Voorkomen van ontkoling in snelstaal met zoutbad afschrikken

Ontkoling van werkstukken tijdens zoutbadverwarming en afschrikken is om verschillende redenen onvermijdelijk.

Als de ontkolingslaag relatief dun is, kan het daaropvolgende slijpproces deze volledig verwijderen, wat geen problemen oplevert.

Als de ontkolingslaag echter niet volledig kan worden verwijderd, gaat de kwaliteit van het product aanzienlijk achteruit.

1. Effect van decarbonisatie op productkwaliteit

Ontkoling verwijst naar de vermindering van koolstof op het oppervlak van staal tijdens verhitting, of de verbranding van koolstof met zuurstof om CO2 te vormen (C + O2 → CO2).

Het ontkolingsproces treedt op wanneer de koolstof aan het oppervlak van staal reageert met zuurstof, waterstof enz. bij hoge temperaturen, wat leidt tot veranderingen in de oppervlaktesamenstelling en mogelijk de kwaliteit van de warmtebehandeling beïnvloedt.

Dit blijkt vooral uit de volgende aspecten.

(1) Vroegtijdig falen van schade

De ontkoling van een afgeschrikt werkstuk kan de oppervlaktehardheid verminderen en de levensduur negatief beïnvloeden.

Bijvoorbeeld, een schroefgroeffrees gemaakt van W18Cr4V staal met afmetingen van φ40mm x 1mm, zoals getoond in Fig. 1, demonstreert de effecten van ontkoling tijdens warmtebehandeling. De microstructuur van het oppervlak van de tandtip vertoont een witte kristallijne ontkolingslaag met een microhardheid van 338HV, een kleine hoeveelheid zwarte troostiet overgangszone met een microhardheid van 627HV, en een combinatie van normaal getemperd martensiet en een kleine hoeveelheid hardmetaal met een microhardheid van 825HV.

De ontkolingslaag is verdeeld over het tandprofiel. Dit geeft aan dat ontkoling heeft plaatsgevonden tijdens het warmtebehandelingsproces. Het resultaat is een frees die vroeg slijtage ondervindt door zijn lage hardheid.

Fig. 1 afschrikken en ontkoling van schroefgroeffrees

(2) Oorzaak dovende barst

Ontkoling door afschrikken resulteert in een verschil in koolstofconcentratie tussen de binnenste en buitenste lagen van het werkstuk, wat leidt tot ongelijke transformatie tijdens het warmtebehandelingsproces en verschillende snelheden van volume-uitzetting en -inkrimping.

Dit creëert op zijn beurt aanzienlijke structurele en thermische spanningen die de kans op microscheurtjes op spanningsconcentratiepunten in het werkstuk vergroten.

(3) Verminder de vermoeiingssterkte

De ontkoling van werkstukken heeft een aanzienlijke invloed op hun vermoeiingssterkteVooral voor gereedschappen die op een heen-en-weergaande manier aan wisselende spanning worden blootgesteld. Deze levensduurgevoeligheid resulteert in oppervlakteschilfering, breuk en andere vormen van voortijdige schade als belangrijkste kenmerken van defecten.

(4) Oppervlaktecorrosie

Het gebruik van afgeschrikt gesmolten zout bij hoge temperaturen kan leiden tot reacties tussen sulfaten, carbonaten en water, wat oxidatie en ontkoling veroorzaakt in milde gevallen en corrosiepitting in ernstige gevallen.

Verder wordt het oppervlak van het werkstuk bewerkt met kopersulfaat voor chemisch koperplateren zoals vereist door het proces.

Als de koperen deklaag voor het verwijderen wordt verhit tot hoge temperaturen, zal dit ook leiden tot corrosie van het werkstukoppervlak na het afschrikken.

(5) Werkstuk verbranden

Om het zoutbad schoon te houden en ontkoling van afgeschrikte onderdelen te voorkomen, voegen veel fabrieken een geschikt desoxidatiemiddel toe aan het gesmolten zout. Het is echter belangrijk op te merken dat een onjuiste constructie kan leiden tot het verbranden van het werkstuk.

Zoals te zien is in Fig. 2, werd een M2 stalen frees met schroefgleuf met een diameter van 46 mm en een dikte van 1 mm gesloopt vanwege verbranding veroorzaakt door de ontoxidant ferrosilicium.

De metallografische structuur op het brandpunt werd geïdentificeerd als secundair ledeburiet, met een zwarte gordel van troostiet (een koolstofarm gebied) op de overgang met de normale structuur, zoals weergegeven in Fig. 3.

Fig. 2 uiterlijk van gebrande frees

Fig. 3 metallografie van gebrande frees

Het meest merkbare effect van ontkoling is een verkorting van de levensduur van het gereedschap of, in ernstige gevallen, het onbruikbaar maken van het gereedschap.

2. Oorzaken van ontkoling

De volgende zijn de primaire oorzaken van ontkoling tijdens het zoutbad afschrikken:

(1) Schadelijke onzuiverheden, zoals Na₂SO₄BaSO₄Na₂CO₃CaCO₃en BaCO₃aanwezig in het zoutbad die de decarbonisatie bevorderen.

(2) Verhoogde oplosbaarheid van water in de lucht leidt tot eenvoudigere decarbonisatie.

(3) Roest op het werkstuk of de afschrikinrichting.

(4) Het verhittingsproces in het zoutbad verhoogt het oxidegehalte en het zuurstofgehalte, wat bijdraagt tot de ontkoling van het werkstuk.

(5) Nitraatafzetting op de afschrikhaak of de aanwezigheid van chloridezout gemengd met nitraat verhoogt ook het zuurstofgehalte in het zoutbad.

(6) Onvoldoende deoxidatie van het zoutbad of onvolledige verwijdering van slak.

(7) Veroudering van het zoutbad en het niet tijdig vervangen ervan.

3. Bepaling van decarbonisatie in zoutbad

Er zijn verschillende methodes om te bepalen of een zoutbad ontkoling veroorzaakt. De eenvoudigste methode is het gebruik van een vijl, maar hiervoor is veel praktische ervaring nodig. Andere methoden zijn de staalfolietest, chemische analyse, hardheidstest en microstructuurbepaling. Hier volgt een kort overzicht van elk van deze methoden.

(1) Vonnis indienen

Voor ontkoling door middel van zoutbad afschrikken wordt een V-vormige groef gevijld met een vijl met een hardheid van 66HRC of hoger, omdat de hardheid van het onderdeel lager is dan de kern. De diepte van de groef bepaalt de mate van ontkoling.

Sommige gereedschapfabrikanten bepalen de hardheid en ontkolingslaag van gereedschappen van hogesnelheidsstaal met behulp van zelfgemaakte vijlen. Deze vijlen zijn gemaakt van 4341 hogesnelheidsstaal en ondergaan oppervlakteversterkende processen zoals QPQ.

(2) Macro-corrosie oordeel

Nadat het monster of proefstuk in een zoutbad is afgekoeld, wordt het verwarmd tot 700 ℃ en gedurende enkele minuten ondergedompeld in 20% zoutzuur. Daarna wordt het stuk schoongemaakt en geobserveerd.

Het ontkoolde deel en het niet ontkoolde deel hebben een verschillende corrosiebestendigheid, waardoor het ontkoolde deel wit lijkt. De diepte van de ontkoolde laag kan worden bepaald door deze met een vergrootglas te onderzoeken.

(3) Hardheidsbepaling

Meet de hardheidsverdeling over de dwarsdoorsnede van het proefstuk dat een zoutbad warmtebehandeling onderging. Als de hardheid van het oppervlak verschilt van de kern, kan de ontkoolde laag bepaald worden door vast te stellen waar de hardheid gelijk is aan de kernhardheid.

Sommige mensen geloven dat een hardheidsgrens van 823HV_0-1 wordt gebruikt om te bepalen of hogesnelheidsstaal ontkoling heeft ondergaan na een warmtebehandeling. De afstand van deze grens tot het oppervlak geeft de diepte van de ontkoolde laag aan.

(4) Test met staalfolie

Een staalfolie (bestaande uit een 1.0% koolstofstalen strip met een dikte van 0,5 mm, een breedte van 30 mm en een lengte van 150 mm) wordt in een zoutbad geplaatst en gedurende de gespecificeerde tijd verwarmd onder de condities die in tabel 1 staan beschreven. Na het verwarmen wordt de strip afgekoeld in 10-30 ℃ stromend leidingwater en met de hand gebroken om de breuksterkte te bepalen. De ontkoling en aantasting van het zoutbad worden vervolgens bepaald op basis van de criteria in tabel 2.

Tabel 1 verwarmingstijd van staalfolie in zoutbad

Tabel 2 bepalingscriteria voor staalfolie

(5) Metallografische bepaling

Zoals geïllustreerd in Fig. 4 is de korrelgrootte op de oppervlaktelaag van een werkstuk van hogesnelheidsstaal dat afschrikken en ontkoling heeft ondergaan relatief grof.

Fig. 4 metallografie van ontkoolde frees

4. Maatregelen om decarbonisatie te voorkomen

(1) De roest die zich heeft gevormd op het elektrodehandvat en de elektrodehouder moet worden verwijderd voor het afschrikken.

(2) De slak die zich heeft opgehoopt door het oxide in het gesmolten zout of drijvende voorwerpen op het oppervlak van de vloeistof moeten onmiddellijk worden verwijderd.

(3) Ongeacht of de werkstukken droog zijn of niet, ze moeten volledig gebakken en gedroogd worden.

(4) Zout dat vastzit aan het werkstuk of de opstelling, of strooizout, mag niet in het zoutbad worden gebracht vanwege het grote risico op oxidatie en moet worden voorkomen en verwijderd.

(5) De alkaliteit van het gesmolten zout wordt verbeterd door te voorkomen dat het reageert met de atmosfeer.

Om de verspreiding van ziekten te voorkomen en tot een minimum te beperken, kunnen de volgende stappen worden genomen:

De temperatuur van het zoutbad moet zo laag mogelijk gehouden worden.

De oppervlakte van het zoutbad moet zo klein mogelijk zijn.

③ De ovenkap moet worden afgedekt als er niet wordt geblust.

④ Het oppervlak van de badvloeistof moet bedekt zijn met een circulerende stikstof- of inerte gasstroom.

(6) Als de oven langere tijd niet gebruikt wordt, moet de zoutoplossing afgetapt, gedroogd, in kleine stukjes gebroken en op een droge plaats bewaard worden. Als er veel zwarte modder of insluitsels worden gevonden, moeten deze worden weggegooid en niet meer worden gebruikt.

(7) De slak moet volledig gedesoxideerd en volledig en grondig verwijderd worden.

(8) een niet-deoxygeenhoudend langwerkend zout of een 5% MgF₂ zoutbad bij hoge temperatuur (95% BaCl₂) moet worden gebruikt.

(9) Zout dat wordt gekocht bij gerenommeerde bronnen moet worden bemonsterd en getest voordat het de fabriek wordt binnengebracht en opgeslagen, en mag pas worden gebruikt als het de kwalificaties heeft doorstaan.

(10) Er moet een effectief locatiebeheer worden gevoerd en er moet tijdig worden ingespeeld op potentiële factoren voor het koolstofarm maken van de locatie.

5. Conclusie

Momenteel blijft de zoutbadoven de belangrijkste verwarmingsapparatuur voor de warmtebehandeling van hogesnelheidsstaal.

Hoewel de ontwikkeling van vacuümovens snel is gegaan, kunnen ze de zoutbadoven niet volledig vervangen.

Voor een langere periode zullen de voordelen van beide elkaar aanvullen en naast elkaar bestaan, maar uiteindelijk zal het zoutbad geleidelijk verdwijnen.

Het is cruciaal om aandacht te besteden aan de kwaliteit van zoutbad afschrikken op dit moment, met name om ontkoling te voorkomen.

Door elke stap nauwkeurig te controleren, is het mogelijk om minimale tot geen ontkoling te garanderen, waardoor de levensduur van gereedschappen wordt verlengd.