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，鹽浴加熱淬火時工件脫碳現(xiàn)象實屬難免，如果脫碳層比較薄，后續(xù)磨加工可以徹底清除則無大礙；如果脫碳層磨不掉，必將嚴重影響產(chǎn)品的質量。
1.脫碳對產(chǎn)品質量的影響
脫碳是指鋼在加熱時表面碳含量降低的現(xiàn)象，或者說鋼材表層碳的燃燒，即C+O2→CO2，脫碳的實質是鋼表層的碳在高溫下與氧、氫等發(fā)生作用，導致表面狀態(tài)發(fā)生變化，從而影響熱處理質量，主要表現(xiàn)在以下幾個方面。
（1）早期損壞失效
淬火工件脫碳使淬火后的工件表面硬度下降，影響使用壽命。如W18Cr4V鋼制φ40mm×1mm螺釘槽銑刀，齒尖表面的顯微組織為白色晶狀脫碳層（顯微硬度338HV）+少量的黑色托氏體過渡區(qū)（顯微硬度627HV）+正常的回火馬氏體與少量的碳化物（顯微硬度825HV），如圖1所示。脫碳層沿齒形輪廓分布，可見脫碳是在熱處理過程中產(chǎn)生的。銑刀因硬度低而早磨損失效。
圖1 螺釘槽銑刀淬火脫碳
（2）引起淬火裂紋
淬火脫碳會造成工件內外層碳濃度不等，引起熱處理相變過程內外層組織轉變有先后，體積脹縮情況也不同，所以產(chǎn)生較大的組織應力和熱應力，容易在工件應力集中處產(chǎn)生微裂紋。
（3）降低疲勞強度
工件脫碳對其疲勞強度有較大的影響，尤其在往復交變應力狀態(tài)下服役的工具，對其壽命影響極為敏感，失效的主要特征是表面剝落、斷裂等早損。
（4）表面腐蝕
淬火熔鹽在高溫使用時，硫酸鹽、碳酸鹽及水分會與工件發(fā)生化學反應，輕者發(fā)生氧化、脫碳，嚴重者發(fā)生腐蝕麻點。另外，當工件表面在加工時因工藝需求采用硫酸銅進行化學鍍銅，如表面鍍銅層未退凈就進高溫加熱，淬火后的工件表面也會產(chǎn)生腐蝕。
（5）灼傷工件
為了保持鹽浴清潔，防止淬火件出現(xiàn)脫碳，大多數(shù)工廠向熔鹽中加入適當?shù)拿撗鮿?，但如果施工不當極易灼傷工件。圖2為被脫氧劑硅鈣鐵灼傷而報廢的M2鋼φ46mm×1mm螺釘槽銑刀，灼燒處的金相組織為次生的萊氏體，與正常組織交界處黑色帶為托氏體（貧碳區(qū)），如圖3所示。
圖2 被灼傷的銑刀形貌
圖3 灼傷銑刀的金相
脫碳最直觀的結果導致刀具壽命下降甚至無法使用。
2.產(chǎn)生脫碳的原因
拋去原材料脫碳就鹽浴淬火產(chǎn)生脫碳的主要原因有：
（1）鹽浴中存在有害雜質，例如Na2SO4、BaSO4、Na2CO3、CaCO3、BaCO3等，它們在鹽浴中促進脫碳。
（2）空氣中的水分溶入鹽浴中的量愈多，則愈易引起脫碳。
（3）工件或淬火夾具上有銹，在鹽浴加熱過程中，這些氧化皮，增加了鹽浴中的氧化物含量，相應地增加了鹽浴中的氧含量，于是促進工件脫碳。
（4）淬火鉤上粘有硝鹽，或者氯化鹽中混有硝鹽，也會使鹽浴中氧含量增加。
（5）鹽浴脫氧不充分或撈渣不徹底。
（6）鹽浴老化未及時更換。
3.鹽浴脫碳判定
判斷鹽浴是否脫碳的方法有多種，最簡單的方法是用銼刀，但必須有豐富的臨場經(jīng)驗，還有鋼箔試驗法、化學分析法、硬度法、微顯組織判定法。以下分別作簡單介紹。
（1）銼刀判定
如鹽浴淬火脫碳，因其部位硬度相對芯部要低，故用硬度≥66HRC的銼刀銼得V字形溝槽，觀其溝槽深度判定脫碳層。有些工具廠自制銼刀判定高速鋼刀具硬度及脫碳層，銼刀材料為4341高速鋼，成品銼刀再施以QPQ等表面強化。
（2）宏觀腐蝕判定
將經(jīng)鹽浴淬火的試樣或試件，再700℃加熱后放進20%鹽酸中浸漬幾分鐘，清洗干凈觀察，因脫碳部分和非脫碳存有抗腐蝕的差異，故脫碳部位呈現(xiàn)白色，用放大鏡觀察，可以判定脫碳層深度。
（3）硬度測定
測定經(jīng)過鹽浴熱處理的試樣斷面之硬度分布，如在表面和心部硬度相差時，測定與心部同硬度之處則為脫碳層。也有些人認為判定高速鋼熱處理脫碳與否的硬度分界為823HV0-1，從此點到表面的厚度即為脫碳層的深度。
（4）鋼箔試驗
將鋼箔（質量分數(shù)1.0%C鋼帶：0.5mm厚×30mm寬×150mm長）置鹽浴中以表1的條件加熱到規(guī)定的時間后，立即淬入10～30℃流動的自來水中冷卻，并用手折斷，看其破斷的實況，對照表2的判定標準，判定脫碳及鹽浴的劣化狀態(tài)。
表1 鋼箔在鹽浴中的加熱時間
表2 鋼箔判定標準
（5）金相判定
如圖4所示，淬火高速鋼工件脫碳的表面層上晶粒度比較粗大。
圖4 脫碳銑刀的金相
4.防止脫碳的措施
（1）附在電極柄及工夾具上的鐵銹必須在淬火前清理掉。
（2）熔融鹽中的氧化物形成的堆積渣或在液面上的飄浮物，適時清除掉。
（3）進爐工件不論干濕與否必須烘烤干燥。
（4）附在工件或夾具上的鹽或飛散的鹽因被氧化的程度大，故不能帶入鹽浴內，必須設法防止并清除。
（5）防止熔化的鹽與大氣反應而提高堿度。為了防止和減輕此病，可采取下列措施①鹽浴溫度盡可能低。②鹽浴表面積應盡量小。③不淬火應蓋上爐蓋。④以氮氣或不活性氣體的循環(huán)氣流覆蓋浴液表面等。
（6）長時間停爐時，應掏出鹽液，干燥后打碎成小塊，然后放到干燥的地方保管。如發(fā)現(xiàn)黑色泥漿或夾雜物太多時，應報廢不再使用。
（7）充分脫氧充分徹底撈渣。
（8）使用不脫氧長效鹽或使用5%MgF2高溫鹽浴（95%BaCl2）。
（9）從正規(guī)渠道采購鹽，進廠入庫前應抽檢化驗，合格方可使用。
（10）抓好現(xiàn)場管理，將脫碳因子消滅在萌芽狀態(tài)。
5.結語
鹽浴爐仍是目前高速鋼熱處理的主要加熱設備，盡管真空爐發(fā)展神速，但它還不能完全取代鹽浴爐，在較長的一段時期，兩者優(yōu)勢互補，長期共存，但鹽浴最終還是要退出歷史舞臺。在目前情況，抓好鹽浴淬火質量十分重要，特別是防脫碳，只有認認真真抓好每一個環(huán)節(jié)，才能保證少脫碳、不脫碳，從而保證工具高壽命。