La décarburation dans l'acier rapide peut réduire considérablement la qualité du produit, en provoquant des défaillances précoces, des fissures de trempe et une réduction de la résistance à la fatigue. Mais quelles sont les causes de cet effet néfaste ? Les contaminants présents dans les bains de sel, l'humidité de l'air et les processus de chauffage inappropriés jouent tous un rôle. En comprenant ces facteurs et en mettant en œuvre des mesures préventives, telles qu'un nettoyage approfondi et un contrôle précis de la température, nous pouvons considérablement améliorer la durée de vie et les performances des outils en acier. Plongez dans cet article pour explorer des stratégies efficaces de lutte contre la décarburation et protéger vos investissements dans l'acier rapide.
La décarburation des pièces pendant le chauffage et la trempe en bain de sel est inévitable pour diverses raisons.
Si la couche de décarburation est relativement fine, le processus de meulage qui suit peut l'éliminer complètement, ce qui ne pose aucun problème.
Toutefois, si la couche de décarburation ne peut être entièrement éliminée, la qualité du produit se dégrade considérablement.
La décarburation désigne la réduction de la teneur en carbone à la surface de l'acier pendant le chauffage, ou la combustion du carbone avec l'oxygène pour former du CO2 (C + O2 → CO2).
Le processus de décarburation se produit lorsque le carbone à la surface de l'acier réagit avec l'oxygène, l'hydrogène, etc. à des températures élevées, ce qui entraîne des changements dans la composition de la surface et peut avoir un impact sur la qualité du traitement thermique.
Elle se manifeste principalement dans les aspects suivants.
La décarburation d'une pièce trempée peut réduire la dureté de sa surface et avoir un impact négatif sur sa durée de vie.
Par exemple, une fraise à rainure de vis en acier W18Cr4V de dimensions φ40mm x 1mm, comme le montre la figure 1, démontre les effets de la décarburation pendant le traitement thermique. La microstructure de la surface de la pointe de la dent présente une couche de décarburation cristalline blanche d'une microdureté de 338 HV, une petite quantité de zone de transition de troostite noire d'une microdureté de 627 HV, et une combinaison d'acier trempé normal et d'acier inoxydable. martensite et une petite quantité de carbure d'une microdureté de 825HV.
On note que la couche de décarburation est répartie le long du profil de la dent. Cela indique que la décarburation s'est produite pendant le processus de traitement thermique. Le résultat est une fraise qui subit une usure précoce en raison de sa faible dureté.
Fig. 1 trempe et décarburation de la fraise à rainure de vis
La décarburation par trempe entraîne une différence de concentration en carbone entre les couches internes et externes de la pièce, ce qui conduit à une transformation inégale au cours du processus de traitement thermique et à des taux variables d'expansion et de contraction du volume.
Cela crée à son tour des contraintes structurelles et thermiques importantes, qui augmentent la probabilité de formation de microfissures aux points de concentration des contraintes dans la pièce.
La décarburation des pièces à usiner affecte de manière significative leur résistance à la fatigueCette sensibilité à la durée de vie se traduit par un décollement de la surface, une fracture et d'autres formes de dommages prématurés, qui sont les principales caractéristiques de la défaillance. Cette sensibilité à la durée de vie se traduit par un décollement de la surface, une fracture et d'autres formes de dommages prématurés, qui constituent les principales caractéristiques de la défaillance.
L'utilisation de sel fondu trempé à haute température peut entraîner des réactions entre les sulfates, les carbonates et l'eau, provoquant l'oxydation et la décarburation dans les cas légers et la corrosion par piqûres dans les cas graves.
En outre, la surface de la pièce est traitée à l'aide de sulfate de cuivre pour le placage chimique du cuivre, selon les besoins du processus.
Si la couche de cuivre superficielle est chauffée à des températures élevées avant d'être enlevée, il en résultera également une corrosion de la surface de la pièce après la trempe.
Pour maintenir la propreté du bain de sel et empêcher la décarburation des pièces trempées, de nombreuses usines ajoutent un désoxydant approprié au sel fondu. Toutefois, il est important de noter qu'une construction inappropriée peut conduire à la brûlure de la pièce.
Comme le montre la figure 2, une fraise à rainurer en acier M2 d'un diamètre de 46 mm et d'une épaisseur de 1 mm a été mise au rebut en raison de la brûlure causée par le désoxydant ferrosilicium.
La structure métallographique au point de combustion a été identifiée comme étant de la lédéburite secondaire, avec une ceinture noire de troostite (une zone pauvre en carbone) à la jonction avec la structure normale, comme le montre la figure 3.
Fig. 2 : aspect de la fraise brûlée
Fig. 3 Métallographie de la fraise brûlée
L'effet le plus visible de la décarburation est une diminution de la durée de vie de l'outil, voire, dans les cas les plus graves, sa mise hors d'usage.
Les causes principales de la décarburation lors de la trempe en bain de sel sont les suivantes :
(1) Impuretés nocives, telles que Na2SO4, BaSO4, Na2LE CO3, CaCO3et BaCO3présents dans le bain de sel qui favorisent la décarbonisation.
(2) L'augmentation de la solubilité de l'eau dans l'air facilite la décarbonisation.
(3) Rouille sur la pièce ou le dispositif de trempe.
(4) Le processus de chauffage dans le bain de sel augmente la teneur en oxyde et en oxygène, ce qui contribue à la décarburation de la pièce.
(5) L'accumulation de nitrate sur le crochet de trempe ou la présence de sel de chlorure mélangé à du nitrate augmentent également la teneur en oxygène du bain de sel.
(6) Désoxydation insuffisante du bain de sel ou élimination incomplète des scories.
(7) Le vieillissement des bains de sel et l'absence de remplacement en temps utile.
Il existe plusieurs méthodes pour déterminer si un bain de sel se décarbure. La méthode la plus simple consiste à utiliser une lime, mais elle nécessite une grande expérience pratique. Les autres méthodes comprennent le test de la feuille d'acier, l'analyse chimique, le test de dureté et la détermination de la microstructure. Voici un bref aperçu de chacune de ces méthodes.
Pour la décarburation par trempe en bain de sel, une rainure en forme de V est limée avec une lime d'une dureté de 66HRC ou plus, car la dureté de la pièce est inférieure à celle du noyau. La profondeur de la rainure détermine l'étendue de la décarburation.
Certains fabricants d'outils déterminent la dureté et la couche de décarburation des outils en acier rapide à l'aide de limes fabriquées par leurs soins. Ces limes sont fabriquées en acier rapide 4341 et subissent des processus de renforcement de la surface tels que QPQ.
Après avoir été trempé dans un bain de sel, l'échantillon ou l'éprouvette est chauffé à 700 ℃ et immergé dans de l'acide chlorhydrique 20% pendant plusieurs minutes. La pièce est ensuite nettoyée et observée.
La partie décarburée et la partie non décarburée ont une résistance à la corrosion différente, ce qui donne un aspect blanc à la partie décarburée. La profondeur de la couche décarburée peut être déterminée en l'examinant à la loupe.
Mesurer la distribution de la dureté sur la section transversale de l'échantillon ayant subi un traitement thermique en bain de sel. Si la dureté de la surface diffère de celle du cœur, la couche décarburée peut être déterminée en identifiant les endroits où la dureté est égale à celle du cœur.
Certains pensent qu'une limite de dureté de 823HV0-1 est utilisée pour déterminer si l'acier rapide a subi une décarburation après le traitement thermique. La distance entre cette limite et la surface représente la profondeur de la couche décarburée.
Une feuille d'acier (constituée d'une bande d'acier au carbone 1.0% d'une épaisseur de 0,5 mm, d'une largeur de 30 mm et d'une longueur de 150 mm) est placée dans un bain de sel et chauffée pendant la durée spécifiée dans les conditions décrites dans le tableau 1. Après le chauffage, elle est trempée dans 10-30 ℃ d'eau du robinet pour être refroidie et cassée à la main pour évaluer sa résistance à la rupture. La décarburation et la détérioration du bain de sel sont ensuite déterminées sur la base des critères décrits dans le tableau 2.
Tableau 1 Temps de chauffage d'une feuille d'acier dans un bain de sel
| Température de chauffage du bain de sel / ℃ | 800 | 900 | 1000 | 1100 | 1200 | 1300 |
| Temps de chauffe / min | 20 | 15 | 10 | 5 | 3 | 2 |
Tableau 2 - Critères de détermination pour les feuilles d'acier
| Caractère | État de rupture | Teneur en carbone de l'acier feuille (%) | Taux de décarburation d'une feuille d'acier (%) | Le bain de sel est-il adapté ? |
| 1 | Cassant lorsqu'il est brisé | >0.60 | 30~40 | ○ |
| 2 | Elastique lorsqu'il est cassé | 0.40~0.50 | 50~60 | △ |
| 3 | Ce n'est qu'après des tours et des détours qu'il peut se briser | 0.20~0.30 | 70~80 | × |
| 4 | Les rebondissements sont innombrables | <0.20 | 80~90 | × |
Comme le montre la figure 4, la taille des grains de la couche superficielle d'une pièce en acier rapide ayant subi une trempe et une décarburation est relativement grossière.
Fig. 4 Métallographie d'une fraise décarburée
(1) La rouille qui s'est formée sur la poignée et la fixation de l'électrode doit être éliminée avant la trempe.
(2) Les scories accumulées en raison de la présence d'oxyde dans le sel fondu ou les objets flottants à la surface du liquide doivent être enlevés rapidement.
(3) Que les pièces soient sèches ou non, elles doivent être cuites et séchées complètement.
(4) Le sel fixé à la pièce ou au dispositif de fixation, ou le sel dispersé, ne doit pas être introduit dans le bain de sel en raison du risque élevé d'oxydation, et doit être empêché et enlevé.
(5) L'alcalinité du sel fondu est améliorée en l'empêchant de réagir avec l'atmosphère.
Pour prévenir et minimiser la propagation des maladies, les mesures suivantes peuvent être prises :
① La température du bain de sel doit être maintenue aussi basse que possible.
② La surface du bain de sel doit être réduite au minimum.
③ Le couvercle du four doit être recouvert si la trempe n'a pas lieu.
④ La surface du bain liquide doit être recouverte d'un flux d'azote ou de gaz inerte circulant.
(6) Si le four est inactif pendant une période prolongée, la solution saline doit être drainée, séchée, cassée en petits morceaux et stockée dans un endroit sec. Si un grand nombre de boues noires ou d'inclusions sont trouvées, elles doivent être jetées et ne plus être utilisées.
(7) Les scories doivent être entièrement désoxydées et enlevées complètement et soigneusement.
(8) Un sel non désoxygéné à longue durée d'action ou un 5% MgF2 bain de sel à haute température (95% BaCl2) doit être utilisé.
(9) Le sel acheté auprès de sources réputées doit être échantillonné et testé avant d'être introduit dans l'usine et stocké, et ne peut être utilisé qu'après avoir passé les qualifications.
(10) Il convient de pratiquer une gestion efficace des sites et de traiter en temps utile les facteurs potentiels de décarbonisation.
Actuellement, le four à bain de sel reste le principal équipement de chauffage pour le traitement thermique de l'acier rapide.
Bien que le développement des fours à vide ait été rapide, ils ne peuvent pas remplacer complètement le four à bain de sel.
Pendant une période prolongée, les avantages des deux systèmes se complèteront et coexisteront, mais le bain de sel finira par disparaître.
Il est essentiel de prêter attention à la qualité de la trempe en bain de sel à l'heure actuelle, en particulier pour prévenir la décarburation.
En contrôlant étroitement chaque étape, il est possible de garantir une décarburation minimale, voire inexistante, et d'assurer ainsi la longévité des outils.
En tant que fondateur de MachineMFG, j'ai consacré plus d'une décennie de ma carrière à l'industrie métallurgique. Ma vaste expérience m'a permis de devenir un expert dans les domaines de la fabrication de tôles, de l'usinage, de l'ingénierie mécanique et des machines-outils pour les métaux. Je suis constamment en train de réfléchir, de lire et d'écrire sur ces sujets, m'efforçant constamment de rester à la pointe de mon domaine. Laissez mes connaissances et mon expertise être un atout pour votre entreprise.
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