一种弹簧钢丝表面氧化处理工艺的制作方法

本发明涉及弹簧生产技术领域，具体为一种弹簧钢丝表面氧化处理工艺。

背景技术：

目前，一般工厂生产的淬火钢丝表面均呈暗黑色或暗红色，个别产品表面还呈褐红色，这种褐红色物质主要是fe2o3，俗称铁红，fe2o3不溶于水，也不与水起作用，室温状态下其结构疏松多孔。这种钢丝在储存过程中防锈不当会导致钢丝表面越来越锈，在储存过程或卷制过程中存在断裂的风险。

钢铁表面的氧化物主要来源于两个方面：一是在制造加工过程中产生的氧化膜，由于加工温度不同，表面氧化皮的组成亦有差异；二是受大气腐蚀形成的腐蚀产物膜，主要在潮湿空气中进行，即所谓的大气腐蚀，所生成的氧化膜通常称为铁锈，它以电化学腐蚀为主，特别是当潮湿空气中有少量的二氧化碳气体存在时，更容易发生腐蚀。

铁锈的主要成分是灰色的feo、赤色的fe2o3、橙黄色的fe2o3·nh2o和蓝黑色的fe3o4，feo又称一氧化铁，其性质极不稳定，易被氧化成fe2o3；fe2o3就是常说的铁锈，其本身属于腐蚀产物，其特性疏松多孔；fe3o4为黑色晶体，具有很好的磁性，从晶体结构来看，fe3o4氧化膜也是p型半导体氧化物，但其缺陷浓度比feo少，它具有晶尖石型复杂立方晶格结构，从室温至熔点(1538℃)，其相结构非常稳定，是钢铁表面几种氧化膜中结构最致密、抗氧化性最佳的氧化膜。

淬火回火钢丝生产属于感应加热——淬火——回火连线生产，虽然加热温度比较高，但加热速度比较快，尤其淬火回火钢丝为了获得高强度，大多采用500℃以下的中温回火，因此在其生产过程中feo生成量少到可以忽略不计，但fe2o3在生产过程没有特殊工艺手段很难避免出现，这就造成钢丝收线上油后总还会有fe2o3吸附在钢丝表面，从而导致钢丝表面发生析氢腐蚀，其生成物fe(oh)2被继续氧化，生成fe(oh)3，fe(oh)3脱水生成棕红色fe2o3，这就导致淬火回火钢丝在储存过程中防锈不当会导致钢丝表面越来越锈的根本原因。

目前在针对钢丝表面锈蚀问题，一般防锈措施分为两种：

1、涂抹防锈油以使钢丝隔绝空气，但是防锈油随时间挥发或被擦拭后，即失去保护效果，同时使得操作车间存在大量油污，极大降低车间清洁度。

2、利用发蓝、发黑等氧化工艺在表面形成氧化膜，但是该工艺一般反应温度为400度，将零件放置在密闭气室里，反应时间要一个小时左右，同时需要在淬火、回火等工艺完成之后进行覆膜，因此无法实现在线覆膜，导致生产效率降低。

因此，如何对弹簧钢丝进行表面处理以解决防锈难题，同时确保生产速度成为该领域亟待解决的问题。

技术实现要素：

本发明的目的是针对上述背景技术中存在的问题，提供一种弹簧钢丝表面氧化处理工艺，在淬火回火钢丝生产工艺中加入一道表面氧化工艺技术，利用铁基零件的高温水蒸气处理原理，即经过中频加热后的钢丝与过饱和蒸汽反应，在钢丝表面生成一层致密的fe3o4氧化膜，以防止金属被腐蚀。

为了实现上述发明目的，本发明采用了以下技术方案：

一种弹簧钢丝表面氧化处理工艺，包括以下步骤：

1)前处理：

1.0)将原材料线材通过喷丸机进行喷丸处理，去除线材表面的氧化膜层，得到具有金属光泽的线材；

1.1)对线材进行拉拔成型处理，得到特定直径的待感应热处理的线材；

2)表面清洗：对即将进行感应加热的线材进行表面拉丝粉等杂质污垢的在线清洗；

3)中频加热：采用在线感应加热热处理装置将钢丝加热至900℃～980℃，在高温加热段采用保护措施防止钢丝表面与氧气接触发生表面氧化；

4)覆膜：将加热后的钢丝通过相对密封的反应腔室，并在所述反应腔室中通入温度在750℃～850℃的过饱和蒸汽，使钢丝表面生成一层致密的fe3o4，该反应的化学方程式为：3fe+4h2o(高温)＝fe3o4+4h2；

5)淬火：对氧化覆膜后的钢丝进行淬火处理；

6)中频回火：对淬火后的钢丝进行感应加热中温回火处理，得到成品钢丝。

7)涡流探伤；

8)收线。

与现有技术相比，采用了上述技术方案的弹簧钢丝表面氧化处理工艺，具有如下有益效果：

一、由于钢丝表面生成的这种蓝-灰色金属光泽的fe3o4氧化膜与基体材料结合性强、致密性高，过饱和蒸汽处理产生的氧化薄膜可以填充基体材料微孔，可以提高材料表面的耐磨性和气密性，且化学性质稳定，使抗蚀能力大大提高。

二、由于线材表面处理是利用氧化反应，形成氧化膜达到防锈蚀目的，且氧化膜不易剥落，因此防锈能力相比防锈油更佳，不会因为防锈油挥发或被擦拭而失去保护效果。

三、同时相比于发黑、发蓝等工艺，高温在线覆膜效率远高于静置覆膜，由于覆膜过程中，整个生产线上的钢丝依旧处于移动状态，也就是说前处理、中频加热、覆膜、淬火、中频回火、涡流探伤和收线所有的工艺步骤都在同步进行，无需中断增加生产时间，相当于是在传统在线淬火工艺里面增加了在线覆膜的工艺。

四、在中频加热和淬火之间增加覆膜步骤，可以有效降低加热所需的能量消耗，更为节能。

即淬火工艺中，中频加热的目的是使钢丝加热达到奥氏体状态所需的温度(900-980度)，同时该加热温度正好也适用于覆膜的反应温度，将覆膜步骤设置在加热和淬火之间，可以使得一次加热同时用于后续覆膜和淬火所需。

五、同时覆膜过程中，过饱和蒸汽带走部分钢丝表面热量，使得钢丝表面温度有所降低，在进入至淬火时，可以降低钢丝高温淬裂风险。

优选的，在步骤3)中，钢丝感应加热热处理在线行进速度为14～30m/min；在步骤3)中，钢丝上某一点从进入到离开反应腔室的时间为4～10s。

优选的，在步骤4)中，钢丝覆膜时行进速度与中频加热行进速度一致，由于钢丝某一点从进入到离开反应腔室的时间仅有4～10s时间，需采用温度高达750℃～850℃的过饱和蒸汽来缩短反应时间、及一定的流量来完成表面覆膜，具体参数要根据钢丝的行进速度有微调的变动。首先确保钢丝表面能够充分反应形成足够厚度的氧化膜，其次确保通入的过饱和蒸汽能够完全参与到反应，无多余蒸汽溢出而导致的浪费。

优选的，在反应腔室进口处设置挡风装置；在步骤3)中所述的热处理装置启动前5分钟时向反应腔室中通入过饱和蒸汽，以排出反应腔室中存在的空气和水分，氧含量控制在0.1％以下，在反应腔室中形成过饱和蒸汽气氛，若反应腔室内含有较大量的空气和水气，空气中游离的o2就会参与反应，那么在后面就会出现以下反应：2fe3o4+2h2o+1/2o2→3fe2o3+2h2o，导致钢丝表面产生较多的fe2o3。

优选的，过饱和蒸汽的进气位置位于反应腔室沿钢丝线速走向的前端，使得反应腔室中的蒸汽流量由前至后逐渐变小，既可以保证初始反应的充分，又可以避免后续反应速率降低后气流平衡常数k值迅速增大，避免出现可逆反应生成fe2o3。

优选的，反应腔室由耐高温云母管包围制成。

附图说明

图1为本发明弹簧钢丝表面氧化处理工艺实施例的工艺流程图。

图2为本实施例中中频加热和覆膜工段的装置设备示意图。

图3为不同温度、水蒸气和氢时形成fe3o4和feo的平衡图。

图4为feo、fe2o3及fe3o4的生成与水汽平衡常数k和温度的关系图。

附图标记：1、钢丝；2、反应腔室；3、热处理装置；4、过饱和蒸汽发生器；5、耐高温云母管；6、挡风装置。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步描述。

如图1至图4所示的弹簧钢丝表面氧化处理工艺，包括以下步骤：

1)前处理：

1.0)将原材料线材通过喷丸机进行喷丸处理，去除线材表面的氧化膜层，得到具有金属光泽的线材；

1.1)对线材进行拉拔成型处理，得到特定直径的钢丝1；

2)表面清洗：在感应热处理线上，对即将进行感应加热的线材进行表面拉丝粉等杂质污垢的在线清洗，避免后续步骤3)和步骤4)中形成杂质颗粒，确保覆膜后表面光整；

3)中频加热：启动在线感应加热热处理装置3前5分钟时，先启动过饱和蒸汽发生器4，向由耐高温云母管5包围制成的反应腔室2中通入过饱和蒸汽，排出反应腔室2中存在的空气和水分，将氧含量控制在0.1％以下，然后启动热处理装置3将钢丝1加热至900℃～980℃，钢丝1感应加热热处理在线行进速度为14～30m/min；

4)覆膜：该工序的反应场所为长度约为2～2.5米的反应腔室2，将加热后的钢丝1通过相对密封的反应腔室2，钢丝1上某一点从进入到离开反应腔室2的时间为4～10s，在反应腔室2中通入温度在750℃～850℃的过饱和蒸汽。上述反应的化学方程式为：3fe+4h2o(高温)＝fe3o4+4h2；

5)淬火：对覆膜后的钢丝1进行淬火处理；

6)中频回火：对淬火后的钢丝进行感应加热中温回火处理，得到成品钢丝；

7)涡流探伤；

8)收线。

高温水蒸汽处理在不同温度和蒸汽压力下，能生产三种氧化物：feo、fe3o4和fe2o3。

图3和图4所示出的是蒸汽处理反应的两个基本图，从图4中可以看到，570℃上下和不同的蒸汽流量时将发生下面三个可逆反应：

570℃以下：

570℃上，k值(％h2o/％h2比值)较低：

570℃上，k值(％h2o/％h2比值)较高：

图4的下半部分可以看成是图3的翻版；图4的上半部分表示在不同气流平衡常数k(％h2o/％h2比值)下的可逆反应：

即平衡常数k>4以后生成的fe3o4有可能进一步氧化成fe2o3。

另外在570℃以上生成的feo如未进一步完成反应式③生成fe3o4，则在随后的冷却过程中，即温度降到570℃以下时，feo将发生歧化反应生成新生态的fe：

4feo→fe3o4+fe⑤

通过上述原理和两个基本图形分析得出，高温蒸汽氧化处理成败的工艺关键点为：

(1)首先，通入反应腔室2内蒸汽应为450℃以上的过饱和蒸汽，而不是传统意义上的饱和蒸汽。因为钢丝通过密封管的反应时间较短(4～10s)，采用750℃～850℃的高温过饱和蒸汽和一定的流量来完成反应。

(2)反应腔室2内的空间应具有较高的蒸汽比(蒸汽量/％h2o)，考虑到570℃以上会生成feo，蒸汽比越高越好，因此这就要求通入反应腔室2内的过饱和蒸汽要有较高的蒸汽流量。

(3)但考虑到h2的逸出浓度对k值的影响，蒸汽流量也不能过高，而是初始时要具备较高的蒸汽流量，随着处理进行过程，蒸汽流量应略为降低并达到一定平衡。

经过对上述因素的综合考虑和实验验证，本领域专业人员将具体参数确定为上述工艺流程中所采用的数据。

在步骤3)至步骤4)中，若反应腔室2内含有较大量的空气和水气，空气中游离的o2就会参与反应，后面会出现以下反应：

2fe3o4+2h2o+1/2o2→3fe2o3+2h2o

因此，需要反应腔室2进口处设置挡风装置6，阻碍外环境中的空气和水气自由进入反应腔室2中，正式生产时，热处理设备启动5分钟前向反应腔室2中通入足够大流量的过饱和蒸汽，以尽量排除反应腔室2内的大量空气和水气，在反应腔室2中形成持续的过饱和蒸汽气氛。

由于在过饱和蒸气处理中，fe原子氧化速率在处理的前后时间阶段差距很大：开始阶段时，钢丝1表面fe原子全部裸露于蒸汽流的包围中，蒸气接触基体fe原子的表面积很大，反应十分迅速，此时需要的蒸汽流量自然要大一些；经处理一段时间后，产品表面生成fe3o4氧化膜不断增多至形成连续氧化膜覆盖整个钢丝1表面，此时氧化反应速度将逐步减缓下来，这时如果仍然通入大量蒸汽，必然由于反应物h2大幅度减少，而使气流平衡常数k值迅速增大，当k>4时，就会按图4上半部分完成可逆反应生成fe2o3(反应式④)，也正因如此，过饱和蒸气的进气口设置在反应腔室2沿钢丝1线速走向的前端，使得反应腔室2中的蒸汽流量由前至后逐渐变小.

以上所述是本发明的优选实施方式，对于本领域的普通技术人员来说不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干变型和改进，这些也应视为本发明的保护范围。