Verhinderung der Entkohlung von Schnellarbeitsstahl durch Salzbadabschrecken

Die Entkohlung von Werkstücken beim Erwärmen und Abschrecken im Salzbad ist aus verschiedenen Gründen unvermeidlich.

Wenn die Entkohlungsschicht relativ dünn ist, kann sie durch den anschließenden Schleifprozess vollständig entfernt werden, so dass keine Probleme auftreten.

Wenn die Entkohlungsschicht jedoch nicht vollständig entfernt werden kann, verschlechtert sich die Qualität des Produkts erheblich.

1. Auswirkungen der Dekarbonisierung auf die Produktqualität

Unter Entkohlung versteht man die Verringerung des Kohlenstoffgehalts an der Stahloberfläche beim Erhitzen oder die Verbrennung von Kohlenstoff mit Sauerstoff zu CO2 (C + O2 → CO2).

Der Prozess der Entkohlung findet statt, wenn der Kohlenstoff auf der Stahloberfläche bei hohen Temperaturen mit Sauerstoff, Wasserstoff usw. reagiert, was zu Veränderungen in der Oberflächenzusammensetzung führt und die Qualität der Wärmebehandlung beeinträchtigen kann.

Sie zeigt sich vor allem in den folgenden Aspekten.

(1) Frühzeitiger Schadensfall

Die Entkohlung eines abgeschreckten Werkstücks kann seine Oberflächenhärte verringern und sich negativ auf seine Lebensdauer auswirken.

Ein Schraubennutfräser aus W18Cr4V-Stahl mit Abmessungen von φ40mm x 1mm, wie in Abb. 1 dargestellt, zeigt beispielsweise die Auswirkungen der Entkohlung während der Wärmebehandlung. Das Gefüge der Zahnspitzenoberfläche zeigt eine weiße kristalline Entkohlungsschicht mit einer Mikrohärte von 338HV, eine geringe Menge an schwarzer Troostit-Übergangszone mit einer Mikrohärte von 627HV und eine Kombination aus normal angelassenen Martensit und eine geringe Menge Karbid mit einer Mikrohärte von 825HV.

Es ist festzustellen, dass die Entkohlungsschicht entlang des Zahnprofils verteilt ist. Dies deutet darauf hin, dass die Entkohlung während des Wärmebehandlungsprozesses stattgefunden hat. Das Ergebnis ist ein Fräser, der aufgrund seiner geringen Härte früh verschleißt.

Abb. 1 Abschreckung und Entkohlung von Schraubennutfräsern

(2) Ursache Abschrecken Riss

Die Entkohlung durch Abschrecken führt zu einem Unterschied in der Kohlenstoffkonzentration zwischen der inneren und der äußeren Schicht des Werkstücks, was zu einer ungleichen Umwandlung während des Wärmebehandlungsprozesses und unterschiedlichen Raten der Volumenausdehnung und -kontraktion führt.

Dies wiederum führt zu erheblichen strukturellen und thermischen Spannungen, die die Wahrscheinlichkeit der Bildung von Mikrorissen an Spannungskonzentrationspunkten im Werkstück erhöhen.

(3) Verringerung der Ermüdungsfestigkeit

Die Entkohlung von Werkstücken wirkt sich erheblich auf deren ErmüdungsfestigkeitDie Lebensdauer von Werkzeugen ist sehr hoch, insbesondere bei Werkzeugen, die einer wechselnden Belastung ausgesetzt sind. Diese Empfindlichkeit gegenüber der Lebensdauer führt zu Oberflächenablösungen, Brüchen und anderen Formen vorzeitiger Beschädigung als Hauptmerkmale des Versagens.

(4) Oberflächenkorrosion

Die Verwendung von abgeschreckter Salzschmelze bei hohen Temperaturen kann zu Reaktionen zwischen Sulfaten, Karbonaten und Wasser führen, die in leichten Fällen Oxidation und Entkohlung und in schweren Fällen Lochfraß verursachen.

Außerdem wird die Oberfläche des Werkstücks mit Kupfersulfat für die chemische Verkupferung bearbeitet, wie es das Verfahren erfordert.

Wird die oberflächliche Kupferschicht vor dem Entfernen auf hohe Temperaturen erhitzt, führt dies nach dem Abschrecken ebenfalls zu Korrosion an der Werkstückoberfläche.

(5) Werkstücke brennen

Um die Sauberkeit des Salzbades aufrechtzuerhalten und eine Entkohlung der abgeschreckten Teile zu verhindern, fügen viele Betriebe der Salzschmelze ein geeignetes Desoxidationsmittel zu. Es ist jedoch wichtig zu beachten, dass eine unsachgemäße Konstruktion zum Verbrennen des Werkstücks führen kann.

Wie in Abb. 2 zu sehen ist, wurde ein M2-Stahl-Schraubennutfräser mit einem Durchmesser von 46 mm und einer Dicke von 1 mm aufgrund von Verbrennungen durch das Desoxidationsmittel Ferrosilizium verschrottet.

Das metallografische Gefüge an der Brennstelle wurde als sekundärer Ledeburit identifiziert, mit einem schwarzen Gürtel aus Troostit (einem kohlenstoffarmen Bereich) am Übergang zum normalen Gefüge, wie in Abb. 3 zu sehen ist.

Abb. 2: Aussehen eines gebrannten Fräsers

Abb. 3 Metallographie eines gebrannten Fräsers

Die auffälligste Auswirkung der Entkohlung ist die Verkürzung der Lebensdauer des Werkzeugs oder in schweren Fällen seine Unbrauchbarkeit.

2. Ursachen der Entkohlung

Nachfolgend werden die Hauptursachen für die Entkohlung während des Salzbadabschreckens aufgeführt:

(1) Schädliche Verunreinigungen, wie z. B. Na₂SO₄, BaSO₄, Na₂CO₃, CaCO₃und BaCO₃, die im Salzbad vorhanden sind und die Entkohlung fördern.

(2) Eine erhöhte Wasserlöslichkeit in der Luft führt zu einer leichteren Dekarbonisierung.

(3) Rost auf dem Werkstück oder der Abschreckvorrichtung.

(4) Der Erhitzungsprozess im Salzbad erhöht den Oxid- und Sauerstoffgehalt, was zur Entkohlung des Werkstücks beiträgt.

(5) Nitratablagerungen auf dem Abschreckhaken oder das Vorhandensein von mit Nitrat vermischtem Chlorsalz erhöhen ebenfalls den Sauerstoffgehalt im Salzbad.

(6) Unzureichende Desoxidation des Salzbades oder unvollständige Entfernung der Schlacke.

(7) Alterung des Salzbades und nicht rechtzeitiger Austausch des Salzes.

3. Bestimmung der Dekarbonisierung im Salzbad

Es gibt mehrere Methoden, um festzustellen, ob ein Salzbad entkohlt. Die einfachste Methode ist die Verwendung einer Feile, aber sie erfordert eine Menge praktischer Erfahrung. Weitere Methoden sind der Stahlfolientest, die chemische Analyse, der Härtetest und die Bestimmung des Mikrogefüges. Hier ist ein kurzer Überblick über die einzelnen Methoden.

(1) Urteil einreichen

Bei der Entkohlung durch Salzbadabschrecken wird mit einer Feile mit einer Härte von 66HRC oder mehr eine V-förmige Rille gefeilt, da die Härte des Teils geringer ist als die des Kerns. Die Tiefe der Rille bestimmt das Ausmaß der Entkohlung.

Einige Werkzeughersteller bestimmen die Härte und Entkohlungsschicht von Werkzeugen aus Schnellarbeitsstahl mit selbst hergestellten Feilen. Diese Feilen werden aus Schnellarbeitsstahl 4341 hergestellt und durchlaufen Oberflächenverfestigungsverfahren wie QPQ.

(2) Beurteilung der Makrokorrosion

Nach dem Abschrecken der Probe oder des Prüfstücks in einem Salzbad wird es auf 700 ℃ erhitzt und mehrere Minuten lang in 20% Salzsäure getaucht. Anschließend wird das Stück gereinigt und beobachtet.

Der entkohlte Teil und der nicht entkohlte Teil weisen eine unterschiedliche Korrosionsbeständigkeit auf, was dazu führt, dass der entkohlte Teil weiß erscheint. Die Tiefe der entkohlten Schicht kann durch Untersuchung mit einer Lupe bestimmt werden.

(3) Bestimmung der Härte

Messen Sie die Härteverteilung über den Querschnitt der Probe, die einer Salzbadwärmebehandlung unterzogen wurde. Weicht die Härte der Oberfläche von der des Kerns ab, kann die entkohlte Schicht bestimmt werden, indem festgestellt wird, wo die Härte der Kernhärte entspricht.

Einige Personen glauben, dass eine Härtegrenze von 823HV_0-1 wird verwendet, um festzustellen, ob der Schnellarbeitsstahl nach der Wärmebehandlung entkohlt ist. Der Abstand von dieser Grenze zur Oberfläche gibt die Tiefe der entkohlten Schicht an.

(4) Stahlfolientest

Eine Stahlfolie (bestehend aus einem 1,0%-Kohlenstoffstahlband mit einer Dicke von 0,5 mm, einer Breite von 30 mm und einer Länge von 150 mm) wird in ein Salzbad gelegt und für die angegebene Zeit unter den in Tabelle 1 genannten Bedingungen erhitzt. Nach dem Erhitzen wird es zur Abkühlung in 10-30 ℃ fließendem Leitungswasser abgeschreckt und von Hand gebrochen, um seine Bruchfestigkeit zu bewerten. Die Entkohlung und die Verschlechterung des Salzbades werden dann anhand der in Tabelle 2 aufgeführten Kriterien bestimmt.

Tabelle 1: Erhitzungszeit von Stahlfolie im Salzbad

Tabelle 2: Bestimmungskriterien für Stahlfolie

(5) Metallographische Bestimmung

Wie in Abb. 4 dargestellt, ist die Korngröße in der Oberflächenschicht eines Werkstücks aus Schnellarbeitsstahl, das abgeschreckt und entkohlt wurde, relativ grob.

Abb. 4 Metallographie eines entkohlten Fräsers

4. Maßnahmen zur Verhinderung der Dekarbonisierung

(1) Der Rost, der sich auf dem Elektrodengriff und der Halterung gebildet hat, muss vor dem Abschrecken entfernt werden.

(2) Die Schlacke, die sich aufgrund der Oxide in der Salzschmelze angesammelt hat, oder schwimmende Gegenstände auf der Flüssigkeitsoberfläche müssen unverzüglich entfernt werden.

(3) Unabhängig davon, ob die Werkstücke trocken sind oder nicht, müssen sie vollständig eingebrannt und getrocknet werden.

(4) Salz, das am Werkstück oder an der Vorrichtung haftet, oder Streusalz darf wegen der hohen Oxidationsgefahr nicht in das Salzbad eingebracht werden und muss verhindert und entfernt werden.

(5) Die Alkalität der Salzschmelze wird verbessert, indem eine Reaktion mit der Atmosphäre verhindert wird.

Um die Ausbreitung von Krankheiten zu verhindern und zu minimieren, können folgende Maßnahmen ergriffen werden:

① Die Temperatur des Salzbades sollte so niedrig wie möglich gehalten werden.

② Die Oberfläche des Salzbades sollte so klein wie möglich sein.

③ Die Ofenabdeckung sollte abgedeckt werden, wenn nicht abgeschreckt wird.

④ Die Oberfläche der Badflüssigkeit sollte mit einem zirkulierenden Stickstoff- oder Inertgasstrom bedeckt sein.

(6) Wenn der Ofen über einen längeren Zeitraum nicht benutzt wird, sollte die Salzlösung abgelassen, getrocknet, in kleine Stücke gebrochen und an einem trockenen Ort gelagert werden. Wenn eine große Anzahl schwarzer Schlämme oder Einschlüsse gefunden wird, sollten diese entsorgt und nicht weiter verwendet werden.

(7) Die Schlacke sollte vollständig desoxidiert und vollständig und gründlich entfernt werden.

(8) Ein nicht-desoxygeniertes, lang wirkendes Salz oder ein 5% MgF₂ Hochtemperatursalzbad (95% BaCl₂) verwendet werden.

(9) Salz, das aus seriösen Quellen bezogen wird, sollte vor der Verbringung in die Fabrik und vor der Lagerung beprobt und geprüft werden und kann erst verwendet werden, wenn es die Qualifikationen bestanden hat.

(10) Es sollte ein effektives Standortmanagement praktiziert werden, und potenzielle Dekarbonisierungsfaktoren sollten rechtzeitig behandelt werden.

5. Schlussfolgerung

Gegenwärtig ist der Salzbadofen nach wie vor die wichtigste Wärmebehandlungsanlage für die Wärmebehandlung von Hochgeschwindigkeitsstahl.

Trotz der rasanten Entwicklung von Vakuumöfen können diese den Salzbadofen nicht vollständig ersetzen.

Über einen längeren Zeitraum hinweg werden sich die Vorteile beider Systeme ergänzen und nebeneinander bestehen, aber irgendwann wird das Salzbad auslaufen.

Die Qualität der Salzbadabschreckung ist derzeit von entscheidender Bedeutung, insbesondere um eine Entkohlung zu verhindern.

Durch die genaue Überwachung jedes einzelnen Schrittes ist es möglich, eine minimale oder gar keine Entkohlung zu gewährleisten und so die Langlebigkeit der Werkzeuge sicherzustellen.