CN1035528A - 将碳钢丝热处理成优质珠光体组织的方法和装置 - Google Patents

Abstract

将至少一根碳钢丝(1)热处理成优质珠光体组织的方法，在进行这种处理之前，钢丝(1)温度保持高于转化温度AC3。然后，冷却钢丝(1)，再进行珠光体化处理。这种冷却和珠光体化处理是让钢丝(1)穿过至少一根充有气体(2)，但实际上无强制通风的管(3)实现的。管(3)外有载热流体(9)。能够实施本方法的装置(100)。使用该方法或装置热处理碳钢丝(1)的方法和成套设备。按照这些方法和/或使用这些装置和设备生产的钢丝(1)。

Description

本发明涉及将碳钢丝热处理优质珠光体组织的方法和装置。这些钢丝主要用于加强橡胶和/或塑料制品，例如轮胎的外胎。

这种热处理的目的一方面是提高钢丝的拉丝性能，另一方面是改善其机械性能和使用寿命。

已知的这类处理方法包括两段：

-第一段是加热钢丝，为了得到均匀的奥氏体而让其温度保持高于转化温度AC3。

-第二段是冷却钢丝以得到优质珠光体组织。

最常用的一种方法是称之“铅淬火”的热处理方法。该方法是在900℃-1000℃温度下将钢丝奥氏体化，再将其浸入铅溶液或浸入温度保持在450℃-600℃的熔盐浴中。

这样处理的结果很好，尤其是用铅进行热处理时更是如此，这归因于钢丝与冷却流体之间进行对流的系数很高，这种对流一方面使处于转化温度AC3与略高于铅温度之间的钢丝迅速冷却，另一方面限制了由亚稳定奥氏体转化成珠光体期间的“金属骤放热”，这种金属的骤放热使钢丝温度升高，这归因于由冶金变形所产生的能量大于因辐射和对流所损失的能量。

铅淬火成本高，因为控制液态金属或熔盐需要复杂的技术，钢丝在铅淬火处理后还需要清洗，另外，铅是很毒的，所造成的环境污染问题还要消耗大量的资金。

法国专利申请号86116705介绍了一种将碳钢热处理成优质珠光体组织的方法，其方法是调节钢丝由奥氏体转化成珠光体期间的温度，使之与低于转化温度AC1和高于珠光体始点温度的给定温度或高或低不相差10℃，其调节方式是让电流通过钢丝的时间超过珠光体化的时间，并在其一段时间内供给可调通风。这种方法不需使用液态金属或熔盐，并解决了环境污染问题，处理后的钢丝也不用清洗，要求设备简单，工作灵活方便。然而，该方法需要压缩机或涡轮机提供可调通风。这样，投资与生产费用就要相对增加。其次，只有钢丝的直径较小，例如最大直径为了3mm时，该方法才能在工业上使用。

本发明的目的是提供不用液态金属或熔盐及强制通风，就能实现钢丝由奥氏体转化成珠光体组织的方法，并能处理直径相差很大的钢丝。

因此，本发明是将至少一种碳钢丝热处理成优质珠光体组织的一种方法，钢丝在用本发明方法处理前保持高于转化温度AC3，以得到均匀的奥氏体，该方法的特征在于下列几点：

a）冷却钢丝，其温度由高于转化温度AC3降至低于转化温度AC1;

b）然后在低于转化温度AC1的温度下进行珠光体化处理;

c）让钢丝通过至少一根充有气体，实际无强制通风的管子进行冷却和珠光体化处理，其管外是载热流体，钢丝通过气体和管子向载热流体传热;

d）选择管、钢丝和气体的特性以满足下列关系式，至少在珠光体化前的冷却处理阶段是如此：

1.05≤R≤15    （1）

5≤K≤10    （2）

定义：

R＝D_ti/D_f

K＝〔log（D_ti/D_f）〕×D² _f/λ

式中，D_ti是管的内径，单位mm;D_f是钢丝直径，单位mm，该直径最大等于6mm;λ是在600℃下所测定气体的导热率，单位W·m^-1·°K^-1，log是自然对数。

本发明还涉及至少一根碳钢丝热处理成优质珠光体组织的装置，在此处理前，钢丝温度保持高于转化温度AC3，以得到均匀的奥氏体。该装置的特征在于下列几点：

a）有能将钢丝由高于转化温度AC3冷却至低于转化温度AC1的部件;

b）有在低于转化温度AC1下能进行珠光体化处理的部件;

c）该冷却与珠光体化的部件有至少一根管子，以及使钢丝通过该管的部件，其管充有气体。实际上不强制通风，管外有载热流体，以便钢丝通过气体和管子向载热流体传热;

d）选择管、钢丝和气体的特性以满足下列关系式，至少在珠光体化前的冷却阶段是如此：

1.05≤R≤15    （1）

5≤K≤10    （2）

定义：

R＝D_ti/D_f

K＝〔log（D_ti/D_f）〕×D² _f/λ

式中，D_ti是管的内径，单位mm;D_f是钢丝的直径，单位mm，该直径最大等于6mm;λ是在600℃下所测定气体的导热率，单位W·m^-1·°K^-1，log是自然对数。

用语“实际上无强制通风”是指管中的气体或是静止的，或是实际上不影响钢丝和气体热交换的弱风，这种弱风如只是由于钢丝自身移动所产生。

本发明还涉及使用上述方法或装置对碳钢丝进行热处理的方法和成套设备。

本发明还涉及了用本发明方法和/或装置及设备所得到的钢丝。

通过下列非限制性的实施例及该实施例所有相关的示意图就能容易理解本发明。

附图：

-图1表示由奥氏体转化成珠光体的转化曲线，还有一条表明为得到优质珠光体组织所处理钢丝的温度随时间变化曲线;

-图2表示本发明的一种装置，其图是以该装置的轴线绘制的剖面图;

-图3是按照图2装置轴绘制的横剖面图来表示图2装置，该剖面图是按图2中的直线段Ⅲ-Ⅲ处绘制的;

-图4是本发明另一种装置，其图是按照该装置轴绘制的;

-图5是按照图4装置轴绘制的横剖面图来表示图4装置，该剖面图是按图4中直线段Ⅴ-Ⅴ绘制的;

-图6、7分别表示本发明另外两种装置;

-图8是钢丝热处理的成套设备，该设备至少使用了一个本发明装置;

-图9是用剖面图表示用本发明方法处理后的钢丝部分优质珠光体组织。

图1表示在进行珠光体化处理时一种钢丝的温度随时间变化曲线φ。该图还表示该钢丝由亚稳定奥氏体开始向珠光体转化所相对应的曲线X₁，以及由亚稳定奥氏体向珠光体转化结束所相对应的曲线X₂。在该附图中，横坐标表示时间T，纵坐标表示温度Q。

在珠光体化处理前加热钢丝，并保持其温度高于转化温度AC3，以得到均匀的奥氏体，该温度θ_A，例如介于900℃-1000℃，相应于图1中的A点。称为“珠光体始点”的这一点相应于曲线X₁最小时间T_m，珠光体化始点温度用θ_p表示，时间T的原点相应于A点。

冷却钢丝直至其温度低于转化温度AC1，冷却后的钢丝状态相当于B点。θ_B表示T_B时间后B点达到的温度。图1中表示温度θ_B高于珠光体始点温度θ_p，这在实践中是常见的，但并不是绝对必要的。钢丝从A点至B点冷却过程中，温度刚降至转化温度AC3以下时，钢丝就从稳定奥氏体转化或亚稳定奥氏体，“晶粒”就会在亚稳定奥氏体的颗粒间隙中出现。W表示曲线X₁、X₂之间的区域。珠光体化在于由B点表示的状态（位于W区左侧）的钢丝达到由C点表示的状态（位于W区右侧）。钢丝的这种转化如用直线段BC表示，它交于曲线X₁于B_X点，交于曲线X₂于C_X点，但本发明还适合于在B、C点间钢丝温度变化不呈线性的那些情况。

在W区的BC线段左侧部分，即在BB_X线段，晶粒继续生成。在穿过W区域的BC线段中，即B_XC_X线段中，亚稳定奥氏体转化成珠光体，即珠光体化。珠光体化的时间可因钢丝的不同而不同，C_XC线段所表示的处理目的在于，在珠光体化未结束的情况下，避免钢丝过早冷却。事实上，残余的亚稳定奥氏体被迅速冷却而转化成贝氏体，而贝氏体在热处理后不具有适合拉丝的结构，也无使用价值，最终产品也无机械特性。

在A点和B点间迅速冷却后，在亚稳定奥氏体区（即B点至B_X点）保持恒温，能增加晶粒数量，缩小粒径。这些晶粒是以后由亚稳定奥氏体向珠光体转化的始点。人们熟知，钢丝使用价值很大的优质珠光体，其晶粒数量更多、更小。

在珠光体化处理以后冷却钢丝，例如，冷却至环境温度，冷却最好是快速的，例如，由曲线CD表示，θD表示D点的温度。

图2、3表示本发明装置100。该装置100是一种有管形外壳（3）的热交换器，其管的内径为D_ti，外径为D_te，待处理的钢丝（1）顺箭头F方向穿过管子，钢丝（1）的直径用D_f表示，该钢丝（1）是碳钢丝。

图2是沿钢丝（1）的“轴线XX¹”绘制的剖面图，该轴同样也是装置100的轴线，图3是与“轴线XX¹”垂直的剖面图。图3剖面图是按图2的直线段Ⅲ-Ⅲ绘制的，“轴线XX¹”在图3中用“X”表示。钢丝（1）的传动部件是已知部件，为了简化起见，图2、3中未表示出来，这些传动部件有如一台电动机带动的盘绕机用来盘绕处理过的钢丝，钢丝（1）和管（3）的间隙（6）充满气体（12），该气体直接与钢丝（1）和管（3）的内壁（30）接触。在处理钢丝（1）时，气体（12）滞留在空隙（6）中，装置100米配有强制通入气体（12）的部件，即没有强制通风的气体（12）在空隙（6）中，它只是因钢丝（1）顺箭头F方向移动而运动。热处理钢丝（1）时，热量由钢丝（1）传给气体（12）。λ是在600℃下测定的气体（12）的导热率，单位W·m^-1·°K^-1。由两个钢丝导向件（2）控制钢丝（1），该导向件可由陶瓷或碳化钨制成，这两个导向件一个置于管（3）钢丝（1）的进口，另一个则置于出口。管（3）由外部载热流体（9）冷却，如用一个套住管（3）的环形套管（4）装入的循环水冷却。该套管（4）长为L_m，内径为D_mi，外径为D_me。由管（8）给套管（4）供水（9），水（9）通过管（10）流出套管（4），水（9）与箭头F相反的方向顺管流动。装水（9）的空间（7）〔套管（4）的内容积〕和装气体（12）的空间（6）由弹性体之类密封垫（5）进行密封。图2中，用L_t表示与流体（9）接触的管（3）的长度。

交换器100本身就可构成本发明的一个装置。也可按“轴线XX¹”借助于套管（4）端部的法兰（11）将多个交换器100组合起来，钢丝（1）可穿过按“轴线”串联的多个交换器100。

这些装置能对位于A与C点间部分曲线φ所代表钢丝的热处理，即包括后面的珠光体化冷却处理。如果需要，它们同样可以用于冷却珠光体化后的钢丝（1），其冷却相应于曲线φ上的CD部分。

选择管子、钢丝（1）和气体（12）的特性要满足下列关系式，至少在珠光体化前冷却，即曲线φ上AB部分是如此：

1.05≤R≤15    （1）

5≤R≤10    （2）

定义：

R＝D_ti/D_f

K＝〔log（D_ti/D_f）〕×D² _f/λ

式中，D_ti、D_f的单位为mm;λ是在600℃下所测定气体的导热率，单位W·m^-1·°K^-1;log是自然对数，D_f最大等于6mm。

气体（12）可以是，如氢、氮、氦、氢和氮、氢和甲烷、氮和甲烷、氦和甲烷、氢、氮和甲烷的混合气。

对于直径较粗的钢丝（1），内径D_ti与钢丝直径D_f之比R为1附近，使用导热率很高的气体（12）如氢是非常必要的。

图4、5表示本发明另一种装置200，轴线是YY′，图4是按“轴线YY′”绘制的剖面图，图5是与“轴线YY′”垂直的剖面图，图5剖面图是沿图4中直线段Ⅴ-Ⅴ绘制的，“轴线XX′”用字母“X”表示，“轴线YY′”用字母“Y”表示。

该交换器200与上述的交换器100是类似的，其不同之处在于它有6个管（3），其外有一个园柱形套管（4），钢丝（1）顺每根管的“轴线XX′”放置，在管（3）中让该“轴线XX′”同是钢丝（1）轴线来配置。象交换器100一样，每根管（3）充满气体（12），管（3）之外，套管之内的空间（7）是如水之类的载热流体循环空间。

与交换器100相同，交换器200本身也可单独构成本发明的一种装置，也可以通过套管端部的法兰（11）与其他交换器200同轴组合，这样，钢丝（1）就可穿过呈串联的多个交换器200。

为了在最佳条件下完成由奥氏体转化成珠光体，最好是，图1中BC线段所示的钢丝转化阶段的温度尽可能不变，钢丝（1）的温度如由AB线段所示的冷却后达到的温度θ_B或高或低不相差10℃，因此在超过珠光体化时间的期间才有这种温度变化的限制，其珠光体化时间相应于B_XC_X线段。比较好的是，钢丝（1）的温度在BC线段温度θ_B或高或低不相差5℃。图1表示如一种理想的情况，其温度在BC线段中是恒定的且等于θ_B，该BC线段正好与横坐标平行。

在W区域所进行的奥氏体转化珠光体时放出约100，000J·kg^-1热量，在该区域其转化速度随时间而变化，转化速度在B_XC_X点附近较慢，在B_XC_X线段中间最大。在这样的条件下，如果在转化期间实际上恒温，则可调节的热交换是必需的，即单位钢丝（1）长度的热交换能力改变进行这种转化装置的长度。当珠光体化的速度是最大时，由气体（12）进行的冷却也是最强的，这就避免了在珠光体化时，由于温度过度升高而出现的金属的骤放热现象。

最好的是，或者改变钢丝穿过的管（3）的内径，或者改变穿过钢丝的多根管（3）的长度来进行这种调节。

图6示出一种装置，在该装置中是通过改变管的内径来调整热交换的。这种本发明装置300有7个与上述交换器100类似的热交换器（示于图2、3）。这些交换器是100-1至100-7，它们通过其法兰（11）串联起来，钢丝（1）按箭头F方向从交换器100-1穿过交换器100-7，交换器的出水短管（10）与前一个交换器的进水短管（8）相联，因此，按与箭头F方向相反让水（9）在这些呈串联的交换器100中流动。对于每一个交换器100，管（3）的内径D_ti都是相同的，而从交换器100-1至交换器100-7的直径D_ti变化如下：

-其直径从交换器100-2到交换器100-4减少，使单位长度的冷却能力从交换器100-2至交换器100-4增加;

-其直径D_ti从交换器100-4至交换器100-6增加，使单位长度的冷却能力下降;

用Lm1～Lm7表示其部件的长度，对于交换器100-1～100-7来说都是一样的，与水接触的管（3）的长度用Lt1～Lt7表示，它们也是一样的。

冷却能力最大的交换器100-4相应于珠光体化速度最快的区域。

在该区域，具有下列关系：

1.05≤R≤8    （3）

3≤K≤8    （4）

R、K定义与上述定义相同。

图7示出的装置400与前述的装置300有相同的结构，交换器100-1至100-7通过它们的法兰（11）串联联结。与装置300不同之处是，装置400交换器100的管（3）内径D_ti都是相同的。但与钢丝（1）平行所测定的与流体（9）接触的管（3）的长度Lt有改变，直径D_ti没有改变，而且所有这些单元的单元100的长度都可以不变，对于装置400来说，在图7中用Lm1至Lm7表示其单元长度，因此也都有相同的值。

图7中，用Lt1～Lt7表示装置400交换器100-1至100-7中管（3）的长度。交换器100-2至100-4的管长Lt2-Lt4顺箭头F方向逐渐增长，使得从交换器100-2至交换器100-4每米钢丝的平均冷却能力增强。反之，Lt4～Lt6的长度顺箭头F方向缩短，使得从交换器100-4至交换器100-6每米钢丝的平均冷却能力减弱。冷却能力最大的交换器100-4在此还是相应于珠光体化速度最大的区域。前述装置300所遵守的关系式（3）和（4），对装置400仍适用。

对有调节热交换的装置300和400来说，只是珠光体光速度最快的交换器100-4才遵守关系式（3）和（4）。

在装置300和400中，交换器100-1和100-7的单位长度的热交换能力小，在交换器300的情况下，或者因为相应的直径D_ti大，在交换器400的情况下，或者因为相应的长度D_ti短，因此有可能交换器100-1和100-7不遵守关系式（1）～（4）中任何一个关系式，交换器100-1和100-7相应于钢丝在珠光体化前、后实际上保持恒温，即对于位于W区域（图1）BC线段BB_X和C_XC部分保持恒温，BC线段范围的温度实际上是恒温的。C_XC线段实际上相应于珠光体化后的恒温，以避免钢丝（1）在珠光体化未结束的情况下提前冷却，因为珠光体化的时间，如同前述，对不同的钢丝是很敏感的。

为了在交换器100-1和100-7中的钢丝（1）达到恒温，当钢丝（1）穿过这些交换器时，最好在钢丝（1）通电流，也可以用保持温度θ_B的马弗炉替代这些交换器100-1和100-7，为简化起见，图6、7未示出一些能通电的装置或马弗炉。

本发明还包括在同一装置中既改变直径D_ti，又改变长度Lt的这种情况。另外，在装置300和400中，可以使用串联的交换器200，以同时处理多根钢丝。

另外，不是利用多根直径不同的管（3），而是使用一根其直径使管的长度改变的管子，以在珠光体化速度最大的区域，按照关系式（3）、（4）调节上述热交换。

图8示出处理钢丝（1）的成套设备图，该设备构成了本发明，而本发明至少使用一个上述装置。

设备500有用Z₁-Z₅表示的5段。来自卷盘（13）的钢丝（1）在Z₁段以已知方式如用煤气炉或马弗炉加热，直到温度达到900-1000℃，得到相当于图1中A点均匀的奥氏体，该温度高于转化温度AC3。

钢丝（1）在Z₂段冷却至500-600℃，以得到相当于图1中B点亚稳定奥氏体。

然后，钢丝（1）穿过Z₃段，经受相当于图1BC线段的处理。随后，钢丝（1）通过Z₄段，在此段冷却至温度如约300℃。最后，钢丝（1）进入Z₅段，因浸入水中该段温度接近环境温度，如20-25℃。Z₄、Z₅段的冷却相当于图1中的CD线段。

钢丝（1）从Z₅池出来后绕在卷盘（14）上。

Z₂-Z₄段可以使用如上述交换器100、200之同类交换器，Z₃段可以使用可调节热交换装置300或400。

本发明具有下列优点：

-简单、投资和生产费用低，这是因为：

·避免使用液态金属或熔盐;

·不使用压缩机或涡轮机等强制气体循环的装置;

-可以得到准确的冷冻规律，避免金属的聚放热现象发生;

-可能用同一套设备对直径D_f变化很大的钢丝进行珠光体化处理，D_f最大等于6mm，最小最好是0.4mm;

-避免了环境污染，因为未使用液态金属或熔盐，所以处理后的钢丝不需要清洗。

只有在图1曲线φ上AB部分的冷却遵守（1）和（2）关系式才能得到上述这些优点。当使用一些充有无强制通风的气体的管子，管外有载热流体，在进行珠光体化前的冷却时，且相当于曲线φ上的AB部分不遵守关系式（1）（2）时，这样不可能正确地进行珠光体化处理。

用下列9个实施例更详细地解释本发明。

这些实例所处理的作为实例的钢丝的成分列于表1，以及转化温度AC1、AC3。

所有实例都是用本发明的设备500进行的，该设备有上述的Z₁-Z₅五段。该设备在Z₂、Z₄段使用热交换器100或200，Z₃段使用装置300或400，在实例1-8的情况下，避免了金属的聚放热现象，即在Z₃段实际上保持恒温。实例9相反，Z₃段的温度不一样，在金属的聚放热情况下进行。以后再介绍实例9的条件，实例1-8的条件如下：

a）钢丝的走速是每秒1米。

b）通过测量钢丝所测到的Z₁-Z₅段的长度如下：

Z₁段;3m;Z₂段：2.6m;Z₃段：3m;Z₄段;3m;Z₅段：1m;图8中用L₁-L₅表示这些长度。

c）钢丝的温度如下：

-Z₁段出口＝975℃

-Z₂段出口和整个Z₃段＝550℃

-Z₄段出口＝300℃

实例1-9中，在Z₂段的冷却时间都低于5秒，该冷却相应于图1中的曲线φ的AB部分。

实例按下列方法进行：

实例1

-待处理钢丝（1）直径：1.3mm。

-导热气体（12）：裂解的氨（体积百分比：H₂＝75%、N₂＝25%）。

-9℃-20℃水（9）的流量：8升/分、所有套管（4）都是串联的。

-Z₂段交换器100的特征如下：

·管子（3）用派热克斯玻璃制作，直径为：

Dti＝5mm，Dte＝10mm

·套管（4）的直径为：D_mi＝35.2mm，D_me＝42.4mm

·对于温度为975℃的钢丝来说，管（3）的温度：管内壁是190℃，管外壁是65℃。

-Z₃段的特征如下：

通过改变D_ti来调节使用装置300，对于交换器100-1至100-7D_ti和D_te如下：

交换器100-1和100-7：D_ti＝25mm，D_te＝35mm

交换器100-2和100-6：D_ti＝5mm，D_te＝10mm

交换器100-3和100-5：D_ti＝4mm，D_te＝8mm

交换器100-4 D_ti＝3mm，D_te＝8mm

交换器100-4是珠光体化速度最大的交换器。

在所有的情况下，套管（4）的直径如下：

D_mi＝35.2mm，D_me＝42.4mm

套管（4）的各种长度Lm如下：对于交换器100-1和100-7，Lm＝0.75m;交换器100-2至100-6，Lm＝0.30m，因此它们相应于总长度为了3m的套管。

-构成Z₄段交换器100的特征如下：

派热克斯玻璃管（3）的D_ti＝5mm，D_te＝10mm，套管（4）的直径是D_mi＝35.2mm，D_me＝42.4mm。

在600℃入值等于0.28W·m^-1·°K^-1。下面表2列出了Z₂-Z₄段的R和K值，以及这些段可能满足关系式1-4的指示。

在钢丝（1）经装置500处理后，其抗拉强度为1350MPa（兆帕）。这种钢丝（1）用已知方法镀黄铜、然后拉制，得到的最终直径为0.20mm。拉制后的钢丝拉抗强度是3500MPa，其截面比关系式

是： (拉制前钢丝的截面)/(拉制后钢丝的截面)

实例1的截面比等于42.45。

例2

如实例1相同的条件实施本实例。此外还要改变钢丝的直径D_f和改变氢/氮混合气的组成。在所有情况下，Z₁和Z₄段交换器满足关系式（1）、（2），且Z₃段装置300中珠光体化速度最快的交换器100-4满足关系式（3）和（4）。表3给出了Z₂、Z₄段交换器和装置300的交换器100-4的D_f、R和K值，混合气体中氢的体积百分比%，以及在600℃下入值。Z₂和Z₄段的R和K值分别用R_m、K_n表示，交换器100-4的R和K值分别用R_m和K_m表示。

此外表3还给出了下列值：

-经热处理后钢丝的抗拉强度，用MP_a表示;

-钢丝的拉制直径，用mm作单位，即拉制后钢丝的直径;

-拉制前后的截面比;

-拉制后最终直径的钢丝的抗拉强度，用MP_a作单位

实例3

该实例是在与实例1的相同条件下进行的。除Z₃段用装置400实施外，装置400的交换器特征如下：

所有管（3）都是氧化铝的，7个交换器100直径D_ti和D_te都相同，具有下列值：D_ti＝3mm，D_te＝8mm。管子长度L_t呈下述变化：

交换器100-1和100-7，L_t＝0.15m

交换器100-2和100-6，L_t＝0.20m

交换器100-3和100-5，L_t＝0.25m

交换器100-4，L_t＝0.28m

所有交换器100-1至100-7符合关系式（1）至（4），且λ＝0.28，R＝2.31，K＝5.05

在装置500中经处理后钢丝（1）的抗拉强度为1340MP_a，用已知的方法镀黄铜与拉制成直径0.2mm的钢丝（1），其抗拉强度为3480MP_a，截面比等于42.25。

实例4

使用直径D_f＝2mm的钢丝，冷却气体（12）是纯氢气。20℃水的流量是19升/分，本实例特征如下：

-Z₂段：使用3个串联的交换器100，每个交换器的特征如下：内部涂珐琅的钢管（3）D_ti＝4.5mm，D_te＝10mm。套管（4）的直径：D_mi＝35.2mm，D_me＝42.4mm。

-Z₃段：使用内部涂珐琅的钢管（3）的装置300，这些管子（3）的直径如下：

交换器100-1和100-7：D_ti＝25mm，D_te＝35mm

交换器100-2和100-6：D_ti＝3.5mm，D_te＝10mm

交换器100-3和100-6：D_ti＝3mm，D_te＝10mm

交换器100-4：D_ti＝2.8mm，D_te＝10mm

套管（4）的直径：D_mi＝35.2mm，D_me＝42.4mm。

-Z₄段：使用3个串联的交换器100，每个交换器的特征是内部涂珐琅的钢管（3）D_ti＝4.5mm D_te＝10mm，λ＝0.42W·m^-1·°K^-1。

Z₂和Z₄段的交换器满足关系式（1）和（2），下表4给出装置300的交换器100-1至100-7的R和K值，以及可能满足的关系式1至4。

热处理后，钢丝（1）的抗拉强度是1340MP_a。用已知的方式镀黄铜并拉制后，得到直径为0.3mm

的钢丝，其抗拉强度为3450MP_a，截面比为44.44。

实例5

本实例Z₂、Z₃、Z₄段用交换器200的设备实施，可同时处理六根钢丝。

20℃水的流量是110升/分、套管（4）直径是D_mi＝82.5mm、D_me＝88.9mm，除此之外，本实例的条件与例4相同。

热处理后，钢丝（1）的抗拉强度是1350MP_a。按已知方法镀黄铜并拉制后，得到直径为0.3mm的钢丝，其抗拉强度3500MP_a，截面比44.44。

实例6

本实例的条件与实例4相同。使用不同的钢丝直径D_f及组成不同的气体（氢与氮混合气）。

在所有的情况下，Z₂和Z₄段的交换器满足关系式（1）和（2）。Z₃段装置300中珠光体化速度最大的交换器100-4满足关系式（3）和（4）。

下表5给出了Z₂、Z₄的交换器和装置300交换器100-4的D_f、R和K值，以及混合气体中氢的体积百分比%和在600℃下λ值。

Z₂和Z₄段R和K值分别用R_m、K_m表示，交换器100-4的R和K值分别用R_M和K_M表示。

此外，表5给出了以下值：

-热处理后钢丝的断裂强度（抗拉强度），单位MPa;

-钢丝的拉制直径用mm表示，即拉制后的钢丝直径;

-拉制前后的截面比;

-拉制后的最终直径钢丝的断裂强度（抗拉强度），单位MPa;

实例7

实施本实例的条件与实例1相同，但是裂解的氨是一种脱碳的气体，它由一种在800℃下保持碳钢热力学平衡的气体所代替，此气体体积组成是H₂＝74%，N₂＝24%，CH₄＝2%，R和K值以及符合的关系式与表2是相同的。钢丝的拉制和抗拉强度值与例1中得到的值相差2%。

实例8

实施本实例的条件与实例1的条件相同，但裂解氨由能够改变脱碳作用的含碳氢化合物的气体代替，这种脱碳作用是本发明热处理之前处理中产生的。气体的体积组成为H₂＝63.75%、N₂＝21.25%、CH₄＝15%。未观察到钢丝表面上的石墨沉积，再添碳厚度是3μm级。

R、K值以及符合的关系式与表2是相同的。热处理后钢丝的抗拉强度为1320MPa。用已知的方法镀黄铜并拉制后得到直径为0.2mm的钢丝，其截面比为42.25，抗拉强度为3450MP_a。

实例9

该实例是在没有清除金属的聚放热的情况下实施的。

钢丝（1）的直径D_f＝5.5mm，钢丝（1）的走速＝1.5m·S^-1。

Z₂、Z₃、Z₄段各使用一个交换器，这些交换器都是相同的，内部涂珐琅的钢管（3）具有D_ti＝6mm、D_te＝12mm。20℃水流量＝120升/分。冷却气体为纯净的氢，热处理的总时间＝9.9秒，热处理设备的长度（Z₂至Z₄段）＝14.85m。

钢丝的强度如下：

-Z₁段出口温度为975℃。

-由亚稳定的奥氏体转化为珠光体的初始温度为550℃（图1中B_X点）。

-Z₄段出口温度为350℃。

由奥氏体转化为珠光体时最低温度与最高温度之差为60℃，λ＝0.42、R＝1.091、K＝6.27。

热处理之后，钢丝的断裂抗拉强度为1310MP_a。用已知方法镀黄铜并拉制得到直径为0.84mm的钢丝，其截面比为42.87，钢丝的抗拉强度3350MPa。

根据本发明所处理的钢丝（1）的结构与用已知铅淬火方式所得到的结构相同，即都是优质的珠光体结构，该结构具有由铁氧体层分隔的渗碳层。作为实例，图9用剖面图表示出一块优质珠光体结构（50）。该块（50）具有由铁氧体层（52）分隔的、实际上平行的两个渗碳层（51），渗碳层（51）的厚度用“i”表示。铁氧体（52）的厚度用“e”表示。珠光体结构是优质的，i+e的平均值最多等于1000

，其标准偏差为250 。

前述实例1至9中每个实例都可以得到与前述优质珠光体块50结构相一致的结构。但是在扼制金属聚放热的情况下所得到的结构是最优质的。

最好，本发明至少能够获得下列一种结果：

-热处理后，拉制之前的抗拉强度至少等于1300MP_a。

-钢丝经拉制得到戴面比至少是40。

-拉制后，钢丝的抗拉强度至少等于3000MP_a。

作为对比，下述两个实例10和11不属于本发明。这两个对比实例用与前述有Z₁至Z₅段的设备500类似的设备实施。Z₂、Z₃、Z₄段每段都使用交换器100，这些交换器都是相同的，都使用派热克斯玻璃管（3），且D_ti＝25mm，D_te＝35mm。套管直径在所有情况下都是D_mi＝50mm，D_me＝60mm。其设备长度为18m（Z₂至Z₄区）。

在这两个对比实例中，导热气体（12）都是含有75%氢和25%氮（按体积计）的已裂解的氨，在600℃下导热率λ等于0.28W·m^-1·°K^-1。钢含有0.7%碳，与前面实例4、5、6中使用的钢是相同的（表1）。

对比实例10和11具体条件如下：

实例10

所处理钢丝的直径为1.3mm，钢丝的走速为1m·S^-1，因此，R＝19.23、K＝17.8、关系式（1）至（4）中任何一个关系式都不满足。在Z₁段出口，钢丝温度为975℃。Z₁段的冷却时间为6.7秒，在Z₁段出口处钢丝温度在600℃左右。

通过Z₃段的时间4.6秒，在Z₃段出口完成珠光体化。

由奥氏体转化为珠光体（Z₃段）时，钢丝的最低温度与最高温度之间的温差为80℃，其金属的骤放热是很大的。

上述热处理后，钢丝的抗拉强度是1100MP_a，然后用已知方法镀黄铜，拉制直至钢丝的直径为0.23mm，这时截面比为31.95，抗拉强度为2765MPa。因此，不属于本发明的该实例，在拉制前后有严重的金属聚放热和很低的抗拉强度值，此外按本实例描述的热处理之后，钢丝的结构满足关系式ite＝1350

（平均值），标准偏差255 ，该结构与前述的结构不一致。

实例11

待处理的钢丝直径为2.8mm，钢丝走速为0.5m·S^-1，R＝8.93，K＝61.3。因此关系式（1）是关系式（1）至（4）中唯一满足的。

在Z₁段出口钢丝温度如同前面实例，都是975℃。

钢丝通过Z₂段的时间为11.5秒，在Z₂段出口钢丝温度为630℃左右。

通过Z₃段时间为8.5秒，在Z₃段出口完成珠光体化。在Z₃段，当珠光体化时钢丝的最低温度与最高温度之温差为60℃，即金属聚放热与上述实例10相比是不大的，这是因为在Z₃段珠光体化的速度低，这归于较高的转化温度。

热处理后，钢丝的抗拉强度为1010MP_a。然后用已知方法对钢丝镀黄铜与拉制直至钢丝直径为0.42mm，截面比为44.44抗拉强度为2500MPa。

不属于本发明的该实例，处理时间很长，并且抗拉强度低。

此外，按该实例进行热处理后，钢丝的结构符合关系式：i+e＝1450

（平均值），标准偏差为300 。

也就是说，钢丝的结构与前述的结构不一致。

当然本发明并不受上述实例所限制。

Claims (14)

1、用热处理至少一根碳钢丝得到优质珠光体组织的方法，在进行这种处理前，钢丝(1)温度保持在高于转化温度AC3以得到均匀的奥氏体，其方法的特征如下：

a)冷却钢丝，温度由高于转化温度AC3降至低于转化温度AC1；

b)然后在低于转化温度AC1的温度下进行珠光体化处理；

c)让钢丝通过充有气体并且实际上无强制通风的至少一根管子内进行冷却与珠光体化处理。其管外有载热流体，以便由气体和管子向载热流体传热；

d)至少在珠光体化之前冷却时，选择管子、钢丝和气体的特性以满足下列关系式：

1.05≤R≤15(1)

5≤K≤10  (2)

定义：

R=Dti/Df

K=[log(Dti/Df)]×Df²/λ

式中，Dti是管内径，单位mm，Df是钢丝直径，单位mm。该直径最大是6mm，λ表示是在600℃下所测定气体的导热率，单位W·m^-1·°K^-1，log是自然对数。

2、根据权利要求1所述的方法，其特征在于在将钢丝的温度由高于转化强度AC3冷却低于转化温度AC1后，将钢丝的温度保持在与给定温度或高或低不相差10℃范围内，并通过调节交换器将冷却时间超过珠光体化的时间，在珠光体化速度最快的一根或多根管的一段或多段满足下式：

1.05≤R≤8  （3）

3≤K≤8  （4）

3、根据权利要求2所述的方法，其特征在于把钢丝的温度保持在与给定的温度或高或低不相差5℃范围内。

4、根据权利要求2或3中任何一个权利要求的方法，其特征在于通过改变一根管子或至少一根管子的内径来进行调节。

5、根据权利要求2至4中任何一个权利要求的方法，其特征在于使用改变管子长度的多根管子来进行调节。

6、热处理至少一根碳钢丝的方法，其特征如下：

-加热钢丝使其温度高于转化温度AC3的温度，从而得到均匀的奥氏体;

-然后按照权利要求1至5中任何一个权利要求的方法进行处理;

-冷却钢丝。

7、能够热处理至少一根碳钢丝以获得优质珠光体组织的装置，在这种处理之前，钢丝温度保持在高于转化温度AC3以获得均匀的奥氏体，该装置的特征如下：

a）它有能使钢丝的温度由高于转化温度AC3冷却至低于转化温度AC1的部件;

b）它有在低于转化温度AC1下能进行珠光体化处理的部件;

c）该冷却和珠光体化部件有至少一根管子和一些使钢丝通过管子的部件，其管内充有气体，实际上无强制通风，其管外有载热流体，钢丝通过气体和管子向载热流体传热;

d）至少在珠光体化前冷却所选择的管、钢丝和气体的特征要符合下列关系式：

1.05≤R≤15  （1）

5≤K≤10  （2）

定义：

R＝D_ti/D_f

K＝〔log（D_ti/D_f）〕×D² _f/λ

式中，D_ti是管内径，单位mm;D_f是钢丝的直径，单位mm，该直径最大是6mm;λ是在600℃下所测定的气体导热率，单位W·m^-1·°K^-1;log是自然对数。

8、根据权利要求7所述的装置，其特征在于装配一根或多根管子以便将钢丝的温度由高于转化温度AC3冷却至低于转化温度AC1，使钢丝的温度保持在与给定温度或高或低不相差10℃范围内，通过调节热交换器使得冷却时间长于珠光体化的时间，在珠光体化速度最快的一根或多根管子的一段或多段内，满足下列关系，

1.05≤R≤8  （3）

3≤K≤8  （4）

9、根据权利要求8所述的装置，其特征在于装配一根或多根管子以便使钢丝的温度或高或低不超过5℃。

10、根据权利要求8或9中任何一个权利要求所述的装置，其特征在于一根或至少一根管子的内径是可变的。

11、根据权利要求8至10中任何一个权利要求所述的装置，其特征在于有几根长度不同的管子。

12、热处理至少一根碳钢丝的设备，至少有符合权利要求7至11中任何一个权利要求所述的一种装置，该设备还包括一些能使钢丝的温度在珠光体化前高于转化温度AC3，以及在珠光体化后能使钢丝冷却的部件。

13、使用该方法得到的钢丝与权利要求1至6中任何一个权利要求的方法所得到的钢丝是一样。

14、使用这种装置得到的钢丝与权利要求7至11中任何一个权利要求的装置所得到的钢丝是一样的，或用该设备制得的钢丝与权利要求12的设备所制得的钢丝是一样的。

Images