正畸不锈钢丝的控制再结晶韧化强化技术

王国庆

摘 要：目的 介绍了一种冷拉不锈钢丝的控制再结晶韧化强化技术。方法 分析正畸不锈钢丝的生产及临床应用时，强度为2000 MPa，韧性在工艺性能试验条件下反复弯曲7～12次即断裂的现状。设计采用控制再结晶热处理细化晶粒韧化强化方法。结果 使正畸不锈钢丝的强度提高到2200 MPa，韧性在工艺性能试验条件下反复弯曲达14～18次。结论 本技术提供的操作方法简单可行，生产费用低，在工程上容易实现，能够在国内生产出口腔正畸超强韧丝。

关键词：不锈钢丝 控制再结晶 韧化 强化

中图分类号：TG3 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2012）12（b）-00-02

随着医疗事业的发展，新兴口腔正畸医科已迅速发展起来，正畸器材成为涉及人口最多（70%少年）的一种医疗器械。正畸钢丝是这个器械中最重要的材料之一，在正畸治疗中，牙体移动、控制、牙弓改变需要力的作用，而正畸钢丝则是起力的产生、力的施加、力的储存等功能。该正畸钢丝是由弹性不锈钢丝制成，但该钢丝不仅要求超高弹性，还要求有一定的韧性，以便在正畸治疗过程中能制作

各种力的功能曲。

国际上将该材料作为一种尖端材料，并已开发成一种超强韧的正畸钢丝，强度达到2400 MPa，韧性工艺弯曲试验达20次，并占有了我国国内的主要市场。我公司前期生产的正畸钢丝和国内其他企业生产的弹性不锈钢丝相当，强度为2000 MPa，韧性工艺弯曲次数7～12次，达不到临床使用的要求，无法和进口正畸钢丝竞争。为了赶上国际先进和满足国内迫切需要，我们采用合金化强化、合金化相变形变强化、控制再结晶热处理，细化晶粒韧化强化等方案来开发这一医用材料，现在通过该文来报告控制再结晶热处理细化韧化强化的工艺和方法[1]，该方法已使正畸钢丝韧性达到弯曲14～18次，强度达到2200 MPa，接近和赶上了国际水平，并获得了大量应用和

出口。

2 材料和方法

2.1 材料

选用304H奥氏体不锈钢丝作为试验用材（国内牌号为07Cr19Ni10），经杭州西湖生物材料有限公司正畸丝生产车间加工成正畸不锈钢方丝和正畸不锈钢方弓丝（以及圆丝、圆弓丝），如图1、图2所示，图1为正畸不锈钢方丝，图2为正畸不锈钢方

弓丝。

图1 正畸方丝结构示意图

图2 预成型方弓丝结构示意图

2.2 方法和步骤

本方法是将固溶处理后的304 H奥氏体粗丝经3～5次冷拉、冷轧，拉成临床可用的冷加工强化细丝，已强化至2000 MPa以上，然后用图3、图4所示装置实行控制再结晶韧化强化热处理。图3是一个可控硅电气加热装置，实现瞬间均匀加热的机制，其装置由电源部分（2），控制部分（1），不锈钢丝夹持加热及水冷却部分（3）（6）三部分组成，（5）是可精确读秒的定时器，（7）为时间继电器，（4）为可快速下降装置；图4是所述装置的可控硅电源电路示意图，该可控硅线路根据所处理不锈钢丝电阻和丝径、丝长设计计算功率，并使功率可调，通常对于直径0.5～1.5 mm的不锈钢丝所用功率为8～

15 kW。

该技术装置的操作步骤为：根据不锈钢丝规格，通过调节时间继电器的旋钮来调节时间继电器的时间，将不锈钢丝置于导电性能非常好的夹持器中通电，开动时间继电器，由双向可控硅（9）和双向触发二极管（8）快速供电，在0.2 s～2 min内瞬间加热到不锈钢丝的再结晶形核温度，晶粒迅速微细化，一般为900 ℃左右，由时间继电器延时动作，又迅速断电，继而钢丝迅速转入其下方水槽中，使钢丝快速冷却，使得冷拉硬化的不锈钢丝不能完全再结晶，也不能再结晶长大，产生再结晶形核晶粒细化，从而提高不锈钢丝的韧性、

强度。

图3 可控硅电气加热装置设备原理图

3 结果

经过控制再结晶热处理后的正畸钢丝，其韧性和强度的变化如图5所示，图中横座标为合闸到断开的时间（s），纵座标为强度和工艺试验机180 °的反复弯曲次数，图中表明钢丝韧性随加热时间延长，加速提高，强度在开始阶段略有提升后就开始下降，强度到达6 s后即逐渐持平，韧性到8 s后也逐渐

持平。

图中显示开始1～2 s的时间段韧性强度变化双双都有提高，而韧性提高特别明显，图中以阴影线部分表示这一特性区域，该特性区显示上述装置和工艺对已冷加工强化的正畸丝有降低脆性，增加宝贵的韧性的效果，这一韧性增加还能促进原冷加工强化的进一步应用。

4 讨论

（1）由图5显示的控制再结晶热处理结果，证明了前述设计的快速电加热装置，以及运用再结晶理论所设计的控制再结晶热处理工艺在工程上能够实现，图中阴影线区域应该就是再结晶大量形核阶段，大批微细晶核出现，大量晶界面积和孪晶对强度的贡献大于原来应力，位错、畸变、强化的降低，使强度略有升高。而韧性由于微细晶粒的出现代替了原来的位错和畸变使得韧性大幅提升[2-3]，但图中表明这个时间很短，只零点几s到2 s，随后强度即开始下降，需要在工程上控制住这部分不出现，处理的目的就能达到。当前在工程上实现该工艺的条件，首先是工件对象能冷加工充分强化的，如奥氏体不锈钢冷拉钢丝，同时是要能够实现快速加热和快速冷却的条件，以及工程上能制造出这种快速加热、快速冷却装置，具备这三者可以实现这一工艺。另外对这一处理结果水平有影响还有合金化元素，杂质含量的性质，也就是对形核率形核速度影响的因素都会在不同程度上影响处理的结果，形核率高，强化韧化的效果也会更好；

（2）由于加热装置是非恒温装置，随着加热时间的延长，工件会被继续升温，很难进行再结晶动力学观察。本工艺的表现在几秒的很短时间内，从图5的强度和韧性来看，10 s内工件已完成了再结晶形核，再结晶和再结晶长大[4]。该文严格遵循工程应用这一主题，把主攻方向放在不完全再结晶控制的工程工艺上，实现了获得图5中阴影区域的工艺方法和工程装置。使运用再结晶理论设计的控制再结晶的热处理，获得了又一个工程应用。

5 结语

（1）本方法实施后，正畸钢丝的强度达到了2200 MPa，韧性工艺弯曲次数达到了14～18次；

（2）本技术提供的操作方法简单可行，生产费用低，在工程上容易实现，能够在国内生产出口腔正畸超强韧丝；

（3）本开发技术已在我公司正畸超强韧钢丝的多种规格上获得了实际应用，每一次加热处理的钢丝长度为5 m，已应用不同的钢丝规格有圆丝0.30 mm、0.35 mm、0.4 mm、0.45 mm、0.5 mm，方丝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。它的工程意义，除了正畸钢丝，对于其他冷拉强化不锈钢丝仍可探讨采用这一工艺的可能；

（4）奥氏体不锈钢丝不能相变强化，也不能热形变强化，现在工程上只有使用冷加工强化，对于这种情况，使用该文控制再结晶热处理方案将会获得较好效果，也会扩大冷拉不锈钢丝的应用范围，创造更优更强韧的不锈钢丝产品。

参考文献

[1] 胡赓祥，蔡珣，戎咏华.材料科学基础[M].3版.上海：上海交通大学出版社，2010

[2] 沈小丹，周月明，高丽，等.热处理工艺对冷轧双相钢组织与磁性能的影响[J].金属热处理，2010.

[3] 杨亮，董建新，何智勇，等.690合金管冷轧及退火处理过程中的组织演变[J].材料热处理学报，2011.