CN108555040A - 一种玩具车轴用精密圆弧四角钢丝及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种玩具车轴用精密圆弧四角钢丝及其制备方法。所述玩具车轴用精密圆弧四角钢丝以低碳钢Q195作为线坯的材质，该低碳钢Q195中C含量为0.08～0.12wt％，S含量≤0.025wt％，P含量≤0.025wt％。其制备方法包括以下步骤：将线坯酸洗后，进行磷化处理；经多道次的初次拉拔后，用四角拉丝模具进行单道次拉拔，所述初次拉拔的总压缩率≥60％，所述初次拉拔的相邻道次之间的压缩率≤10％，所述单道次拉拔的压缩率≤10％；在保护气氛中进行热处理；再次表面磷化，用四角拉丝模具进行精度拉拔，压缩率≤10％。上述四角拉丝模具工作锥角为14～16°、定径带长度为3～5mm、模具圆角≤0.1mm。所得产品质量高，易于塑性加工成形。

Description

一种玩具车轴用精密圆弧四角钢丝及其制备方法

技术领域

本发明涉及金属加工领域，尤其涉及一种玩具车轴用精密圆弧四角钢丝及其制备方法。

背景技术

精密四角截面材料即四角钢丝，因其高精度、低成本、力学性能优异而被广泛应用于各类玩具车轴，玩具车轴作为玩具车核心部件，随着玩具车行业的快速发展而需求量逐步增大，市场前景广阔。四角钢丝传统成形方法为模拉法，即用事先加工成一定几何形状的硬质合金模，由圆钢丝逐道次拉拔，直至拉拔成所需尺寸、形状，其缺点是制模难度大、尖角欠充满、表面易划伤、拉丝模磨损严重、小圆角矩形钢丝很难批量生产。我国生产的四角钢丝与国外同类产品相比，在质量上还有比较明显的差距，质量无法满足客户需求，又或是产品质量好、达到了客户需求，但生产成本却比国外生产的四角钢丝成本高出几倍，导致我国每年都需从国外进口大量的高质量的四角钢丝。因此，如何生产出质优价廉的四角钢丝，提高我国四角钢丝的市场竞争力，减少对国外高质量钢丝的依赖，是摆在我国钢丝生产企业面前的一个重大课题。通过对四角拉丝模具的选择和材料塑性变形技术的提升，可以创造良好的经济效益，占据更多的市场份额，为市场提供更优质的产品，减少对国外高质量四角钢丝的依赖。

发明内容

针对现有技术四角钢丝很难批量生产、质量不高的技术问题，本发明提供一种玩具车轴用精密圆弧四角钢丝及其制备方法。

以及，本发明还提供了一种上述玩具车轴用精密圆弧四角钢丝的制备方法。

为达到上述发明目的，本发明实施例采用了如下技术方案：

一种玩具车轴用精密圆弧四角钢丝，以低碳钢Q195作为线坯的材质，所述低碳钢Q195中C含量为0.08～0.12wt％，S含量≤0.025wt％，P含量≤0.025wt％。

本发明对线坯的筛选进行严格控制，选择以低碳钢Q195作为线坯的材质，其强度和硬度较低、塑性和韧性较好，具有良好的压力加工性能，易于接受各种加工如锻造，对C、S、P含量严格控制，以确保线坯材质具有良好的可塑性和弹性，使之可满足生产的需要，从而实现批量生产。

以及，本发明实施例还提供了上述玩具车轴用精密圆弧四角钢丝的制备方法，包括以下步骤：

步骤a、将线坯酸洗后，进行磷化处理；

步骤b、将磷化处理后的线坯进行多道次的初次拉拔后，用工作锥角为14～16°、定径带长度为3～5mm、模具圆角≤0.1mm的四角拉丝模具进行单道次拉拔，其中，所述初次拉拔的总压缩率≥60％，所述初次拉拔的相邻道次之间的压缩率≤10％，所述单道次拉拔的压缩率≤10％；

步骤c、在保护气氛中，将用四角拉丝模具单道次拉拔处理后得到的线材进行热处理；

步骤d、将经热处理后得到的线材进行酸洗后，进行再次磷化处理；

步骤e、将再次磷化处理后得到的线材用工作锥角为14～16°、定径带长度为3～5mm、模具圆角≤0.1mm的四角拉丝模具进行精度拉拔，其中，所述精度拉拔的压缩率≤10％。

本发明采用的四角拉丝模具优化了工作锥角、定径长度和圆角尺寸，使所得线材具有更佳的抗拉强度和定径效果，使产品具有更小的圆弧形倒角，并对拉拔线材的直径、平直度及表面质量等工艺指标进行了良好的控制，且生产成本更低。初次拉拔采用较高的总压缩率，使金属内部晶粒不断产生滑移，进而使晶格产生位错歪扭以阻止其再变形，从而增加钢丝的塑性变形抗力，升高钢丝的抗拉强度。拉拔过程中材料表面加工硬化的加剧会使钢丝的韧性弯曲、扭转值恶化，甚至形成弯曲性能极低的脆性材料，所以本发明在相邻道次之间采用较小的压缩率(即部分压缩率)，以保证产品的韧性良好。热处理工艺参数的优化，使产品硬度降低、塑性提高、变形抗力降低，更易于塑性加工成形，从而得到理想的高质量的四角钢丝。本发明通过综合优化四角钢丝拉丝模具、拉拔工艺和热处理工艺的参数，使线材在拉拔过程中有足够材料充满尖角部位，避免出现一边圆角一边尖角，提高了产品尺寸稳定性。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，并不用于限定本发明。

本发明实施例提供了一种玩具车轴用精密圆弧四角钢丝，以低碳钢Q195作为线坯的材质，所述低碳钢Q195中C含量为0.08～0.12wt％，S含量≤0.025wt％，P含量≤0.025wt％。

低碳钢Q195具有较低的强度和硬度，以及良好的塑性和韧性，压力加工性能较好，易于接受各种加工，还具有良好的焊接性。使用以低碳钢Q195为材质的线坯，更易批量生产出高强度细径钢丝，并应用于多种领域。

具体的，所述低碳钢Q195中C含量为0.08～0.12wt％，C的含量直接影响钢的性能，当C含量高时，钢的硬度和强度增加，但熔点、塑性和延展性降低，使钢难于加工，但C含量过低时，所得产品表面硬度欠佳，耐磨性和抗疲劳度下降；S含量≤0.025wt％，S在钢中会使钢产生热脆现象，降低钢的机械性能，并对钢的耐腐蚀性和可焊性不利；P含量≤0.025wt％，磷能使钢的可塑性及韧性明显下降，使钢具有冷脆性。若S、P超标，则线坯脆性增加，不利于后续加工成细径钢丝，所得成品亦难以具备高强度。因此，本发明对材料的中C、S、P含量严格控制，以确保线坯具有较高的塑性变形能力。采用塑性高、机械性能良好的材料，更容易满足生产的需要，使批量生产得以实现。

进一步优选的，所述线坯的直径为6.5～10.0mm，该直径的线坯与本发明拟得到的产品尺寸相适应，可以使线坯在拉拔工艺具有较高的总压缩率，从而提高终产品的质量。

以及，本发明实施例还提供了上述玩具车轴用精密圆弧四角钢丝的制备方法，包括以下步骤：

步骤a、将线坯酸洗后，进行磷化处理；

步骤b、将磷化处理后的线坯进行多道次的初次拉拔后，用工作锥角为14～16°、定径带长度为3～5mm、模具圆角≤0.1mm的四角拉丝模具进行单道次拉拔，其中，所述初次拉拔的总压缩率≥60％，所述初次拉拔的相邻道次之间的压缩率≤10％，所述单道次拉拔的压缩率≤10％；

步骤c、在保护气氛中，将用四角拉丝模具单道次拉拔处理后得到的线材进行热处理；

步骤d、将经热处理后得到的线材进行酸洗后，进行再次磷化处理；

步骤e、将再次磷化处理后得到的线材用工作锥角为14～16°、定径带长度为3～5mm、模具圆角≤0.1mm的四角拉丝模具进行精度拉拔，其中，所述精度拉拔的压缩率≤10％。

本发明所述步骤a和步骤d通过表面磷化工艺，在线材表面形成致密的磷化膜，从而起到防锈以及增加后续拉拔润滑度的作用。所述步骤b和所述步骤e中使用的四角拉丝模具的工作锥角为14～16°：模具的工作锥角越大则拉拔线材时产生的拉拔力也就越大，线材与模具的接触长度越短，其变形越剧烈，线材变形时单位时间内放出的热量也就越多，最终导致线材出模时的温度较高，造成线材抗拉强度、硬度升高而弯曲与扭转值降低；工作锥角太小会导致进线接触点靠近工作锥上端，使变形区相对加长，使拉丝设备对线材产生的残余功增多，产生大量热，加大拉丝设备功耗，增加了生产成本。该四角拉丝模具的定径带长度为3～5mm：定径延长可以使线材在多道次小压缩率的拉拔过程中有足够材料充满尖角部位，定径带过长会使线材与模具的摩擦力与磨损增加、线材的弹性恢复消除弹性后效的能力增大，而线材拉拔后的弹性后效越小，其定径效果才会越好，另外线材与模具摩擦力增大还会造成拉拔力增大，并使线材温度升高，造成抗拉强度与硬度升高，面弯曲、扭转值降低；而定径带过短则不能对拉拔线材的直径、平直度及表面质量等工艺指标进行良好的控制。该四角拉丝模具的圆角≤0.1mm：圆角尺寸的选择决定了产品的倒角，以确保将产品用于玩具车轴等物品上时在旋转过程中不打滑，若圆角太大则产品倒角大，旋转时易打滑。所述步骤b的初次拉拔采用不低于60％的总压缩率，即从线坯到初次拉拔结束所得产品的冷变形量，总压缩率大，其产生的变形量就越大，线材的内部组织被机械的拉细、拉碎，产生应力值越高，为后续热处理提供更多的能量，使球化率和塑性提高，且所得钢丝的强度提高。线材在拉拔过程中内部晶粒不断产生滑移，随着滑移系的减少及晶格产生位错歪扭而阻止其再变形，使线材塑性变形抗力增加。拉拔过程中线材表面会产生加工硬化的情况，加工硬化的加剧会导致线材的破断拉力加大，即线材的抗拉强度升高，但加工硬化的加剧会使线材的韧性弯曲、扭转值恶化，甚至形成弯曲性能极低的脆性材料，所以初次拉拔在增加总压缩率来提高线材强度的同时，降低了相邻道次之间的压缩率，即部分压缩率。部分压缩率≤10％、单道次拉拔的压缩率≤10％、步骤e的精度拉拔采用的压缩率≤10％，可以降低线材的脆性，以保证产品的韧性良好，同时，还可以使加工过程中异形线能较好的充满尖角部位，使产品倒角尺寸尽可能变小，同时确保拉出的四角钢丝成品四角一致，避免出现一边圆角一边尖角的情况，提高产品尺寸稳定性，并使加工过程中线材表面加工硬化程度大幅度降低，减少产品表面微裂纹、麻点等缺陷，提高产品性能稳定性，同时使材料表面与芯部的性能一致。所述步骤c藉由热处理使钢铁材料内部的层状或网状碳化物凝聚成为球状颗粒，弥散分布在铁素体基体上，改善钢材的切削性能及加工塑性；本发明通过综合优化四角钢丝拉丝模具、拉拔工艺、热处理工艺的参数，使线材在拉拔过程中有足够材料充满尖角部位，避免出现一边圆角一边尖角的情况，使硬度降低、塑性提高、变形抗力降低，从而得到理想的高质量的四角钢丝。

具体地，所述步骤a和/或所述步骤d中所述酸洗为用盐酸与草酸的混合酸进行清洗。草酸是一种有机酸，有效氢浓度较高，与盐酸混合后，能快速同线材表面的氧化物反应，去除线材表面的氧化物，并在线材表面形成一层细密的微小细孔，这层微小细孔增加了后续磷酸盐溶液与线材表面的接触面积，从而在线材表面快速得到致密的磷化膜，起到防锈以及增加后续拉拔润滑度的作用。

所述步骤b中所述四角拉丝模具的内孔为2.1～5.5mm×2.1～5.5mm的正方形。该内孔尺寸和形状可以在保证相邻道次间的压缩率≤10％的条件下，使后续精度拉拔所得产品满足应用的需求。

所述步骤c在保护气氛中将线材升温到奥氏体转变温度以上20～30℃，保温4～6小时，再以8～12℃/h的速度冷却到奥氏体转变温度以下20～30℃，冷却速度直接影响着碳化物颗粒的大小和均匀性，冷却太快，碳化物颗粒太细，并有形成片状碳化物的可能，使硬度偏高，冷却过慢时碳化物颗粒又过于粗大。保温3～4小时，使组织转变完成，得到在铁素体基体上均匀分布的球状或颗粒状碳化物的组织；再随炉冷却至出炉。

进一步优选的，所述降温速度为10℃/h，该冷却速度使碳化物颗粒的大小适中、粒径分布均匀，不会形成片状碳化物。

进一步优选的，所述保护气氛为甲醇气氛，以确保热处理的线材不被脱碳，获得较好的塑性。

进一步优选的，所述甲醇的气流量为1.5～2.5L/min，该气流量可以确保在热处理操作空间内维持稳定的甲醇气氛。

所述步骤e中所述四角拉丝模具的内孔为2.0～5.3mm×2.0～5.3mm的正方形。该内孔尺寸和形状可以满足应用的需求。

为了更好的说明本发明实施方式，下面通过实施例做进一步的举例说明。

实施例1

本实施例提供了一种玩具车轴用精密圆弧四角钢丝及其制备方法。

以低碳钢Q195作为线坯的材质，其中C含量为0.08wt％，S含量为0.012wt％，P含量为0.021wt％，线径为8.0mm，奥氏体转变温度为700℃。

制备方法包括以下步骤：

步骤a、将线坯先经过盐酸与草酸的混合酸清洗后，浸入85℃的9wt％磷酸盐溶液中10分钟进行磷化处理；

步骤b、将磷化处理后的线坯进行15道初次拉拔，总压缩率为71.78％，部分压缩率为8.09％，用工作锥角为14°、定径带长度为5mm、模具圆角为0.1mm、内孔为3.65mm×3.65mm的正方形四角拉丝模具进行单道次拉拔，压缩率为6.04％；

步骤c、在流量为2L/min的甲醇气氛中将用四角拉丝模具单道次拉拔处理后得到的线材升温到720℃，保温4小时，再以10℃/h的速度冷却到680℃，保温3小时，再随炉冷却至出炉；

步骤d、将经热处理后得到的线材经过盐酸与草酸的混合酸清洗后，浸入85℃的9wt％磷酸盐溶液中10分钟进行磷化处理；

步骤e、将再次磷化处理后得到的线材用工作锥角为14°、定径带长度为5mm、模具圆角为0.1mm、内孔为3.5mm×3.5mm的正方形四角拉丝模具进行拉拔，使部分压缩率为8.05％。

实施例2

本实施例提供了一种玩具车轴用精密圆弧四角钢丝及其制备方法。

以低碳钢Q195作为母材，其中C含量为0.11wt％，S含量为0.018wt％，P含量为0.016wt％，线径为10.0mm，奥氏体转变温度为710℃。

制备方法包括以下步骤：

步骤a、将线坯先经过盐酸与草酸的混合酸清洗后，浸入78℃的10wt％磷酸盐溶液中15分钟进行磷化处理；

步骤b、将磷化处理后的线坯进行9道初次拉拔，总压缩率为60.31％，部分压缩率为9.76％，用工作锥角为15°、定径带长度为4mm、模具圆角为0.08mm、内孔为5.5mm×5.5mm的正方形的拉丝模具进行单道次拉拔，压缩率为2.91％；

步骤c、在流量为2L/min的甲醇气氛中将用四角拉丝模具单道次拉拔处理后得到的线材升温到725℃，保温5小时，再以10℃/h的速度冷却到675℃，保温3小时，再随炉冷却至出炉。

步骤d、将经热处理后得到的线材经过盐酸与草酸的混合酸清洗后，浸入78℃的10wt％磷酸盐溶液中15分钟进行磷化处理；

步骤e、将再次磷化处理后得到的线材用工作锥角为15°、定径带长度为4mm、模具圆角为0.08mm、内孔为5.3mm×5.3mm的正方形四角拉丝模具进行拉拔，使部分压缩率为7.14％。

实施例3

本实施例提供了一种玩具车轴用精密圆弧四角钢丝及其制备方法。

以低碳钢Q195作为母材，其中C含量为0.12wt％，S含量为0.020wt％，P含量为0.018wt％，线径为6.5mm，奥氏体转变温度为700℃

制备方法包括以下步骤：

步骤a、将线坯先经过盐酸与草酸的混合酸清洗后，浸入80℃的8wt％磷酸盐溶液中12分钟进行磷化处理；

步骤b、将磷化处理后的线坯进行20道初次拉拔，总压缩率为85.79％，部分压缩率为9.29％，用工作锥角为16°、定径带长度为3mm、模具圆角为0.06mm、内孔为2.1mm×2.1mm的拉丝模具进行单道次拉拔，压缩率为6.41％；

步骤c、在流量为2L/min的甲醇气氛中将用四角拉丝模具单道次拉拔处理后得到的线材升温到730℃，保温6小时，再以10℃/h的速度冷却到670℃，保温4小时，再随炉冷却至出炉。

步骤d、将经热处理后得到的线材经过盐酸与草酸的混合酸清洗后，浸入80℃的8wt％磷酸盐溶液中12分钟进行磷化处理；

步骤e、将再次磷化处理后得到的线材用工作锥角为16°、定径带长度为3mm、模具圆角为0.06mm、内孔为2.0mm×2.0mm的正方形四角拉丝模具进行拉拔，使部分压缩率为9.30％。

对实施例1～3所得玩具车轴用精密圆弧四角钢丝进行质量检验，结果见表1。

表1实施例1～3所得玩具车轴用精密圆弧四角钢丝的质量检验结果

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换或改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种玩具车轴用精密圆弧四角钢丝，其特征在于，以低碳钢Q195作为线坯的材质，所述低碳钢Q195中C含量为0.08～0.12wt％，S含量≤0.025wt％，P含量≤0.025wt％。

2.根据权利要求1所述的玩具车轴用精密圆弧四角钢丝，其特征在于，所述线坯的直径为6.5～10.0mm。

3.一种权利要求1-2任一项所述玩具车轴用精密圆弧四角钢丝的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤a、将线坯酸洗后，进行磷化处理；

步骤b、将磷化处理后的线坯进行多道次的初次拉拔后，用工作锥角为14～16°、定径带长度为3～5mm、模具圆角≤0.1mm的四角拉丝模具进行单道次拉拔，其中，所述初次拉拔的总压缩率≥60％，所述初次拉拔的相邻道次之间的压缩率≤10％，所述单道次拉拔的压缩率≤10％；

步骤c、在保护气氛中，将用四角拉丝模具单道次拉拔处理后得到的线材进行热处理；

步骤d、将经热处理后得到的线材进行酸洗后，进行再次磷化处理；

步骤e、将再次磷化处理后得到的线材用工作锥角为14～16°、定径带长度为3～5mm、模具圆角≤0.1mm的四角拉丝模具进行精度拉拔，其中，所述精度拉拔的压缩率≤10％。

4.根据权利要求3所述的玩具车轴用精密圆弧四角钢丝的制备方法，其特征在于，所述步骤a和/或所述步骤d中所述酸洗为用盐酸与草酸的混合酸进行清洗。

5.根据权利要求3所述的玩具车轴用精密圆弧四角钢丝的制备方法，其特征在于，所述步骤c中所述热处理具体包括以下步骤：将经初次拉拔处理后得到的线材升温到奥氏体转变温度以上20～30℃，保温4～6小时，再以8～12℃/h的降温速度冷却到奥氏体转变温度以下20～30℃，保温3～4小时，再随炉冷却至出炉。

6.根据权利要求5所述的玩具车轴用精密圆弧四角钢丝的制备方法，其特征在于，所述步骤c中所述降温速度为10℃/h。

7.根据权利要求3所述的玩具车轴用精密圆弧四角钢丝的制备方法，其特征在于，所述步骤b中所述四角拉丝模具的内孔为2.1～5.5mm×2.1～5.5mm的正方形。

8.根据权利要求3所述的玩具车轴用精密圆弧四角钢丝的制备方法，其特征在于，所述步骤e中所述四角拉丝模具的内孔为2.0～5.3mm×2.0～5.3mm的正方形。

9.根据权利要求3所述的玩具车轴用精密圆弧四角钢丝的制备方法，其特征在于，所述步骤c中所述保护气氛为甲醇气氛。

10.根据权利要求9所述的玩具车轴用精密圆弧四角钢丝的制备方法，其特征在于，所述甲醇的气流量为1.5～2.5L/min。