专利名称：用于金属退火或淬火的方法
技术领域：
本发明涉及用于金属或合金在可控的炉内气氛中退火或淬火的方法。
背景技术：
炉内气氛的组成、功能和控制对所有加热处理的结果而言都是至关重要的。
接下来，术语退火被用于金属或合金的热处理，其需要控制气氛，而且其目的是为 了产生特定的微结构和特性。退火在钢和非铁研磨车间里进行。 在制造工业中，退火炉具有宽的尺寸范围，其设计从工具室中的小型箱式炉到汽 车传动车间中的大型连续等温退火炉，从航空工业中的先进真空炉到较低要求工业中的充 气炉。 淬火是一种用于钢的热处理过程，其目的在于产生马氏体或贝氏体微结构。通常 对淬火与退火分别进行描述，但是对这两种过程而言对炉内气氛的要求是类似的。淬火包 括加热至钢为奥氏体钢的温度之上的温度，接着快速淬火的步骤。如果淬火速率足够快，奥 氏体在淬火时将转变成硬质微结构马氏体或贝氏体。 为避免退火或淬火期间的氧化、渗碳、脱碳或渗氮的负面影响，所述气氛必须根据 退火或淬火的合金来进行控制。炉内气氛的碳势等于纯铁与气氛平衡之下所具有的碳含 量。炉内气氛的碳活度(aC)为金属或合金相对于参照物石墨所具有的碳含量，所述参照物 被定义为aC二 1。热处理过程中的碳活度和碳势以许多方式影响金属/合金的最终性能。
为了避免在热处理的金属或合金的表面上产生金属氧化物，热处理过程常常在还 原气氛中进行。例如，用于铜线巻的退火的热处理气氛可以含有具有3%氢气的氮气。
除了所述合成的氮氢气氛，当今气氛常常基于氮和吸热型气体的组合。如果所 述吸热型气体由天然气制成，其可以含有多达40体积％的氢气、一些一氧化碳(约20体 积％ ) 、二氧化碳和水(约0. 3-1体积％ )，其余为氮气。 在中性退火和中性淬火中，例如钢零件的热成型中，必须使用还原气氛以避免钢 表面的氧化。典型的还原剂为氢气。然而，尤其是当高强度钢处于含氢气氛中时，可能发生 氢脆化，钢因此变脆并可能断裂。
发明内容
因此，本发明的一个目的是开发一种可控的炉内气氛用于金属或合金的退火或淬火。 此目的通过在可控的炉内气氛中对金属或合金进行退火或淬火的方法而实现，其
中所述炉内气氛为包含氮气和一氧化碳的不含氢气氛。 依据本发明，所使用的炉内气氛实质上不含氢气，其含有氮气和一氧化碳。氮气中
一氧化碳的浓度为0. 1-99体积％。该气氛不具有或仅具有很低的脱氮动力。 本发明用于金属和合金如钢、铝、铜或黄铜的退火或淬火。术语退火应特别包括重
结晶、光亮退火、应力消除、固溶退火和沉淀硬化、等温退火、软化退火和正火的方法。
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尤其在淬火过程中，在热处理过程后，将金属或合金快速冷却，尤其通过气体冷 却。所述冷却优选通过用冷保护气体对金属零件淬火而达到，由此可达到高至5(TC /s的冷 却速率。已发现用此方式获得硬质马氏体微结构。 本发明的炉内气氛处于热力学平衡。因此，可以用外部受热氧探针或测量二氧化
碳的气体分析仪结合一氧化碳水平和过程温度的测量来实施过程控制。 本发明优选用于任何种类的金属和合金，特别是包含铁、钢、铝、铜、黄铜、青铜或
硬金属中的一种或多种的金属材料的退火或淬火。可添加其它合金元素如铬、锰、硅、镍、
钼、钴或钨。 本发明提供用于中性退火和中性淬火的气氛。这就是说，在气氛和金属之间实质
上没有净反应。本发明的气氛对渗碳是中性的，即，避免了不期望的脱碳以及渗碳。金属氧
化物，特别是表面金属氧化物被还原并防止了氧化。 本发明的气氛可以通过下述方法之一有利地产生 參从吸热型气体中去除氢气 为了产生本发明的气氛，将氢气从吸热型气体中去除。这优选通过应用吸附技术 达到，特别是PSA(变压吸附)过程来实现。
參从合成气中去除氢气 合成气是在煤气化和一些类型的废料变能源的气化设备中产生的具有可变组成 的气体的名称。合成气主要由一氧化碳和氢气组成。通过从合成气中去除氢气产生本发明 的具有高一氧化碳浓度的气氛。 參从裂化甲醇中去除氢气，因为裂化甲醇可视为具有33% C0和67% H2的组成的 合成气。 參通过向掺杂石墨的加热床上添加空气来产生一氧化碳 使用含有多达3%的残留氧气水平的空气或氮气，使得所含的氧气在炉内在石墨 或煤床上或在外部填充煤反应器中反应产生一氧化碳。 參通过离解注入到充有硫酸或磷酸的加热反应器中的甲酸而产生一氧化碳。形成
的一氧化碳而后干燥除水并除去杂质以达到中性pH值。 因为本发明的气氛不含氢气，上述与氢脆化相关的问题就被避免。因此，本发明可 特别用于淬火过程，其中零件在淬火之后不回火，这能在冷却工具中发生，在浸没在水、掺 油聚合物、熔融盐或气体中发生。此过程的实例为钢的热成型或钢的加压淬火。钢表面的 氧化通过向气氛中添加一氧化碳而被防止，其具有还原效果。 根据本发明，所述可控的炉内气氛实质上不含氢。"实质上不含氢"是指不向炉中
加入氢气。根据加入炉中的进料气体的组成，由进料气体的组分之间的反应产生小量的氢
气有时也是难免的。然而，根据本发明加入炉中的进料气体不含有氢气。 本发明的炉内气氛包含氮气和一氧化碳。这两种气体，氮气和一氧化碳，被直接加
入到炉内，而不是在炉中产生，为了更好地控制炉内气氛的组成。也就是说，加入炉中的进
料气体包含氮气和一氧化碳。 本发明可特别用于加压淬火金属或合金的方法。根据优选的实施方案，在炉中加 热金属或合金，然后所述受热的金属或合金在模具中成型并冷却，其中将氮气和一氧化碳 加入到所述炉内以制造可控的炉内气氛，而在该炉内未加入氢气。
所谓的加压淬火方法还称为热印或热成型，被用于制造极高强度的部件。将金属 或合金在可控气氛中加热至800-100(TC的温度，放入到模具中，然后进行热成型过程。术 语"模具"指可用于改变热金属物件的形状的任何类的模子、压印机或模制机。在所述模具 中，金属物件被热成型然后冷却，从而淬火。所述成型步骤和冷却步骤和淬火步骤都在模具 内进行。这样产生的钢显示出非常高的拉伸强度。 根据本发明优选的实施方案，将金属或合金在没有添加氢气的炉内气氛中加热。 因此，该气氛实质上不含氢。该炉内气氛通过向炉内加入氮气和一氧化碳而产生。 一氧化 碳在氮气中的浓度可以是O. 1_99体积％。该气氛不具有或仅具有很低的脱氮动力。本发 明提供中性气氛用于加热金属，以进行随后的加压淬火。 本发明可特别用于含硼钢的加压淬火。含硼钢或硼合金钢对氢气非常敏感。根据 本发明，在炉内不加入氢气。因此氢脆化的风险被避免或至少最小化。本发明提供在加压 成型之前加热含硼钢而没有氢气溶解在钢中的技术方案。 将金属或合金在炉中加热，然后直接输送到模具中用于热成型。在热成型过程中， 金属物件被冷却，优选被快速冷却，为了使金属物件淬火。可达到高至5(TC /s的冷却速率。 已经发现以这种方式得到了硬质马氏体微结构。 在优选的实施方案中，将含碳富集气体加入到炉内气氛中。术语"富集气体"指可 调节碳势或碳活度至预设值的气体。优选的富集气体为乙炔、丙烷和/或甲烷。
具体实施方式
实施例 本发明提供一种用于退火或淬火镀层钢板的还原性可控气氛的解决方法，其中含 氢气氛能将氢气溶解到钢中。 有利地使用本发明的过程的另一个实例是制造紧固件如螺钉、螺栓、钉子、螺母。 这些产品在寿命期间处于高静载荷， 一种尤其在低温下进行马氏体的回火时，原子态的溶 解氢可能成为潜在危险的环境。 另一个实施例涉及贝氏体硬化钢，其在熔融盐或热气体中淬火。本发明的不含氢 气氛能有利地影响奥氏体化过程，例如在轴承钢的生产中。
权利要求
用于金属或合金在可控的炉内气氛中退火或淬火的方法，其特征在于，所述炉内气氛为不含氢的气氛，其包含氮气和一氧化碳。
2. 依据权利要求l的方法，其特征在于，所述炉内气氛包含有含碳富集气体。
3. 依据权利要求2的方法，其特征在于，乙炔、丙烷和/或甲烷被用作所述富集气体。
4. 依据权利要求l-3之一的方法，其特征在于，所述炉内气氛通过从合成气或吸热型 气体或裂化甲醇中去除氢而产生。
5. 依据权利要求l-3之一的方法，其特征在于，所述炉内气氛通过含有少于10%的氧 气，优选含有少于3%的氧气的氮气在石墨上反应而产生。
6. 依据权利要求l-3之一的方法，其特征在于，所述一氧化碳通过将甲酸注入到装有 硫酸或磷酸的加热反应器中并离解所述甲酸从而形成一氧化碳而产生。
7. 依据权利要求l-6之一的方法，其特征在于，所述退火或淬火过程通过受热的外部 氧探针或二氧化碳气体分析仪结合一氧化碳和炉温的测量来进行控制。
8. 依据权利要求l-7之一的方法，其特征在于，所述炉内气氛包含1% -5% C0、 90% -99% ^和0. 05% _1%烃类气体。
9. 依据权利要求l-8之一的方法，其特征在于，将所述金属或合金处于淬火过程，其中 所述金属或合金被加热，而后淬火，但是所述金属或合金在淬火后没有被回火。
10. 依据权利要求l-9之一的方法，其特征在于，在所述炉内气氛中制造由金属或合金 制成的紧固件。
11. 根据权利要求i-io之一的方法，其用于金属或合金的加压淬火，其中在炉中加热所述金属或合金，然后该受热的金属或合金在模具中成型并冷却，并且其中在所述炉内加 入氮气和一氧化碳以制造可控的炉内气氛，而在该炉内没有加入氢气。
全文摘要
本发明涉及一种用于金属或合金在可控的炉内气氛中退火或淬火的方法，其中所述炉内气氛为包含氮气和一氧化碳的不含氢气氛。
文档编号C21D1/74GK101781701SQ20091000506
公开日2010年7月21日 申请日期2009年1月21日 优先权日2009年1月21日
发明者C·劳门, S·维贝里 申请人:林德股份公司