专利名称：输电线路杆塔钢材的热处理工艺的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种对钢材的热处理工艺，尤其是一种输电线路杆塔结构材料角钢的热处理工艺。
背景技术：
由于以往应用于输电线路杆塔结构材料角钢多采用优质碳素结构钢，直接装配铁塔而成，其抗拉强度值、抗屈服强度值、抗冲击韧性等，只能依靠钢材自身的性能。不管那个国家，到目前为止，对于杆塔的荷载，都是在依靠钢材的自身强度、刚度及屈服强度等。钢材自身的性能，决定了钢材的强度、高塑性和韧性，低的裂纹敏感性、耐蚀性等。随着电力事业的高速发展，大容量高电压等级输电线路得到迅速
发展，出现了同塔多回路110KV、220KV、330KV、500KV线路及越来高电压等级的750KV、 1000KV输电线路，因此杆塔设计的荷载越来越大，为了满足承载越来越大的荷载，杆塔越做越大，杆塔越做越高，传统的热轧角钢在强度和规格上都适合不了大容量高电压等级输电线路的发展，满足不了大荷载杆塔的使用要求。
发明内容
本发明的目的，在于提供一种特殊的热处理设备对输电线路杆塔结构材料角钢， 进行化学热处理工艺后，其应用于输电线路杆塔结构材料角
钢，获得高强度，高抗疲劳强度、高抗弯曲疲劳强度、高抗屈服强度，高抗冲击韧性、低的裂纹敏感性等。转变成表层为高碳钢，心部为低碳钢的一种复合材料。本发明的技术方案为
本发明采取对输电线路杆塔所用的钢材进行化学热处理工艺，用特殊的热处理炉具， 对钢材先进行渗碳处理，并进行淬火，然后再进行低温回火处理。渗碳处理的温度范围控制在900°C —950°C ； 回火处理的温度范围控制在160°C —200°C ；
首先，将工件装入化学热处理工艺炉内在气体介质中加热，并进行渗碳的工艺称为气体渗碳。气体渗碳一般由富化气(渗剂)及稀释气体组成。气体渗碳炉内应保持一定的正压，并装有风扇，使炉内气氛均勻，以便正确的控制碳势，保证渗碳质量，碳势是指含碳气氛在一定温度下改变工件表面碳质量分数能力的参数，通常用低碳钢箔，在含碳气氛中的平衡碳质量分数Wc=L 2 %表示，在化学热处理炉内，在一定的温度下加热工件，若炉气碳势高于工件表面碳质量分数，工件表面渗入碳原子，否则将脱碳。气体渗碳温度及介质成分易于调整，碳的质量分数及渗层深度易于控制，容易实现直接淬火。该气体渗碳方法适合用于各种批量，各种尺寸的工件，因而应用最广，产量最大。本发明采用滴注法进行气体渗碳。渗碳处理的温度范围控制在900°C --950°C;首先，向渗碳炉内滴注液态碳氢或碳氢氧化物，如图3，经过加热分解，产生含CH4、C0、H2及少量C02、H20、02的气体，最主要CH4及CO在炉内及钢件表面接触时发生分解，产生活性碳原子渗入工件表面；其次要求滴入的液体应具有产气量也就是单位体积液体分解后的气体体积大、碳势高、杂质(硫等)少，不易形成碳黑等特点。渗碳阶段的作用是渗入碳原子，并获得一定的渗层。这一阶段从开始经过大约27-30小时结束；在这期间炉温保持920°C不变，炉内的压力控制在150—200Pa。渗剂滴量的控制用二段法前段为强烈渗碳，这一阶段采用大滴量，维持炉内的高碳势(如1. 3 % -1. 5 %具体含量)，这时工件表面吸收大量的活性碳原子，形成高浓度梯度，以提高渗碳的速度，此时第一阶段结束。从图3可以看到，第二段从第四小时到30小时，采用小滴量，既强渗滴量的一半左右，炉温保持850°C，用以适当的降低炉内的碳势即碳的含量保持在0. 7-0.8 %，使表面过剩的碳向内层扩散或向炉气中逸散 (脱碳)，达到获得所要求的表面碳质量分数和渗碳层深度。第二段经过1小时结束，整个渗碳处理结束。在渗碳处理结束前一小时左右，从炉内取出试棒，检查渗碳层深度，确定准确的渗碳时间。在达到所要求的渗碳深度后，开始进行钢件的淬火阶段。淬火阶段，钢件随炉降温至830°C -850°c，然后保持炉内均温30—60min，使钢件的内外温度一致，最后进行淬火冷却。在上述的降温或均温的过程中，始终应向炉内滴注适量的甲醇或煤油，防止发生氧化脱碳。炉温缓慢的降温，有利于渗层析出一部分碳化物，减少奥氏体中的碳质量分数，提高马氏体的转变温度，从而达到减少渗碳层中的残余奥氏体， 并增加表面硬度的目的。淬火后，然后再进行低温回火处理，回火处理的温度范围控制在 160 0C —200 "C。本发明的工作原理
将输电线路杆塔所用的钢材(低碳钢件)置于具有足够碳势的介质中(滴注式气氛渗碳)，加热到奥氏体状态并保温，使其表层形成富碳层的碳势气氛，而进行化学热处理工艺。 气氛中的主要成分是CO、H2、N2、C02、CH4、H20、02等。在渗碳温度下，渗碳箱内空气中的氧与渗碳剂中的碳发生化学反应生成C0，而CO 又与工件反应产生C02和活性炭原子。其中C02随后又与渗碳剂中的碳发生化学反应生成 C0，而活性炭原子将渗入工件表面形成渗碳层，渗碳反应方程式如下
2C+ 02 = 2C0 2C0 = (C) + C02 CH4 = (C) +2 H2 CO+ H2 = (C) + H20 CO = (C) +1/202
渗碳化学热处理完成后，直接进行淬火，再低温回火。化学热处理工艺就完成了。本发明的优点在于使用成本较为低廉的低碳碳素结构钢，通过化学热处理工艺， 该钢材转变成为表层为高碳钢，心部为低碳钢的一种复合材料。通过对应用于输电线路杆塔结构材料角钢，进行化学热处理工艺，提高了钢材自身的强度、自身的钢度、自身的抗疲劳强度，自身的抗屈服强度、自身的抗腐蚀性、自身的高塑性及自身的高韧性。经过化学热处理后的钢材，强度高，抗屈服强度高、低的裂纹敏感性、耐蚀性好、韧性好，受力弯曲后，可自然复原。
图1显示15#钢硬度与碳含量的关系； 图2显示20#钢硬度与碳含量的关系；
图3为改变碳势、温度渗碳工艺曲线； 图4直接淬火工艺曲线。
具体实施例方式本发明采取对输电线路杆塔所用的钢材进行化学热处理工艺，用特殊的热处理炉具，对钢材先进行渗碳处理，并进行淬火，然后再进行低温回火处理。回火处理的温度范围控制在160°C —200°C ；
首先，将工件装入化学热处理工艺炉内在气体介质中加热，并进行渗碳的工艺称为气体渗碳。气体渗碳一般由富化气(渗剂)及稀释气体组成。气体渗碳炉内应保持一定的正压，并装有风扇，使炉内气氛均勻，以便正确的控制碳势，保证渗碳质量(碳势是指含碳气氛在一定温度下改变工件表面碳质量分数能力的参数，通常用低碳钢箔，在含碳气氛中的平衡碳质量分数Wc=L 2 %表示，在化学热处理炉内，在一定的温度下加热工件，若炉气碳势高于工件表面碳质量分数，工件表面渗入碳原子，否则将脱碳)。气体渗碳温度及介质成分易于调整，碳的质量分数及渗层深度易于控制，容易实现直接淬火。该气体渗碳方法适合用于各种批量，各种尺寸的工件，因而应用最广，产量最大。本发明采用滴注法进行气体渗碳。渗碳处理的温度范围控制在900°C ；首先，向渗碳炉内滴注液态碳氢或碳氢氧化物，如图3，碳势1. 2 %是指含碳气氛在一定温度下改变工件表面碳质量分数能力的参数用Wc=L 2 %表示，这是渗碳的第一阶段；渗碳的第二阶段碳势Wc=O. 75 %。2. 920度表示渗碳的第一阶段，保持该温度28小时，经过大约1小时， 温度降至850度，表示渗碳的第二阶段的温度。经过加热分解，产生含CH4、CO、H2及少量 C02、H20、02的气体，最主要CH4及CO在炉内及钢件表面接触时发生分解，产生活性碳原子渗入工件表面；其次要求滴入的液体应具有产气量也就是单位体积液体分解后的气体体积大、碳势高、杂质(硫等)少，不易形成碳黑等特点。渗碳阶段的作用是渗入碳原子，并获得一定的渗层。这一阶段从开始经过四小时结束；在这期间炉温保持920°C不变，炉内的压力控制在150—200Pa。渗剂滴量的控制用二段法前段为强烈渗碳后段为扩散。这一阶段采用大滴量，维持炉内的高碳势(如1. 3 % -1. 5 %具体含量)，这时工件表面吸收大量的活性碳原子，形成高浓度梯度，以提高渗碳的速度，此时第一阶段结束。从图3可以看到，第二段从第四小时到30小时，采用小滴量，既强渗滴量的一半左右，炉温保持850°C，用以适当的降低炉内的碳势即碳的含量保持在0. 7-0. 8 %，使表面过剩的碳向内层扩散或向炉气中逸散(脱碳)，达到获得所要求的表面碳质量分数和渗碳层深度。第二段经过1小时结束，整个渗碳处理结束。在渗碳处理结束前一小时左右，从炉内取出试棒，检查渗碳层深度，确定准确的渗碳时间。在达到所要求的渗碳深度后，开始进行钢件的淬火阶段。淬火阶段，钢件随炉降温至830°C -850°C，然后保持炉内均温30—60min，使钢件的内外温度一致，最后进行淬火冷却。在上述的降温或均温的过程中，始终应向炉内滴注适量的甲醇或煤油，防止发生氧化脱碳。炉温缓慢的降温，有利于渗层析出一部分碳化物，减少奥氏体中的碳质量分数，提高马氏体的转变温度，从而达到减少渗碳层中的残余奥氏体， 并增加表面硬度的目的。淬火后，然后再进行低温回火处理，回火处理的温度范围控制在 160 0C —200 "C。
权利要求
1.输电线路杆塔钢材的热处理工艺，其特征在于，包括以下步骤， 首先，将工件装入化学热处理工艺炉内在气体介质中加热，并进行气体渗碳，渗碳处理的温度范围控制在900°c -950°C ；向渗碳炉内滴注液态碳氢或碳氢氧化物，经过加热分解， 产生含CH4、C0、H2及少量C02、H20、02的气体；渗碳阶段从开始经过27-30小时；在这期间炉温保持920°C不变，炉内的压力控制在150— 200Pa ；渗剂滴量的控制用二段法前段为强烈渗碳后段，这一阶段采用大滴量，维持炉内的高碳势，含碳量为1. 3 % -1. 5 %，第二段从第四小时到30小时，采用强渗滴量的一半，炉温保持850°C，用以适当的降低炉内的碳势即碳的含量保持在0. 7-0. 8 %，使表面过剩的碳向内层扩散或向炉气中逸散，第二段经过1小时结束，整个渗碳处理结束；淬火阶段，钢件随炉降温至830°C -850°C，然后保持炉内均温30— 60min，使钢件的内外温度一致，最后进行淬火冷却，在上述的降温或均温的过程中，始终应向炉内滴注适量的甲醇或煤油，防止发生氧化脱碳，淬火后，然后再进行低温回火处理，回火处理的温度范围控制在 160 0C —200 0C ο
全文摘要
本发明输电线路杆塔钢材的热处理工艺，将工件装入化学热处理工艺炉内在气体介质中加热，并进行气体渗碳，渗剂滴量的控制用二段法，淬火后，然后再进行低温回火处理，回火处理的温度范围控制在160℃--200℃。本发明使用成本较为低廉的低碳碳素结构钢，通过化学热处理工艺，该钢材转变成为表层为高碳钢，心部为低碳钢的一种复合材料。通过对应用于输电线路杆塔结构材料角钢，进行化学热处理工艺，提高了钢材自身的强度、自身的钢度、自身的抗疲劳强度，自身的抗屈服强度、自身的抗腐蚀性、自身的高塑性及自身的高韧性。经过化学热处理后的钢材，强度高，抗屈服强度高、低的裂纹敏感性、耐蚀性好、韧性好，受力弯曲后，可自然复原。
文档编号C21D1/18GK102383136SQ20111036420
公开日2012年3月21日 申请日期2011年11月17日 优先权日2011年11月17日
发明者叶茂, 杜中庆, 涂强, 王美英, 钟庭剑, 闵尊南, 陈跃中, 黄文华 申请人:江西电力职业技术学院