一种防脱碳、增碳的气氛保护热处理工艺的制作方法

1.本发明涉及热处理技术领域，尤其是涉及一种防脱碳、增碳的气氛保护热处理工艺。


背景技术：

2.冷镦线材，即从钢厂出厂的盘圆材料，需经过工厂球化退火、酸洗磷皂化和拉丝等工序，提高材料的塑韧性，满足客户对规格的个性化需求，同时提升材料的冷镦性能。在关键工序球化退火过程中，钢材在高温条件下，极易发生脱碳现象。钢的脱碳有两个过程：一是表面的c原子被氧化；二是表面的c原子的失去，引起表面c浓度降低，其中o2、h2o等属于氧化性气体，可以与钢中的c原子发生氧化和脱碳反应，引起钢表面的脱碳；而co和h2等则是还原性气体，可使钢材表面氧化层和脱碳层得到还原，回复钢表面的原始成分状态。根据化学反应的平衡原理，钢材表面的氧化反应和还原反应是同时进行的，若氧化反应的速度大于还原反应，则会导致材料表面脱碳；反之则会发生增碳现象，即材料表面出现碳含量富集的现象。
3.钢铁表面出现氧化脱碳的现象后，其表面状态十分粗糙，失去光泽，易形成麻面，影响产品表面质量。在冷镦生产时，脱碳表面会黏连模具导致产品拉毛，后续热处理将会导致淬火裂纹、软点和硬度不足等情况，增碳则会导致产品在冷镦时开裂，如果产品是高强度螺栓，还会增加产品的氢脆敏感性。
4.目前，常用的防脱碳气氛工艺是甲醇滴注裂解作为保护气氛，裂解原理是将ch3oh直接滴入高温加热的炉膛内，通过有机物高温裂解和裂化，产生含有co、h2等还原性的混合气体，从而达到防止脱碳的目的，但是甲醇滴注裂解作为保护气氛的方法在产生裂解气时因裂解产物碳势较低，通常还需其他有机液体，如乙醇和异丙醇。其滴入量和滴入剂易受材质、装炉量、炉体体积、温度等因素影响。另外甲醇滴注裂解会导致炉壁积碳，阻碍热辐射传导，甲醇裂解不充分，导致裂解气体组分不稳定，造成材料表面脱碳、增碳不受控的现象，进而会造成产品报废。


技术实现要素：

5.本发明是为了避免现有技术存在的不足之处，提供了一种在保护气氛保护之下的防脱碳、增碳的热处理工艺。
6.本发明解决技术问题采用如下技术方案：
7.本发明提供的一种防脱碳、增碳的气氛保护热处理工艺，包括以下步骤：
8.s100，将钢材放入热处理炉中，控制热处理炉升温，同时向热处理炉中通入热处理炉体积3-4倍的n2，排出热处理炉内的空气，并监测热处理炉中的氧势值；s200，当热处理炉中的氧势值达到900-910值时，向热处理炉中通入保护气氛，并监测热处理炉中的氧势值，其中，按体积百分比计，所述保护气氛包括co
2 0.7％、co 19.27％、ch
4 2.47％以及h
2 77.56％；s300，当热处理炉中的氧势值达到1050值时，持续通入保护气氛，同时通入n2进行
保压，控制热处理炉温度保温在750-770℃，保温时间在10-12h；s400，保温时间结束之后，控制热处理炉降温，停止通入保护气氛并持续通入n2，将热处理炉内的保护气氛排出，直至热处理炉降温至540-560℃及以下，将钢材取出，完成热处理过程。
9.在数个实施方式中，上述钢材具体为scm435合金钢。
10.在数个实施方式中，在s300中，所述n2的通入速度为4-10m3/h。
11.在数个实施方式中，在s300中，在保温时间内，控制氧势值稳定在1050。
12.在数个实施方式中，在s100至s400中，通过检测探头监控热处理炉中的氧势值。
13.本发明具有如下有益效果：
14.本发明通过送入n2排出炉内存在的氧化性气体，防止材料在高温下与氧气发生反应导致材料发生脱碳；其次通过co
2 0.7％、co 19.27％、ch
4 2.47％以及h
2 77.56％的特定保护气氛配比，结合炉内的氧势值情况，可以对钢材进行保护，使得钢材表面的氧化反应和还原反应是同时进行的，避免出现脱碳、增碳的情况，且由于保护气氛的比例是固定的，避免出现保护气氛成分不稳定的情况，保证钢材热处理质量。
附图说明
15.本文所描述的附图仅用于所选择实施例的阐述目的，而不代表所有可能的实施方式，且不应认为是本发明的范围的限制。
16.图1示意性地示出了氮气送入量和氧势值的关系折线图；
17.图2示意性地示出了钢材在900氧势值下的脱碳和增碳情况；
18.图3示意性地示出了钢材在980氧势值下的脱碳和增碳情况；
19.图4示意性地示出了钢材在1050氧势值下的脱碳和增碳情况；
20.图5示意性地示出了钢材在1100氧势值下的脱碳和增碳情况。
具体实施方式
21.下面，详细描述本发明的实施例，为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。
22.因此，以下提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例，基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
23.本文使用的术语旨在解释实施例，并且不旨在限制和/或限定本发明。
24.在本发明中，采用的钢材是scm435合金钢，scm435合金结构钢化学成分(％)：碳c:0.33～0.38，硅si:0.15～0.35，锰mn:0.60～0.90，硫s:允许残余含量≤0.030，磷p:允许残余含量≤0.030，铬cr:0.90～1.20，镍ni:允许残余含量≤0.25钼mo:0.15～0.30，scm435合金钢生产工艺为“两球两拉”，即球化退火-酸洗磷皂化-半成品拉丝-球化退火-酸洗磷皂化-成品拉丝，其中球化退火工序的目的是使钢中碳化物球化，获得粒状珠光体，本发明针对球化退火过程，提供了相应的热处理工艺，来避免钢材在退火过程中发生的脱碳、增碳现象。
25.具体的，本热处理工艺包括以下步骤：
26.首先，将钢材放入热处理炉中，控制热处理炉升温，同时向热处理炉中通入热处理炉体积3-4倍的n2，通过充入的氮气排出热处理炉内的含氧化性气体的空气，并通过检测探头监测热处理炉中的氧势值，通过氧势值判断炉内空气是否排净。
27.其次，当热处理炉中的氧势值达到900-910值时，向热处理炉中通入保护气氛，并通过检测探头监测热处理炉中的氧势值，其中，按体积百分比计，所述保护气氛包括co
2 0.7％、co 19.27％、ch42.47％以及h
2 77.56％。
28.当热处理炉中的氧势值达到900-910值时，代表炉内含氧性气体残留量较少，达到标准，通过氧势值判断需要送入的氮气的体积，其中，氮气送入体积与氧势值的关系如表1：
29.表1氮气送入量和氧势值的关系表
30.氮气送入量1倍氮气2倍氮气3倍氮气3.5倍氮气4倍氮气氧势值780850900910910
31.其中，1-4倍的氮气指的是热处理炉体积的1-4倍，根据表1与图1所示，在通入3倍及以上的氮气时，氧势值趋于稳定在900左右，由此选择3-4倍的氮气通入量。
32.然后，继续监测氧势值，当热处理炉中的氧势值达到1050值时，持续通入保护气氛，同时通入n2进行保压，n2的通入速度为4-10m3/h，控制热处理炉温度保温在750-770℃，保温时间在10-12h，在保温时间内，需将热处理炉中的氧势值稳定控制在1050。
33.当炉内通入保护气氛后，炉内的含氧性气体会继续减少，氧势值再次上升，不同氧势值下，材料的脱碳和增碳情况如表2：
34.表2scm435在不同氧势值下脱碳和增碳情况表
[0035][0036]
且图1-3分别示出了氧势值在900、980、1050、1100值下的脱碳和增碳情况。
[0037]
结合表2与图2-5，当炉内的氧势值在1050下，结合保护气氛，钢材无脱碳与增碳情况发生。
[0038]
最后，当保温时间结束之后，控制热处理炉降温，停止通入保护气氛并持续通入n2，由此将热处理炉内的残留的保护气氛排出，直至热处理炉降温至540-560℃及以下，将钢材取出，防止出炉时材料高温表面与空气反应导致脱碳，由此完成热处理过程，其中，残留的未发生反应的保护气氛进行燃烧处理。
[0039]
实施例1
[0040]
一种防脱碳、增碳的气氛保护热处理工艺，包括以下步骤：
[0041]
s100，将钢材放入热处理炉中，控制热处理炉升温，同时向热处理炉中通入热处理炉体积3倍的n2，并通过检测探头监测热处理炉中的氧势值；
[0042]
s200，当热处理炉中的氧势值达到900值时，向热处理炉中通入保护气氛，并通过检测探头监测热处理炉中的氧势值，其中，按体积百分比计，所述保护气氛包括co
2 0.7％、
co 19.27％、ch
4 2.47％以及h
2 77.56％。
[0043]
s300，当热处理炉中的氧势值达到1050值时，持续通入保护气氛，同时通入n2进行保压，n2的通入速度为6m3/h，控制热处理炉温度保温在750-770℃，保温时间在11h。
[0044]
s400，当保温时间结束之后，控制热处理炉降温，停止通入保护气氛并持续通入n2，由此将热处理炉内的残留的保护气氛排出，直至热处理炉降温至550℃及以下，将钢材取出，完成热处理。
[0045]
实施例2
[0046]
一种防脱碳、增碳的气氛保护热处理工艺，包括以下步骤：
[0047]
s100，将钢材放入热处理炉中，控制热处理炉升温，同时向热处理炉中通入热处理炉体积3倍的n2，并通过检测探头监测热处理炉中的氧势值；
[0048]
s200，当热处理炉中的氧势值达到900值时，向热处理炉中通入保护气氛，并通过检测探头监测热处理炉中的氧势值，其中，按体积百分比计，所述保护气氛包括co
2 0.7％、co 19.27％、ch
4 2.47％以及h
2 77.56％。
[0049]
s300，当热处理炉中的氧势值达到1050值时，持续通入保护气氛，同时通入n2进行保压，n2的通入速度为4m3/h，控制热处理炉温度保温在750-770℃，保温时间在10h。
[0050]
s400，当保温时间结束之后，控制热处理炉降温，停止通入保护气氛并持续通入n2，由此将热处理炉内的残留的保护气氛排出，直至热处理炉降温至540℃及以下，将钢材取出，完成热处理。
[0051]
实施例3
[0052]
一种防脱碳、增碳的气氛保护热处理工艺，包括以下步骤：
[0053]
s100，将钢材放入热处理炉中，控制热处理炉升温，同时向热处理炉中通入热处理炉体积3倍的n2，并通过检测探头监测热处理炉中的氧势值；
[0054]
s200，当热处理炉中的氧势值达到910值时，向热处理炉中通入保护气氛，并通过检测探头监测热处理炉中的氧势值，其中，按体积百分比计，所述保护气氛包括co
2 0.7％、co 19.27％、ch
4 2.47％以及h
2 77.56％。
[0055]
s300，当热处理炉中的氧势值达到1050值时，持续通入保护气氛，同时通入n2进行保压，n2的通入速度为10m3/h，控制热处理炉温度保温在750-770℃，保温时间在12h。
[0056]
s400，当保温时间结束之后，控制热处理炉降温，停止通入保护气氛并持续通入n2，由此将热处理炉内的残留的保护气氛排出，直至热处理炉降温至560℃及以下，将钢材取出，完成热处理。
[0057]
本发明叙述了优选实施方案，包括本发明人所知的进行本发明的最佳方式。当然，本领域熟练技术人员显然可以看出这些优选实施方案的变化。本发明人预想熟练技术人员可以酌情使用该变化，本发明人指出本发明可以按照不同于本文具体所述的其它方式实施。因此，本发明包括由权利要求书定义的本发明主旨和范围所包括的所有改进。而且，除非另有陈述或内容上明显矛盾，本发明包括任何上述因素及其所有可能的变化。