粘粘，造成表面划伤。
铁素体钢丝和1-4Cr13马氏体钢丝的拉拔工艺与奥氏体钢相同，但要注意控制道次减面率不宜过大。拉拔后的钢丝应及时热处理，避免发生应力裂纹。
冷拉和软态交货的钢丝典型拉拔工艺如表2-11，轻拉状态交货的钢丝拉拔工艺如表2-12。
超低碳不锈钢丝的屈服极限相对比较低，冷加工硬化效应也比较弱，因而在保证成品性能符合标准条件下，可以使用较大的减面率拉拔。但其道次减面率应该比一般不锈钢丝小，否则很容易拉断。
表2-11 冷拉状态成品钢丝拉拔工艺
成品直径 允许偏差 成前直径 总减面率 拉拔道次 拉拔程序 mm mm mm % 次 mm |
6.0 ±0.038 8.0 43.8 2 8.0-6.8-6.0 5.0 ±0.038 7.0 49.0 2 7.0-5.8-5.0 4.0 ±0.038 5.5 47.1 2 5.5-4.5-4.0 3.0 ±0.03 4.2 49.0 2 4.2-3.5-3.0 2.0 ±0.03 2.8 49.0 2 2.8-2.3-2.0 1.0 ±0.02 1.4 49.0 2 1.4-1.15-1.0 |
表2-12 轻拉状态成品钢丝拉拔工艺
成品直径 允许偏差 成前直径 总减面率 拉拔道次 拉拔程序 mm mm mm % 次 mm |
6.0 ±0.038 6.7 19.8 1 6.7-6.0 5.0 ±0.038 5.6 20.3 1 5.6-5.0 4.0 ±0.038 4.5 21.0 1 4.5-4.0 3.0 ±0.03 3.4 22.1 1 3.4-3.0 2.0 ±0.03 2.3 24.4 1 2.3-2.0 1.0 ±0.02 1.15 24.4 1 1.15-1.0 |
2.2不锈弹簧钢丝
目前，国内外广泛采用的不锈弹簧钢丝大致分3类：相变强化马氏体钢丝、形变强化奥氏体钢丝和沉淀硬化半奥氏体钢丝。相变强化马氏体钢丝常用牌号为3Cr13、4Cr13、1Cr17Ni2和414(1Cr13Ni2)，这类钢丝使用时需经淬、回火处理，获得必要的强度和弹性，其生产工艺与不锈耐热钢相同。下面着重介绍奥氏体不锈弹簧钢丝的强化机理及生产工艺。
2.2.1奥氏体钢的强化机理
高强度是弹簧钢丝的基本要求，生产不锈弹簧钢丝首先必须清楚奥氏体不锈钢的强化机理。奥氏体钢的强化途径有固溶强化，细晶强化、相变强化、冷加工强化和沉淀强化。
2.2.1.1固溶强化
固溶强化是通过高温固溶处理，使更多的合金元素溶入奥氏体中达到强化基体的效果。间隙元素C和N的溶入形成间隙固溶体是提高基体强度的最有效途径，稳定铁素体元素Mo、Si、V、W等溶入，形成置换固溶体，有一定的强化效果。而Cu、Mn、Co和Ni溶入形成的置换固溶体，强化效果有限，甚至会降低强度。
2.2.1.2细晶强化
细晶强化是通过细化晶粒，达到强化效果。Hall-Petch公式直观地表达了晶粒与强度的关系：
σs=σos+K d-1/2
式中:σs —屈服强度(Mpa)
σos —晶体点阵对位错运动的内力(Mpa)
K—与村料有关的系数
d—晶粒尺寸（μm）
2.2.1.3相变强化
相变强化是指不稳定奥氏体钢在冷加工过程中生成部分形变马氏体，使钢的强度有所提高。形变马氏体量的多少与化学成分密切相关，皮克灵（Pickering）和奥格尔（Augel）给出的Ms和Md30点计算公式比较精确地反映出18-8型不锈弹簧钢丝金相组织与化学成分的关系。
Ms=502-810C-13Mn-12Cr-30Ni-54Cu-46Mo-1230N （1）
Md30=413-462（C+N）-8.1Mn-9.2Si-13.7Cr-9.5Ni-18.5Mo （2）
式中：Ms—马氏体转变开始温度，℃；
Md30—经30%冷变形，马氏体转变量为50%的温度，℃；
C—碳的百分含量（含碳0.09%时C=0.09，其它元素表示方法相同）
不锈钢的Ms点高于室温时，固溶处理后快冷到室温就会产生马氏体。Ms点低于室温，快冷可得到单相奥氏体组织。同理，在低于Md30点温度下进行冷加工，获得的形变马氏体量大于50%，在稍高于Md30点温度下进行冷加工，获得形变马氏体量要少于50%，如Md30点远低于室温；冷加工就不会产生形变马氏体。表2-22为1Cr18Ni9、1Cr18Ni9Ti和0Cr17Ni12Mo的典型化学成分和Ms、Md30点的计算数值，因为1Cr18Ni9和1Cr18Ni9Ti的Md30点接近室温，冷加工强化后的钢丝中有形变马氏体组织存在，0Cr17Ni12Mo的Md30较低，冷加工强化后钢丝中很少有形变马氏体组织。
表2-22 化学成分和Ms、Md30点
牌号 |
化学成分，% |
Ms |
Md30 |
||||||||
C |
Mn |
Si |
P |
S |
Cr |
Ni |
Mo |
Ti |
|||
1Cr18Ni9 |
0.11 |
1.31 |
0.65 |
0.020 |
0.004 |
17.64 |
8.49 |
-71 |
23 |
||
1Cr18Ni9Ti |
0.09 |
1.30 |
0.60 |
0.020 |
0.003 |
17.99 |
9.90 |
0.59 |
-76 |
22 |
|
0Cr17Ni12Mo2 |
0.05 |
1.26 |
0.50 |
0.025 |
0.020 |
17.25 |
11.06 |
2.42 |
-205 |
-11 |
|
2.2.1.4固溶强化、细晶强化和相变强化的综合效应
固溶强化、细晶强化和相变强化的综合效应可以以下面公式表示：
σs=[4.4+23C+1.3Si+Cr+0.94Mo+1.2V+0.29W+2.6Nb+1.7Ti+0.82Al+0.16δ+0.46d-1/2]×15.4
σb=[29+35C+55N+2.4Si+0.11Ni+1.2Mo+5Nb+3Ti+1.2Al+0.14δ+0.82t-1/2+12+0.82M] ×15.4
式中 d—晶粒尺寸（μm）
t—单位长度孪晶数（个/mm）
δ—高温铁素体含量（%）
M—马氏体含量（%）
2.2.2形变强化奥氏体不锈弹簧钢丝
形变强化奥氏体不锈弹簧钢丝常用牌号有1Cr18Ni9（302）、1Cr18Ni9Ti（321）、0Cr17Ni12Mo2（316）。这类钢铬、镍含量高，常温下为单相奥氏体组织，有很高的塑性和韧性，弱磁性，在氧化和还原性介质中耐蚀性能良好。钢中一般不含沉淀硬化元素，尽管有些牌号中存在沉淀硬化相和δ铁素体相，冷拉过程中产生少量形变马氏体，但它们作用较小，主要强化手段是冷加工变形及随后的消除应力退火。
2.2.2.1冷加工强化
①化学成分的影响
化学成分对冷加工硬化因素有很大影响，随镍含量增加，奥氏体稳定性提高，冷加工硬化效应减弱。所以弹簧用不锈钢实际生产中往往将镍含量控制在中下限。
碳对不锈弹簧钢丝性能有举足轻重的影响，从表1-3看出，随碳含量增加，不锈钢固溶处理后的屈服强度和抗拉强度相应提高。从冷加工强化角度考虑，弹簧用不锈钢的碳含量越高越好，但碳含量提高后，钢的耐蚀性能下降，综合考虑，实际生产中分别将1Cr18Ni9、1Cr18Ni9Ti和0Cr17Ni12Mo2的碳含量控制在0.08%～0.14%、0.07%～0.11%和0.05%～0.08%范围内。
1Cr18Ni9弹簧钢丝的不足之处是抗晶间腐蚀性能稍差，在强腐蚀性气氛中工作的弹簧元件往往采用1Cr18Ni9Ti。钛对弹簧钢丝性能的影响具有双重性，从抗晶间腐蚀方面考虑，实际生产统计数据表明，Ti/C比应大于5.5。由于钛在不锈钢中的作用是固定碳，提高钛含量等于降低碳含量，随着钛含量的增加，钢丝冷加工强化效应急剧下降，1Cr18Ni9Ti要达到与1Cr18Ni9相同的抗拉强度，必须采用更大的冷加工减面率。
②冷拉减面率的影响
形变强化奥氏体不锈钢主要依靠冷加工强化，成品钢丝的抗拉强度与冷加工减面率成正比，通常用如下经验公式表示：
σb=σ0+KQ （3）
式中：
σb—拉拔后钢丝抗拉强度，N/mm2；
σ0—拉拔前钢丝抗拉强度，N/mm2；
K—冷加工强化系数；
Q—冷加工总减面率，%。
根据生产统计数据分析结果，1Cr18Ni9钢丝碳含量为0.11%时，K=14.3，当碳含量在0.14%～0.08%范围波动时，其冷加工强化系数（K）随之产生±0.3的波动，即C=0.14%时，K=14.6；C=0.08%时，K=14.0。0Cr17Ni12Mo的冷加工强化系数比1Cr18Ni9的低，K=12.2。当碳含量在0.08%～0.05%之间波动时，冷加工系数的波动约为±0.2。1Cr18Ni9Ti的冷加工系数除受碳影响外（C=0.11%～0.07%时，K值波动约为±0.2），钛含量影响似乎更大些。从表2-23可以看出，随钛含量增加，冷加工强化系数减小。
表12-23 钛含量对18-8型钢K值的影响
钛含量，% |
0 |
0.3 |
0.35 |
0.40 |
0.45 |
0.50 |
0.55 |
0.60 |
0.65 |
冷加工强化系数（K） |
14.3 |
13.5 |
13.0 |
12.6 |
12.2 |
11.9 |
11.6 |
11.4 |
11.2 |
③晶粒度的影响
常规工艺生产的不锈钢丝晶粒度一般在6～8级之间，上面提供的各牌号钢丝的冷加工强化系数是根据晶粒度6～8级的钢丝生产经验总结出来的。实际上随着钢丝晶粒度细化，钢丝的初始抗拉强度和冷加工强化系数都有较大幅度的提高。
以0Cr17Ni2Mo2为例，成分相近的钢丝，晶粒度为7～8级时σo=640N/mm2，K=12.2，晶粒度为10.5～11.5级时σo=725N/mm2，K=13.2。奥氏体钢的晶粒度主要取决于线材轧制的温度、速度和总变形量。大钢高合金棒线材连续机生产的奥氏体不锈钢线材经在线固溶处理后的晶粒度可达10～11.5级。
按K值的经验数据进行计算，当1Cr18Ni9总减面率在85%以下、1Cr18Ni9Ti和0Cr17Ni12Mo2总减面率在90%以下时，预测值的精度比较高。总减面率高出上述范围时，预测值往往比实际值低一些。
2.2.2.2生产技术
① 固溶处理
固溶处理的目的是消除加工硬化，使碳化物和冷加工产生的形变马氏体相充分溶解于奥氏体中，然后快速冷却，获得组织均匀、单一的奥氏体组织。由于固溶处理后的钢丝要承受90%左右冷加工变形，固溶工艺对成品性能影响很大。如固溶处理温度偏低（＜900℃），或冷却不快，会造成碳化物和形变马氏体相不能充分溶解或析出，在随后的冷加工过程中，往往出现扭转裂纹、强度偏低和拉拔脆断等缺陷。固溶温度偏高（≥1200℃），又会造成奥氏体晶粒过分粗大，冷加工性能变坏，钢丝拉不到预定尺寸。适宜的温度是1000～1100℃。
不锈弹簧钢丝成品强度合格范围窄（≤245N/mm2），为保证强度均匀性，成前全部采用连续炉进行固溶处理，出炉后空冷或水冷。
② 表面处理
不锈弹簧钢丝酸洗同不锈耐热钢丝。由于冷加工减面率很大，表面涂层成为钢丝能否顺利拉拔到预定尺寸的关键。国内外先进厂家都配有不锈钢丝表面涂层和去涂层的专用生产线，多采用专业厂生产的水溶性涂层剂。目前国内生产这类涂层剂技术尚不成熟，国内不锈钢丝生产企业大多进口或从中外合资企业购进涂层材料，不少企业仍旧沿用盐石灰涂层或草酸盐涂层。生产中应对这一环节予以充分的重视，可采用多次重复涂敷和干燥的方法，确保表面涂层均匀、牢靠。
③ 拉丝
1Cr18Ni9、1Cr18Ni9Ti和0Cr17Ni12Mo2弹簧钢丝主要依靠冷加工强化达到标准规定的强度。在拉丝前需根据化学成分查出对应的冷加工强化系数，计算总减面率，确定成前尺寸。成品需经多道次拉拔，道次减面率按递减分配较为适宜。一般头一道次减面率高达25%～30%，以后逐道次递减，成品道次减面率一般为12%～17%。成品钢丝强度高，很容易出现∞字型扭曲，除加强对车外，还可用套模的方法改善料形，即在拉丝模前套上一个比钢丝直径大0.01～0.02mm的模具，以保证钢丝垂直进入模具，拉出的料形比较规整。
不锈弹簧钢丝常见尺寸的拉拔工艺如表2-24。在冷拉过程中，钢丝除抗拉强度升高外，弯曲和扭转性能也发生变化。弯曲性能变化规律是随减面率增加，弯曲次数呈直线下降，减面率达60%以上时，下降趋势缓和，有时稍有升高。扭转次数先随减面率增加而下降。减面率达50%以上时又明显回升。在总减面率不变的条件下，增加拉拔道次有利于弯曲和扭转性能的改善，抗拉强度则稍有降低。
表2-224不锈弹簧钢丝拉拔工艺
牌号标准 |
成品 直径 mm |
成前 直径 mm |
总减 面率 mm |
拉拔 道次 次 |
拉拔程序，mm |
1Cr18Ni9
GjB3320-98 |
0.5 |
1.2 |
82.6 |
9 |
1.2－1.02－0.9－0.82－0.75－0.69－0.63－0.58－0.54－0.50 |
1.0 |
2.0 |
75.0 |
7 |
2.0－1.7－1.52－1.4－1.28－1.18－1.08－1.0 |
|
2.0 |
3.3 |
63.2 |
5 |
3.3－2.8－2.5－2.2－2.15－2.0 |
|
3.0 |
4.6 |
57.5 |
4 |
4.6－4.0－3.6－3.3－3.0 |
|
4.0 |
5.8 |
52.4 |
3 |
5.8－4.9－4.3－4.0 |
|
1Cr18Ni9Ti
DGB09-89 |
0.5 |
1.8 |
92.2 |
12 |
1.8－1.5－1.3－1.15－1.0－0.9－0.82－0.75－0.69－0.63－0.58－0.54－0.50 |
1.0 |
3.5 |
91.8 |
12 |
3.5－3.0－2.65－2.25－2.1－1.9－1.7－1.55－1.4－1.28－1.18－1.08－1.0 |
|
2.0 |
7.0 |
91.8 |
12 |
7.0－6.0－5.2－4.6－4.1－3.7－3.3－3.0－2.75－2.5－2.2－2.15－2.0 |
|
3.0 |
8.5 |
87.5 |
10 |
8.5－7.2－6.3－5.6－5.0－4.5－4.1－3.8－3.5－3.25－3.0 |
|
4.0 |
10 |
84.0 |
9 |
10－8.5－7.5－6.8－6.2－5.6－5.1－4.7－4.3－4.0 |
④ 消除应力退火
用形变强化不锈钢丝制作的弹簧元件，冷缠成形后必须进行消除应力退火。消除应力退火有去除弹簧钢丝中残余应力和稳定弹簧形状两种作用。退火温度为350～450℃，保温时间1～2h，退火后钢丝抗拉强度上升80～200N/mm2。原始强度越高，强度升值越大，弯曲和扭转次数则有所下降。造成强度上升、韧性下降的原因，据分析可能与位错重新分布、合金元素的偏聚及少量碳化物析出有关。碳化物析出会导致合金元素贫化、Ms点升高，在随后的冷却中又有少量马氏体析出。
这时需从成品钢丝中取试样，按标准要求消除应力退火后测定抗拉强度，在生产中必须把消除应力退火引起的抗拉强度上升考虑进去。
2.2.3沉淀硬化半奥氏体不锈弹簧钢丝
1Cr18Ni9和1Cr18NiTi等形变强化奥氏体不锈弹簧钢丝虽有良好的耐蚀性能，但其强度和弹性较低，抗松弛和蠕变性能较差，弹性模量的温度系数较大，只适用于制作载荷较低或仪器精度要求不太高的静态弹性元件。为此，近30年来发展了一种沉淀硬化型半奥氏体不锈弹簧钢丝，0Cr17Ni7Al就是其中一个典型牌号。
0Cr17Ni7Al与1Cr18Ni9和1Cr18Ni9Ti等弹性性能比较如表2-25、表2-26和表2-27。
表2-25 几种不锈弹簧钢丝性能比较
牌号 |
拉力弹性极限， % σb |
扭转弹性极限，% σb |
弹性模量E， MPa |
剪切模量G， MPa |
最高使用温度，℃ |
1Cr18Ni9Ti |
65～75 |
45～55 |
186000 |
68400 |
300 |
1Cr18Ni9 |
65～75 |
45～55 |
193000 |
68950 |
300 |
0Cr17Ni7Al |
75～85 |
55～60 |
203400 |
75840 |
350 |
表2-26 几种钢丝的松弛性能
钢 种 |
钢丝直径 mm |
保持时间h |
温度，℃ |
100 |
150 |
200 |
250 |
||||
初始载荷 N/mm2 |
637 |
784 |
637 |
784 |
637 |
784 |
637 |
784 |
|||
0Cr17Ni7Al |
3.8 |
16 |
载荷损失百分率，% |
0.1 |
0.3 |
0.4 |
0.5 |
0.4 |
0.5 |
0.4 |
0.8 |
1Cr18Ni9 |
3.8 |
16 |
1.0 |
1.5 |
1.2 |
2.4 |
1.5 |
3.1 |
2.2 |
4.2 |
|
琴钢丝 |
3.8 |
16 |
3.0 |
4.8 |
6.4 |
9.5 |
13.3 |
17.3 |
|||
表2-27 0Cr17Ni7Al扭转模量随温度变化百分数
温度 ℃ |
-76 |
-54 |
-17.8 |
26.7 |
121 |
177 |
232 |
288 |
343 |
399 |
变化率，% |
+2.4 |
+1.8 |
+1.5 |
0 |
-2.4 |
-4.8 |
-6.9 |
-9.2 |
-11.4 |
-15.4 |
2.2.3.1 组织特点和化学成分控制
淀硬化半奥氏体钢是最复杂，又是最有前途的钢种，生产的关键是控制好化学成分，使钢的金相组织具有如下特点：
①钢的马氏体点（Ms）应约低于室温，以保证固溶处理后获得奥氏体组织，并且这种奥氏体组织是不稳定的，可以通过简单处理使其转变成马氏体，获得高强度。
②应控制钢的组织，使铁素体含量为5%～20%，有利于调节处理，并能提高钢的可焊接性。
③为保证钢具有良好的耐蚀性能，应含有足够的铬和较低的碳。
④加入一定量沉淀硬化元素，保证时效时在马氏体基体上析出弥散强化相，并有较高的稳定性。
从不锈钢组织图可以看出，0Cr17Ni7Al处于A+M+F区的边缘，化学成分的微小波动会带来组织和性能的很大变化。成品钢丝要获得稳定的性能，必须严格控制化学成分。
0Cr17Ni7Al的Ms和Md30点可应用经验公式（1）、（2）进行测算。一般认为，不锈弹簧钢丝0Cr17Ni7Al的Ms点最好控制在0～20℃之间，马氏体转变点过高的钢固溶后强度高（σb>1000N/mm2），加工性能差，拉丝过程中易产生裂纹和脆断，成品强度往往偏低。同样，Md30点过高的钢，拉拔时过早出现马氏体，钢丝的深加工性能往往不好，马氏体组织经大减面率拉拔极易产生开裂和脆断。
计算铁素体含量的经验公式如下：
δ=2.4Cr+1.4Al+1.2Si+14Ti-41C-0.5Mn-2.5Ni-18 （4）
式中：δ—铁素体的百分含量，（%）；
Cr—铬的百分含量，（%）（其它元素表示方法相同）。
因为碳化物容易在两相交界处析出，所以钢中含有一定量的铁素体有利于调节热处理（TH处理）。对于冷拉弹簧钢丝（CH处理）来说，铁素体相较软，强化效应较弱，对提高成品强度有不利影响，还会给热加工带来困难，所以最好把铁素体量控制在5%以下，实际生产中可用把镍含量控制在上限的方法来达到这一目的，如表2-29。日本不锈弹簧钢丝标准（JISG4314-88）中把镍含量由6.50%～7.75%提高到7.00%～8.50%，大概就是这个原因。
表2-29 0Cr17Ni7Al的化学成分、Ms、Md30和δ%
炉号 |
化学成分，% |
Ms |
Md30 |
δ% |
||||||||
C |
Mn |
Si |
P |
S |
Cr |
Ni |
Al |
Cu |
℃ |
℃ |
||
7A6～361 |
0.066 |
0.70 |
0.39 |
0.012 |
0.009 |
17.26 |
7.24 |
1.12 |
10 |
67 |
3.85 |
|
84～887 |
0.070 |
0.74 |
0.33 |
0.024 |
0.007 |
16.70 |
7.25 |
1.32 |
0.08 |
13 |
74 |
2.96 |
05～518 |
0.060 |
0.70 |
0.33 |
0.024 |
0.010 |
17.10 |
7.39 |
1.21 |
0.10 |
12 |
72 |
3.85 |
碳对冷加工强化有利，对耐蚀性能不利。综合考虑，生产中常把碳含量控制在0.05%～0.08%之间，铬含量控制在中限，硅含量控制在下限，铝为时效硬化元素，一般控制在0.95%～1.35%之间。
2.2.3.2 强化途径
0Cr17Ni7Al实现强化的处理包括3个阶段：奥氏体调整处理，马氏体转变，沉淀（时效）硬化。具体方法有TH1050，TH950，RH950和CH900处理，其中以CH900处理强化效果最显著，抗蠕变性能也比TH和RH处理好，制作形状简单的弹性元件都采用CH处理，只有制作形状复杂、成型困难的弹性元件才采用RH或TH处理。各种处理代号的含义如下：
A—固溶处理（austening conditioning）
T—相变处理（transformation treatment）
R—冷处理（refrigiration treatment）
C—冷加工（cold working）
H—沉淀硬化时效处理（hardening treatment）
沉淀硬化不锈弹簧钢丝0Cr17Ni7Al采用CH900处理，因其冷加工时具有形变强化和马氏体相变强化双重效应，强化效果要比同样碳含量的1Cr18Ni9、1Cr18Ni9Ti和0Cr17Ni12Mo2更强烈。生产中可用下面经验公式预测0Cr17Ni7Al拉拔后的抗拉强度：
σb =σ0 +（80C+8.3）Q （5）
式中：σb—冷拉后抗拉强度，N/mm2；
σ0—冷拉前抗拉强度，N/mm2；
C—碳的百分含量，（含碳0.07%时C=0.07）；
Q—总减面率，%
公式（5）适用于晶粒度7～8级的钢丝强度预测，钢丝晶粒细化时，冷加工强化系数（K）也随之加大。经试验C含量0.07%的0Cr17Ni7A钢丝，晶粒度为11级时，冷加工强化系数（K）由13.9提高到14.3。
2.2.3.3生产工艺特点
0Cr17Ni7Al钢丝的生产工艺基本上和1Cr18Ni9相同，但0Cr17Ni7A固溶处理时，温度和冷却速度对Ms点的影响要比1Cr18Ni9大得多。固溶温度越高，冷却速度越快，Ms点越低。0Cr17Ni7Al成前固溶处理温度要适当提高，一般为1050～1120℃，不得低于1000℃，冷却速度应尽可能快。据资料介绍，0Cr17Ni7Al在含有CO的可控气氛中热处理，易渗碳，在氨分解气体中易渗氮，比较理想的保护气体是露点低于-60℃的氢气或氩气。
0Cr17Ni7Al表面处理与1Cr17Ni9的最大不同是酸洗前不进行碱浸处理，特别是Ms点高于室温的钢丝或冷拉后已经含有马氏体组织的钢丝，一经500℃左右碱浸，产生时效作用，冷加工性能变坏。
0Cr17Ni7Al的Md30点比较高，冷加工产生的形变马氏体量较多，产生裂纹的机率大，裂纹扩展得较快，拉拔时应适当减少道次减面率，增加拉拔道次。GJB3320中几个常用规格的生产工艺如表2-30。
表2-30 GJB3320成品钢丝拉拔工艺
组别 |
成品直径mm |
成前直径mm |
减面率 % |
道次 次 |
拉拔程序，mm |
A |
0.5 |
1.5 |
88.9 |
11 |
1.5－1.3－1.15－1.0－0.9－0.82－0.75－0.69－0.63－0.58－0.54－0.50 |
1.0 |
2.6 |
85.2 |
10 |
2.6－2.25－2.0－1.8－1.65－1.5－1.37－1.25－1.15－1.07－1.0 |
|
2.0 |
4.2 |
77.3 |
7 |
4.2－3.6－3.2－2.9－2.65－2.4－2.18－2.0 |
|
B |
0.5 |
1.2 |
82.6 |
9 |
1.2－1.04－0.92－0.82－0.75－0.69－0.63－0.58－0.54－0.50 |
1.0 |
2.05 |
76.2 |
7 |
2.05－1.75－1.55－1.4－1.27－1.16－1.07－1.0 |
|
2.0 |
3.6 |
69.1 |
6 |
3.6－3.15－2.85－2.6－2.28－2.18－2.0 |
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