一种弹簧钢防脱碳的加热及判别方法

摘要

一种弹簧钢防脱碳的加热及判别方法：对钢坯在氧化气氛下加热；对加热后的钢坯脱碳情况用公式0.7w≥d•x进行判别：进行高压除磷；吐丝；风冷至室温，备用。本发明通过改变钢坯在加热炉内的加热气氛，从而大幅降低甚至无脱碳层现象发生，合格率提高，弹簧的抗疲劳性能增强，再通过判别式0.7w≥d•x判别经加热后的钢坯脱碳情况，及时发现不符合脱碳要求的现象，能在不进行后工序下就及时予以反炉处理，正常后再进行下工序，这就加大地减少了废品率，降低了原燃料的消耗等，做到发现问题及时处理，通过控制0.7w与d•x二者的差值大小，控制钢的氧化量，减少氧化量，有效地利用资源，使效益最大化。

说明书

技术领域

本发明涉及一种钢的加热方法，确切地属于弹簧钢防脱碳的加热及判别方法。

背景技术

对于弹簧钢加热就会脱碳，特别是在高温下加热，更易脱碳，钢坯脱碳通过轧制会遗传到盘条上，使盘条脱碳超标。脱碳严重会影响弹簧的疲劳寿命，所以一般要求盘条的总脱碳小于直径的2%，最好小于1.2%，越小越好，以致脱碳为零，但实际生产中是难以达到的。

弹簧钢传统加热工艺是在还原气氛下进行的，其加热时采用的空燃比为不到1.1，认为这样会使燃烧不完全，使被加热的弹簧钢坯的脱碳减少。然而，由于钢坯在加热时，其还原气中有水蒸气H₂O、O₂、H₂等气体，H₂O、O₂、H₂等气体与钢坯表面的Fe₃C反应：

Fe₃C+H₂O=3>2↑

2Fe₃C+>2=6>

Fe₃C+>2=3>4↑

因而造成脱碳，形成脱碳层。钢坯表面的脱碳层的形成对用户弹簧产品性能是不利的，因而必须严格控制钢坯表面的脱碳层形成的厚度。

经检索，由郑宏伟、王灿祥撰写的《弹簧钢55SiCrA-M表面脱碳研究》（南钢科技与管理，2015年第4期：P19-22）。其摘要：研究了在合适残氧量和合适的空气过剩系数的炉内气氛下，均热段加热温度和加热时间对弹簧钢55SiCrA-M的脱碳层深度和组织形貌的影响。结果表明，均热段加热温度存在全脱碳敏感温度区间；加热温度对脱碳深度的影响要高于加热时间；最终确立了弹簧钢55SiCrA-M 最优的加热制度，加热温度为1000-1080℃，加热时间为30-60 min。实验内容与方法：试验选取在高速线材厂生产的φ15mm规格的二火弹簧钢55SiCrA-M线材成品盘条。弹簧钢55SiCrA-M坯料要经过抛丸-修磨-抛丸的预处理，保证钢坯表面的脱碳层被消除。加热炉内设定残氧量3％，空气过剩系数为0．9，保证加热时炉内呈还原性气氛。然后在不同的加热工艺下加热钢坯，研究均热段加热温度和加热时间对弹簧钢脱碳层深度影响。

发明内容

本发明在于克服现有技术存在的不足，提供一种通过改变钢坯在加热炉内的加热气氛，从而大幅降低甚至无脱碳层现象发生，合格率提高，弹簧的抗疲劳性能增强的加热及判别方法。

实现上述目的的措施：

一种弹簧钢防脱碳的加热及判别方法，其步骤：

1）对钢坯加热，控制均热温度在1000~1300℃；在炉时间在120~180min ，其中均热时间在30~60min；加热气氛为氧化气氛，炉内气氛中的含氧量控制在0.2~10wt%；

2）对经加热后的钢坯脱碳情况采用以下公式进行判别：

0.7w≥d•x

式中：w—表示烧损量，单位为：g/cm²，其已知计算式为：W=（K_pτ）^1/2；

d—表示钢的密度，其为7.8g/cm³；

x—表示脱碳深度，单位为：cm，其已知计算式为：x=2y（D_ct）^1/2；

式中的0.7，是由于氧化铁皮中只有70%是铁元素；

当0.7w与d•x之间的差值在0~0.04g/cm²时，则表示本次脱碳情况正常，则继续进行以下工序；当两者的差值大于0.04>2或为负值时，则为钢坯加热情况不正常，若为负值时可对钢坯进行回炉处理，通过调节均热段在炉时间使之正常；若大于0.04>2时，表示氧化太多，也应调节均热段在炉时间使之正常；

3）进行高压除磷直至表面干净；

4）经常规轧制后进行吐丝，并控制吐丝后盘条的脱碳深度不超过盘条直径的2%

5）风冷至室温，备用。

优选地：所述炉内气氛中的含氧量控制在3.3~8.0wt%。

其在于：当0.7w与d•x之间的差值为负值时,也即为d•x的值大于0.7w时，按照每低于一个0.01>2绝对值，则在原均热段在炉时间基础上增加5~10分钟；当两者的差值大于0.04>2时，按照每超过一个0.01>2，则在原均热段在炉时间基础上减少均热段在炉时间5~10分钟。

其在于：所述盘条的脱碳深度不超过盘条直径的1.2%。

其在于：控制w值在0.053~0.46>2，x值在0.0043~0.033cm。

本发明中主要工序的作用及机理：

本发明之所以在钢坯加热是在气氛为氧化气氛中进行，且使炉内气氛中的含氧量在0.2~10wt%，优选地炉内气氛中的含氧量控制在0.5~8.0wt%，是由于：

氧化是钢的表面铁与O₂、CO₂、H₂O等发生反应，生成氧化铁皮的过程。以O₂为例反应式如下：

Fe+>2=>

3Fe+>2=>3O₄

2Fe₃O₄+>2=2>2O₃

从上面分析看氧化和脱碳是同时进行的，钢坯加热时的氧化与否，主要取决于加热炉内的气氛性质。严格来说钢只在氧化气氛中会发生氧化，但钢的脱碳无论在那种气氛下都会发生，即使在还原气氛炉气中没有CO₂，但炉气中还是有水蒸气H₂O、O₂、H₂等气体，还是会脱碳。无论脱碳和氧化都与钢的加热温度和加热时间有关。从现有的脱碳深度计算式x=2y（D_ct）^1/2已知，式中碳的扩散系数D_c与加热温度关系密切，即加热温度越高D_c越大，碳向表面扩散的速度也就越快，脱碳深度也越深；加热时间越长，脱碳深度也越深，因此，加热温度不能太高，加热时间不能太长，特别是高温段加热时间不能太长，现有技术中，一般加热温度在1020~1080℃，均热段加热均热时间在35~55min。

从加热氧化时钢的烧损量计算公式W=（K_pτ）^1/2已知，烧损量与氧化速率及加热时间有关。

本发明之所以提出采用判别式0.7w≥d•x判别经加热后的钢坯脱碳情况，是由于对于在对钢坯的加热过程中，脱碳和氧化的是同时进行的，且是在钢坯的表面进行。本申请人通过对上述两式的分析，从理论上得到，如果能使脱碳速度与氧化速度相同，或者能使氧化速度大于脱碳速度，则可使加热后钢表面就没有脱碳层产生，即只要能使W≥d×x，（式中d为钢的密度，一般为7.8g/cm³），就可实现在同一加热时间、加热温度下是W≥7.8x，就可保证加热后钢皮表面无脱碳层产生。考虑到氧化铁皮中只有70%是铁元素的因素，因此提出经过钢坯加热脱碳的判别式对经加热后的钢坯脱碳情况采用0.7w≥d•x公式进行判别：当0.7w与d•x之间的差值在0~0.04g/cm²时，则表示本次脱碳情况正常，则继续进行下工序；当两者的差值大于0.04>2或为负值时，则为钢坯加热情况不正常，若为负值时可对钢坯进行回炉处理，通过调节均热段在炉时间使之正常。若大于0.04>2时，表示氧化太多，也应调节均热段在炉时间使之正常。这极大地减少了废品率的形成，并能节约原料及能耗。

本发明与现有技术相比，通过改变钢坯在加热炉内的加热气氛，从而大幅降低甚至无脱碳层现象发生，合格率提高，弹簧的抗疲劳性能增强，再通过判别式0.7w≥d•x判别经加热后的钢坯脱碳情况，及时发现不符合脱碳要求的现象，能在不进行后工序下就及时予以反炉处理，正常后再进行下工序，这就加大地减少了废品率，降低了原燃料的消耗等，做到发现问题及时处理，通过控制0.7w与d•x二者的差值大小，控制钢的氧化量，减少氧化量，有效地利用资源，使效益最大化。

具体实施方式

下面对本发明予以详细描述：

实施例1

本实施例盘条直径要求在5.5mm；

一种弹簧钢防脱碳的加热及判别方法，其步骤：

1）对钢坯加热，均热温度在1150℃；在炉时间在125min ，其中均热时间在35min；加热气氛为氧化气氛，炉内气氛中的含氧量控制在0.5wt%；

2）对经加热后的钢坯脱碳情况采用以下公式进行判别：

0.7w≥d•x

式中：w—表示烧损量，单位为：g/cm²，其已知计算式为：W=（K_pτ）^1/2；

d—表示钢的密度，其为7.8g/cm³；

x—表示脱碳深度，单位为：cm，其已知计算式为：x=2y（D_ct）^1/2；

式中的0.7，是由于氧化铁皮中只有70%是铁元素；

当气氛中氧在0.5%时，根据已知脱碳深度计算式x=2y（D_ct）^1/2，及加热氧化时钢的烧损量计算式W=（K_pτ）^1/2，对在不同均热温度及均热时间下进行计算出W和x值，其结果见表1所示；从表1看出均热温度达到1150℃以上时，才能使氧化速度等于大于脱碳速度；本实施例的均热温度定在1150℃、且均热时间在35min、40min、50min时，其氧化速度等于脱碳速度，即0.7w与d•x两者之差值为0，表示加热正常；在这几个均热时间时，在其中之一的均热时间可以停止加热，进行后工序；

表1

续表1

3）进行高压除磷直至表面干净；

4）经常规轧制后进行吐丝，经检测，脱碳深度为 0.010mm，其占吐丝后盘条直径的0.18%

5）风冷至室温，备用。

实施例2

本实施例盘条直径要求在8.5mm；

一种弹簧钢防脱碳的加热及判别方法，其步骤：

1）对钢坯加热，均热温度在1100℃；在炉时间在151min ，其中均热时间在30min；加热气氛为氧化气氛，炉内气氛中的含氧量控制在1wt%；

2）对经加热后的钢坯脱碳情况采用以下公式进行判别：

0.7w≥d•x

式中：w—表示烧损量，单位为：g/cm²，其已知计算式为：W=（K_pτ）^1/2；

d—表示钢的密度，其为7.8g/cm³；

x—表示脱碳深度，单位为：cm，其已知计算式为：x=2y（D_ct）^1/2；

式中的0.7，是由于氧化铁皮中只有70%是铁元素；

当气氛中氧在1%时，根据已知脱碳深度计算式x=2y（D_ct）^1/2，及加热氧化时钢的烧损量计算式W=（K_pτ）^1/2，对在不同均热温度及均热时间下进行计算出W和x值，其结果见表2所示；从表2看出均热温度达到1100℃以上时，才能使氧化速度等于大于脱碳速度；本实施例的均热温度定在1100℃、且均热时间在30~60min中的任一个时间点时，其氧化速度均大于脱碳速度，即0.7w与d•x两者之差值在0.001~0.002>2，即在0.7w与d•x之间的差值在0~0.04g/cm²范围内，表示加热正常；在表2中任一的均热时间可以停止加热，本实施例选择均热时间在30min是停止加热，并进行后工序；>

表2

续表2

3）进行高压除鳞直至表面干净；

4）经常规轧制后进行吐丝，经检测，脱碳深度为 0.016mm，其占吐丝后盘条的为盘条直径的0.19%；

5）风冷至室温，备用。

实施例3

本实施例盘条直径要求在9.5mm；

一种弹簧钢防脱碳的加热及判别方法，其步骤：

1）对钢坯加热，均热温度在1050℃；在炉时间在158min ，其中均热时间在30min；加热气氛为氧化气氛，炉内气氛中的含氧量控制在2wt%；

2）对经加热后的钢坯脱碳情况采用以下公式进行判别：

0.7w≥d•x

式中：w—表示烧损量，单位为：g/cm²，其已知计算式为：W=（K_pτ）^1/2；

d—表示钢的密度，其为7.8g/cm³；

x—表示脱碳深度，单位为：cm，其已知计算式为：x=2y（D_ct）^1/2；

式中的0.7，是由于氧化铁皮中只有70%是铁元素；

根据气氛中氧在2%时，根据脱碳深度计算式x=2y（D_ct）^1/2，及加热氧化时钢的烧损量计算式W=（K_pτ）^1/2，对在不同均热温度及均热时间下进行计算出W和x值，其结果见表3所示；从表3看出均热温度要达到1050℃以上时，才能使氧化速度等于大于脱碳速度；本实施例的均热温度定在1050℃、且均热时间在30~60min中的任一个时间点时，其氧化速度均大于脱碳速度，即0.7w与d•x两者之差值在0.0023~0.00373>2，即在0.7w与d•x之间的差值在0~0.04g/cm²范围内，表示加热正常；在表3中任一的均热时间可以停止加热，本实施例选择均热时间在30min时停止加热，并进行后工序；

表3

续表3

3）进行高压除磷直至表面干净；

4）经常规轧制后进行吐丝，经检测，脱碳深度为 0.015mm，其占吐丝后盘条的为盘条直径的0.16%；

5）风冷至室温，备用。

实施例4

本实施例盘条直径要求在10.5mm；

一种弹簧钢防脱碳的加热及判别方法，其步骤：

1）对钢坯加热，均热温度在1100℃；在炉时间在158min ，其中均热时间在35min；加热气氛为氧化气氛，炉内气氛中的含氧量控制在3wt%；

2）对经加热后的钢坯脱碳情况采用以下公式进行判别：

0.7w≥d•x

式中：w—表示烧损量，单位为：g/cm²，其已知计算式为：W=（K_pτ）^1/2；

d—表示钢的密度，其为7.8g/cm³；

x—表示脱碳深度，单位为：cm，其已知计算式为：x=2y（D_ct）^1/2；

式中的0.7，是由于氧化铁皮中只有70%是铁元素；

根据气氛中氧在3%时，根据脱碳深度计算式x=2y（D_ct）^1/2，及加热氧化时钢的烧损量计算式W=（K_pτ）^1/2，对在不同均热温度及均热时间下进行计算出W和x值，其结果见表4所示；从表4看出均热温度要达到1000℃以上时，才能使氧化速度等于大于脱碳速度；本实施例的均热温度定在1100℃、且均热时间在30~60min中的任一个时间点时，其氧化速度均大于脱碳速度，即0.7w与d•x两者之差值在0.0112~0.01594>2，即在0.7w与d•x之间的差值在0~0.04g/cm²范围内，表示加热正常；在表4中任一的均热时间可以停止加热，本实施例选择均热时间在35min时停止加热，并进行后工序；

表4

续表4

3）进行高压除磷直至表面干净；

4）经常规轧制后进行吐丝，经检测，脱碳深度为0.021mm，其占吐丝后盘条的为盘条直径的0.2%；

5）风冷至室温，备用。

实施例5

本实施例盘条直径要求在12.5mm；

一种弹簧钢防脱碳的加热及判别方法，其步骤：

1）对钢坯加热，均热温度在1050℃；在炉时间在162min ，其中均热时间在50min；加热气氛为氧化气氛，炉内气氛中的含氧量控制在4wt%；

2）对经加热后的钢坯脱碳情况采用以下公式进行判别：

0.7w≥d•x

式中：w—表示烧损量，单位为：g/cm²，其已知计算式为：W=（K_pτ）^1/2；

d—表示钢的密度，其为7.8g/cm³；

x—表示脱碳深度，单位为：cm，其已知计算式为：x=2y（D_ct）^1/2；

式中的0.7，是由于氧化铁皮中只有70%是铁元素；

根据气氛中氧在4%时，根据脱碳深度计算式x=2y（D_ct）^1/2，及加热氧化时钢的烧损量计算式W=（K_pτ）^1/2，对在不同均热温度及均热时间下进行计算出W和x值，其结果见表5所示；从表5看出均热温度要达到1000℃以上时，才能使氧化速度等于大于脱碳速度；本实施例的均热温度定在1050℃、且均热时间在30~60min中的任一个时间点时，其氧化速度均大于脱碳速度，即0.7w与d•x两者之差值在0.0073~0.0102>2，即在0.7w与d•x之间的差值在0~0.04g/cm²范围内，表示加热正常；在表5中任一的均热时间可以停止加热，本实施例选择均热时间在50min时停止加热，并进行后工序；

表5

续表5

3）进行高压除磷直至表面干净；

4）经常规轧制后进行吐丝，经检测，脱碳深度为0.025mm，其占吐丝后盘条的为盘条直径的0.2%；

5）风冷至室温，备用。

实施例6

本实施例盘条直径要求在14.5m；

一种弹簧钢防脱碳的加热及判别方法，其步骤：

1）对钢坯加热，均热温度在1000℃；在炉时间在175min ，其中均热时间在55min；加热气氛为氧化气氛，炉内气氛中的含氧量控制在6wt%；

2）对经加热后的钢坯脱碳情况采用以下公式进行判别：

0.7w≥d•x

式中：w—表示烧损量，单位为：g/cm²，其已知计算式为：W=（K_pτ）^1/2；

d—表示钢的密度，其为7.8g/cm³；

x—表示脱碳深度，单位为：cm，其已知计算式为：x=2y（D_ct）^1/2；

式中的0.7，是由于氧化铁皮中只有70%是铁元素；

根据气氛中氧在6%时，根据脱碳深度计算式x=2y（D_ct）^1/2，及加热氧化时钢的烧损量计算式W=（K_pτ）^1/2，对在不同均热温度及均热时间下进行计算出W和x值，其结果见表6所示；从表6看出均热温度要达到950℃以上时，才能使氧化速度等于大于脱碳速度；本实施例的均热温度定在1000℃、且均热时间在30~60min中的任一个时间点时，其氧化速度均大于脱碳速度，即0.7w与d•x两者之差值在0.0047~0.0066>2，即在0.7w与d•x之间的差值在0~0.04g/cm²范围内，表示加热正常；在表6中任一的均热时间可以停止加热，本实施例选择均热时间在55min时停止加热，并进行后工序；

表6

续表6

3）进行高压除磷直至表面干净；

4）经常规轧制后进行吐丝，经检测，脱碳深度为0.025mm，其占吐丝后盘条的为盘条直径的0.172%；

5）风冷至室温，备用。

实施例7

本实施例盘条直径要求在16.5mm；

一种弹簧钢防脱碳的加热及判别方法，其步骤：

1）对钢坯加热，均热温度在1050℃；在炉时间在165min ，其中均热时间在50min；加热气氛为氧化气氛，炉内气氛中的含氧量控制在10wt%；

2）对经加热后的钢坯脱碳情况采用以下公式进行判别：

0.7w≥d•x

式中：w—表示烧损量，单位为：g/cm²，其已知计算式为：W=（K_pτ）^1/2；

d—表示钢的密度，其为7.8g/cm³；

x—表示脱碳深度，单位为：cm，其已知计算式为：x=2y（D_ct）^1/2；

式中的0.7，是由于氧化铁皮中只有70%是铁元素；

根据气氛中氧在10%时，根据脱碳深度计算式x=2y（D_ct）^1/2，及加热氧化时钢的烧损量计算式W=（K_pτ）^1/2，对在不同均热温度及均热时间下进行计算出W和x值，其结果见表7所示；从表7看出均热温度要达到900℃以上时，才能使氧化速度等于大于脱碳速度；本实施例的均热温度定在1050℃、且均热时间在30~60min中的任一个时间点时，其氧化速度均大于脱碳速度，即0.7w与d•x两者之差值在0.0142~0.02>2，即在0.7w与d•x之间的差值在0~0.04g/cm²范围内，表示加热正常；在表7中任一的均热时间可以停止加热，本实施例选择均热时间在50min时停止加热，并进行后工序；

表7

续表7

3）进行高压除磷直至表面干净；

4）经常规轧制后进行吐丝，经检测，脱碳深度为 0.030mm，其占吐丝后盘条的为盘条直径的0.18%；

5）风冷至室温，备用。

本具体实施方式仅为最佳例举，并非对本发明技术方案的限制性实施。