高速鋼鹽浴淬火脫碳分析及其防預
2022-04-20 01:42:12
changyuan
由于種種原因，鹽(yan)浴加(jia)熱淬火時工件脫碳現象(xiang)實屬難免(mian)，如果脫碳層(ceng)比(bi)較(jiao)薄(bo)，后(hou)續磨(mo)(mo)加(jia)工可以(yi)徹底清(qing)除則無大礙；如果脫碳層(ceng)磨(mo)(mo)不掉，必將嚴重影響產品(pin)的質量。
1.脫碳(tan)對產品(pin)質量的影響
脫碳(tan)是(shi)指鋼在(zai)加熱時表(biao)面碳(tan)含量降低的(de)現(xian)象，或(huo)者說鋼材表(biao)層碳(tan)的(de)燃燒，即C+O2→CO2，脫碳(tan)的(de)實質(zhi)是(shi)鋼表(biao)層的(de)碳(tan)在(zai)高溫下(xia)(xia)與氧、氫等發生(sheng)作用(yong)，導致(zhi)表(biao)面狀(zhuang)態(tai)發生(sheng)變(bian)化，從(cong)而影響熱處(chu)理質(zhi)量，主要(yao)表(biao)現(xian)在(zai)以(yi)下(xia)(xia)幾個方面。
（1）早(zao)期損壞失效
淬火(huo)工(gong)件脫(tuo)(tuo)碳使淬火(huo)后的工(gong)件表面硬(ying)度下降，影響使用壽命。如(ru)(ru)W18Cr4V鋼制φ40mm×1mm螺(luo)釘槽銑刀，齒尖表面的顯(xian)(xian)微組織(zhi)為白(bai)色(se)晶狀脫(tuo)(tuo)碳層(ceng)（顯(xian)(xian)微硬(ying)度338HV）+少(shao)量的黑色(se)托氏體(ti)過渡區（顯(xian)(xian)微硬(ying)度627HV）+正常的回火(huo)馬氏體(ti)與少(shao)量的碳化物（顯(xian)(xian)微硬(ying)度825HV），如(ru)(ru)圖1所(suo)示。脫(tuo)(tuo)碳層(ceng)沿齒形輪廓分(fen)布(bu)，可見脫(tuo)(tuo)碳是(shi)在熱處(chu)理過程中產生(sheng)的。銑刀因硬(ying)度低而早磨損失效。
圖(tu)1 螺(luo)釘(ding)槽銑(xian)刀淬火脫(tuo)碳(tan)
（2）引(yin)起淬火裂紋
淬(cui)火脫碳會造成(cheng)工(gong)(gong)件內外(wai)層(ceng)碳濃(nong)度不等，引起熱(re)處(chu)理相(xiang)變(bian)過(guo)程內外(wai)層(ceng)組(zu)織(zhi)轉變(bian)有(you)先后，體積脹(zhang)縮(suo)情況(kuang)也(ye)不同(tong)，所(suo)以產生較大的組(zu)織(zhi)應(ying)力(li)(li)和熱(re)應(ying)力(li)(li)，容易(yi)在(zai)工(gong)(gong)件應(ying)力(li)(li)集中(zhong)處(chu)產生微裂紋。
（3）降低疲勞(lao)強度
工(gong)件脫碳(tan)對其疲(pi)勞強度(du)有較大的(de)影(ying)響，尤其在往復交變(bian)應力狀(zhuang)態下服役的(de)工(gong)具，對其壽命影(ying)響極為(wei)敏感，失效的(de)主要特征是表面剝落、斷裂等早損。
（4）表面腐蝕
淬火(huo)熔鹽(yan)(yan)(yan)在(zai)(zai)高溫使用時(shi)，硫(liu)酸(suan)鹽(yan)(yan)(yan)、碳酸(suan)鹽(yan)(yan)(yan)及水分會(hui)與工(gong)件發生化(hua)學反應，輕者(zhe)發生氧化(hua)、脫碳，嚴重(zhong)者(zhe)發生腐(fu)蝕(shi)麻點。另外(wai)，當工(gong)件表面(mian)在(zai)(zai)加工(gong)時(shi)因工(gong)藝(yi)需求采用硫(liu)酸(suan)銅進行化(hua)學鍍銅，如表面(mian)鍍銅層(ceng)未退(tui)凈就(jiu)進高溫加熱(re)，淬火(huo)后(hou)的工(gong)件表面(mian)也(ye)會(hui)產生腐(fu)蝕(shi)。
（5）灼傷工件(jian)
為了(le)保持鹽浴清潔，防(fang)止淬(cui)火件出現脫碳(tan)，大(da)多數工廠向(xiang)熔鹽中(zhong)加入適當(dang)的脫氧劑(ji)，但如果施工不(bu)當(dang)極易灼(zhuo)傷(shang)工件。圖2為被脫氧劑(ji)硅(gui)鈣(gai)鐵灼(zhuo)傷(shang)而報廢(fei)的M2鋼φ46mm×1mm螺釘(ding)槽銑刀(dao)，灼(zhuo)燒處(chu)的金(jin)相組織(zhi)(zhi)為次生的萊氏體，與正常組織(zhi)(zhi)交界(jie)處(chu)黑(hei)色帶為托氏體（貧(pin)碳(tan)區），如圖3所(suo)示。
圖2 被(bei)灼傷(shang)的銑刀形貌
圖3 灼傷銑刀(dao)的金相
脫碳(tan)最直觀的(de)結果導致刀具壽命(ming)下降甚至無(wu)法(fa)使用。
2.產生(sheng)脫碳的原(yuan)因
拋去原材料(liao)脫(tuo)碳(tan)(tan)就鹽浴淬火產生脫(tuo)碳(tan)(tan)的主要原因(yin)有(you)：
（1）鹽浴中存在(zai)(zai)有害雜質，例如(ru)Na2SO4、BaSO4、Na2CO3、CaCO3、BaCO3等，它們(men)在(zai)(zai)鹽浴中促(cu)進脫(tuo)碳。
（2）空氣(qi)中的水分溶入鹽浴(yu)中的量愈(yu)多，則愈(yu)易(yi)引起脫碳。
（3）工件或(huo)淬(cui)火夾具上有銹(xiu)，在鹽浴加熱過(guo)程中(zhong)，這(zhe)些氧化(hua)皮(pi)，增加了鹽浴中(zhong)的氧化(hua)物含量，相應地(di)增加了鹽浴中(zhong)的氧含量，于是促進工件脫碳。
（4）淬火鉤(gou)上粘有硝鹽，或者氯(lv)化鹽中混有硝鹽，也會使鹽浴(yu)中氧(yang)含量增(zeng)加(jia)。
（5）鹽(yan)浴脫氧不充分或(huo)撈渣不徹底。
（6）鹽浴老化未及時(shi)更換。
3.鹽(yan)浴(yu)脫碳判定(ding)
判斷鹽浴是(shi)否脫碳的方法(fa)有多種，最簡單的方法(fa)是(shi)用銼(cuo)刀，但必須(xu)有豐富的臨場經(jing)驗，還有鋼(gang)箔(bo)試驗法(fa)、化學分(fen)析法(fa)、硬度法(fa)、微(wei)顯(xian)組織判定(ding)法(fa)。以下分(fen)別作簡單介紹。
（1）銼刀(dao)判定
如鹽浴淬(cui)火(huo)脫碳(tan)(tan)，因其部位硬度相對(dui)芯部要低，故用硬度≥66HRC的銼刀銼得V字形溝(gou)槽，觀其溝(gou)槽深(shen)度判定脫碳(tan)(tan)層。有些工具廠自制銼刀判定高速鋼(gang)刀具硬度及脫碳(tan)(tan)層，銼刀材料為4341高速鋼(gang)，成品銼刀再施以QPQ等表(biao)面強化。
（2）宏觀腐蝕判定
將(jiang)經(jing)鹽(yan)(yan)浴淬火的試樣或試件，再700℃加熱后放進20%鹽(yan)(yan)酸中浸(jin)漬幾分(fen)鐘，清洗(xi)干凈(jing)觀察(cha)，因脫碳部(bu)分(fen)和非脫碳存(cun)有(you)抗腐蝕的差異，故脫碳部(bu)位呈現白色(se)，用(yong)放大鏡觀察(cha)，可(ke)以(yi)判定脫碳層深(shen)度。
（3）硬度測定
測定(ding)(ding)經過鹽浴熱處(chu)(chu)理的(de)試樣斷面之硬(ying)度(du)(du)分布，如在表面和心部硬(ying)度(du)(du)相差(cha)時，測定(ding)(ding)與(yu)心部同硬(ying)度(du)(du)之處(chu)(chu)則(ze)為脫碳(tan)(tan)層。也有些人認為判定(ding)(ding)高速(su)鋼(gang)熱處(chu)(chu)理脫碳(tan)(tan)與(yu)否的(de)硬(ying)度(du)(du)分界為823HV0-1，從此(ci)點到表面的(de)厚度(du)(du)即為脫碳(tan)(tan)層的(de)深度(du)(du)。
（4）鋼箔試驗
將鋼(gang)箔(bo)（質(zhi)量分數1.0%C鋼(gang)帶(dai)：0.5mm厚(hou)×30mm寬×150mm長）置鹽浴中以(yi)表1的(de)條件加熱到規定(ding)的(de)時間后，立即(ji)淬入10～30℃流動(dong)的(de)自來水(shui)中冷卻(que)，并用手折斷，看其破(po)斷的(de)實況，對照表2的(de)判定(ding)標準(zhun)，判定(ding)脫(tuo)碳及鹽浴的(de)劣化狀態(tai)。
表1 鋼箔在鹽浴中的加(jia)熱時間
表(biao)2 鋼箔(bo)判定標準
（5）金相判定
如圖(tu)4所示(shi)，淬火(huo)高速鋼工件脫碳的表面層上晶粒度比較(jiao)粗(cu)大。
圖4 脫碳銑刀(dao)的金相
4.防止脫(tuo)碳的措施(shi)
（1）附在電(dian)極柄(bing)及工夾具(ju)上的鐵(tie)銹(xiu)必須在淬火前(qian)清理掉。
（2）熔融鹽中(zhong)的(de)氧化物(wu)形成的(de)堆積(ji)渣或在液面上的(de)飄浮物(wu)，適時清除(chu)掉。
（3）進(jin)爐工件不論干濕與否必須烘烤干燥(zao)。
（4）附在工件或夾具上的鹽或飛散的鹽因被氧化的程(cheng)度大，故不能帶入鹽浴內(nei)，必須設法防(fang)止(zhi)并清除。
（5）防止熔化的鹽與大氣(qi)反(fan)應(ying)而提高(gao)堿(jian)度。為了防止和減輕(qing)此病，可采取下列措施(shi)①鹽浴溫度盡可能低。②鹽浴表面(mian)積(ji)應(ying)盡量小。③不淬火應(ying)蓋上爐蓋。④以氮氣(qi)或不活性氣(qi)體的循環氣(qi)流(liu)覆蓋浴液表面(mian)等。
（6）長時(shi)(shi)間停爐時(shi)(shi)，應掏(tao)出(chu)鹽液(ye)，干燥后打碎(sui)成小塊，然后放到干燥的(de)地(di)方保管。如發現黑色泥漿或(huo)夾雜(za)物太多時(shi)(shi)，應報廢(fei)不再使用。
（7）充(chong)分脫氧充(chong)分徹底撈渣。
（8）使用(yong)不脫氧(yang)長(chang)效鹽或使用(yong)5%MgF2高溫(wen)鹽浴（95%BaCl2）。
（9）從(cong)正規渠(qu)道采購鹽，進廠(chang)入庫(ku)前應抽檢化驗，合(he)格方可(ke)使(shi)用(yong)。
（10）抓好現場管理，將脫碳因子消滅(mie)在萌芽狀(zhuang)態。
5.結語
鹽(yan)浴爐仍是(shi)(shi)目(mu)前高(gao)速鋼熱處(chu)理的(de)主要(yao)(yao)加熱設(she)備(bei)，盡(jin)管真(zhen)(zhen)空爐發展神速，但它還不能(neng)完(wan)全(quan)取代鹽(yan)浴爐，在較長(chang)的(de)一段時期，兩者優勢互補，長(chang)期共存，但鹽(yan)浴最(zui)終還是(shi)(shi)要(yao)(yao)退出歷(li)史(shi)舞臺。在目(mu)前情況(kuang)，抓好鹽(yan)浴淬火質量十分重要(yao)(yao)，特別是(shi)(shi)防脫(tuo)碳，只有認(ren)認(ren)真(zhen)(zhen)真(zhen)(zhen)抓好每一個環節，才能(neng)保證(zheng)少脫(tuo)碳、不脫(tuo)碳，從而保證(zheng)工具高(gao)壽(shou)命。