La descarburación en el acero rápido puede reducir drásticamente la calidad del producto, provocando fallos prematuros, grietas de enfriamiento y una menor resistencia a la fatiga. Pero, ¿cuáles son las causas de este efecto perjudicial? Los contaminantes de los baños salinos, la humedad del aire y los procesos de calentamiento inadecuados desempeñan un papel importante. Si conocemos estos factores y aplicamos medidas preventivas, como una limpieza a fondo y un control preciso de la temperatura, podemos aumentar considerablemente la vida útil y el rendimiento de las herramientas de acero. Sumérjase en este artículo para explorar estrategias eficaces para combatir la descarburación y proteger sus inversiones en acero rápido.
La descarburación de las piezas durante el calentamiento y el enfriamiento en baño de sales es inevitable por varias razones.
Si la capa de descarburación es relativamente fina, el proceso de rectificado posterior puede eliminarla por completo, con lo que no habrá problemas.
Sin embargo, si la capa de descarburación no puede eliminarse por completo, la calidad del producto se deteriorará considerablemente.
La descarburación se refiere a la reducción del contenido de carbono en la superficie del acero durante el calentamiento, o la combustión del carbono con oxígeno para formar CO2 (C + O2 → CO2).
El proceso de descarburación se produce cuando el carbono de la superficie del acero reacciona con el oxígeno, el hidrógeno, etc. a altas temperaturas, lo que provoca cambios en la composición de la superficie y puede afectar a la calidad del tratamiento térmico.
Se manifiesta principalmente en los siguientes aspectos.
La descarburación de una pieza templada puede reducir su dureza superficial y afectar negativamente a su vida útil.
Por ejemplo, una fresa de ranura de tornillo de acero W18Cr4V con dimensiones de φ40mm x 1mm, como se muestra en la Fig. 1, demuestra los efectos de la descarburización durante el tratamiento térmico. La microestructura de la superficie de la punta del diente muestra una capa de descarburación cristalina blanca con una microdureza de 338HV, una pequeña cantidad de zona de transición de troostita negra con una microdureza de 627HV, y una combinación de templado normal martensita y una pequeña cantidad de carburo con una microdureza de 825HV.
Se observa que la capa de descarburación se distribuye a lo largo del perfil del diente. Esto indica que la descarburación se produjo durante el proceso de tratamiento térmico. El resultado es una fresa que experimenta un desgaste prematuro debido a su baja dureza.
Fig. 1 temple y descarburación de la fresa de ranura helicoidal
La descarburación por enfriamiento provoca una diferencia en la concentración de carbono entre las capas interior y exterior de la pieza, lo que da lugar a una transformación desigual durante el proceso de tratamiento térmico y a tasas variables de expansión y contracción del volumen.
Esto, a su vez, crea importantes tensiones estructurales y térmicas, que aumentan la probabilidad de que se formen microfisuras en los puntos de concentración de tensiones de la pieza.
La descarburación de las piezas de trabajo afecta significativamente a su resistencia a la fatiga, especialmente en el caso de las herramientas sometidas a tensiones alternas de forma alterna. Esta sensibilidad a la vida útil se traduce en peladuras superficiales, fracturas y otras formas de daños prematuros como principales características de los fallos.
El uso de sal fundida templada a altas temperaturas puede dar lugar a reacciones entre sulfatos, carbonatos y agua, causando oxidación y descarburación en casos leves y picaduras de corrosión en casos graves.
Además, la superficie de la pieza se trata con sulfato de cobre para el cobreado químico, según requiera el proceso.
Si la capa superficial de cobreado se calienta a altas temperaturas antes de retirarla, también se producirá corrosión en la superficie de la pieza después del temple.
Para mantener la limpieza del baño salino y evitar la descarburación de las piezas templadas, muchas fábricas añaden un desoxidante adecuado a la sal fundida. Sin embargo, es importante tener en cuenta que una construcción inadecuada puede provocar la combustión de la pieza.
Como se observa en la Fig. 2, se desechó una fresa de ranura helicoidal de acero M2 de 46 mm de diámetro y 1 mm de espesor debido a la quemadura provocada por el desoxidante ferrosilicio.
La estructura metalográfica en el punto de quemado se identificó como ledeburita secundaria, con un cinturón negro de troostita (una zona pobre en carbono) en la unión con la estructura normal, tal como se representa en la Fig. 3.
Fig. 2 Aspecto de la fresa quemada
Fig. 3 metalografía de la fresa quemada
El efecto más notable de la descarburación es la disminución de la vida útil de la herramienta o, en casos graves, su inutilización.
A continuación se enumeran las principales causas de descarburación durante el temple en baño de sal:
(1) Impurezas nocivas, como Na2SO4BaSO4, Na2CO3CaCO3y BaCO3presentes en el baño salino que favorecen la descarbonización.
(2) El aumento de la solubilidad del agua en el aire facilita la descarbonización.
(3) Óxido en la pieza o en el dispositivo de temple.
(4) El proceso de calentamiento en el baño de sal aumenta el contenido de óxido y de oxígeno, lo que contribuye a la descarburación de la pieza.
(5) La acumulación de nitrato en el gancho de enfriamiento o la presencia de sal de cloruro mezclada con nitrato también aumentará el contenido de oxígeno en el baño salino.
(6) Desoxidación inadecuada del baño salino o eliminación incompleta de la escoria.
(7) Envejecimiento del baño de sal y falta de sustitución oportuna.
Existen varios métodos para determinar si un baño de sal descarbura. El método más sencillo es utilizar una lima, pero requiere mucha experiencia práctica. Otros métodos son la prueba de la lámina de acero, el análisis químico, la prueba de dureza y la determinación de la microestructura. A continuación se ofrece un breve resumen de cada uno de ellos.
Para la descarburación mediante temple en baño salino, se lima una ranura en forma de V con una lima que tenga una dureza de 66HRC o superior, ya que la dureza de la pieza es inferior a la del núcleo. La profundidad de la ranura determina el grado de descarburación.
Algunos fabricantes de herramientas determinan la dureza y la capa de descarburación de las herramientas de acero rápido utilizando limas de fabricación propia. Estas limas se fabrican con acero rápido 4341 y se someten a procesos de refuerzo superficial como QPQ.
Tras enfriar la muestra o la probeta en un baño de sal, se calienta a 700 ℃ y se sumerge en ácido clorhídrico 20% durante varios minutos. A continuación, se limpia la pieza y se observa.
La parte descarburada y la no descarburada tienen diferente resistencia a la corrosión, por lo que la parte descarburada aparece blanca. La profundidad de la capa descarburada puede determinarse examinándola con una lupa.
Mida la distribución de la dureza a lo largo de la sección transversal de la muestra sometida al tratamiento térmico de baño salino. Si la dureza de la superficie difiere de la del núcleo, se puede determinar la capa descarburada identificando dónde la dureza es igual a la del núcleo.
Algunas personas creen que un límite de dureza de 823HV0-1 se utiliza para determinar si el acero rápido ha sufrido una descarburación tras el tratamiento térmico. La distancia desde este límite hasta la superficie representa la profundidad de la capa descarburada.
Se coloca una lámina de acero (consistente en una tira de acero al carbono 1.0% de 0,5 mm de espesor, 30 mm de anchura y 150 mm de longitud) en un baño de sal y se calienta durante el tiempo especificado en las condiciones descritas en la Tabla 1. Tras el calentamiento, se enfría en agua corriente de 10-30 ℃ y se rompe a mano para evaluar su resistencia a la rotura. Tras el calentamiento, se enfría en agua corriente de 10-30 ℃ y se rompe a mano para evaluar su resistencia a la rotura. A continuación, se determinan la descarburación y el deterioro del baño salino en función de los criterios expuestos en el cuadro 2.
Tabla 1 tiempo de calentamiento de la lámina de acero en baño salino
| Temperatura de calentamiento del baño salino / ℃ | 800 | 900 | 1000 | 1100 | 1200 | 1300 |
| Tiempo de calentamiento / min | 20 | 15 | 10 | 5 | 3 | 2 |
Cuadro 2 criterios de determinación de la lámina de acero
| Carácter | Condiciones de rotura | Contenido de carbono del acero lámina (%) | Índice de descarburación de la lámina de acero (%) | ¿Es adecuado el baño de sal |
| 1 | Quebradizo cuando se rompe | >0.60 | 30~40 | ○ |
| 2 | Elástico cuando se rompe | 0.40~0.50 | 50~60 | △ |
| 3 | Sólo después de vueltas y revueltas puede romperse | 0.20~0.30 | 70~80 | × |
| 4 | Las vueltas y revueltas son interminables | <0.20 | 80~90 | × |
Como se ilustra en la Fig. 4, el tamaño del grano en la capa superficial de una pieza de acero rápido sometida a temple y descarburación es relativamente grueso.
Fig. 4 metalografía de la fresa descarburada
(1) El óxido que se ha formado en el mango del electrodo y en la fijación debe eliminarse antes del temple.
(2) La escoria que se haya acumulado debido al óxido de la sal fundida o cualquier objeto flotante en la superficie del líquido debe retirarse rápidamente.
(3) Independientemente de si las piezas están secas o no, deben hornearse y secarse completamente.
(4) La sal adherida a la pieza o al accesorio, o la sal esparcida, no debe introducirse en el baño salino debido al alto riesgo de oxidación, y debe evitarse y eliminarse.
(5) Se mejora la alcalinidad de la sal fundida impidiendo que reaccione con la atmósfera.
Para prevenir y minimizar la propagación de enfermedades, se pueden tomar las siguientes medidas:
① La temperatura del baño salino debe mantenerse lo más baja posible.
② El tamaño de la superficie del baño salino debe reducirse al mínimo.
③ La tapa del horno debe cubrirse si no se está llevando a cabo el enfriamiento.
④ La superficie del líquido del baño debe cubrirse con un flujo circulante de nitrógeno o gas inerte.
(6) Si el horno permanece inactivo durante un período prolongado, la solución salina debe drenarse, secarse, romperse en trozos pequeños y almacenarse en un lugar seco. Si se encuentra una gran cantidad de barro negro o inclusiones, deben desecharse y no seguir utilizándose.
(7) La escoria debe estar totalmente desoxidada y eliminarse por completo y a fondo.
(8) Una sal no desoxigenada de acción prolongada o un 5% MgF2 baño salino de alta temperatura (95% BaCl2).
(9) La sal comprada a fuentes acreditadas debe ser muestreada y probada antes de ser introducida en la fábrica y almacenada, y sólo puede ser utilizada después de haber superado las cualificaciones.
(10) Debe practicarse una gestión eficaz de los emplazamientos y deben tratarse oportunamente los posibles factores de descarbonización.
Actualmente, el horno de baño salino sigue siendo el principal equipo de calentamiento para el tratamiento térmico del acero rápido.
Aunque el desarrollo de los hornos de vacío ha sido rápido, no pueden sustituir totalmente al horno de baño salino.
Durante un periodo prolongado, las ventajas de ambos se complementarán y coexistirán, pero con el tiempo el baño de sal irá desapareciendo.
En la actualidad, es crucial prestar atención a la calidad del temple en baño de sal, sobre todo para evitar la descarburación.
Controlando de cerca cada paso, es posible garantizar una descarburación mínima o nula, asegurando así la longevidad de las herramientas.
Como fundador de MachineMFG, he dedicado más de una década de mi carrera a la industria metalúrgica. Mi amplia experiencia me ha permitido convertirme en un experto en los campos de la fabricación de chapa metálica, mecanizado, ingeniería mecánica y máquinas herramienta para metales. Estoy constantemente pensando, leyendo y escribiendo sobre estos temas, esforzándome constantemente por mantenerme a la vanguardia de mi campo. Deje que mis conocimientos y experiencia sean un activo para su empresa.
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