CN1049868A - 用传热板对至少一根金属丝进行热处理的工艺和装置 - Google Patents

Abstract

对至少一根金属丝(1)进行热处理的工艺和装置 (100)，其特征在于使金属丝(1)在至少一对传热板 (2，2a，2b)中的两个槽(8，8a，8b)之间通过，所述的 槽设置在每对板的各块板上，板间的间隔(E)可以变 化，金属丝(1)直接与气体(11)进行接触，基本无法强 迫通风，气体处于槽(8，8a，8b)之间。用该方法和该 装置(100)所得到的金属丝(1)。

Description

本发明涉及可对金属丝，尤其是对碳钢丝进行热处理的工艺和装置。这种处理在于获得精细珠光体结构。这些金属丝主要用于强化橡胶制品和/或塑性材料制品，例如轮胎外胎。

法国专利申请88/00904描述了一种用于进行珠光体化处理的工艺和装置，在该装置中，将一根或多根金属丝在基本无强迫通风的含有气体的管中通过。该工艺和装置具有如下优点：

-简易，投资费用和运行费用低;

-可以获得冷却的精确规律，并可避免复辉现象。

-可以用相同设备对金属丝作珠光体化处理，金属丝的直径可以在很大的范围内变化;

-因为没有用熔化金属和溶解盐，所以完全避免了卫生问题，金属丝也不需要清洗。

但是实验表明：对于化学组分稍许不同的钢（特别是碳的百分比略低于或略高于类低共熔体），曲线TTT（时间、温度、结构）可能很不相同。甚至对于出自不同钢厂但化学组分相同的钢也发现有这种现象。

所以，作为例子，对于含碳量为0.8%的钢，通常就需要有一个孕育期，它在1到1.7之间变化。孕育期就是冷却开始和奥氏体/珠光体转化开始之间所花的时间，为了对相同直径和相同或基本相同组分的钢丝进行处理，以在各种不同情况下获得钢的最佳结构，所以不得不采用具有不同结构参数的设备。

本发明的目的是提出一种适应性强的对金属丝进行热处理的工艺及其装置，适应性主要可以定义为对于具有不同TTT曲线而直径相同的金属丝可以获得相同的时间-温度曲线的能力。

在上述专利申请88/00904中，通过金属丝交换的热流主要受待处理金属丝周围的气环的热传导率和它的大小的控制。本发明可以获得能改变和/或调节所述气环大小的适应性。

所以，用于对至少一根金属丝进行热处理的本发明的工艺具有如下特征：

a）使金属丝在至少一组传热板中的两个槽之间通过，所述槽设置在每对板的各个板上，板间的间隔可以改变，金属丝直接与气体相接触，气体在槽之间，基本上不用强迫通风。

b）槽、金属丝和气体的特性确定了系数K的关系式：

K= (log(D_i/D_f))/(λ) ×D_f ²(1)

其中D_i=

(2)

log是自然对数，S是两个槽所形成的面的总面积，该面积的单位为mm²，它相当于槽的垂直于金属丝长度方向的平面截面的面积，D_f是金属丝的直径，单位是mm，λ是气体在600℃时的热传导率，单位是W/m·k。

本发明还涉及到可以对至少一根金属丝进行热处理的装置，该装置具有如下特征：

a）它具有一对传热板，以及可以使板之间的间隔作改变的设备和可以使金属丝在该对板中通过的设备;每块板有一个槽，以便构成形成面的两个槽，金属丝在这两个槽之间通过，金属丝直接与槽之间的气体相接触，基本不采用强迫通风;

b）槽、金属丝和气体的特征确定了系数K的关系式：

K= (log(D_i/D_f))/(λ) ×D_f ²(1)

其中D_i=

(2)

log是自然对数，S是两个槽所形成的面的总面积，该面积的单位为mm²，它相当于槽的垂直于金属丝长度方向的平面载面的面积，D_f是金属丝的直径，单位是mm，λ是气体在600℃时的热传导率，单位是W/m·k。

“基本上不采用强迫通风”这一术语可以看成槽之间的气体是不动的，也可以说成槽之间的气体受到的通风很小，这种通风基本上不改变金属丝和气体之间的热交换，这种微弱通风仅仅是金属丝本身的移动引起的。

本发明还涉及到用上述工艺和装置对许多金属丝进行热处理的完整工艺和成套设备。

本发明同样还涉及到按照本发明的工艺和/或用本发明的装置和成套设备所得到的金属丝。

本发明将借助下面非限定性的实施例以及与这些实施例完全相符的附图得到更好的理解。

在图中：

图1表示用于对多根金属丝进行热处理的设备，该设备采用了若干与本发明相符的装置;

图2表示用在图1所示设备中的装置的部分区域，图2是沿着与金属丝长度方向相垂直的平面取的剖视图;

图3和图4均表示图2所示装置的槽，图3和图4是按照与图2相同的方式取的剖视图;

图5表示图2所示装置中所用的载热流体的流动情况;

图6表示处理金属丝在图1所示设备中温度随时间的变化情况;

图7表示按照本发明的另一个装置，它是沿着与处理金属丝在该装置中的长度方向相垂直的平面取的剖视图;

图8表示在图1所示设备中处理金属丝的精细珠光体结构的局部剖视图。

图1表示了一种可以对碳钢丝进行处理的完整设备，用以获得精细珠光体结构。例如该设备1000可以同时处理8根金属丝1，该设备有4个区域Z₁、Z₂、Z₃、Z₄，金属丝1按顺序连续通过这四个区域。

区域Z₁用于奥氏体化处理，在该区域中，金属丝1被加热到比AC3转换温度高的温度，以获得均匀的奥氏体。

区域Z₂用于快速冷却，它可以使金属丝1的温度降到低于AC1的转换温度，以获得介稳奥氏体。

区域Z₃用于珠光体化处理，它形成从介稳奥氏体向珠光体的转换。

区域Z₄用于金属丝的冷却，以便将金属丝降到环境温度，或者降到与环境温度接近的温度。

在区域Z₁中的奥氏体化处理是用已知的方法，例如用马弗炉或煤气炉，或采用与法国专利申请88/08425相同的方法进行，该方法在于：使金属丝在通过含有气体但基本无强迫通风的管中时对金属丝进行加热。

区域Z₂、Z₃和Z₄每一个均至少有一个与本发明相符的装置，该装置在图2中示出其局部位置。该装置100具有一对传热板2，金属丝1被送入该对传热板。传热板2是由例如青铜、钢或铸铁制成的。

图2为沿着与金属丝1长度方向相垂直的平面取的剖视图，各金属丝1相互间平行。

两板2相互平行，其中一块放在另一块的上面，上板用2a表示，下板用2b表示。板2a和2b之间留有可变化的间隔E，间隔E之所以可变化是因为至少有三根螺栓3，比如有四根螺栓3的缘故。为做图简单起见，图2中只示出了其中的一根螺栓。可以借助于由螺栓3延伸出的齿轮4以及链5使每根螺栓同步进行旋转移动。螺栓3与开在上传热板2a上的螺纹6相配合，并压到置于下传热板2b中的止推滚珠轴承或青铜止推轴承7上。其它的螺栓具有相同的布置，为确保同步移动，链5与所有的齿轮相连接，因而也就确保了板与板之间的平行，也就是说，板间具有相同的间隔E。

每一块板2a、2b均有槽8，每根金属丝用一个槽。使板2a的每个槽8a对着板2b的槽8b。例如对于板2a、2b，槽的形状是相同的。作为例子，每个槽8为半圆柱体形，其轴与金属丝1的长度方向平行。所以，槽8的截面就为与金属丝长度方向相垂直的半圆形，也就是说为图2剖视图中的半圆形。

在该截面中，当E＝0时，两个槽8a、8b组合形成的截面构成了一个圆，它对应于两个槽相接触的情况。截面组合成的表面积用S表示，则D_i就有关系式：

D_i=

(2)

在所述的特殊情况下，D_i是表示图2每个槽的截面的半圆直径。

每根金属丝1在形成面的两个槽8a、8b之间通过。做这些槽的目的是为了在槽相互接触时（即有D_i＞D_f），金属丝1可以在槽之间通过，这里D_f为金属丝1的直径。

可以使金属丝1在板2之间前进的设备，例如金属设置在区域Z₄出口处的绕线筒9，使处理后的金属丝1绕在由马达10驱动的绕线筒9上（图1）。

金属丝1直接与槽8中所充的气体11接触，基本无强迫通风，气体11与板2外部的容积12相连，该容积12由外壳13限定。

D_i，λ，D_f和S可以确定系数K：

K= (log(D_i/D_f))/(λ) ×D_f ²(1)

log为自然对数，λ为气体11在600℃时的热传导率，其单位为W/m·k。

气体11为例如氢气、氮气、氦气、氢和氮的混合气、氢和甲烷的混合气、氮和甲烷的混合气、氦和甲烷的混合气以及氢、氮和甲烷的混合气。

间隔E的变化可以改变每根金属丝1周围的气体11的套管14的形状，这可以通过气体11来控制金属丝1和板2之间的热交换，最大的热交换对应于E＝0。

本发明并不局限于槽8为半圆形截面的情况，因此作为例子，图3示出了两个形成面的槽8a、8b，它们每个都为低于半圆的圆弧形状，图4为两个形成面的槽8a、8b，它们每个都为半正方形。这两幅图均是按类似于图2的方法取的剖视图，即垂直于图中金属丝1的轴作的剖视图，这些槽被示为板2a、2b相互接触时的状况，因此，就有E＝0。

不管槽为什么形状，关系式（2）总被得到证实，也就是说，比如在图4的情况下就有D_i=

，其中d是正方形的边长。

在金属丝1的对应侧，每块板2均与载热流体16在其内流动的空间15相接触，该载热流体可以是水。板2的散热片17延伸到空间15中，这些散热片可以使板2和载热流体16之间的热交换更加容易。

对于每块板2，散热片17的数量最好等于处理金属丝1的根数，这些散热片17最好沿着金属丝1的轴设置（图2），板2a的散热片17a基本与板2b的散热片17b在同一平面上，金属丝1的轴就处于该平面中。空间15由盖18限定，其密封由密封垫23保证。

图5示出了空间15，此处假定盖子18已被取下。流体16由管道19进入，然后沿着散热片17流动。当进行如图5中的箭头F₁₆所示的流动时，折流板20可以改变其流动方向。然后流体16由管道21从装置100中流出。装置100含有设置在板2之间的电阻22，如果需要，该电阻可以对板2加热。在较佳的情况下，因为流体用以把来自金属丝1的热量排到外部，所以不会使流体16流动。

对于只有一块板2时，可以考虑流体16的流动。

当金属丝1在设备1000的区域Z₁至Z₄中通过时，图6示出了金属丝1的处理曲线中，图6的横坐标轴表示时间“t”，纵坐标轴表示金属丝1的温度T。

起始时间对应于点A，点A对应于区域Z₁的出口，温度为T_A的金属丝1具有均匀的奥氏体结构。曲线部分AB对应于区域Z₂中的快速冷却，以获得介稳奥氏体，该冷却结束时，金属丝为温度T_B。

曲线部分BC对应于区域Z₃，在该区域Z₃实现了金属丝1的珠光体化。最好在该区域Z₃中，金属丝1的温度尽可能仍保持接近T_B，其温度变化幅度相对于T_B来说不超过±10℃，最好不超过±5℃，以防止或限制复辉现象。为简单起见，曲线部分BC表示成与温度T_B相一致的直线段。曲线部分CD对应于金属丝的冷却，以将其降到环境温度或降到接近环境温度。在珠光体化以后，最终温度为T_D。

一个或多个用于区域Z₂的装置100证实了如下关系：

5≤K≤8（3）

λ为600℃时测定的值，而且对于用在区域Z₄的一个或多个装置100来说是一样的。

用于区域Z₃的装置100证实有如下的关系：

3≤K≤6（4）

为了在区域Z₃中实现等温或基本等温的转换，可以采用若干个装置100，例如用6个，以便能够对热交换进行调节。因此，BC段中金属丝1的转换是复杂的，该转换按照图中从点B到点C进行。

在B点附近，介稳奥氏体的颗粒结合晶核的形成继续进行下去，然后先以慢速开始进行奥氏体向珠光体的转换，尔后为使转换降低并变成零，该转换速度需经历一个最大值。在C点附近，珠光体转换结束，但是直至C点温度仍基本保持不变，这样可以避免残留介稳奥氏体。

奥氏体向珠光体转换时释放出大量的热，珠光体化最大速度的区域就对应于放热量最大的区域。在其他区域中，放热应该较少一些，即使可能需要加热时也是如此。为了进行调整，可以设定两个因素：

-在珠光体化速度为最大值的区域中，使板相互接触（E＝0）;

-在其他区域中，使板隔开（E≠0）并可以对板加热。

当在区域E₃中采用N个装置100时，就可以有N-2个理想位置，在这些位置中，奥氏体向珠光体的最大转换速度发生在这些装置的中间。

例如，当区域Z₃中采用6个装置100时，就有4个如后面表Ⅰ所示的理想位置，这些装置100-1至100-6按图6的顺序表示成与线段BC相应的各个时间间隔。

表Ⅰ

理想位置	装置的编号
							100-1	100-2	100-3	100-4	100-5	100-6
	1234	E≠0加热加热加热	E≠0E≠0加热加热	E≠0E≠0E≠0加热	加热E≠0E≠0	加热加热E≠0E≠0							加热加热加热E≠0
E≠0

区域Z₃的装置100的调整例如可以用电子计算机根据下面的方法得到：用高温计测出板2出口处的金属丝1的温度，高温计把这些温度指示提供给计算机。然后计算机把信号送给控制流体16流动的阀，并送给能够利用例如压缩空气排除这些流体时允许流体通过的阀（在加热情况下），该计算机还可把信号送给驱动齿轮4的马达，以及送给作用于电阻22的调温装置。

通过下面的完全符合本发明的实例对本发明作进一步的说明。在这些实例中，金属丝的前进速度为1米/秒，同时处理的金属丝为8根。在区域Z₁中作的奥氏体化处理用常规方法进行的，例如用煤气炉或马弗炉，以便获得T_A为980℃的奥氏体化温度。

金属丝的直径为1.3mm，气体11为含有75%的H₂（体积百分比）和25%的N₂（体积百分比）的裂化氨，600℃时的热传导率为0.28W/m·K。

实例1

设备1000的区域Z₂至Z₄若有8个装置100，槽8的断面如上所述的半圆形。

-区域Z₂有一个装置100，其长度为2.7m，槽8的直径为3.7mm。

-区域Z₄有一个装置100，其长度为2.5m，槽8的直径为3.7mm。

-区域Z₃有六个装置100，每个装置的长度为1m，并装有总功率为1.5KW的电阻。因此就如上面所述，它有四个理想位置。

因此，对于区域Z₃，其总长为6m，金属丝通过的时间就是6秒。槽8的直径为3.2mm。

所用的钢丝1含有0.815%的碳、0.527%的锰、0.219%的硅、0.006%的硫、0.012%的磷、0.080%的铅、0.045%的钙、0.020%的铬和0.008%的镍。

在区域Z₂中通过的时间（快速冷却）是2.7秒，钢丝1在区域Z₃中的为580±10℃。对位置1进行观察（表Ⅰ），系数K的值如下：在区域Z₂中为6.31，在区域Z₃中为5.44，在区域Z₄中为6.31。

在设备1000中进行处理之后，钢丝1在牵引时的抗破裂力为1350MPa。用已知的方法将这些钢丝镀上黄铜并进行拉丝，最终得到0.2mm的直径。拉制的金属丝牵引时的抗破裂力为3480MPa。

截面比值定义为：

R＝ (拉丝前的金属丝截面)/(拉丝后的金属丝截面)

理论上的变形定义为：ε＝logR，这里log是自然对数。所以对于金属丝1就有R＝42.25，ε＝3.74。

实例2

设备1000的区域Z₂至Z₄共计有10个装置100。槽8的断面为上述的半圆形。

-区域Z₂有一个装置100，其长度为2.7m，槽的直径为3.7mm。

-区域Z₄有一个装置100，其长度为2.5m，槽8的直径为3.7mm。

-区域Z₃有8个装置100，所以它对应于6个可能的理想位置。每个装置100的长度为0.75m。所以在该区域Z₃中，金属丝1的长度和停留时间与实例1中的相同。槽的直径为3.2mm。

装置100的其他特征与实例1的相同，尤其是气体11。

金属丝1用与实例1中相同的钢制成。

金属丝1在区域Z₃中的温度为550±5℃。也就是说等温程度要比实例1中的好。这种较好的等温效果可以使区域Z₃中的温度降低。而不会形成贝氏体，这可以提高金属丝1的机械特性和其使用价值。奥氏体向珠光体转换的转换强度最大值发生在该区域Z₃的第二装置100中。区域Z₂至Z₄中的系数K与实例1中的具有相同的值。

经过在设备1000中处理之后，金属丝1在牵引时的抗破裂力为1350MPa。然后用已知的方法在这些金属丝上镀上黄铜，再进行拉丝，以便最终获得0.2mm的直径。对于控制的金属丝，其牵引时的抗破裂力为3500MPa。对于金属丝就有R＝42.25，ε＝3.74。

在上述实施例中，每个装置100中的间隔E是恒定的，但是在相同的装置中，本发明适用于该装置内部间隔E是变化的情况。

因此，作为例子，图7示出了按照本发明的具有两块板2的装置200，这两块板的端部用轴杆30相连，轴杆30与置于槽8中的金属丝1平行。板2在轴杆30的周围，所以间隔E沿着垂直于金属丝1的方向变化。要打开板2时，可以用一个楔形部件31来实现，当把该部件插入这两块板之间时，该部件就将这两块板分开。

按照本发明的工艺处理过的金属丝1的结构与用已知的铅浴淬火方法得到的金属丝的结构相同，即得到精细珠光体结构。该结构具有由铁素体薄板分开的渗碳体薄板。作为例子，图8表示了这种精细珠光体结构的部分50的剖视图。该部分50有两块由铁素体薄板52分开的基本平行的渗碳体薄板51。渗碳体薄板51的厚度用“i”表示，铁素体薄板52的厚度用“e”表示。珠光体结构是精细的，即平均值i+e至多等于1000 ，其中有标准偏差250 。

当然，本发明并不局限于上述实施例。

Claims (17)

1、对至少一根金属丝进行热处理的工艺，其特征在于：

a)把金属丝送入至少一对传热板之间的两个槽中，所述的槽开在每一对传热板的每块板上，板之间的间隔可以改变，金属丝直接与槽之间的气体接触，并基本不采用强迫通风；

b)槽、金属丝和气体的特性确定了系数K的关系式：

K= (log(D_i/D_f))/(λ) ×D_f ²(1)

其中D_i=

(2)

log是自然对数，S是两个槽所形成的面的总面积，该面积的单位为mm²，它相当于槽的垂直于金属丝长度方向的平面载面的面积，D_f是金属丝的直径，单位是mm，λ是气体在600℃时的热传导率，单位是W/m·K。

2、根据权利要求1所述的可以获得精珠光体结构的工艺，预先把该处理金属丝保持在比AC3转换温度高的温度，以获得均匀的奥氏体，该方法的特征在于：

c）冷却金属丝，使其从高于AC3转换温度的温度降到低于AC1转换温度的温度;

d）然后在比AC1转换温度低的温度下进行珠光体比处理;

e）再将金属丝冷却到环境温度或接近于环境温度的温度;

f）使金属丝在至少一组板中通过，这样就可以实现珠光体化以前的冷却操作以及珠光体化的操作，这样在冷却时有5≤K≤8，在珠光体化时有3≤K≤6。

3、根据权利要求2所述的工艺，其特征在于珠光体化以后的冷却操作是在使金属丝在至少一对板中通过时进行的，这样就有5≤K≤8。

4、根据权利要求2或3所述的工艺，其特征在于：在进行珠光体化操作时，金属丝的温度变化范围不超过给定温度±10℃。

5、根据权利要求2至4任一权利要求所述的工艺，其特征在于珠光体化时至少用四组板。

6、根据权利要求1至5任一权利要求所述的工艺，其特征在于板之间的间隔根据这些板的出口温度进行调整。

7、对至少一根金属丝进行热处理的装置，该装置的特征在于：

a）它具有一对传热板、可以改变板之间的间隔大小的设备和可以使金属丝在该对板中通过的设备，每块板有一个槽，以便组成形成面的两个槽，金属丝在这两个槽之间通过，金属丝直接与槽之间的气体接触，基本不采用强迫通风;

b）槽、金属丝和气体的特性确定了系数K的关系式：

K= (log(D_i/D_f))/(λ) ×D_f ²(1)

其中D_i=

(2)

log是自然对数，S是两个槽所形成的面的总面积，该面积的单位为mm²，它相当于槽的垂直于金属丝长度方向的平面载面的面积，D_f是金属丝的直径，单位是mm，λ是气体在600℃时的热传导率，单位是W/m·k。

8、根据权利要求7所述的装置，其特征在于在金属丝的对应侧还有可以使载热流体流动的设备，该载热热流体至少与一块板接触。

9、根据权利要求7或8之一所述的装置，其特征在于它至少有一个设置在至少一块板中的电阻。

10、根据权利要求7至9之一权利要求所述的装置，其特征在于它具有可以根据金属丝的温度来改变板间间隔的设备。

11、至少含有一个与权利要求7至10之一权利要求所确定的装置的设备。

12、根据权利要求11所述的可以获得精细珠光体结构的设备，其特征在于：

c）它具有可以使金属丝达到并保持在比AC3转换温度高的温度的设备，以获得均匀的奥氏体;

d）它具有在上述步骤后使金属丝从比AC3转换温度高的温度冷却到比AC1转换温度低的温度的设备;

e）它具有在比AC1转换温度低的温度下进行珠光体比转换的设备;

f）它具有再把金属丝冷却到环境温度或与环境温度相近的温度的设备;

g）珠光体化之前进行冷却的设备和珠光体化的设备中的每一个都至少含有一个权利要求7至10中的一个权利要求所确定的装置，这样在冷却时有5≤K≤8，珠光体化时有3≤K≤6。

13、根据权利要求12所述的设备，其特征在于珠光体化设备至少有四个权利要求7至10中的一个权利要求所确定的装置，这样在珠光体化时，金属丝温度变化至多不超过给定温度±10℃。

14、根据权利要求12或13之一所述的设备，其特征在于珠光体化以后的冷却设备至少有一个权利要求7至10中的一个权利要求所确定的装置，其特征还在于当该冷却时有5≤K≤8。

15、用以权利要求1至6中的一项权利要求所确定的工艺处理的金属丝。

16、用以权利要求7至10中的一项权利要求所确定的装置处理的金属丝。

17、用以权利要求11至14中的一项权利要求所确定的设备处理的金属丝。

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