Предотвращение обезуглероживания в быстрорежущей стали с помощью закалки в соляной ванне

Обезуглероживание заготовок в процессе нагрева и закалки в соляной ванне неизбежно по разным причинам.

Если слой обезуглероживания относительно тонкий, последующий процесс шлифования может полностью удалить его, что не приведет к возникновению проблем.

Однако если слой обезуглероживания не может быть полностью удален, качество изделия значительно ухудшится.

1. Влияние декарбонизации на качество продукции

Обезуглероживание - это уменьшение содержания углерода на поверхности стали при нагреве или сгорание углерода с кислородом с образованием CO2 (C + O2 → CO2).

Процесс обезуглероживания происходит, когда углерод на поверхности стали реагирует с кислородом, водородом и т.д. при высоких температурах, что приводит к изменению состава поверхности и потенциально влияет на качество термообработки.

В основном это проявляется в следующих аспектах.

(1) Раннее повреждение

Обезуглероживание закаленной заготовки может снизить ее поверхностную твердость и негативно повлиять на срок службы.

Например, фреза с винтовой канавкой из стали W18Cr4V с размерами φ40 мм x 1 мм, как показано на рис. 1, демонстрирует эффект обезуглероживания в процессе термообработки. Микроструктура поверхности вершины зуба демонстрирует белый кристаллический обезуглероженный слой с микротвердостью 338HV, небольшое количество черной трооститовой переходной зоны с микротвердостью 627HV и сочетание нормальной закалки мартенсит и небольшое количество карбида с микротвердостью 825HV.

Отмечается, что слой обезуглероживания распределен вдоль профиля зуба. Это указывает на то, что обезуглероживание произошло в процессе термообработки. В результате фреза подвергается раннему износу из-за низкой твердости.

Рис. 1 Закалка и обезуглероживание фрезы с винтовой канавкой

(2) Вызывает трещины при закалке

Закалочное обезуглероживание приводит к разнице в концентрации углерода между внутренним и внешним слоями заготовки, что приводит к неравномерному преобразованию в процессе термообработки и разным скоростям объемного расширения и сжатия.

Это, в свою очередь, создает значительные структурные и термические напряжения, которые повышают вероятность образования микротрещин в местах концентрации напряжений в заготовке.

(3) Снижение усталостной прочности

Обезуглероживание заготовок существенно влияет на их усталостная прочностьособенно для инструментов, которые подвергаются переменным нагрузкам при возвратно-поступательном движении. Такая чувствительность к сроку службы приводит к отслаиванию поверхности, разрушению и другим формам преждевременного повреждения как основным характеристикам отказа.

(4) Коррозия поверхности

Использование закаленной расплавленной соли при высоких температурах может привести к реакциям между сульфатами, карбонатами и водой, вызывая окисление и обезуглероживание в слабых случаях и точечную коррозию в тяжелых случаях.

Кроме того, поверхность заготовки обрабатывается медным купоросом для химического меднения в соответствии с требованиями технологического процесса.

Если поверхностный слой медного покрытия перед удалением нагревается до высоких температур, это также приведет к коррозии поверхности заготовки после закалки.

(5) Обжечь заготовку

Для поддержания чистоты соляной ванны и предотвращения обезуглероживания закаленных деталей многие заводы добавляют в расплавленную соль соответствующий раскислитель. Однако важно отметить, что неправильная конструкция может привести к пережогу заготовки.

Как видно на рис. 2, фреза с винтовым шлицем из стали M2 диаметром 46 мм и толщиной 1 мм была отбракована из-за подгорания, вызванного раскислителем ферросилиция.

Металлографическая структура в месте обжига была идентифицирована как вторичный ледебурит, с черным поясом троостита (бедная углеродом область) на стыке с нормальной структурой, как показано на рис. 3.

Рис. 2 Внешний вид обожженной фрезы

Рис. 3 Металлография обожженной фрезы

Наиболее заметным эффектом обезуглероживания является сокращение срока службы инструмента или, в тяжелых случаях, приведение его в негодность.

2. Причины обезуглероживания

Ниже перечислены основные причины обезуглероживания при закалке в соляной ванне:

(1) Вредные примеси, такие как Na₂SO₄, BaSO₄, Na₂CO₃, CaCO₃, и BaCO₃присутствующие в соляной ванне, способствуют декарбонизации.

(2) Увеличение растворимости воды в воздухе приводит к облегчению процесса декарбонизации.

(3) Ржавчина на заготовке или приспособлении для закалки.

(4) Процесс нагрева в соляной ванне увеличивает содержание оксидов и кислорода, что способствует обезуглероживанию заготовки.

(5) Скопление нитратов на закалочном крюке или наличие хлористой соли, смешанной с нитратами, также увеличивает содержание кислорода в соляной ванне.

(6) Недостаточное раскисление соляной ванны или неполное удаление шлака.

(7) Старение солевой ванны и несвоевременная ее замена.

3. Определение степени декарбонизации в соляной ванне

Существует несколько методов определения степени обезуглероживания соляной ванны. Самый простой - с помощью напильника, но он требует большого практического опыта. Другие методы включают испытание стальной фольгой, химический анализ, испытание на твердость и определение микроструктуры. Ниже приведен краткий обзор каждого из них.

(1) Подать судебное решение

Для обезуглероживания путем закалки в соляной ванне V-образная канавка протачивается напильником с твердостью 66HRC или выше, поскольку твердость детали ниже, чем у сердцевины. Глубина канавки определяет степень обезуглероживания.

Некоторые производители инструментов определяют твердость и слой обезуглероживания инструментов из быстрорежущей стали с помощью напильников собственного изготовления. Эти напильники изготавливаются из быстрорежущей стали 4341 и подвергаются процессам поверхностного упрочнения, таким как QPQ.

(2) Суждение о макрокоррозии

После закалки образца или образца для испытаний в соляной ванне его нагревают до 700 ℃ и погружают в соляную кислоту 20% на несколько минут. Затем деталь очищают и наблюдают.

Обезуглероженная часть и не обезуглероженная часть имеют разную коррозионную стойкость, в результате чего обезуглероженная часть выглядит белой. Глубину обезуглероженного слоя можно определить, рассмотрев его с помощью увеличительного стекла.

(3) Определение твердости

Измерьте распределение твердости по сечению образца, подвергшегося термообработке в соляной ванне. Если твердость поверхности отличается от твердости сердцевины, можно определить обезуглероженный слой, выявив места, где твердость равна твердости сердцевины.

Некоторые считают, что граница твердости 823HV_0-1 используется для определения того, подверглась ли быстрорежущая сталь обезуглероживанию после термообработки. Расстояние от этой границы до поверхности представляет собой глубину обезуглероженного слоя.

(4) Испытание стальной фольгой

Стальная фольга (состоящая из полосы углеродистой стали 1.0% толщиной 0,5 мм, шириной 30 мм и длиной 150 мм) помещается в соляную баню и нагревается в течение определенного времени при условиях, указанных в таблице 1. После нагрева ее закаливают в проточной водопроводной воде температурой 10-30 ℃ для охлаждения и разламывают вручную для оценки прочности на разрыв. Затем определяют степень обезуглероживания и разрушения соляной ванны на основе критериев, указанных в таблице 2.

Таблица 1 Время нагрева стальной фольги в соляной ванне

Таблица 2 Критерии определения для стальной фольги

(5) Металлографическое определение

Как показано на рис. 4, размер зерна в поверхностном слое заготовки из быстрорежущей стали, подвергшейся закалке и обезуглероживанию, относительно крупный.

Рис. 4 Металлография фрезы с обезуглероженным покрытием

4. Меры по предотвращению декарбонизации

(1) Перед закалкой необходимо удалить ржавчину, образовавшуюся на ручке электрода и приспособлении.

(2) Шлак, скопившийся из-за наличия оксида в расплавленной соли, или любые плавающие предметы на поверхности жидкости должны быть незамедлительно удалены.

(3) Независимо от того, сухие заготовки или нет, они должны быть полностью пропечены и высушены.

(4) Соль, приставшая к заготовке или приспособлению, или рассыпанная соль не должны попадать в соляную ванну из-за высокого риска окисления, их необходимо предотвратить и удалить.

(5) Щелочность расплавленной соли повышается за счет предотвращения ее реакции с атмосферой.

Чтобы предотвратить и свести к минимуму распространение болезни, можно предпринять следующие шаги:

① Температура солевой ванны должна быть как можно ниже.

② Площадь поверхности солевой ванны должна быть минимальной.

③ Крышка печи должна быть закрыта, если закалка не проводится.

④ Поверхность жидкости в ванне должна быть покрыта циркулирующим потоком азота или инертного газа.

(6) Если печь не используется в течение длительного времени, солевой раствор следует слить, высушить, разбить на мелкие кусочки и хранить в сухом месте. Если обнаружено большое количество черной грязи или включений, их следует выбросить и больше не использовать.

(7) Шлак должен быть полностью раскислен и удален полностью и тщательно.

(8) Недезоксигенированная соль длительного действия или 5% MgF₂ высокотемпературная солевая ванна (95% BaCl₂) следует использовать.

(9) Соль, приобретенная из надежных источников, должна быть отобрана и проверена до поступления на завод и хранения, и может быть использована только после того, как она пройдет квалификационный отбор.

(10) Необходимо обеспечить эффективное управление объектами и своевременно реагировать на потенциальные факторы декарбонизации.

5. Заключение

В настоящее время печь с соляной ванной остается основным нагревательным оборудованием для термообработки быстрорежущей стали.

Несмотря на стремительное развитие вакуумных печей, они не могут полностью заменить печь с соляной ванной.

В течение длительного времени преимущества обеих процедур будут дополнять друг друга и сосуществовать, но в конце концов солевая ванна выйдет из употребления.

В настоящее время крайне важно уделять внимание качеству закалки в соляной ванне, особенно для предотвращения обезуглероживания.

Тщательно контролируя каждый этап, можно добиться минимального или полного отсутствия обезуглероживания, что обеспечивает долговечность инструментов.