CN103436840B - 一种钢材热加工中的补碳方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种钢材热加工中的补碳方法，属于金属塑性加工成型技术领域。该方法主要内容是：钢坯在加热炉内加热到900-1250℃后进行热加工，在包括热加工最后一个道次及若干热加工道次中喷洒含碳材料，在最后热加工道次完成后，钢材进入充满保护气体的空气中进行冷却。本发明方法利用高温和变形加工的共同作用，对钢材进行快速补碳，以弥补在加热和热加工过程中的脱碳，同时在保护气氛条件下进行冷却。本发明方法对于中高碳钢的塑性热加工具有普遍适应性，如中高碳钢的轧制、锻造等。

Description

一种钢材热加工中的补碳方法
技术领域：
本发明属于金属塑性加工成型技术领域，具体涉及一种钢材热加工中的补碳方法。
背景技术：
钢在加热和热加工过程中存在脱碳现象,对于一般的低碳钢的产品质量影响不大,但对于中高碳钢如弹簧钢、轴承钢等脱碳是会对钢材性能会产生重大影响。脱碳是很多中高碳钢常见的表面缺陷,当钢发生脱碳后其表面硬度下降,而且全脱碳层与部分脱碳层之间的过渡区在交变应力作用下容易产生微裂纹,引起弹簧钢等的失效或断裂。目前高疲劳强度和高弹减抗力成为高强度优质弹簧钢研发的主题,因此脱碳层深度的控制是生产高强度优质弹簧钢性能控制的一个重要方面。
文献“碳弹簧钢加热过程中脱碳特性研究”（《热加工工艺》2007年，第20期）和文献“55SiCr弹簧钢表面脱碳的研究”（《上海金属》2013年，第2期）表明：在目前的生产工艺条件下,钢坯在加热炉中加热以及在热加工过程中,表面不可避免地要发生脱碳。
在钢的热处理过程中,由于中高碳钢的脱碳敏感性较大也容易发生表面脱碳现象，由于感应加热技术的推广，在热处理阶段基本不会出现脱碳现象。而在热加工如轧制过程中，加热过程中坯料过大，采用感应加热技术成本过高，同时加工成型过程中无法与空气隔绝，脱碳无法避免，因此研究热加工过程中的中高碳钢表面的脱碳特性，从而减少脱碳，成为目前的主要研究方向。一般解决脱碳问题的主要方法是调整加热工艺，如降低加热温度，减少加热时间和改善加热气氛。但这样会较大的增加热加工的难度，同时脱碳改善程度有限。
文献“高碳钢防脱碳保护涂层研究”（《轧钢》1996年，第8期）提出了一种在加热前，在钢坯表面涂上一层保护层，减少钢坯的氧化，减少钢坯脱碳。但该方法只能是在坯料加热时有作用，一旦进入加工变形状态，保护层脱离，在之后加工和冷却过程中钢表面仍然会脱碳，故作用十分有限。
发明内容：
本发明针对现有钢材热加工过程中存在的脱碳问题，提供一种钢材热加工中的补碳方法。该方法在没有对热加工有限制条件状况下，从根本上解决脱碳问题。
本发明所提供的一种钢材热加工中的补碳方法具体如下：
1、钢坯在加热炉内加热到900-1250℃后进行热加工，在包括热加工最后一个道次及若干热加工道次中喷洒含碳材料，所述含碳材料为固体粉状或液体状态，如石墨、碳粉、高温润滑油或者普通渗碳热处理所用的渗碳剂，所述含碳材料的喷洒量要求覆盖钢材表面0.1mm以上；
2、在最后热加工道次完成后，钢材进入充满保护气体的空气中进行冷却，所述充满保护气体的空气中的残氧量浓度小于5wt%。
通过以上热加工方法，最终保证生产的钢材的脱碳层厚度和脱碳程度有大幅改善。
本发明方法的基本原理是在热加工的若干道次加工工序中，在钢材表面喷洒含碳材料，使钢材表面被含碳材料覆盖，在热加工和高温条件共同作用下，对钢材表面进行补碳，以弥补在加热和热加工过程中的脱碳，同时防止脱碳。而后在保护气氛下进行冷却，以防止再次脱碳。通常的渗碳是普通的热处理，一般认为钢材渗碳需要很长时间，用于钢材热加工中，无法与加工节奏匹配。但是一方面在热加工和高温共同作用下，同时要求的补碳极浅，仅对钢材的表面，钢材表面增碳很快完成。
本发明方法利用高温和变形加工的共同作用，对钢材进行快速补碳，以弥补在加热和热加工过程中的脱碳，同时在保护气氛条件下进行冷却。本发明方法对于中高碳钢的塑性热加工具有普遍适应性，如中高碳钢的轧制、锻造等。
具体实施方式：
实施例1：在轧钢厂生产热轧弹簧扁钢产品，钢种为：55SiCr，尺寸为：100×15mm。
坯料尺寸为：150×150mm。
要求：不得有完全脱碳，总脱碳层：1级小于0.2mm，2级小于0.25mm。
应用目前普遍采用的低温热轧工艺，加热温度1130℃，开轧温度1100℃，终轧温度900℃，经过10道次轧制，最后空冷。取样测量了11批产品的脱碳情况，如表1所示：
表1普通热轧工艺产品的脱碳结果
由表1可见有7批二级品，只有4批一级品。
采用本发明所提供的热加工和冷却方法，加热温度1200℃，开轧温度1170℃，终轧温度950℃，在第1，5，10道次加工时，喷石墨粉，保证覆盖钢材表面石墨厚度在0.1mm以上，轧制完成后，最后在保护气氛下空冷（通氮气保护，残余氧5%）。取样测量了10批产品的脱碳情况，如表2所示：
表2本发明热加工和冷却方法脱碳结果
从表2中看出，采用本发明所提供的热加工和冷却方法，产品脱碳大幅下降全部达到一级品，同时加热温度不受限制，保证更好的热加工条件。
实施例2：在轧钢厂生产热轧弹簧钢，棒材。产品，钢种为：60Si2Mn，尺寸为：φ25mm。
坯料尺寸为：160×160mm。
要求：不得有完全脱碳，总脱碳层：1级小于0.5mm，2级小于0.62mm。
应用目前普遍采用的低温热轧工艺，加热温度1130℃，开轧温度1100℃，终轧温度900℃，经过14道次轧制，最后空冷。取样测量了10批产品的脱碳情况，如表3所示：
表3普通热轧工艺产品的脱碳结果
由表3可见有6批二级品，有4批一级品。
采用本发明所提供的热加工和冷却方法，加热温度1200℃，开轧温度1170℃，终轧温度950℃，在第1，5，10，14道次加工时，喷恒丰公司生产的HYG-1高温润滑油，保证覆盖钢材表面石墨厚度在0.1mm以上，轧制完成后，最后在保护气氛下空冷（通氮气保护，残余氧5%）。取样测量了10批产品的脱碳情况，如表4所示：
表4本发明热加工和冷却方法脱碳结果
从表4中看出，采用本发明所提供的热加工和冷却方法，产品脱碳大幅下降全部达到一级品，同时加热温度不受限制，保证更好的加工条件。

Claims (1)

1.一种中高碳钢热加工中的补碳方法，其特征在于该方法具体如下：
(1)钢坯在加热炉内加热到900-1250℃后进行热加工，在包括热加工最后一个道次及若干热加工道次中喷洒含碳材料，所述含碳材料为固体粉状或液体状态，包括石墨、碳粉、高温润滑油或者普通渗碳热处理所用的渗碳剂，所述含碳材料的喷洒量要求覆盖钢材表面0.1mm以上；
(2)在最后热加工道次完成后，钢材进入充满保护气体的空气中进行冷却，所述充满保护气体的空气中的残氧量浓度小于5wt％。
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