1. Baño de sal para endurecimiento gradual de acero rápido.
China ha utilizado el calentamiento y enfriamiento por baño de sal de acero de alta velocidad utilizando la fórmula 5-3-2 (fracción de masa, %) de la ex Unión Soviética, que incluye 50BaCl2+30KCl+20NaCl. Esta fórmula tiene una temperatura de punto de fusión de 560 ℃ y una temperatura de servicio de 580 a 620 ℃.
Para herramientas o piezas de acero HSS con tamaños efectivos inferiores a 20 mm, se pueden lograr altos niveles de dureza superiores a 65 HRC. Las piezas de acero HSS-E, por otro lado, pueden alcanzar una dureza ≥ 66HRC.
La industria de herramientas en China ha utilizado este proceso de templado gradual para alcanzar la excelencia provincial, ministerial y nacional, demostrando su gran vitalidad.
A medida que pasa el tiempo y avanza la tecnología, la gente se ha dado cuenta de la importancia de la velocidad de enfriamiento y se ha descubierto que la velocidad de enfriamiento promedio de una pieza de trabajo de 800 a 1000 ℃ es inferior a 7 ℃ ⁄ s. Esta lenta velocidad de enfriamiento da como resultado la precipitación de carburo, lo que afecta la dureza y otras propiedades del acero.
Como resultado, la sal clasificada a base de calcio se introdujo en China desde Europa y Estados Unidos a un costo significativo. Su fórmula (fracción de masa, %) es 48CaCl2+31BaCl2+21NaCl, con un punto de fusión de 435 ℃ y una temperatura de servicio que oscila entre 480 y 560 ℃.
Para simplificar la fórmula, algunas fábricas chinas han cambiado a 50CaCl2+30BaCl2+20NaCl. Esta alternativa tiene un punto de fusión ligeramente más alto que las sales tradicionales a base de calcio, pero la temperatura de clasificación se mantiene entre 480-560°C.
La antigua Unión Soviética introdujo por primera vez la tecnología de baños de sal a base de Ca en la década de 1940 y luego la compartió con China en la década de 1950. Muchas fábricas experimentaron con ella en la década de 1960.
Durante su estancia en Guilin de 1974 a 1978, el autor utilizó un baño de sal a base de Ca. Sin embargo, debido al funcionamiento poco frecuente del horno y a la alta higroscopicidad del baño de sal, tuvo que suspender su uso.
Algunas fábricas han realizado pruebas de campo sobre la velocidad de enfriamiento de baños de sal graduados. Específicamente, la velocidad de enfriamiento de piezas de φ40 mm a 800-1000 °C y 550 °C es de 7 °C/s, lo que indica que el tamaño efectivo se puede endurecer completamente por debajo de 40 mm. Mientras tanto, una serie de piezas de trabajo de φ25 mm se enfrían a una base de calcio de 500°C, y la velocidad de enfriamiento a 800-1000°C es de 9°C/s.
Sin lugar a dudas, la velocidad de enfriamiento de las piezas del baño de sal a base de bario a 580-620 ℃ de 1000 a 800 ℃ es más lenta que la de las piezas del baño de sal a base de calcio a 480-560 ℃.
Para piezas con un diámetro efectivo de 20 a 40 mm, es preferible la sal a base de calcio, pero no es necesaria para tamaños inferiores a 20 mm. El factor crucial es cómo controlar la temperatura del baño de sal por debajo de 600°C.
Para piezas con un diámetro superior a 40 mm, se puede aplicar primero el enfriamiento con aceite, seguido de un enfriamiento con sal graduada y luego con nitrato graduado para garantizar una dureza del tratamiento térmico de ≥65 HRC.
2. Grado y tiempos de enfriamiento
Después del temple, el acero rápido debe templarse para cuatro propósitos:
① Para eliminar completamente el estrés por enfriamiento.
② Para descomponer completamente la austenita residual.
③ Para producir el mejor efecto de endurecimiento secundario.
④ Para lograr las propiedades mecánicas integrales requeridas y un rendimiento óptimo.
La temperatura de templado recomendada está entre 540 y 560 ℃.
Ya sea que se utilice enfriamiento en baño de sal o enfriamiento al vacío, se recomienda usar un baño de sal 100% KNO3 o 100% NaNO3 durante 1 hora.
Después de cada proceso de templado, el acero debe enfriarse a temperatura ambiente antes de iniciar el siguiente proceso de templado.
Normalmente, el número de veces que se realiza el templado es tres. Sin embargo, en los casos en los que el revenido sea insuficiente, o para piezas de acero de alta velocidad y altas prestaciones que hayan sido templadas isotérmicamente, se deberán realizar cuatro procesos de revenido.
El grado de templado generalmente se clasifica en tres niveles, basándose no en el número de ciclos de templado, sino en la apariencia metalográfica.
Nivel I (Adecuado): Caracterizado por la presencia de martensita negra templada y carburo moteado en el metalógrafo.
Nivel II (Intermedio): Áreas blancas o depósitos de carburo están presentes en regiones aisladas.
Nivel III (Inadecuado): la mayor parte del campo de visión comprende áreas blancas y los granos templados son apenas visibles.
Si se requieren tratamientos de fortalecimiento de la superficie, como tratamiento con vapor y tratamiento con oxígeno y nitrógeno, en el rango de temperatura de templado, se puede lograr un grado de templado de Grado II, lo que resulta en ahorros de energía.
El grado de templado debe evaluarse mediante grabado ácido con una solución de alcohol de ácido nítrico al 4 % a una temperatura de 18 a 25 °C durante 2 a 4 minutos y observarse con un microscopio de 500x según el peor campo de visión.
3. Tratamiento secundario de bainita.
Las fábricas de herramientas suelen utilizar un tratamiento de bainita para mejorar la tenacidad, la resistencia y el rendimiento de corte de las herramientas. Esto implica clasificar el baño de sal neutra entre 480°C y 560°C y transferirlo inmediatamente a un baño de nitrato entre 240°C y 280°C para un tratamiento isotérmico durante 1 a 2 horas.
El tratamiento secundario con bainita es específicamente adecuado para fresas de gran tamaño con formas extremadamente complejas, como fresas y fresas con módulo > 15, y fresas perforadas con espesor efectivo > 100 mm.
Durante el primer tratamiento con bainita, se produce entre un 40% y un 50% menos de bainita, junto con austenita residual y una pequeña cantidad de carburo.
Durante el primer templado, la austenita residual se transforma en martensita en grandes cantidades.
Después del primer templado, la herramienta no debe enfriarse al aire. En cambio, debe transferirse directamente al baño de sal entre 240°C y 280°C para un tratamiento isotérmico durante un período específico. Esto evitará la transformación de la austenita retenida en martensita y bainita, lo que se conoce como tratamiento secundario con bainita.
Este método puede ayudar a reducir y prevenir la tendencia a agrietarse de herramientas grandes y complejas.
El proceso de tratamiento secundario de bainita es más complejo pero muy beneficioso para prevenir el agrietamiento de herramientas grandes durante el tratamiento térmico.
El proceso de templado debe calentarse lentamente y cada templado debe realizarse a una temperatura inferior a 500 ℃.
No se permite soplar después del templado; es mejor enfriar la herramienta estáticamente.
Como resultado del tratamiento secundario con bainita, cuatro rondas de templado pueden no ser adecuadas y se debe realizar un templado adicional.
4. Tratamiento térmico de la herramienta de soldadura por fricción.
La soldadura por fricción se utiliza ampliamente tanto en el país como en el extranjero para producir cortadores de varillas con un diámetro superior a φ10 mm, ya que ayuda a ahorrar el costoso acero de alta velocidad.
Durante la soldadura por fricción, se genera una temperatura superior a 1000 ℃, lo que resulta en una gran diferencia de temperatura dentro de un área pequeña en ambos lados de la soldadura.
El enfriamiento directo por aire después de la soldadura conduce a la transformación de martensita en el lado de acero de alta velocidad de la soldadura, mientras que la transformación de perlita ocurre solo en el lado enfriado por aire del acero estructural.
La diferencia en el volumen específico induce un estrés organizacional significativo, lo que lleva a grietas.
Para evitar esto, la herramienta soldada debe colocarse inmediatamente en un horno a 650 ~ 750 ℃ para aislamiento térmico después de soldar.
Una vez que el tanque de carga esté lleno, la herramienta debe mantenerse durante 1 a 2 horas para su recocido.
La herramienta debe retirarse del horno para enfriarla por aire cuando la temperatura del horno desciende por debajo de 500 ℃.
Si el volumen de producción es demasiado alto para seguir el proceso anterior, la soldadura debe mantenerse a una temperatura de conservación del calor de 740 horas. Este proceso permitirá que ambos lados de la soldadura se transformen completamente en perlita+sorbita, y luego la herramienta se podrá enfriar con aire y recocer nuevamente.
El debate sobre el enfriamiento de las herramientas de soldadura por fricción-agitación se centra en el sobrecalentamiento de la soldadura. Los argumentos a favor del sobrecalentamiento de la soldadura incluyen mejorar la estructura original, mejorar la calidad y resistencia de la soldadura y aprovechar al máximo el acero de alta velocidad. Por otro lado, los argumentos en contra del sobrecalentamiento de la soldadura incluyen el riesgo de extinción de grietas y posibles disputas sobre la calidad.
Desde el éxito del enfriamiento al vacío de herramientas de soldadura, han disminuido las dudas sobre las grietas causadas por el sobrecalentamiento de la soldadura después del enfriamiento en un baño de sal. Sin embargo, el autor insiste en que el sobrecalentamiento de la soldadura no conduce directamente a la extinción de las grietas, basándose en la práctica y la experiencia.
Actualmente, la mayoría de las fábricas de herramientas utilizan calentamiento de 15 a 20 mm por debajo de la costura de soldadura, lo que resulta en una longitud de corte reducida del acero rápido, desperdicio y prácticas antieconómicas.
Está estrictamente prohibido decapar herramientas calentadas mediante súper soldadura. En los casos en que se requiera decapado, la concentración de ácido, el tiempo de decapado y la temperatura del ácido deben controlarse cuidadosamente para evitar la fragilización por hidrógeno.
5. Tratamiento criogénico
La microestructura de las herramientas de acero rápido después del templado y revenido normal consiste en martensita revenida, trazas de austenita retenida y carburo.
El autor cree que no es necesario eliminar las trazas restantes (<5%) de austenita retenida.
Después del enfriamiento y revenido normal a 550-570 ℃ durante 1 hora 3 veces, el tratamiento térmico de las herramientas de acero de alta velocidad ha alcanzado su nivel óptimo, y un tratamiento de enfriamiento profundo adicional puede hacer más daño que bien.
La austenita es una fase muy blanda del acero estructural, con una dureza de sólo unos 200 HBW. En comparación con la dureza deseada de 65-66 HRC para herramientas de acero rápido, está claro que un exceso de austenita retenida no endurecerá las herramientas.
A través de experimentos, el académico japonés Ichiro Iijima y su equipo descubrieron que la austenita residual por debajo del 15% no reduciría la dureza de la herramienta, pero podría aumentar la plasticidad y tenacidad del acero.
Por lo tanto, reducir la austenita residual mediante un tratamiento criogénico sería perjudicial para la tenacidad de la herramienta.
Desde la década de 1970 hasta principios del siglo XXI, muchas fábricas de herramientas nacionales llevaron a cabo tratamientos en frío y tratamientos criogénicos en cortadoras de acero de alta velocidad.
Hubo numerosos fracasos y sólo unos pocos éxitos.
Aunque nuestra empresa lleva varios años realizando tratamientos criogénicos, no hemos conseguido resultados significativos. Por lo tanto, el equipo quedó en suspenso.
En comparación con otros materiales superduros, la ventaja más importante de las herramientas de acero rápido es su tenacidad ligeramente mayor.
El tratamiento criogénico puede disminuir la austenita residual, pero también reduce la dureza de las herramientas.
¿No es como echar sal en la herida?
Se ha demostrado que la retención de menos del 5% de austenita es inofensiva para el uso de herramientas.
La dureza del acero HSS es 65-66HRC, mientras que la del acero HSS-E es 66-67HRC.
En condiciones similares, cuanto mayor sea la dureza, menor será el desgaste de la herramienta y mayor será su durabilidad.
De esto podemos concluir que la austenita retenida, que reduce la dureza, no es bienvenida.
Sin embargo, la vida útil de una herramienta no sólo viene determinada por su dureza.
Una dureza excesiva aumenta la fragilidad, lo que no prolonga la vida útil de la herramienta, sino que la reduce.
Varios factores afectan la vida útil de las herramientas de acero de alta velocidad.
Por lo tanto, no es aconsejable perseguir ciegamente una dureza alta.
Nuestro principio es buscar una alta dureza y al mismo tiempo garantizar la resistencia adecuada.
Según la experiencia, el tratamiento criogénico no aumenta la dureza de las herramientas totalmente templadas ni mejora su dureza térmica. Al contrario, puede disminuir tu resistencia.
Sin embargo, algunas fábricas de herramientas nacionales han agregado tratamiento criogénico a ciertas cortadoras, como las cortadoras de afeitar y las fresas de módulos pequeños, para eliminar la tensión y estabilizar su tamaño. Esto es particularmente importante ya que ambas herramientas están centradas en su diámetro interno y es crucial que este no cambie durante el uso. Además, algunas herramientas de medición y moldes de alta calidad fabricados con acero de alta velocidad pueden beneficiarse de un tratamiento criogénico para estabilizar su tamaño.
Después del templado y revenido normal, las estructuras de acero rápido suelen conservar trazas de austenita. Aunque esto no afecta significativamente las propiedades mecánicas o el uso de las herramientas, existe cierto debate sobre si el tratamiento criogénico es necesario.
Para determinar si el tratamiento criogénico es beneficioso, se necesita una gran cantidad de datos experimentales y ejemplos de aplicación. Sin embargo, las experiencias del autor nos llevaron a adoptar una visión opuesta. Es importante señalar que hay cientos de fabricantes de herramientas en China que no han implementado el tratamiento criogénico.
Aunque el tratamiento criogénico a menudo se presenta como un logro de la investigación científica o un producto de laboratorio, su promoción no ha tenido un éxito generalizado. El llamado “nuevo proceso de moderación” puede ser una tendencia de corta duración.
El proceso en cuestión sigue estando maduro y se ha utilizado ampliamente en la producción en masa en varias ocasiones.
“La práctica es el único criterio para comprobar la verdad”, como dice el refrán, y cualquier nuevo proceso debe demostrar su valor mediante una producción práctica.
Conclusión
El tratamiento térmico del acero rápido puede parecer complicado, pero con un enfoque serio y audaz, junto con una práctica repetida y una innovación audaz, sin duda podemos producir herramientas de corte duraderas y de alta calidad y hacer contribuciones significativas a la revitalización del acero rápido. industria mecánica. .
