高速钢盐浴淬火脱碳分析及其防预
2022-04-18 13:52:07
作者：赵步青 来源：热处理生态圈
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由于种种原因，盐浴加热淬火时工件脱碳现象实属难免，如果脱碳层比较薄，后续磨加工可以彻底清除则无大碍；如果脱碳层磨不掉，必将严重影响产品的质量。
1.脱碳对产品质量的影响
脱碳是指钢在加热时表面碳含量降低的现象，或者说钢材表层碳的燃烧，即C+O2→CO2，脱碳的实质是钢表层的碳在高温下与氧、氢等发生作用，导致表面状态发生变化，从而影响热处理质量，主要表现在以下几个方面。
（1）早期损坏失效
淬火工件脱碳使淬火后的工件表面硬度下降，影响使用寿命。如W18Cr4V钢制φ40mm×1mm螺钉槽铣刀，齿尖表面的显微组织为白色晶状脱碳层（显微硬度338HV）+少量的黑色托氏体过渡区（显微硬度627HV）+正常的回火马氏体与少量的碳化物（显微硬度825HV），如图1所示。脱碳层沿齿形轮廓分布，可见脱碳是在热处理过程中产生的。铣刀因硬度低而早磨损失效。
图1 螺钉槽铣刀淬火脱碳
（2）引起淬火裂纹
淬火脱碳会造成工件内外层碳浓度不等，引起热处理相变过程内外层组织转变有先后，体积胀缩情况也不同，所以产生较大的组织应力和热应力，容易在工件应力集中处产生微裂纹。
（3）降低疲劳强度
工件脱碳对其疲劳强度有较大的影响，尤其在往复交变应力状态下服役的工具，对其寿命影响极为敏感，失效的主要特征是表面剥落、断裂等早损。
（4）表面腐蚀
淬火熔盐在高温使用时，硫酸盐、碳酸盐及水分会与工件发生化学反应，轻者发生氧化、脱碳，严重者发生腐蚀麻点。另外，当工件表面在加工时因工艺需求采用硫酸铜进行化学镀铜，如表面镀铜层未退净就进高温加热，淬火后的工件表面也会产生腐蚀。
（5）灼伤工件
为了保持盐浴清洁，防止淬火件出现脱碳，大多数工厂向熔盐中加入适当的脱氧剂，但如果施工不当极易灼伤工件。图2为被脱氧剂硅钙铁灼伤而报废的M2钢φ46mm×1mm螺钉槽铣刀，灼烧处的金相组织为次生的莱氏体，与正常组织交界处黑色带为托氏体（贫碳区），如图3所示。
图2 被灼伤的铣刀形貌
图3 灼伤铣刀的金相
脱碳最直观的结果导致刀具寿命下降甚至无法使用。
2.产生脱碳的原因
抛去原材料脱碳就盐浴淬火产生脱碳的主要原因有：
（1）盐浴中存在有害杂质，例如Na2SO4、BaSO4、Na2CO3、CaCO3、BaCO3等，它们在盐浴中促进脱碳。
（2）空气中的水分溶入盐浴中的量愈多，则愈易引起脱碳。
（3）工件或淬火夹具上有锈，在盐浴加热过程中，这些氧化皮，增加了盐浴中的氧化物含量，相应地增加了盐浴中的氧含量，于是促进工件脱碳。
（4）淬火钩上粘有硝盐，或者氯化盐中混有硝盐，也会使盐浴中氧含量增加。
（5）盐浴脱氧不充分或捞渣不彻底。
（6）盐浴老化未及时更换。
3.盐浴脱碳判定
判断盐浴是否脱碳的方法有多种，最简单的方法是用锉刀，但必须有丰富的临场经验，还有钢箔试验法、化学分析法、硬度法、微显组织判定法。以下分别作简单介绍。
（1）锉刀判定
如盐浴淬火脱碳，因其部位硬度相对芯部要低，故用硬度≥66HRC的锉刀锉得V字形沟槽，观其沟槽深度判定脱碳层。有些工具厂自制锉刀判定高速钢刀具硬度及脱碳层，锉刀材料为4341高速钢，成品锉刀再施以QPQ等表面强化。
（2）宏观腐蚀判定
将经盐浴淬火的试样或试件，再700℃加热后放进20%盐酸中浸渍几分钟，清洗干净观察，因脱碳部分和非脱碳存有抗腐蚀的差异，故脱碳部位呈现白色，用放大镜观察，可以判定脱碳层深度。
（3）硬度测定
测定经过盐浴热处理的试样断面之硬度分布，如在表面和心部硬度相差时，测定与心部同硬度之处则为脱碳层。也有些人认为判定高速钢热处理脱碳与否的硬度分界为823HV0-1，从此点到表面的厚度即为脱碳层的深度。
（4）钢箔试验
将钢箔（质量分数1.0%C钢带：0.5mm厚×30mm宽×150mm长）置盐浴中以表1的条件加热到规定的时间后，立即淬入10～30℃流动的自来水中冷却，并用手折断，看其破断的实况，对照表2的判定标准，判定脱碳及盐浴的劣化状态。
表1 钢箔在盐浴中的加热时间
表2 钢箔判定标准
（5）金相判定
如图4所示，淬火高速钢工件脱碳的表面层上晶粒度比较粗大。
图4 脱碳铣刀的金相
4.防止脱碳的措施
（1）附在电极柄及工夹具上的铁锈必须在淬火前清理掉。
（2）熔融盐中的氧化物形成的堆积渣或在液面上的飘浮物，适时清除掉。
（3）进炉工件不论干湿与否必须烘烤干燥。
（4）附在工件或夹具上的盐或飞散的盐因被氧化的程度大，故不能带入盐浴内，必须设法防止并清除。
（5）防止熔化的盐与大气反应而提高碱度。为了防止和减轻此病，可采取下列措施①盐浴温度尽可能低。②盐浴表面积应尽量小。③不淬火应盖上炉盖。④以氮气或不活性气体的循环气流覆盖浴液表面等。
（6）长时间停炉时，应掏出盐液，干燥后打碎成小块，然后放到干燥的地方保管。如发现黑色泥浆或夹杂物太多时，应报废不再使用。
（7）充分脱氧充分彻底捞渣。
（8）使用不脱氧长效盐或使用5%MgF2高温盐浴（95%BaCl2）。
（9）从正规渠道采购盐，进厂入库前应抽检化验，合格方可使用。
（10）抓好现场管理，将脱碳因子消灭在萌芽状态。
5.结语
盐浴炉仍是目前高速钢热处理的主要加热设备，尽管真空炉发展神速，但它还不能完全取代盐浴炉，在较长的一段时期，两者优势互补，长期共存，但盐浴最终还是要退出历史舞台。在目前情况，抓好盐浴淬火质量十分重要，特别是防脱碳，只有认认真真抓好每一个环节，才能保证少脱碳、不脱碳，从而保证工具高寿命。
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