CN111944960B - 一种减少热轧中高碳钢球化退火脱碳的方法 - Google Patents

一种减少热轧中高碳钢球化退火脱碳的方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种减少热轧中高碳钢球化退火脱碳的方法，包括以下步骤：S1.在热轧钢带卷取温度范围内的中下限温度下卷曲钢带，得到热轧钢带卷；S2.将热轧钢带卷在N2中预吹扫，预吹扫完成后进行吹氢和加热处理的条件下进行罩式退火；吹氢依次采用大流量吹扫和小流量吹扫；加热采用多阶段升温方法。本发明通过调整热轧中高碳钢卷取过程中的温度，制定合理的罩式退火工艺，在吹氢过程中开创性采用大小流量吹扫结合，加热过程中采用多阶段升温方式，一方面，能够明显改善中高碳热轧钢卷在球化退火后的脱碳情况，既能减少碳含量降低值，又能降低中高碳钢卷表层脱碳的深度，从而可以明显改善成品零部件的性能，达到较好的使用效果。

Description

一种减少热轧中高碳钢球化退火脱碳的方法
技术领域
本发明属于热轧钢材制造技术领域，特别涉及一种减少热轧中高碳钢球化退火脱碳的方法。
背景技术
中高碳钢因碳含量较高，非常容易在球化退火过程中产生表面脱碳，从而对钢材使用后的力学性能产生影响，严重时将导致疲劳性能不合格，淬火后硬度完全不达标，材质不合格等重大质量问题。特别是热轧钢材被淋雨、受潮或粘附有油污时，球化退火时的脱碳更加明显。
目前，为防止热轧钢材在球化退火时产生表层脱碳的工艺是将热轧材进行酸洗或机械除鳞处理，如采用酸洗线或环保表面处理线(Eco-Pickled-Surface，EPS)去除热轧钢卷表面的氧化铁皮，从而避免了退火过程中氧化铁皮中或表层吸附的水、油与钢中的碳反应出现脱碳。然而，采用酸洗或EPS工艺将明显增加生产成本，一般100～200元/t；而EPS生产线投资巨大，较多的地区也无法进行酸洗。因此，急需开发一种能够减少中高碳热轧钢卷球化退火过程中脱碳的方法。
发明内容
本发明的目的在于提供一种减少热轧中高碳钢球化退火脱碳的方法，旨在解决现有技术中中高碳钢球化退火过程中脱碳严重的技术问题。
为解决上述技术问题，本发明采取如下技术方案：
一种减少热轧中高碳钢球化退火脱碳的方法，包括以下步骤：
S1.在热轧钢带卷取温度范围内的中下限温度下卷曲钢带，得到热轧钢带卷；
S2.将所述热轧钢带卷在N2中预吹扫，预吹扫完成后进行吹氢和加热处理的条件下进行罩式退火；
所述吹氢处理依次采用大流量吹扫和小流量吹扫；
所述加热处理采用多阶段升温方法。
进一步地，步骤S1中，所述中下限温度为600℃～650℃。
进一步地，步骤S2中，所述预吹扫工艺参数为：预吹扫时间为10～25min，体积为30～50m3；所述大流量吹扫工艺参数为：吹扫流量为15～20m3/h，吹扫至罩式炉内温度大于400℃。
进一步地，步骤S2中，罩式炉温度达到600℃以上，采用小流量吹扫方法吹氢，吹扫流量小于2m3/h，直至退火完成。
进一步地，步骤S2中，所述加热采用四阶段升温方法；
所述四阶段升温方法的操作步骤为：
第一阶段：自由升温并保温；
第二阶段：按一定升温速率继续升温至360～400℃，并保温；
第三阶段：按一定升温速率继续升温至680～800℃，并保温；
第四阶段：保温结束后，依次进行带罩冷却、风冷，然后水冷至100℃以下，出炉。
进一步地，所述第一阶段的操作步骤为：自由升温加热至80～100℃，并保温1～2小时。
进一步地，所述第二阶段的操作步骤为：按升温速率50～80℃/h继续升温至360～400℃，并保温1～2小时。
进一步地，所述第三阶段的操作步骤为：按升温速率40～60℃/h继续升温至680～800℃，并保温15～18小时。
进一步地，所述带罩冷却时间为4～5.5h，温度为600～650℃。
进一步地，所述风冷后温度为360～400℃。
本发明提供的减少热轧中高碳钢球化退火脱碳的方法的有益效果在于：
本发明提供的减少热轧中高碳钢球化退火脱碳的方法，通过调整热轧中高碳钢卷取过程中的温度，制定合理的罩式退火工艺，在吹氢过程中开创性采用大小流量吹扫结合，加热过程中采用多阶段升温方式，能够明显改善中高碳热轧钢卷在球化退火后的脱碳情况，既能减少碳含量降低值，又能降低中高碳钢卷表层脱碳的深度，从而可以明显改善成品零部件的性能，达到较好的使用效果。
附图说明
图1是本发明实施例4制备的钢卷样品显微组织图。
图2是对比例1制备的钢卷样品显微组织图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
本发明提供一种减少热轧中高碳钢球化退火脱碳的方法，包括以下步骤：
S1.在热轧钢带卷取温度范围内的中下限温度下卷曲钢带，得到热轧钢带卷；
S2.将热轧钢带卷在N2中预吹扫，预吹扫完成后进行吹氢和加热处理的条件下进行罩式退火；
吹氢处理依次采用大流量吹扫和小流量吹扫；
加热处理采用多阶段升温方法。
步骤S1中，可以根据各钢中的化学成分或CCT曲线，结合用户的使用要求，确定可行的热轧钢带卷取温度范围；然后在该范围内，选取中下限为目标卷取温度；较低的卷取温度有利于降低中高碳钢热轧钢卷的氧化铁皮厚度，同时也可以为后续的球化退火采用更低的温度和更短的时间作好组织准备。
步骤S2中，将带氧化铁皮的热轧钢卷装入罩式退火炉中，然后压紧内招。依次完成氢气阀、内罩和炉台密封实验后，进行N2预吹扫，预吹扫完成后依次进行吹氢和加热处理。
需要说明的是，本发明通过调整热轧中高碳钢卷取过程中的温度，制定合理的罩式退火工艺，在吹氢过程中开创性采用大小流量吹扫结合，加热过程中采用多阶段升温方式，能够明显改善中高碳热轧钢卷在球化退火后的脱碳情况，既能减少碳含量降低值，又能降低中高碳钢卷表层脱碳的深度，从而可以明显改善成品零部件的性能，达到较好的使用效果。
具体地说，采用本发明方法进行球化退火，得到钢中的碳含量降低值可以保持在0.05％以内，高碳钢产品的全脱碳层深度可以控制在30μm以内；优选地，钢中碳含量降低值可以保持在0.03％以内。
作为本发明的进一步优选，步骤S1中，中下限温度为600℃～650℃。
作为本发明的进一步优选，步骤S2中，预吹扫工艺参数为：预吹扫时间为10～25min，体积为30～50m3。
作为本发明的进一步优选，步骤S2中，大流量吹扫工艺参数为：吹扫流量为15～20m3/h，吹扫至罩式炉内温度大于400℃。罩式退火前期采用大流量吹扫有利于去除罩式炉中钢卷表面吸附的水分，钢卷表面可能存在的油污及油脂，以及氧化铁皮与氢气反应生成的水分。
作为本发明的进一步优选，步骤S2中，罩式炉温度达到600℃以上，采用小流量吹扫方法吹氢，吹扫流量小于2m3/h，直至退火完成。
需要说明的是，本发明采用的小流量吹氢，类似于闷炉处理，可以一直持续至钢卷出炉。因温度在600℃以上时，钢中的碳开始与氢气反应生成甲烷，出现脱碳现象，根据化学平衡移动原理，停止大流量吹氢，将脱碳反应生成的甲烷保留在气体中，可以抑制反应的进行，从而防止脱碳。
作为本发明的进一步优选，步骤S2中，所述加热采用四阶段升温方法；
四阶段升温方法的操作步骤为：
第一阶段：自由升温并保温；
第二阶段：按一定升温速率继续升温至360～400℃，并保温；
第三阶段：按一定升温速率继续升温至680～800℃，并保温；
第四阶段：保温结束后，依次进行带罩冷却、风冷，然后水冷至100℃以下，出炉。
作为本发明的进一步优选，第一阶段的操作步骤为：自由升温加热至80～100℃，并保温1～2小时。此时，吸附在钢卷表面的水气化成水蒸气，在大流量的吹氢条件下，水蒸气能够被快速带走。
作为本发明的进一步优选，第二阶段的操作步骤为：按升温速率50～80℃/h继续升温至360～400℃，并保温1～2小时。此时，热轧钢卷表面可能存在的油污及油脂受热挥发，也能够被快速排出罩式炉外。
作为本发明的进一步优选，第三阶段的操作步骤为：按升温速率40～60℃/h继续升温至680～800℃，并保温15～18小时。在热轧钢卷采用较低的卷取温度条件下，该保温温度相比于更高的卷取温度可以降低20℃以上，有利于减少退火脱碳。
作为本发明的进一步优选，带罩冷却时间为4～5.5h，温度为600～650℃；风冷后温度为360～400℃。实际过程中，可以进行带罩停电缓冷或者直接换冷却罩风冷，再水冷至100℃以下。
作为本发明的进一步优选，中高碳钢的碳含量≥0.25％。
需要说明的是，本发明中中高碳钢的碳含量限定为大于等于0.25％，另外，本发明采用的中高碳钢为合金弹簧钢、碳素结构钢、碳素工具钢、合金工具钢或高合金类工具钢中任意一种。
本发明提供的减少热轧中高碳钢球化退火脱碳的方法工艺简单，方便操作，特别适用于工具钢、弹簧钢、厚规格合金结构钢等优特钢热轧钢卷的球化退火过程。
为了说明本发明所述的技术方案，以下结合具体附图及实施例进行详细说明。
实施例1
本实施例提供一种减少碳素结构钢卷球化退火脱碳的方法，其中，碳素结构钢为广泛应用于五金、家电、汽车等零部件的S50C，其化学成分为：C 0.51％、Si 0.19％、Mn0.75％、P 0.017％、S 0.004％、Cr 0.14％，其余为Fe和不可避免的杂质，具体包括以下步骤：
S1.设定S50C的热轧卷取温度为600℃，热轧卷下线缓冷至常温。
S2.将卷重为22吨，规格为4.0×1250mm的四卷S50C热轧钢卷装入罩式退火炉，压紧内罩，依次完成氢气阀、内罩和炉台密封实验后，进行N2预吹扫20min，体积50m3，吹扫完后启动吹氢和加热操作。
吹氢：按大流量模式20m3/h吹氢11小时，此时内罩内温度达到约450℃，然后按小流量模式约2m3/h吹氢直至退火完成。
加热：采用四阶段加热升温模式；
第一阶段：自由升温加热到100℃保温1小时；
第二阶段：用时5小时加热到400℃，并保温2小时；
第三阶段：再以60℃/h加热到720℃，并保温15h；
第四阶段：保温结束后，带罩冷却4h，此时温度达到约650℃，换风冷至400℃，换水冷至100℃出炉。
实施例2
本实施例提供一种减少合金弹簧钢卷球化退火脱碳的方法，其中，本实施例优选为51CrV，化学成分为：C 0.52％、Si 0.24％、Mn 1.05％、P 0.014％、S 0.003％、Cr0.98％、V 0.12％，其余为Fe和不可避免的杂质，具体包括以下步骤：
S1.设定51CrV4的热轧卷取温度为650℃，热轧卷下线缓冷至常温。
S2.将卷重为17吨，规格为7.5×1250mm的四卷51CrV4热轧钢卷装入罩式退火炉，压紧内罩，依次完成氢气阀、内罩和炉台密封实验后，进行N2预吹扫20min，体积50m3，吹扫完后启动吹氢和加热操作。
吹氢：按大流量模式20m3/h吹氢14小时，此时内罩内温度达到约450℃，然后按小流量模式约2m3/h吹氢直至退火完成。
加热：采用四阶段加热升温模式；
第一阶段：自由升温加热到100℃保温1小时；
第二阶段：用时7.5小时加热到400℃，并保温2小时；
第三阶段：再以40℃/h加热到730℃，并保温16h；
第四阶段：保温结束后，带罩冷却4.5h，此时温度达到约650℃，换风冷至400℃，换水冷至100℃出炉。
实施例3
本实施例提供一种减少碳素工具钢卷球化退火脱碳的方法，其中，本实施例优选为SK85，化学成分为：C 0.87％、Si 0.18％、Mn 0.45％、P 0.015％、S 0.003％、Cr 0.14％，其余为Fe和不可避免的杂质，具体包括以下步骤：
S1.设定SK85的热轧卷取温度为640℃，热轧卷下线缓冷至常温.
S2.将卷重为22吨，规格为5.0×1250mm的四卷SK85热轧钢卷装入罩式退火炉，压紧内罩，依次完成氢气阀、内罩和炉台密封实验后，进行N2预吹扫20min，体积50m3，吹扫完后启动吹氢和加热操作。
吹氢：按大流量模式20m3/h吹氢14小时，此时内罩内温度达到约450℃，然后按小流量模式2m3/h吹氢直至退火完成。
加热：采用四阶段加热升温模式；
第一阶段：自由升温加热到100℃保温1小时；
第二阶段：用时7.5小时加热到400℃，并保温2小时；
第三阶段：再以40℃/h加热到730℃，并保温18h；
第四阶段：保温结束后，带罩冷却4.5h，此时温度达到约650℃，换风冷至400℃，换水冷至100℃出炉。
实施例4
本实施例提供一种减少合金工具钢卷球化退火脱碳的方法，其中，本实施例优选为75Cr1，化学成分为：C 0.75％、Si 0.32％、Mn 0.72％、P 0.017％、S 0.002％、C 0.42％，其余为Fe和不可避免的杂质，具体包括以下步骤：
S1.设定75Cr1的热轧卷取温度为650℃，热轧卷下线缓冷至常温.
S2.将卷重为22吨，规格为4.5×1250mm的四卷75Cr1热轧钢卷装入罩式退火炉，压紧内罩，依次完成氢气阀、内罩和炉台密封实验后，进行N2预吹扫20min，体积50m3，吹扫完后启动吹氢和加热操作。
吹氢：按大流量模式20m3/h吹氢14小时，此时内罩内温度达到约450℃，然后按小流量模式2m3/h吹氢直至退火完成。
加热：采用四阶段加热升温模式；
第一阶段：自由升温加热到100℃保温1小时；
第二阶段：用时7.5小时加热到400℃，并保温2小时；
第三阶段：再以40℃/h加热到730℃，并保温18h；
第四阶段：保温结束后，带罩冷却4.5h，此时温度达到约650℃，换风冷至400℃，换水冷至100℃出炉。
实施例5
本实施例提供一种减少高合金工具钢卷球化退火脱碳的方法，其中，本实施例优选为D6A，化学成分为：C 0.48％、Si 0.21％、Mn 0.85％、P 0.013％、S0.002％、Cr 0.98％、V 0.11％、Al 0.06％、Ni 0.52％、Mo 0.94％，其余为Fe和不可避免的杂质，具体包括以下步骤：
S1.设定D6A的热轧卷取温度为660℃，热轧卷下线缓冷至常温。
S2.将卷重为16吨，规格为3.5×1250mm的四卷D6A热轧钢卷装入罩式退火炉，压紧内罩，依次完成氢气阀、内罩和炉台密封实验后，进行N2预吹扫20min，体积50m3，吹扫完后启动吹氢和加热操作。
吹氢：按大流量模式20m3/h吹氢14小时，此时内罩内温度达到约450℃，然后按小流量模式2m3/h吹氢直至退火完成。
加热：采用四阶段加热升温模式；
第一阶段：自由升温加热到100℃保温1小时；
第二阶段：用时7.5小时加热到400℃，并保温2小时；
第三阶段：再以40℃/h加热到750℃，并保温18h；
第四阶段：保温结束后，带罩冷却5.5h，此时温度达到约650℃，换风冷至400℃，换水冷至100℃出炉。
对比例1
本对比例采用现有普通球化退火工艺对75Cr1合金工具钢进行处理，具体方法如下：
吹氢：按大流量模式20m3/h固定吹氢10小时后调整成5m3/h吹氢直至退火完成。
加热：采用三阶段加热升温模式；
第一阶段：以40℃/h加热到400℃，并保温2小时；
第二阶段：再以40℃/h加热到730℃，并保温18h；
第三阶段：保温结束后，带罩冷却4.5h，此时温度达到约650℃，换风冷至400℃，换水冷至100℃出炉。
分别对实施例4和对比例1的钢卷样品的显微组织结构进行观察，具体观察结果见图1和图2。
图1为实施例4制备得到的钢卷样品，图2为对比例1制备得到的钢卷样品，从图中可以看出，实施例4中的样品显微组织结构更均匀。
将上述实施例1～5及对比例1球化退火后，钢卷取样检验，检测其碳含量和全脱碳层深度，其中检测方法采用GB/T 224-2019《钢的脱碳层深度测定法》，具体检测结果见表1。
表1
碳含量,％ 全脱碳层深度,μm
实施例1 0.475 28
实施例2 0.483 21
实施例3 0.827 15
实施例4 0.728 22
实施例5 0.453 16
对比例1 0.594 52
由表1可知，实施例1～5采用本发明的退火工艺最终钢卷的碳含量降低值均保持在0.05％以内，其中实施例4得到的钢卷碳含量降低值为0.03％以内，而对比例1采用普通球化退火工艺得到钢卷碳含量降低值为0.156％，在0.05％以上；采用本发明的退火工艺钢卷全脱碳层深度小，均保持在30μm以内，而对比例1的钢卷全脱碳层深度为52μm，超过50μm。
本发明通过调整热轧中高碳钢卷取过程中的温度，制定合理的罩式退火工艺，在吹氢过程中开创性采用大小流量吹扫结合，加热过程中采用多阶段升温方式，既能减少碳含量降低值，又能降低中高碳钢卷表层脱碳的深度，从而可以明显改善成品零部件的性能，达到较好的使用效果。
需要说明的是，在本文中，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。
本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想。以上仅是本发明的优选实施方式，应当指出，由于文字表达的有限性，而客观上存在无限的具体结构，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进、润饰或变化，也可以将上述技术特征以适当的方式进行组合；这些改进润饰、变化或组合，或未经改进将发明的构思和技术方案直接应用于其它场合的，均应视为本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种减少热轧中高碳钢球化退火脱碳的方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1.在600℃～650℃的热轧钢带卷取温度范围内卷曲钢带，得到热轧钢带卷；
S2.将所述热轧钢带卷在N2中预吹扫，预吹扫完成后在吹氢和加热处理的条件下进行罩式退火，
所述吹氢处理依次采用大流量吹扫和小流量吹扫，
其中，所述小流量吹扫包括在小于2m3/h的吹扫流量、大于600℃的吹扫温度下，吹扫至退火完成；所述大流量吹扫包括在15~20m3/h的吹扫流量下，吹扫至罩式炉内温度大于400℃；
所述加热处理采用多阶段升温方法，其中，所述多阶段升温方法的操作步骤包括：
第一阶段：自由升温至80~100℃，并保温；
第二阶段：按一定升温速率继续升温至360~400℃，并保温；
第三阶段：按一定升温速率继续升温至680~800℃，并保温。
2.如权利要求1所述减少热轧中高碳钢球化退火脱碳的方法，其特征在于，步骤S2中，所述预吹扫工艺参数为：预吹扫时间为10~25min，体积为30~50m3。
3.如权利要求1所述减少热轧中高碳钢球化退火脱碳的方法，其特征在于，步骤S2中，所述多阶段升温方法的操作步骤还包括：
第四阶段：保温结束后，依次进行带罩冷却、风冷，然后水冷至100℃以下，出炉。
4.如权利要求1所述减少热轧中高碳钢球化退火脱碳的方法，其特征在于，所述第一阶段的自由升温的保温时间为1~2小时。
5.如权利要求1所述减少热轧中高碳钢球化退火脱碳的方法，其特征在于，所述第二阶段的操作步骤为：按升温速率50~80℃/h继续升温至360~400℃，并保温1~2小时。
6.如权利要求1所述减少热轧中高碳钢球化退火脱碳的方法，其特征在于，所述第三阶段的操作步骤为：按升温速率40~60℃/h继续升温至680~800℃，并保温15~18小时。
7.如权利要求3所述减少热轧中高碳钢球化退火脱碳的方法，其特征在于，所述带罩冷却时间为4~5.5h，温度为600~650℃；所述风冷后温度为360~400℃。
8.如权利要求1~7任一项所述减少热轧中高碳钢球化退火脱碳的方法，其特征在于，所述中高碳钢的碳含量≥0.25%。
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