CN108330322A - 具备高导热性能钢帘线铅浴用Pb-Ca-Sb铅合金 - Google Patents

Abstract

本发明公开了具备高导热性能钢帘线铅浴用Pb‑Ca‑Sb铅合金及其加工工艺。按照重量百分比，该合金的成分为：Ca:1.5‑2.0wt.%,Sb:0.5‑1.0wt.%,Ge:1.0‑1.4wt.%,Ni：0.4‑0.8wt.%，Si:1.0‑2.0wt.%,Y:0.4‑0.8wt.%,余量为铅。该铅钙合金的研制将解决铅浴热处理工艺应用中的难题，为铅浴热处理的推广起到至关重要的作用，对工业生产也将具有重大的经济意义。

Description

具备高导热性能钢帘线铅浴用Pb-Ca-Sb铅合金

技术领域

本发明涉及合金技术领域，具体地说，涉及一种铅钙合金。

背景技术

我国钢帘线的产量和结构品种逐年增加，钢帘线生产企业也一直致力于生产工艺的优化，通过设备改善和工艺调整，不断降低生产各工序的断丝率，提高生产效率和综合成材率。在生产实践中淬火方式的改变，给钢帘线生产的稳定和效率带来了较大的提升。淬火是中高碳钢丝生产中的关键工序，尤其是最终热处理淬火工艺，钢丝通过淬火得到索氏体组织，这样的组织具有较高的拉伸极限，钢丝拉拔后可获得良好的综合性能，给成品钢帘线提供了所需的力学指标，同时减少了钢帘线在生产过程中断丝现象。帘线钢丝的淬火方式主要有铅浴淬火、砂床淬火、水浴淬火。

铅浴淬火是将钢件奥氏体化后，进入熔铅中进行淬火冷却完成组织转变的过程，最终组织为细珠光体。这是在制造中碳钢及高碳钢的钢丝工艺中，为了获得适当组织以便容易拉拔及获得高质量的一种常用工艺。铅浴热处理是一种传统的钢丝热处理工艺，具有热容量大、导热率高、投资小、成本低、工艺易于控制，等温转变程度高、处理后钢丝性能好、质量稳定等优点。

铅浴的缺点也是很明显的。（1）铅浴淬火虽已在许多企业得到广泛应用，但存在着许多缺陷，主要表现为铅污染环境，危害人体健康；穿线很不方便，劳动强度大；铅液易结渣，维护复杂，稍有不慎会因挂铅而影响后续加工。（2）铅浴淬火剂是早期采用的金属淬火介质。浴温越低，冷速越大。由于铅浴会挥发出有毒气体，对人体毒性较大，故正逐渐被碱浴或硝盐所代替。这类金属浴淬火剂还有锡铅合金浴等，主要适用于形状复杂工件的微变形淬火冷却。

国内外仍有很多企业在沿用这种传统的热处理工艺，尤其在钢丝生产中，经过铅浴处理的钢丝，具有良好的索氏体组织，保证了钢丝良好的拉拔性能，及拉拔后可获得高强度、高韧性的综合力学性能。故铅浴炉还不能被其它热处理方式完全取代，其将在较长时期内存在。

目前针对铅淬火进行铅污染防治的措施，主要以铅锅覆盖剂法为主。也就是选用某种能够对铅锅起到一定封闭作用的材料，覆盖于铅液之上，以防止和控制铅蒸气超量逸出，从而达到铅污染超标治理的方法。常见的覆盖剂有：（1）木炭粉（2）SRQF覆盖剂。由多种硅酸盐复合而成的一种覆盖材料，其特点是无味、耐高温，隔热性能好，对铅蒸气具有较强的吸收抑制性能。（3）GBA液铅覆盖剂。它由两部分组成:一部分是优质焦炭颗粒为主的固体载体，另一部分则是以各种低共熔无机盐为主的高温胶结剂。（4）煤渣覆盖剂。

使用铅锅覆盖剂进行铅污染防治的效果如何，关键取决于覆盖剂的性能与特点。不同的铅锅覆盖剂其效果也不尽相同。好的铅锅覆盖剂不仅具有较好的铅污染防治功能，而且能够达到节能降耗，保证产品质量的效果。总的说来，上述的方法各有缺点，并不能完全满足现有的行业要求。降低铅浴过程中铅的挥发，以及对人和环境的危害，从材料学的角度讲无非就是降低铅的挥发速度或者铅的饱和蒸气压。铅浴淬火在还不能被其他方式完全取代之前，以它自身的优越性，仍将在较长时问内存在。对于铅浴淬火造成的铅污染的防治依然是我们研究探索的一个重要课题。

国外己经开发的铅锅覆盖剂性能还不能令人满意。开发具备极低铅蒸气压的新型铅合金有两种方法，一种是加入合金元素通过热力学的交互作用来降低铅的活度，另一种是通过加入特定的合金元素来形成低熔点的氧化物和氮化物，从而将铅浴和空气隔绝开来。此外，通过合金化的办法还可以增加铅浴合金中铅合金的传热系数。传热性能的提升可以增加单位时间内送入铅浴炉内钢帘线的数量，并能使得铅合金的温度保持在480-550度。从而为钢帘线由奥氏体转变为屈氏体提供稳定的热力学条件。Ca和Sb作为合金化元素加入铅合金中可以大大降低铅浴炉表面的铅蒸气压，以及提高合金的传热系数。随着我国工业的快速发展，开发压铸用新型铅合金已成为必然。

铅钙合金最大的特点是在冶炼和使用过程中因为铅钙合金熔体容易氧化燃烧，生成致密的氧化膜和氮化膜。这种致密的熔体表面化合物膜能有效阻止铅蒸汽向大气中的挥发。也就是说，通过合金化的方法达到防止在热处理过程中铅钙的挥发和氧化问题，是解决铅浴热处理问题的发展方向之一。合金化防止铅在熔炼过程中挥发的机理是在合金中添加合金元素来影响合金氧化的热力学与动力学过程。在合金表面形成具有保护作用的致密氧化膜和氮化膜，达到阻止铅在高温下的急剧蒸发和氧化。与铅锅覆盖剂相比，合金化防止铅在熔炼过程中挥发可以消除熔剂夹杂，降低对大气的污染。

发明内容

本发明目的在于克服现有技术的不足，提供一种可以在480-550度大气条件下具备高导热性能钢帘线铅浴用Pb-Ca-Sb铅合金。该合金在此温度区间对钢帘线进行屈氏体化热处理时，不仅具有常用铅浴热处理的所有功能。其耐挥发性能和高传热性能也远远高于现有的铅合金。该方法还具有生产成本低，便于大规模生产的特点。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种具备高导热性能钢帘线铅浴用Pb-Ca-Sb铅合金。按重量百分比计，合金的组成为：Ca: 1.5-2.0wt.%,Sb:0.5-1.0wt.% ,Ge:1.0-1.4wt.%,Ni：0.4-0.8wt.%，Si:1.0-2.0wt.%,Y:0.4-0.8wt.%,余量为铅。该铅钙合金在熔炼过程因为挥发和形成炉渣等原因而损失的重量在1.0-3.0wt.%左右。

上述具备高导热性能钢帘线铅浴用Pb-Ca-Sb铅合金的制备方法，包括如下步骤：将如上配比的原料加入到大气保护的感应电炉内，并采用碳化硅坩埚；感应加热到500-600度形成合金溶液，并利用电磁搅拌效应充分搅拌10分钟左右；将合金液体在500-600度保温静置10分钟后浇铸到热顶同水平设备内进行半连续铸造成所需要的圆锭，铸锭下移速度为10-20m/min。该铸锭可以当做铅浴原料用于后续工序的铅浴热处理来对钢帘线进行屈氏体操作；其中，铅浴合金的使用温度为480-550度。

与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：

（1）本发明专利针对目前钢帘线铅浴用铅的耐挥发和耐氧化性能不好的状态提供了一种新颖的材料学解决方案。该合金具有极其优异的耐挥发和耐氧化，可以达到在480-550度温度范围内在大气环境下静置5个小时而没有明显的氧化。在对该液态铅合金进行搅拌、吹气等熔体处理过程中，当其表面膜因剧烈搅拌被破坏后，能快速再生，成功阻碍合金的氧化和挥发。且该铅钙合金在熔炼过程因为挥发和形成炉渣等原因而损失的重量小于3.0wt.%左右。

（2）对于传统铅浴热处理，在铅浴池上方检测铅蒸汽浓度为280-320mg/m³。相比而言，采用本专利设计的新型铅浴用耐挥发耐氧化Pb-Ca-Fe铅合金，铅蒸汽浓度为30-50mg/m³。与覆盖前相比，铅蒸汽浓度降低了80%以上。此外，该铅钙合金的传热系数在480-550度维持在150-160W/m·K。而现有的铅浴用铅合金的传热系数只有90-120 W/m·K。

（3）本专利申请保护的铅浴用铅合金可以有效地降低铅浴过程中铅的挥发，降低人和环境的危害。降铅效果最好，使用期长，且不影响钢丝铅淬火的质量，便于工人操作，年耗费资金也较少，为钢丝铅浴炉淬火生产中的首选降铅方法。

具体实施方式

实施例1

一种在490度使用具备高导热性能钢帘线铅浴用Pb-Ca-Sb铅合金按重量百分比计，合金的化学成分为：Ca: 1.6wt.%,Sb:0.8wt.% ,Ge:1.2wt.%,Ni：0.5wt.%，Si:1.6wt.%, Y:0.5wt.%,余量为铅。合金的制备方法：将如上配比的原料加入到大气保护的感应电炉内，并采用碳化硅坩埚；感应加热到550度形成合金溶液，并利用电磁搅拌效应充分搅拌10分钟左右；将合金液体在550度保温静置10分钟后浇铸到热顶同水平设备内进行半连续铸造成所需要的圆锭，铸锭下移速度为14m/min。该铸锭可以当做铅浴原料用于后续工序的铅浴热处理来对钢帘线进行屈氏体操作；其中，铅浴合金的使用温度为480-550度。

该合金具有极其优异的耐挥发和耐氧化，可以达到在480-550度温度范围内在大气环境下静置5个小时而没有明显的氧化。在对该液态铅合金进行搅拌、吹气等熔体处理过程中，当其表面膜因剧烈搅拌被破坏后，能快速再生，成功阻碍合金的氧化和挥发。对于传统铅浴热处理，在铅浴池上方检测铅蒸汽浓度为280-320mg/m³。相比而言，采用本专利设计的新型铅浴用耐挥发耐氧化Pb-Ca-Fe铅合金，铅蒸汽浓度为42mg/m³。与覆盖前相比，铅蒸汽浓度降低了80%以上。此外，该铅钙合金的传热系数在480-550度维持在154W/m·K。而现有的铅浴用铅合金的传热系数只有90-120 W/m·K。本专利申请保护的铅浴用铅合金可以有效地降低铅浴过程中铅的挥发，降低人和环境的危害。降铅效果最好，使用期长，且不影响钢丝铅淬火的质量，便于工人操作，年耗费资金也较少，为钢丝铅浴炉淬火生产中的首选降铅方法。

实施例2

一种在520度使用具备高导热性能钢帘线铅浴用Pb-Ca-Sb铅合金。按重量百分比。按重量百分比计，合金的化学成分为：Ca: 1.6wt.%,Sb:0.6wt.% ,Ge:1.2wt.%,Ni：0.6wt.%，Si:1.8wt.%, Y:0.5wt.%,余量为铅。合金的制备方法：将如上配比的原料加入到大气保护的感应电炉内，并采用碳化硅坩埚；感应加热到550度形成合金溶液，并利用电磁搅拌效应充分搅拌10分钟左右；将合金液体在550度保温静置10分钟后浇铸到热顶同水平设备内进行半连续铸造成所需要的圆锭，铸锭下移速度为14m/min。该铸锭可以当做铅浴原料用于后续工序的铅浴热处理来对钢帘线进行屈氏体操作；其中，铅浴合金的使用温度为480-550度。

该合金具有极其优异的耐挥发和耐氧化，可以达到在480-550度温度范围内在大气环境下静置5个小时而没有明显的氧化。在对该液态铅合金进行搅拌、吹气等熔体处理过程中，当其表面膜因剧烈搅拌被破坏后，能快速再生，成功阻碍合金的氧化和挥发。对于传统铅浴热处理，在铅浴池上方检测铅蒸汽浓度为280-320mg/m³。相比而言，采用本专利设计的新型铅浴用耐挥发耐氧化Pb-Ca-Fe铅合金，铅蒸汽浓度为41mg/m³。与覆盖前相比，铅蒸汽浓度降低了80%以上。此外，该铅钙合金的传热系数在480-550度维持在158W/m·K。而现有的铅浴用铅合金的传热系数只有90-120 W/m·K。本专利申请保护的铅浴用铅合金可以有效地降低铅浴过程中铅的挥发，降低人和环境的危害。降铅效果最好，使用期长，且不影响钢丝铅淬火的质量，便于工人操作，年耗费资金也较少，为钢丝铅浴炉淬火生产中的首选降铅方法。

实施例3

一种在540度使用具备高导热性能钢帘线铅浴用Pb-Ca-Sb铅合金。按重量百分比。按重量百分比计，合金的化学成分为：Ca: 1.6wt.%,Sb:0.9wt.% ,Ge:1.2wt.%,Ni：0.5wt.%，Si:1.4wt.%, Y:0.6wt.%,余量为铅。合金的制备方法：将如上配比的原料加入到大气保护的感应电炉内，并采用碳化硅坩埚；感应加热到550度形成合金溶液，并利用电磁搅拌效应充分搅拌10分钟左右；将合金液体在550度保温静置10分钟后浇铸到热顶同水平设备内进行半连续铸造成所需要的圆锭，铸锭下移速度为18m/min。该铸锭可以当做铅浴原料用于后续工序的铅浴热处理来对钢帘线进行屈氏体操作；其中，铅浴合金的使用温度为480-550度。

该合金具有极其优异的耐挥发和耐氧化，可以达到在480-550度温度范围内在大气环境下静置5个小时而没有明显的氧化。在对该液态铅合金进行搅拌、吹气等熔体处理过程中，当其表面膜因剧烈搅拌被破坏后，能快速再生，成功阻碍合金的氧化和挥发。对于传统铅浴热处理，在铅浴池上方检测铅蒸汽浓度为280-320mg/m³。相比而言，采用本专利设计的新型铅浴用耐挥发耐氧化Pb-Ca-Fe铅合金，铅蒸汽浓度为46mg/m³。与覆盖前相比，铅蒸汽浓度降低了80%以上。此外，该铅钙合金的传热系数在480-550度维持在158W/m·K。而现有的铅浴用铅合金的传热系数只有90-120 W/m·K。本专利申请保护的铅浴用铅合金可以有效地降低铅浴过程中铅的挥发，降低人和环境的危害。降铅效果最好，使用期长，且不影响钢丝铅淬火的质量，便于工人操作，年耗费资金也较少，为钢丝铅浴炉淬火生产中的首选降铅方法。

Claims (3)

1.一种具备高导热性能钢帘线铅浴用Pb-Ca-Sb铅合金；按照重量百分比，该合金的成分为：Ca: 1.5-2.0wt.%,Sb:0.5-1.0wt.% ,Ge:1.0-1.4wt.%,Ni：0.4-0.8wt.%，Si:1.0-2.0wt.%, Y:0.4-0.8wt.%,余量为铅。

2.根据权利要求1所述具备高导热性能钢帘线铅浴用Pb-Ca-Sb铅合金，其特征在于包括如下步骤：将如上配比的原料加入到大气保护的感应电炉内，并采用碳化硅坩埚；感应加热到500-600度形成合金溶液，并利用电磁搅拌效应充分搅拌10分钟左右；将合金液体在500-600度保温静置10分钟后浇铸到热顶同水平设备内进行半连续铸造成所需要的圆锭，铸锭下移速度为10-20m/min。

3.根据权利要求1所述具备高导热性能钢帘线铅浴用Pb-Ca-Sb铅合金，其特征在于包含如下加工步骤：该铸锭可以当做铅浴原料用于后续工序的铅浴热处理来对钢帘线进行屈氏体操作；其中，铅浴合金的使用温度为480-550度。