5 consejos esenciales para el tratamiento térmico del acero rápido | MachineMFG

5 consejos esenciales para el tratamiento térmico del acero de alta velocidad

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1. Baño salino para el temple graduado de acero rápido

China ha venido utilizando el calentamiento por baño de sales y el temple del acero rápido mediante la fórmula 5-3-2 (fracción de masa, %) de la antigua Unión Soviética, que incluye 50BaCl2+30KCl+20NaCl. Esta fórmula tiene una temperatura 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, pueden alcanzarse niveles de dureza superiores a 65HRC. Las piezas de acero HSS-E, por su parte, pueden alcanzar una dureza ≥ 66HRC.

En China, la industria de herramientas ha utilizado esta gradación proceso de enfriamiento alcanzar la excelencia provincial, ministerial y nacional, lo que demuestra su gran vitalidad.

A medida que avanza el tiempo y la tecnología, la gente se ha dado cuenta de la importancia de la velocidad de enfriamiento, y se ha descubierto que la velocidad media de enfriamiento de una pieza de 800 a 1000 ℃ es inferior a 7 ℃ ⁄ s. Esta lenta velocidad de enfriamiento provoca la precipitación de carburo, que afecta a la dureza y otras propiedades del acero.

Como resultado, se introdujo en China la sal graduada a base de calcio procedente de Europa y Estados Unidos, con un coste considerable. 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 superior al de las sales tradicionales a base de calcio, pero la temperatura de clasificación sigue siendo de 480-560℃.

La antigua Unión Soviética introdujo por primera vez la tecnología de los baños de sal a base de Ca en la década de 1940 y más tarde 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 salino, tuvo que dejar de utilizarlo.

Algunas fábricas han realizado pruebas de campo sobre la velocidad de enfriamiento de los baños salinos graduados. En concreto, la velocidad de enfriamiento de piezas de trabajo de φ40mm a 800-1000℃ y 550℃ es de 7 ℃/s, lo que indica que el tamaño efectivo puede endurecerse completamente por debajo de 40mm. Mientras tanto, una serie de φ25mm piezas de trabajo se enfrían a 500℃ base de calcio, y la tasa de enfriamiento a 800-1000℃ es 9 ℃/s.

Sin duda, la velocidad de enfriamiento de las piezas en baño salino a base de bario a 580-620℃ de 1000-800℃ es más lenta que la de las piezas en baño salino a base de calcio a 480-560℃.

Para piezas con un diámetro efectivo de 20-40 mm, es preferible la sal a base de calcio, pero innecesaria para tamaños inferiores a 20 mm. El factor crucial es cómo controlar la temperatura del baño de sal por debajo de 600℃.

Para piezas con un diámetro superior a 40 mm, se puede aplicar primero la refrigeración por aceite, seguida de la refrigeración por sal graduada, y después graduada en nitrato para garantizar una dureza de tratamiento térmico de ≥65HRC.

2. Grado y tiempos de templado

Tras el temple, el acero rápido debe templarse con cuatro fines:

① Para eliminar completamente la tensión de enfriamiento.

② Para descomponer completamente el residuo austenita.

③ Para producir el mejor efecto de endurecimiento secundario.

④ Para lograr las propiedades mecánicas integrales requeridas y un rendimiento óptimo.

La temperatura de revenido recomendada está entre 540 y 560 ℃.

Si enfriamiento en baño de sal o se utiliza el temple al vacío, se recomienda utilizar 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 revenido es de tres. Sin embargo, en los casos en que el revenido sea insuficiente, o para piezas de acero rápido de alto rendimiento que hayan sido templadas isotérmicamente, se llevarán a cabo cuatro procesos de revenido.

El grado de revenido se clasifica generalmente en tres niveles, basados no en el número de ciclos de revenido sino en el aspecto metalográfico.

Nivel I (Adecuado): Caracterizado por la presencia de templado negro martensita y carburo moteado en el metalógrafo.

Nivel II (Intermedio): Hay zonas blancas o depósitos de carburo en regiones aisladas.

Nivel III (Inadecuado): La mayor parte del campo de visión comprende zonas blancas, y los granos apagados son débilmente visibles.

Si se requieren tratamientos de refuerzo superficial como el tratamiento con vapor y el tratamiento con nitrógeno oxigenado en el rango de temperatura de revenido, se puede conseguir un grado de revenido de Grado II, lo que supone un ahorro de energía.

El grado de templado debe evaluarse grabando con una solución alcohólica de ácido nítrico 4% a una temperatura de 18 a 25°C durante 2 a 4 minutos y observando con un microscopio de 500x en función del peor campo de visión.

3. Tratamiento secundario de bainita

Las fábricas de herramientas utilizan a menudo un tratamiento de bainita para mejorar la tenacidad, la resistencia y el rendimiento de corte de las herramientas. Esto implica graduar el baño de sal neutra de 480℃ a 560℃, y transferirlo inmediatamente a un baño de nitrato de 240℃ a 280℃ para un tratamiento isotérmico de 1 a 2 horas.

El tratamiento secundario de bainita está especialmente indicado para fresas sobredimensionadas con un acabado extremadamente formas complejas, como fresas y fresas con módulo > 15, y fresas perforadas con espesor efectivo > 100mm.

Durante el primer tratamiento de bainita, se produce bainita inferior 40% a 50%, junto con austenita residual y una pequeña cantidad de carburo.

Durante el primer revenido, la austenita residual se transforma en martensita en grandes cantidades.

Después del primer revenido, la herramienta no debe enfriarse al aire. En su lugar, debe transferirse directamente al baño de sal a 240℃ a 280℃ para un tratamiento isotérmico durante un periodo específico. Esto prevendrá la transformación de austenita retenida en martensita y en bainita, lo que se conoce como tratamiento secundario de bainita.

Este método puede ayudar a reducir y prevenir la tendencia al agrietamiento de herramientas grandes y complejas.

El proceso de tratamiento secundario de bainita es más complejo pero muy beneficioso para evitar que las herramientas grandes se agrieten durante el tratamiento térmico.

El proceso de templado debe calentarse lentamente, y cada templado debe realizarse a una temperatura inferior a 500℃.

No está permitido soplar después del revenido; es mejor enfriar la herramienta estáticamente.

Como resultado del tratamiento secundario de bainita, cuatro rondas de revenido pueden no ser suficientes, y debe realizarse un revenido adicional.

4. Tratamiento térmico de la herramienta de soldadura por fricción

Soldadura por fricción se utiliza ampliamente tanto en el país como en el extranjero para producir cortadores de varilla con un diámetro superior a φ10mm, ya que ayuda a ahorrar el costoso acero rápido.

Durante la soldadura por fricción, se genera una temperatura de más de 1000 ℃, lo que da lugar a una gran diferencia de temperatura dentro de un área pequeña a ambos lados de la soldadura.

El enfriamiento directo por aire tras la soldadura provoca la transformación en martensita en el lado de acero rápido de la soldadura, mientras que la transformación en perlita sólo se produce en el lado enfriado por aire del acero estructural.

La diferencia en el volumen específico induce una tensión organizativa significativa, que conduce a la fisuración.

Para evitar esto, la herramienta soldada debe colocarse inmediatamente en un horno de 650~750 ℃ para el aislamiento térmico después de la soldadura.

Una vez lleno el depósito de carga, la herramienta debe guardarse durante 1~2 horas para recocido.

La herramienta debe retirarse del horno para enfriarla con aire una vez que la temperatura del horno descienda por debajo de 500 ℃.

Si el volumen de producción es demasiado elevado para seguir el proceso anterior, la soldadura debe mantenerse a una temperatura de conservación del calor de 740 horas. Este proceso permitirá que ambas caras de la soldadura se transformen completamente en perlita+sorbita, y la herramienta podrá entonces enfriarse con aire y volver a recocido.

El debate sobre el templado de las herramientas de soldadura por fricción se centra en la conveniencia de sobrecalentar la soldadura. Los argumentos a favor del sobrecalentamiento de la soldadura incluyen la mejora de la estructura original, la mejora de la calidad de soldadura y resistencia, y aprovechar al máximo el acero rápido. Por otro lado, entre los argumentos en contra del supercalentamiento de la soldadura figuran el riesgo de que se produzcan grietas por enfriamiento rápido y posibles conflictos sobre la calidad.

Desde el éxito del temple en vacío de las herramientas de soldadura, han disminuido las dudas sobre las grietas causadas por el calentamiento de la supersoldadura después del temple en baño de sal. Sin embargo, el autor insiste en que el supercalentamiento de la soldadura no provoca directamente grietas por temple, basándose en la práctica y la experiencia.

Actualmente, la mayoría de las fábricas de herramientas utilizan una calefacción entre 15 y 20 mm inferior a la costura de soldaduraEl resultado es una reducción de la longitud de corte del acero rápido, desperdicios y prácticas antieconómicas.

Queda terminantemente prohibido decapar herramientas calentadas mediante soldadura super. En los casos en que sea necesario el decapado, la concentración de ácido, el tiempo de decapado y la temperatura del ácido deben controlarse cuidadosamente para evitar fragilización por hidrógeno.

5. Tratamiento criogénico

La microestructura de las herramientas de acero rápido después del temple y revenido normal consiste en martensita revenida, trazas de austenita reteniday carburo.

El autor considera que no es necesario eliminar la traza restante (<5%) de austenita retenida.

Después de temple y revenido a 550-570℃ durante 1 hora, 3 veces, el tratamiento térmico de las herramientas de acero rápido ha alcanzado su nivel óptimo, y un tratamiento posterior de enfriamiento profundo puede hacer más mal que bien.

La austenita es una fase muy blanda de la estructura del acero, con una dureza de sólo unos 200HBW. En comparación con la dureza deseada de 65-66HRC para las herramientas de acero rápido, está claro que un exceso de austenita retenida no endurecerá las herramientas.

Mediante experimentos, el académico japonés Ichiro Iijima y su equipo descubrieron que la austenita residual por debajo de 15% no reduciría la dureza de la herramienta, sino que podría aumentar la plasticidad y tenacidad del acero.

Por lo tanto, la reducción de la austenita residual mediante tratamiento criogénico sería perjudicial para la tenacidad de la herramienta.

Desde la década de 1970 hasta principios del siglo XXI, muchas fábricas nacionales de herramientas llevaron a cabo el tratamiento en frío y el tratamiento criogénico de las cuchillas de acero rápido.

Ha habido 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 ha quedado en suspenso.

En comparación con otros materiales superduros, la ventaja más significativa de las herramientas de acero rápido es su tenacidad ligeramente superior.

El tratamiento criogénico puede disminuir la austenita residual, pero también reduce la tenacidad de las herramientas.

¿No es como echar sal en la herida?

Se ha demostrado que retener menos de 5% de austenita es inofensivo para el uso de herramientas.

La dureza del acero HSS es de 65-66HRC, mientras que la del acero HSS-E es de 66-67HRC.

En condiciones similares, cuanto mayor sea la dureza, menor será el desgaste de la herramienta y mayor su durabilidad.

De ello se deduce que la austenita retenida, que disminuye la dureza, no es bienvenida.

Sin embargo, la vida útil de una herramienta no viene determinada únicamente por su dureza.

Una dureza excesiva aumenta la fragilidad, lo que no alarga la vida útil de la herramienta, sino que la reduce.

Numerosos factores afectan a la vida útil de las herramientas de acero rápido.

Por lo tanto, no es aconsejable perseguir a ciegas una dureza elevada.

Nuestro principio es esforzarnos por conseguir una dureza elevada, garantizando al mismo tiempo una tenacidad adecuada.

Según la experiencia, el tratamiento criogénico no aumenta la dureza de las herramientas totalmente templadas ni mejora su dureza térmica. Por el contrario, puede disminuir su tenacidad.

Sin embargo, algunas fábricas de herramientas domésticas han añadido un tratamiento criogénico a ciertas fresas, como las de afeitar y las de módulos pequeños, para eliminar tensiones y estabilizar su tamaño. Esto es especialmente importante, ya que ambas herramientas están centradas en su diámetro interior, y es crucial que éste no cambie durante el uso. Además, algunas herramientas de medición y moldes de acero rápido pueden beneficiarse de un tratamiento criogénico para estabilizar su tamaño.

Tras el templado y revenido normales, las estructuras de acero rápido suelen conservar trazas de austenita. Aunque esto no afecta significativamente a las propiedades mecánicas o al uso de las herramientas, existe cierto debate sobre si es necesario el tratamiento criogénico.

Para determinar si el tratamiento criogénico es beneficioso, se necesita una gran cantidad de datos experimentales y ejemplos de aplicación. Sin embargo, los experimentos del autor le han llevado a sostener una opinión contraria. Cabe señalar que existen cientos de fabricantes de herramientas en China que no han aplicado el tratamiento criogénico.

Aunque el tratamiento criogénico se presenta a menudo como un logro de la investigación científica o un producto de laboratorio, su promoción no ha tenido mucho éxito. El llamado "nuevo proceso de templado" puede ser una tendencia efímera.

El proceso en cuestión sigue siendo un proceso maduro que se ha utilizado ampliamente en la producción en masa en múltiples ocasiones.

"La práctica es el único criterio para probar la verdad", como dice el refrán, y cualquier nuevo proceso debe demostrar su valía mediante la producción práctica.

Conclusión

El tratamiento térmico del acero rápido puede parecer complicado, pero con un enfoque serio y audaz, junto con la práctica repetida y la innovación audaz, podemos producir sin duda productos de alta calidad y larga duración herramientas de corte y contribuir significativamente a la revitalización de la industria mecánica.

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