一种弹簧钢丝盐浴淬火回火热处理工艺方法

技术领域

本发明提供了一种针对钢丝或者盘条盐浴淬火回火热处理工艺方法，替代目前高能耗、高污染的油淬火、铅回火的热处理工艺，通过对加热后的钢件进行盐浴淬火获得马氏体组织，然后在后面继续熔盐回火，获得最佳的组织性能，适合众多的弹簧钢丝热处理车间的升级改造和节能环保项目的建设。

背景技术

刀具、弹簧行业对油淬火、回火制品(以下称油淬火钢丝 )的需求量逐年增长，同时环保力度的加强，行业不经对产品的质量要求也愈来愈高，对产线的污染物、能耗有了更高的要求。

目前传统的弹簧钢丝生产工艺，采取的是油淬火+铅回火的方案，这一工艺在行业发展了将近100年，开始是作为钢丝矫直手段问世的，由于它具有极好的弹性和非常高的疲劳强度，后来就引起了弹簧制造者的注意。油淬火钢丝在北美 、西欧 已开始广泛用于制造各种弹簧，以后范围逐渐扩大。我国的油淬火钢丝的生产起步于 2O世纪 7O年代初期 。以首特为代表的金属制品生产企业根据国内市场需要，率先建成我国第一条油淬火钢丝试验生产线，并围绕 50CrV、60Si2Mn、65Mn等材料开展了一系列油淬火钢丝生产工艺的研究，实现了工业化批量生产。

早期参与我国油淬火钢丝生产工艺与装备研究并能见诸文献的单位有北 京钢铁学院、天津大学、天津压缩机气阀弹簧攻关组、北京特殊钢厂等单位。采用的生产试验装备大体上分两种形式：一种是电接触加热+铅浴回火连续式生产线；另一种是管式炉加热+铅浴回火连续式生产线。由于电接触加热受钢丝的尺寸公差、冶金质量、电压波动等因素的影响，产品质量始终难以稳定。尤其是后面的铅浴回火生产工艺，在当今环保和绿色制造生产理念的推行下，越来越不适应产业推广。

盐浴淬火冷却和加热已经在轴承、齿轮等热处理行业发展了很长时间，其适用的温度从100℃到600℃，其作为新型的淬火介质和加热方式逐渐在制品行业得到应用和推广。首钢技术研究院的科研人员利用熔盐的等温淬火特性，采用高碳高Si钢开发出来强度超过1860MPa的高碳钢贝氏体材料，同时在测试了其在熔盐保温状态下的组织性能变化趋势，并申请了专利。北京勤泽鸿翔冶金科技有限公司更是在细钢丝金刚线的生产过程中，采用熔盐淬火替代水浴、铅浴淬火，成功开发了满足太阳能光伏行业需求的金刚线黄铜丝，并申请了发明专利。最近几年青岛特钢、沙钢、宝钢金属都引进了北京勤泽鸿翔冶金科技有限公司的盐浴等温淬火技术，联合中铁大桥局、中南大学、钢铁研究总院，成功开发了超高强桥梁缆索镀锌钢丝的母料盘条，目前已经在虎门二桥、杨泗港大桥、沪通大桥、伶仃洋大桥、五峰山大桥、常泰大桥等超级工程，熔盐淬火工艺和装备已成功作为铅浴热处理的升级工装，收到行业众多的关注。

发明内容

本方提供了一种盐浴淬火回火热处理工艺方法，用来替代传统的油淬火、铅浴回火生产工艺方法。其工艺过程：放线、加热炉加热、熔盐淬火、熔盐回火、吹扫、清洗、收线。通过熔盐初熔装置对固体盐进行初次熔化，熔盐淬火和熔盐回火在对应的淬火槽和回火槽内完成，淬火槽和回火槽和其对应的储盐罐相连，储盐罐布置有熔盐泵，通过盐泵将淬火槽和回火槽注满到一定液位，钢丝直行通过熔盐淬火槽和回火槽，熔盐和钢丝发生热交换后，熔盐回流到储盐槽。钢丝出熔盐回火槽后，采用热风刀进行表面残盐吹扫，在通过水清洗将表面净化。

通过熔盐初熔装置实现固体熔盐的初次熔化，然后通过初熔装置上的盐泵将熔盐分次注入储盐罐。

淬火槽储盐罐和回火槽储盐罐上布置加热装置和热电偶，可以实现储盐罐温度的控制。

淬火槽储盐罐和回火槽储盐罐上布置有熔盐泵，通过管路和淬火槽相连，通过熔盐泵向淬火槽、回火槽注入熔盐，保证淬火槽、回火槽的液位和熔盐量，熔盐注入后从槽体的两端流出，通过接盐漏斗缓存后，由管路回流进入储盐罐，实现熔盐的整体大循环。

经过放线和后面收线机牵引力作用下，连续的线材或者带钢被加热后，水平的进入淬火槽，在浸没状态下完成盐浴淬火，然后进入回火槽完成回火处理。

淬火槽能布置有冷却风管，通过变频风机控制风量，将加热后钢件淬火过程中的热量导出，保证整个淬火槽和淬火槽储盐罐的温度恒定。

淬火槽布置的冷却风管产生的高压热空气，被引入回火槽末端的风箱中，并在工件周围形成热风刀，实现对工件表面的残盐的吹扫。

工件经过热风刀的吹扫后进入清洗机，通过喷嘴对工件清洗，清洗后的盐水通过多效蒸发器实现盐水分离，回收的盐被重新注入淬火槽。

储盐罐上布置有雷达液位计，实时监控储盐罐内的熔盐量，超过警戒液位进行补充。

储盐罐上布置有过滤器，产线停止工作时，全部熔盐重新回流到储盐罐，通过储盐罐上的盐泵连接到过滤器，对熔盐进行杂质过滤。

储盐罐内熔盐采用硝酸盐、亚硝酸盐、碳酸盐的混配体系，其适用范围在150℃-650℃范围内，同时定期补充纳米金属颗粒，来保证熔盐的淬火烈度。

附图说明

图1为盐浴淬火回火生产线的布局图

图2位盐浴淬火回火的生产工艺流程

图3为盐浴淬火、回火后的60Si2Mn的显微组织

图4为盐浴淬火、回火后的60Si2Mn的拉伸断口韧窝形貌

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本发明的技术方案进行详细的描述。显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所得到的所有其它实施方式，都属于本发明所保护的范围。

本发明实施例涉及一种中碳弹簧钢丝的淬火、回火过程中得到应用，采用本发明替代油淬火、铅浴回火的热处理生产工艺，进行50CrV、60Si2Mn、65Mn等弹簧钢丝的生产。

本发明的目的在于提供一种替代传统油淬火、铅浴回火弹簧钢丝熔盐淬火回火热处理工艺方法，本发明的技术方案如下：

一种熔盐淬火回火热处理工艺方法，用来替代传统的油淬火、铅浴回火生产工艺方法。其工艺过程：放线、加热炉加热、熔盐淬火、熔盐回火、吹扫、清洗、收线。

通过熔盐初熔装置对固体盐进行初次熔化，熔盐淬火和熔盐回火在对应的淬火槽和回火槽内完成，淬火槽和回火槽和其对应的储盐罐相连，储盐罐布置有熔盐泵，通过盐泵将淬火槽和回火槽注满到一定液位，钢丝直行通过熔盐淬火槽和回火槽，熔盐和钢丝发生热交换后，熔盐回流到储盐槽。钢丝出熔盐回火槽后，采用热风刀进行表面残盐吹扫，在通过水清洗将表面净化。

相对于传统的油淬火和铅回火的弹簧钢丝热处理生产工艺，本发明采用熔盐淬火和熔盐回火，消除了油淬火过程产生的油烟，以及油温波动造成的淬火工件组织性能的波动性；同时相比较传统的铅浴回火，本工艺采用熔盐的回火方式，回火的温度区间从铅浴回火的300℃-500℃扩大到200℃-650℃，而且其运行过程挥发物降低了90%以上。相比较铅尘的挥发所采用的的复杂的物理化学收集方式，盐浴挥发物为N2和NOx、少量烟尘，其气体排放在20mg/m³，600℃烟尘挥发量在10mg/m³，远低于钢铁行业超低发放的标准，同时烟尘采用湿法喷淋的方式进行溶解回收，后通过三效蒸发装置实现盐水的分离，对挥发的烟尘进行回收。

通过熔盐初熔装置实现固体熔盐的初次熔化，然后通过初熔装置上的盐泵将熔盐分次注入储盐罐。

采用1m³-3m³的熔盐初熔装置实现固体熔盐的初次熔化，每次熔化的固体熔盐在1m³，熔盐在初次熔化前必须进行破碎、机械混配均匀，熔盐的颗粒尺寸在15mm以下。混配后的熔盐的初熔温度控制在300℃-400℃，然后通过初熔装置上的盐泵将熔盐注入储盐罐，直到满足储盐罐的运行要求。

淬火槽储盐罐和回火槽储盐罐上布置加热装置和热电偶，可以实现储盐罐温度的控制。

储盐罐设计有加热装置和测温装置，加热可以采用燃气辐射管和电加热方式，其加热器布置方式有垂直插入和底部水平插入的方式以及垂直、水平相结合的方式。

储盐罐设计有保温，外部采用耐保温硅酸铝保温，罐体采用双层焊接设计，双层之间有真空层，真空度70Pa-100Pa。

储盐罐的测温采用多点测温，控温采用一点控温，其温度的均匀性达到±3℃以内。

淬火槽储盐罐和回火槽储盐罐上布置有熔盐泵，通过管路和淬火槽相连，通过熔盐泵向淬火槽、回火槽注入熔盐，保证淬火槽、回火槽的液位和熔盐量，熔盐注入后从槽体的两端流出，通过接盐漏斗缓存后，由管路回流进入储盐罐，实现熔盐的整体大循环。

淬火槽-储盐罐，回火槽-储盐罐，是根据工艺前后布置的两套独立系统。无论是淬火槽和回火槽，其与储盐罐的连接方式相同。储盐罐上布置有输盐盐泵，盐泵通过管路向淬火槽或者回火槽输送高温熔盐，在淬火槽或者回火槽形成100mm-300mm的液位，然后熔盐在槽体的两端回流进入接盐漏斗缓存，然后经过管路和熔盐自重流回储盐罐，储盐罐上布置有回流孔，回流孔的直径为熔盐输入管道直径的2-3倍。

接盐漏斗布置在淬火槽或者回火槽的两端的下部，其作用就是将淬火槽的熔盐进行收集然后回流储盐罐。接盐漏斗可以和淬火槽或者回火槽设计成一体，也可以独立布置，接盐漏斗和储盐罐相连的管路设计在漏斗底部100mm-200mm位置，在漏斗内部才形成一定的沉淀作用，防止铁皮和渣进入储盐罐。

通过储盐罐-盐泵-输盐管路-淬火槽（回火槽）-接盐漏斗-回流管道-回盐口，实现了整个熔盐的大循环。

在后面收线机牵引力作用下，连续的线材或者带钢放线后进入加热炉被加热，然后水平的进入淬火槽，在浸没状态下完成盐浴淬火，然后进入回火槽完成回火处理。

收线机采用单丝单控的方式，其动力为电动马达驱动收线盘。收线可以是一条，也可以是多条，按照车间的产能设计。加热炉可以根据产品质量要求采用电辐射管加热、燃气明火加热、燃气辐射管加热，加热炉内可以采用N2、甲醇裂解以及明火气氛。

淬火槽内由于已经形成了一定的液位，加热后的钢丝、钢带可以水平进出淬火槽，在淬火槽内进行浸没式的淬火，其浸没深度在50mm-150mm之间进行控制，以保证淬火工件冷却速度和冷却均匀性。回火槽内钢丝和带钢可以采用淬火槽相同的浸没式，也可以采用压辊浸没式，通过回火槽进口段的托辊、槽内压辊、回火槽末端的托管，改变钢丝和钢带的行进轨迹，完成回火槽内工件的热传递和回火处理。

根据传统弹簧钢丝和带钢的淬火、回火工艺，淬火槽温度控制在150℃-300℃，回火槽温度控制在200℃-450℃。

淬火槽能布置有冷却风管，通过变频风机控制风量，将加热后钢件淬火过程中的热量导出，保证整个淬火槽和淬火槽储盐罐的温度恒定。

淬火槽内布置的风管采用DN40-DN100的通经，采用变频风机控制风管内风量和整个冷却系统的冷却强度，变频风机和淬火槽工作时储盐罐的设定温度形成温度闭环控制，将淬火工件携带热量通过风管的方式导出。

淬火槽布置的冷却风管产生的高压热空气，被引入回火槽末端的风箱中，并在工件周围形成热风刀，实现对工件表面的残盐的吹扫。

风管的壁厚的厚度在1mm，采用耐热不锈钢材质，其在淬火槽内进行蛇形布置，最终形成一定温度的高温高压空气，其与回火槽后面热风刀装置相连，将钢丝和带钢表面的残盐吹扫掉，热风刀的温度达到200℃以上，压力达到0.3MPa-0.4MPa，残盐的吹扫率达到90%。热风刀环形布置，其直径为钢丝直径的2-5倍或者带钢厚度的3-4倍。

工件经过热风刀的吹扫后进入清洗机，通过喷嘴对工件清洗，清洗后的盐水通过多效蒸发器实现盐水分离，回收的盐被重新注入淬火槽。

钢丝和带钢等工件完成淬火-回火-吹扫处理后，进入清洗机，通过水泵和喷嘴形成扇形-环形喷淋状态，进行工件进行清洗，清洗产生的水蒸气被除尘塔收集，除尘塔采用湿法喷淋降温冷凝的方式，其回收后的水再次注入清洗机，完成清洗机的补水。清洗机分为两个箱体，喷淋分为盐水喷淋和清水喷淋，两个箱体设计有液位计，盐水槽的补给通过清水槽，清水槽的补给来自除尘塔或者外界水系统。

盐水槽长时间使用期盐水浓度为饱和盐水，其会在槽底进行盐颗粒的析出和凝结，饱和盐水和多效蒸发器相连，实现盐水分离，回收的盐进入初熔装置熔化注入储盐罐，完成熔盐在整个系统的物料闭环控制。

储盐罐上布置有雷达液位计，实时监控储盐罐内的熔盐量，超过警戒液位进行补充。

储盐罐雷达液位计监控储盐罐内熔盐的量，并设计有报警装置，液小于或者大于预警液位能够实现连锁报警。

储盐罐上布置有过滤器，产线停止工作时，全部熔盐重新回流到储盐罐，通过储盐罐上的盐泵连接到过滤器，对熔盐进行杂质过滤。

储盐罐安装有过滤器，过滤1mm-5mm的固体杂质和氧化铁皮。过滤器拆除后作为一个检修孔，设备停止运行时，用于观察储盐罐的状态；同时过滤器还是初熔盐的注入口和加盐口。

储盐罐内熔盐采用硝酸盐、亚硝酸盐、碳酸盐的混配体系，其适用范围在150℃-650℃范围内，同时定期补充纳米金属颗粒，来保证熔盐的淬火烈度。

根据弹簧钢丝和带钢的淬火-回火工艺确定熔盐的混配和成分，一般情况下回火槽的温度高于淬火槽100℃-200℃。熔盐除了进行定期的除渣和过滤外，要根据长时间的热疲劳情况对其成分进行跟踪，为保证其淬火烈度，在熔盐中增加纳米颗粒的增强剂。

实施例

采用本发明技术，开发60Si2Mn的弹簧钢丝，热处理工艺其加热温度控制在880℃。

实施例

采用本发明技术65Mn的弹簧钢丝的热处理工艺，其加热温度控制在840℃。

采用传统的油淬火、铅浴回火开发60Si2Mn的弹簧钢丝，热处理工艺其加热温度控制在900℃，由于油浴的淬火温度不能超过160℃，其深度淬火后钢丝温度很低，为获得优良组织需要后期铅浴回火温度提高才能满足大生产效率和组织性能要求。

采用本发明技术65Mn的弹簧钢丝的热处理工艺，其加热温度控制在860℃。

对比发现，相比较传统的油淬火热处理，采用本发明的盐浴淬火、盐浴回火工艺，钢丝抗拉强度普遍较高，而且盐浴的环保方面的潜力和社会效益更佳。