專利名稱：用于金屬退火或淬火的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及用于金屬或合金在可控的爐內(nèi)氣氛中退火或淬火的方法。
背景技術(shù)：
爐內(nèi)氣氛的組成、功能和控制對(duì)所有加熱處理的結(jié)果而言都是至關(guān)重要的。
接下來，術(shù)語退火被用于金屬或合金的熱處理，其需要控制氣氛，而且其目的是為 了產(chǎn)生特定的微結(jié)構(gòu)和特性。退火在鋼和非鐵研磨車間里進(jìn)行。 在制造工業(yè)中，退火爐具有寬的尺寸范圍，其設(shè)計(jì)從工具室中的小型箱式爐到汽 車傳動(dòng)車間中的大型連續(xù)等溫退火爐，從航空工業(yè)中的先進(jìn)真空爐到較低要求工業(yè)中的充 氣爐。 淬火是一種用于鋼的熱處理過程，其目的在于產(chǎn)生馬氏體或貝氏體微結(jié)構(gòu)。通常 對(duì)淬火與退火分別進(jìn)行描述，但是對(duì)這兩種過程而言對(duì)爐內(nèi)氣氛的要求是類似的。淬火包 括加熱至鋼為奧氏體鋼的溫度之上的溫度，接著快速淬火的步驟。如果淬火速率足夠快，奧 氏體在淬火時(shí)將轉(zhuǎn)變成硬質(zhì)微結(jié)構(gòu)馬氏體或貝氏體。 為避免退火或淬火期間的氧化、滲碳、脫碳或滲氮的負(fù)面影響，所述氣氛必須根據(jù) 退火或淬火的合金來進(jìn)行控制。爐內(nèi)氣氛的碳勢等于純鐵與氣氛平衡之下所具有的碳含 量。爐內(nèi)氣氛的碳活度(aC)為金屬或合金相對(duì)于參照物石墨所具有的碳含量，所述參照物 被定義為aC二 1。熱處理過程中的碳活度和碳勢以許多方式影響金屬/合金的最終性能。
為了避免在熱處理的金屬或合金的表面上產(chǎn)生金屬氧化物，熱處理過程常常在還 原氣氛中進(jìn)行。例如，用于銅線巻的退火的熱處理氣氛可以含有具有3%氫氣的氮?dú)狻?
除了所述合成的氮?dú)錃夥?，?dāng)今氣氛常常基于氮和吸熱型氣體的組合。如果所 述吸熱型氣體由天然氣制成，其可以含有多達(dá)40體積％的氫氣、一些一氧化碳(約20體 積％ ) 、二氧化碳和水(約0. 3-1體積％ )，其余為氮?dú)狻?在中性退火和中性淬火中，例如鋼零件的熱成型中，必須使用還原氣氛以避免鋼 表面的氧化。典型的還原劑為氫氣。然而，尤其是當(dāng)高強(qiáng)度鋼處于含氫氣氛中時(shí)，可能發(fā)生 氫脆化，鋼因此變脆并可能斷裂。

發(fā)明內(nèi)容
因此，本發(fā)明的一個(gè)目的是開發(fā)一種可控的爐內(nèi)氣氛用于金屬或合金的退火或淬火。 此目的通過在可控的爐內(nèi)氣氛中對(duì)金屬或合金進(jìn)行退火或淬火的方法而實(shí)現(xiàn)，其
中所述爐內(nèi)氣氛為包含氮?dú)夂鸵谎趸嫉牟缓瑲錃夥铡?依據(jù)本發(fā)明，所使用的爐內(nèi)氣氛實(shí)質(zhì)上不含氫氣，其含有氮?dú)夂鸵谎趸?。氮?dú)庵?br> 一氧化碳的濃度為0. 1-99體積％。該氣氛不具有或僅具有很低的脫氮?jiǎng)恿Α?本發(fā)明用于金屬和合金如鋼、鋁、銅或黃銅的退火或淬火。術(shù)語退火應(yīng)特別包括重
結(jié)晶、光亮退火、應(yīng)力消除、固溶退火和沉淀硬化、等溫退火、軟化退火和正火的方法。
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尤其在淬火過程中，在熱處理過程后，將金屬或合金快速冷卻，尤其通過氣體冷 卻。所述冷卻優(yōu)選通過用冷保護(hù)氣體對(duì)金屬零件淬火而達(dá)到，由此可達(dá)到高至5(TC /s的冷 卻速率。已發(fā)現(xiàn)用此方式獲得硬質(zhì)馬氏體微結(jié)構(gòu)。 本發(fā)明的爐內(nèi)氣氛處于熱力學(xué)平衡。因此，可以用外部受熱氧探針或測量二氧化
碳的氣體分析儀結(jié)合一氧化碳水平和過程溫度的測量來實(shí)施過程控制。 本發(fā)明優(yōu)選用于任何種類的金屬和合金，特別是包含鐵、鋼、鋁、銅、黃銅、青銅或
硬金屬中的一種或多種的金屬材料的退火或淬火?？商砑悠渌辖鹪厝玢t、錳、硅、鎳、
鉬、鈷或鎢。 本發(fā)明提供用于中性退火和中性淬火的氣氛。這就是說，在氣氛和金屬之間實(shí)質(zhì)
上沒有凈反應(yīng)。本發(fā)明的氣氛對(duì)滲碳是中性的，即，避免了不期望的脫碳以及滲碳。金屬氧
化物，特別是表面金屬氧化物被還原并防止了氧化。 本發(fā)明的氣氛可以通過下述方法之一有利地產(chǎn)生 參從吸熱型氣體中去除氫氣 為了產(chǎn)生本發(fā)明的氣氛，將氫氣從吸熱型氣體中去除。這優(yōu)選通過應(yīng)用吸附技術(shù) 達(dá)到，特別是PSA(變壓吸附)過程來實(shí)現(xiàn)。
參從合成氣中去除氫氣 合成氣是在煤氣化和一些類型的廢料變能源的氣化設(shè)備中產(chǎn)生的具有可變組成 的氣體的名稱。合成氣主要由一氧化碳和氫氣組成。通過從合成氣中去除氫氣產(chǎn)生本發(fā)明 的具有高一氧化碳濃度的氣氛。 參從裂化甲醇中去除氫氣，因?yàn)榱鸦状伎梢暈榫哂?3% C0和67% H2的組成的 合成氣。 參通過向摻雜石墨的加熱床上添加空氣來產(chǎn)生一氧化碳 使用含有多達(dá)3%的殘留氧氣水平的空氣或氮?dú)?，使得所含的氧氣在爐內(nèi)在石墨 或煤床上或在外部填充煤反應(yīng)器中反應(yīng)產(chǎn)生一氧化碳。 參通過離解注入到充有硫酸或磷酸的加熱反應(yīng)器中的甲酸而產(chǎn)生一氧化碳。形成
的一氧化碳而后干燥除水并除去雜質(zhì)以達(dá)到中性pH值。 因?yàn)楸景l(fā)明的氣氛不含氫氣，上述與氫脆化相關(guān)的問題就被避免。因此，本發(fā)明可 特別用于淬火過程，其中零件在淬火之后不回火，這能在冷卻工具中發(fā)生，在浸沒在水、摻 油聚合物、熔融鹽或氣體中發(fā)生。此過程的實(shí)例為鋼的熱成型或鋼的加壓淬火。鋼表面的 氧化通過向氣氛中添加一氧化碳而被防止，其具有還原效果。 根據(jù)本發(fā)明，所述可控的爐內(nèi)氣氛實(shí)質(zhì)上不含氫。"實(shí)質(zhì)上不含氫"是指不向爐中
加入氫氣。根據(jù)加入爐中的進(jìn)料氣體的組成，由進(jìn)料氣體的組分之間的反應(yīng)產(chǎn)生小量的氫
氣有時(shí)也是難免的。然而，根據(jù)本發(fā)明加入爐中的進(jìn)料氣體不含有氫氣。 本發(fā)明的爐內(nèi)氣氛包含氮?dú)夂鸵谎趸?。這兩種氣體，氮?dú)夂鸵谎趸迹恢苯蛹?br> 入到爐內(nèi)，而不是在爐中產(chǎn)生，為了更好地控制爐內(nèi)氣氛的組成。也就是說，加入爐中的進(jìn)
料氣體包含氮?dú)夂鸵谎趸肌?本發(fā)明可特別用于加壓淬火金屬或合金的方法。根據(jù)優(yōu)選的實(shí)施方案，在爐中加 熱金屬或合金，然后所述受熱的金屬或合金在模具中成型并冷卻，其中將氮?dú)夂鸵谎趸?加入到所述爐內(nèi)以制造可控的爐內(nèi)氣氛，而在該爐內(nèi)未加入氫氣。
所謂的加壓淬火方法還稱為熱印或熱成型，被用于制造極高強(qiáng)度的部件。將金屬 或合金在可控氣氛中加熱至800-100(TC的溫度，放入到模具中，然后進(jìn)行熱成型過程。術(shù) 語"模具"指可用于改變熱金屬物件的形狀的任何類的模子、壓印機(jī)或模制機(jī)。在所述模具 中，金屬物件被熱成型然后冷卻，從而淬火。所述成型步驟和冷卻步驟和淬火步驟都在模具 內(nèi)進(jìn)行。這樣產(chǎn)生的鋼顯示出非常高的拉伸強(qiáng)度。 根據(jù)本發(fā)明優(yōu)選的實(shí)施方案，將金屬或合金在沒有添加氫氣的爐內(nèi)氣氛中加熱。 因此，該氣氛實(shí)質(zhì)上不含氫。該爐內(nèi)氣氛通過向爐內(nèi)加入氮?dú)夂鸵谎趸级a(chǎn)生。 一氧化 碳在氮?dú)庵械臐舛瓤梢允荗. 1_99體積％。該氣氛不具有或僅具有很低的脫氮?jiǎng)恿Α１景l(fā) 明提供中性氣氛用于加熱金屬，以進(jìn)行隨后的加壓淬火。 本發(fā)明可特別用于含硼鋼的加壓淬火。含硼鋼或硼合金鋼對(duì)氫氣非常敏感。根據(jù) 本發(fā)明，在爐內(nèi)不加入氫氣。因此氫脆化的風(fēng)險(xiǎn)被避免或至少最小化。本發(fā)明提供在加壓 成型之前加熱含硼鋼而沒有氫氣溶解在鋼中的技術(shù)方案。 將金屬或合金在爐中加熱，然后直接輸送到模具中用于熱成型。在熱成型過程中， 金屬物件被冷卻，優(yōu)選被快速冷卻，為了使金屬物件淬火。可達(dá)到高至5(TC /s的冷卻速率。 已經(jīng)發(fā)現(xiàn)以這種方式得到了硬質(zhì)馬氏體微結(jié)構(gòu)。 在優(yōu)選的實(shí)施方案中，將含碳富集氣體加入到爐內(nèi)氣氛中。術(shù)語"富集氣體"指可 調(diào)節(jié)碳勢或碳活度至預(yù)設(shè)值的氣體。優(yōu)選的富集氣體為乙炔、丙烷和/或甲烷。
具體實(shí)施方式

實(shí)施例 本發(fā)明提供一種用于退火或淬火鍍層鋼板的還原性可控氣氛的解決方法，其中含 氫氣氛能將氫氣溶解到鋼中。 有利地使用本發(fā)明的過程的另一個(gè)實(shí)例是制造緊固件如螺釘、螺栓、釘子、螺母。 這些產(chǎn)品在壽命期間處于高靜載荷， 一種尤其在低溫下進(jìn)行馬氏體的回火時(shí)，原子態(tài)的溶 解氫可能成為潛在危險(xiǎn)的環(huán)境。 另一個(gè)實(shí)施例涉及貝氏體硬化鋼，其在熔融鹽或熱氣體中淬火。本發(fā)明的不含氫 氣氛能有利地影響奧氏體化過程，例如在軸承鋼的生產(chǎn)中。
權(quán)利要求
用于金屬或合金在可控的爐內(nèi)氣氛中退火或淬火的方法，其特征在于，所述爐內(nèi)氣氛為不含氫的氣氛，其包含氮?dú)夂鸵谎趸肌?br> 2. 依據(jù)權(quán)利要求l的方法，其特征在于，所述爐內(nèi)氣氛包含有含碳富集氣體。
3. 依據(jù)權(quán)利要求2的方法，其特征在于，乙炔、丙烷和/或甲烷被用作所述富集氣體。
4. 依據(jù)權(quán)利要求l-3之一的方法，其特征在于，所述爐內(nèi)氣氛通過從合成氣或吸熱型 氣體或裂化甲醇中去除氫而產(chǎn)生。
5. 依據(jù)權(quán)利要求l-3之一的方法，其特征在于，所述爐內(nèi)氣氛通過含有少于10%的氧 氣，優(yōu)選含有少于3%的氧氣的氮?dú)庠谑戏磻?yīng)而產(chǎn)生。
6. 依據(jù)權(quán)利要求l-3之一的方法，其特征在于，所述一氧化碳通過將甲酸注入到裝有 硫酸或磷酸的加熱反應(yīng)器中并離解所述甲酸從而形成一氧化碳而產(chǎn)生。
7. 依據(jù)權(quán)利要求l-6之一的方法，其特征在于，所述退火或淬火過程通過受熱的外部 氧探針或二氧化碳?xì)怏w分析儀結(jié)合一氧化碳和爐溫的測量來進(jìn)行控制。
8. 依據(jù)權(quán)利要求l-7之一的方法，其特征在于，所述爐內(nèi)氣氛包含1% -5% C0、 90% -99% ^和0. 05% _1%烴類氣體。
9. 依據(jù)權(quán)利要求l-8之一的方法，其特征在于，將所述金屬或合金處于淬火過程，其中 所述金屬或合金被加熱，而后淬火，但是所述金屬或合金在淬火后沒有被回火。
10. 依據(jù)權(quán)利要求l-9之一的方法，其特征在于，在所述爐內(nèi)氣氛中制造由金屬或合金 制成的緊固件。
11. 根據(jù)權(quán)利要求i-io之一的方法，其用于金屬或合金的加壓淬火，其中在爐中加熱所述金屬或合金，然后該受熱的金屬或合金在模具中成型并冷卻，并且其中在所述爐內(nèi)加 入氮?dú)夂鸵谎趸家灾圃炜煽氐臓t內(nèi)氣氛，而在該爐內(nèi)沒有加入氫氣。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種用于金屬或合金在可控的爐內(nèi)氣氛中退火或淬火的方法，其中所述爐內(nèi)氣氛為包含氮?dú)夂鸵谎趸嫉牟缓瑲錃夥铡?br> 文檔編號(hào)C21D1/74GK101781701SQ20091000506
公開日2010年7月21日 申請(qǐng)日期2009年1月21日 優(yōu)先權(quán)日2009年1月21日
發(fā)明者C·勞門, S·維貝里 申請(qǐng)人:林德股份公司