正畸不銹鋼絲的控制再結晶韌化強化技術

王國慶

摘 要：目的 介紹了一種冷拉不銹鋼絲的控制再結晶韌化強化技術。方法 分析正畸不銹鋼絲的生產及臨床應用時，強度為2000 MPa，韌性在工藝性能試驗條件下反復彎曲7～12次即斷裂的現狀。設計采用控制再結晶熱處理細化晶粒韌化強化方法。結果 使正畸不銹鋼絲的強度提高到2200 MPa，韌性在工藝性能試驗條件下反復彎曲達14～18次。結論 本技術提供的操作方法簡單可行，生產費用低，在工程上容易實現，能夠在國內生產出口腔正畸超強韌絲。

關鍵詞：不銹鋼絲 控制再結晶 韌化 強化

中圖分類號：TG3 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2012）12（b）-00-02

隨著醫療事業的發展，新興口腔正畸醫科已迅速發展起來，正畸器材成為涉及人口最多（70%少年）的一種醫療器械。正畸鋼絲是這個器械中最重要的材料之一，在正畸治療中，牙體移動、控制、牙弓改變需要力的作用，而正畸鋼絲則是起力的產生、力的施加、力的儲存等功能。該正畸鋼絲是由彈性不銹鋼絲制成，但該鋼絲不僅要求超高彈性，還要求有一定的韌性，以便在正畸治療過程中能制作

各種力的功能曲。

國際上將該材料作為一種尖端材料，并已開發成一種超強韌的正畸鋼絲，強度達到2400 MPa，韌性工藝彎曲試驗達20次，并占有了我國國內的主要市場。我公司前期生產的正畸鋼絲和國內其他企業生產的彈性不銹鋼絲相當，強度為2000 MPa，韌性工藝彎曲次數7～12次，達不到臨床使用的要求，無法和進口正畸鋼絲競爭。為了趕上國際先進和滿足國內迫切需要，我們采用合金化強化、合金化相變形變強化、控制再結晶熱處理，細化晶粒韌化強化等方案來開發這一醫用材料，現在通過該文來報告控制再結晶熱處理細化韌化強化的工藝和方法[1]，該方法已使正畸鋼絲韌性達到彎曲14～18次，強度達到2200 MPa，接近和趕上了國際水平，并獲得了大量應用和

出口。

2 材料和方法

2.1 材料

選用304H奧氏體不銹鋼絲作為試驗用材（國內牌號為07Cr19Ni10），經杭州西湖生物材料有限公司正畸絲生產車間加工成正畸不銹鋼方絲和正畸不銹鋼方弓絲（以及圓絲、圓弓絲），如圖1、圖2所示，圖1為正畸不銹鋼方絲，圖2為正畸不銹鋼方

弓絲。

圖1 正畸方絲結構示意圖

圖2 預成型方弓絲結構示意圖

2.2 方法和步驟

本方法是將固溶處理后的304 H奧氏體粗絲經3～5次冷拉、冷軋，拉成臨床可用的冷加工強化細絲，已強化至2000 MPa以上，然后用圖3、圖4所示裝置實行控制再結晶韌化強化熱處理。圖3是一個可控硅電氣加熱裝置，實現瞬間均勻加熱的機制，其裝置由電源部分（2），控制部分（1），不銹鋼絲夾持加熱及水冷卻部分（3）（6）三部分組成，（5）是可精確讀秒的定時器，（7）為時間繼電器，（4）為可快速下降裝置；圖4是所述裝置的可控硅電源電路示意圖，該可控硅線路根據所處理不銹鋼絲電阻和絲徑、絲長設計計算功率，并使功率可調，通常對于直徑0.5～1.5 mm的不銹鋼絲所用功率為8～

15 kW。

該技術裝置的操作步驟為：根據不銹鋼絲規格，通過調節時間繼電器的旋鈕來調節時間繼電器的時間，將不銹鋼絲置于導電性能非常好的夾持器中通電，開動時間繼電器，由雙向可控硅（9）和雙向觸發二極管（8）快速供電，在0.2 s～2 min內瞬間加熱到不銹鋼絲的再結晶形核溫度，晶粒迅速微細化，一般為900 ℃左右，由時間繼電器延時動作，又迅速斷電，繼而鋼絲迅速轉入其下方水槽中，使鋼絲快速冷卻，使得冷拉硬化的不銹鋼絲不能完全再結晶，也不能再結晶長大，產生再結晶形核晶粒細化，從而提高不銹鋼絲的韌性、

強度。

圖3 可控硅電氣加熱裝置設備原理圖

3 結果

經過控制再結晶熱處理后的正畸鋼絲，其韌性和強度的變化如圖5所示，圖中橫座標為合閘到斷開的時間（s），縱座標為強度和工藝試驗機180 °的反復彎曲次數，圖中表明鋼絲韌性隨加熱時間延長，加速提高，強度在開始階段略有提升后就開始下降，強度到達6 s后即逐漸持平，韌性到8 s后也逐漸

持平。

圖中顯示開始1～2 s的時間段韌性強度變化雙雙都有提高，而韌性提高特別明顯，圖中以陰影線部分表示這一特性區域，該特性區顯示上述裝置和工藝對已冷加工強化的正畸絲有降低脆性，增加寶貴的韌性的效果，這一韌性增加還能促進原冷加工強化的進一步應用。

4 討論

（1）由圖5顯示的控制再結晶熱處理結果，證明了前述設計的快速電加熱裝置，以及運用再結晶理論所設計的控制再結晶熱處理工藝在工程上能夠實現，圖中陰影線區域應該就是再結晶大量形核階段，大批微細晶核出現，大量晶界面積和孿晶對強度的貢獻大于原來應力，位錯、畸變、強化的降低，使強度略有升高。而韌性由于微細晶粒的出現代替了原來的位錯和畸變使得韌性大幅提升[2-3]，但圖中表明這個時間很短，只零點幾s到2 s，隨后強度即開始下降，需要在工程上控制住這部分不出現，處理的目的就能達到。當前在工程上實現該工藝的條件，首先是工件對象能冷加工充分強化的，如奧氏體不銹鋼冷拉鋼絲，同時是要能夠實現快速加熱和快速冷卻的條件，以及工程上能制造出這種快速加熱、快速冷卻裝置，具備這三者可以實現這一工藝。另外對這一處理結果水平有影響還有合金化元素，雜質含量的性質，也就是對形核率形核速度影響的因素都會在不同程度上影響處理的結果，形核率高，強化韌化的效果也會更好；

（2）由于加熱裝置是非恒溫裝置，隨著加熱時間的延長，工件會被繼續升溫，很難進行再結晶動力學觀察。本工藝的表現在幾秒的很短時間內，從圖5的強度和韌性來看，10 s內工件已完成了再結晶形核，再結晶和再結晶長大[4]。該文嚴格遵循工程應用這一主題，把主攻方向放在不完全再結晶控制的工程工藝上，實現了獲得圖5中陰影區域的工藝方法和工程裝置。使運用再結晶理論設計的控制再結晶的熱處理，獲得了又一個工程應用。

5 結語

（1）本方法實施后，正畸鋼絲的強度達到了2200 MPa，韌性工藝彎曲次數達到了14～18次；

（2）本技術提供的操作方法簡單可行，生產費用低，在工程上容易實現，能夠在國內生產出口腔正畸超強韌絲；

（3）本開發技術已在我公司正畸超強韌鋼絲的多種規格上獲得了實際應用，每一次加熱處理的鋼絲長度為5 m，已應用不同的鋼絲規格有圓絲0.30 mm、0.35 mm、0.4 mm、0.45 mm、0.5 mm，方絲0.40 mm×0.40 mm、0.40 mm×0.56 mm、0.43 mm×0.56 mm、0.46 mm×0.56 mm、0.48 mm×0.56 mm等。它的工程意義，除了正畸鋼絲，對于其他冷拉強化不銹鋼絲仍可探討采用這一工藝的可能；

（4）奧氏體不銹鋼絲不能相變強化，也不能熱形變強化，現在工程上只有使用冷加工強化，對于這種情況，使用該文控制再結晶熱處理方案將會獲得較好效果，也會擴大冷拉不銹鋼絲的應用范圍，創造更優更強韌的不銹鋼絲產品。

參考文獻

[1] 胡賡祥，蔡珣，戎詠華.材料科學基礎[M].3版.上海：上海交通大學出版社，2010

[2] 沈小丹，周月明，高麗，等.熱處理工藝對冷軋雙相鋼組織與磁性能的影響[J].金屬熱處理，2010.

[3] 楊亮，董建新，何智勇，等.690合金管冷軋及退火處理過程中的組織演變[J].材料熱處理學報，2011.