超聲波淬火對(duì)42CrMo4鋼力學(xué)性能和組織的影響

張維，李沛海，楊文軍，鄧薇薇

重慶長(zhǎng)征重工有限責(zé)任公司 重慶 400083

1 序言

超聲波淬火是將淬火零件加熱到淬火溫度并適當(dāng)保溫后，投入具有超聲波振動(dòng)的淬火槽內(nèi)冷卻，實(shí)現(xiàn)工件淬火[1]。淬火是提高工件強(qiáng)韌性的關(guān)鍵工序，在淬火冷卻介質(zhì)（水、油等）中的淬火過(guò)程，一般分為膜沸騰、泡沸騰、對(duì)流換熱三個(gè)階段[2]。其中，泡沸騰階段最重要，因?yàn)楣ぜ幱诳焖倮鋮s階段，應(yīng)該保證工件鼻間溫區(qū)處于激冷的泡沸騰階段內(nèi)，同時(shí)要使冷卻速度大于臨界冷卻速度，才能使淬火鋼組織向馬氏體方向轉(zhuǎn)變。在常規(guī)淬火冷卻過(guò)程中，高溫區(qū)的氣膜即使在激烈攪拌條件下，也很難破碎。在引入超聲波場(chǎng)后，由于超聲波在介質(zhì)中的“空化”作用，由此產(chǎn)生的高壓激波沖擊使氣膜破裂，迅速進(jìn)入泡沸騰階段，使整個(gè)溫度區(qū)冷卻烈度明顯提高[3]。

42CrMo4作為一種常見(jiàn)的合金結(jié)構(gòu)鋼，具有高強(qiáng)度和韌性，無(wú)明顯回火脆性，調(diào)質(zhì)處理后有較高的疲勞極限和抗多次沖擊能力，低溫沖擊韌性良好，一般用來(lái)制造截面較大的軸類(lèi)、齒輪類(lèi)、連桿類(lèi)零件。其熱處理工藝已較為成熟，但淬火過(guò)程中仍易受淬火冷卻介質(zhì)以及零件截面厚度等因素的影響，水淬后很容易產(chǎn)生裂紋，尤其是截面厚度相差較大的工件，水淬時(shí)非常容易開(kāi)裂[4]。而采用油淬時(shí)，由于冷卻能力低，大截面42CrMo4鋼無(wú)法淬硬，導(dǎo)致其力學(xué)性能合格率不高。本文在42CrMo4鋼淬火冷卻過(guò)程中引入了超聲波，提高了淬火冷卻介質(zhì)的淬火烈度[5]，為42CrMo4鋼淬火工藝的研究和應(yīng)用提供了參考。

2 試驗(yàn)材料與方法

2.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)用42CrMo4鋼鍛件的化學(xué)成分見(jiàn)表1 。為了針對(duì)大截面的42CrMo4鋼零件進(jìn)行淬火工藝研究，通過(guò)機(jī)械加工將鍛件加工成φ90mm×150mm的圓形試樣。

表1 42CrMo4鋼鍛件的化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）（%）

2.2 試驗(yàn)原理與方法

圖1所示為超聲波淬火裝置，其中超聲波電源發(fā)生器的功率在0～1500W可調(diào)。在淬火過(guò)程中，通過(guò)超聲波電源發(fā)生器向超聲波換能器中導(dǎo)入頻率為28kHz的超聲波，換能器將超聲波發(fā)生器傳遞來(lái)的電振蕩脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)換成高頻機(jī)械振動(dòng)，淬火試樣放置在淬火槽中心，位置相對(duì)固定，以減少試驗(yàn)誤差。

圖1 超聲波淬火裝置示意

用TC15L-12型陶瓷纖維馬弗爐對(duì)試樣進(jìn)行加熱，爐子符合GB/T 30825—2014《熱處理溫度測(cè)量》規(guī)定的Ⅲ類(lèi)爐（±10℃）、D型儀表要求。具體熱處理工藝曲線(xiàn)如圖2所示，工藝要求見(jiàn)表2。熱處理后在1/2半徑處取樣分別進(jìn)行金相組織觀察和力學(xué)性能測(cè)試。每個(gè)試樣分別取1組試樣（2個(gè)拉伸試樣，2個(gè)沖擊試樣，1個(gè)金相試樣）。

圖2 42CrMo4鋼熱處理工藝曲線(xiàn)

表2 42CrMo4鋼的淬火工藝要求

3 試驗(yàn)結(jié)果及分析

3.1 超聲波淬火工藝對(duì)力學(xué)性能的影響

圖3所示為不同工藝淬火后42CrMo4鋼的力學(xué)性能。由圖3可見(jiàn)，油淬后試樣的抗拉強(qiáng)度（Rm）、屈服強(qiáng)度（Rp0.2）均低于水淬，但伸長(zhǎng)率（A）、斷面收縮率（Z）及沖擊吸收能量（KV）均大于水淬，且隨著超聲波功率增大，抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度逐漸增大，而伸長(zhǎng)率、斷面收縮率、沖擊吸收能量卻逐漸減小。

圖3 不同工藝淬火后42CrMo4鋼的力學(xué)性能

3.2 超聲波淬火工藝對(duì)顯微組織的影響

圖4所示為不同工藝淬火后42CrMo4鋼的顯微組織。由圖4可知，超聲波的引入對(duì)42CrMo4鋼淬火后的組織有顯著影響。超聲波輔助水淬時(shí)的組織為回火索氏體，如圖4a所示；常規(guī)水冷時(shí)的組織為回火索氏體+少量鐵素體，同時(shí)相對(duì)于圖4a晶粒更粗大，如圖4b所示；不同功率下的超聲波輔助油淬時(shí)的組織均為回火索氏體+粒狀貝氏體+鐵素體，但隨著超聲波功率的降低，粒狀貝氏體和鐵素體含量逐漸增多且組織分布越來(lái)越不均勻，如圖4c～e所示；常規(guī)油冷時(shí)的組織為粗大的回火索氏體+部分粒狀貝氏體+鐵素體，組織非常不均勻，粒狀貝氏體和鐵素體相對(duì)于超聲波輔助油淬時(shí)的含量更大，如圖4f所示。

圖4 不同工藝淬火后42CrMo4鋼的顯微組織

由于42CrMo4 鋼為亞共析鋼，相對(duì)于共析鋼而言，其奧氏體等溫轉(zhuǎn)變圖的曲線(xiàn)左移，過(guò)冷奧氏體穩(wěn)定性較低，孕育期短，在淬火臨界轉(zhuǎn)變溫度區(qū)要求有較大的冷卻速度，否則極易因?yàn)檫^(guò)冷度不夠而發(fā)生非馬氏體轉(zhuǎn)變。且油的黏度大，試樣截面較大，冷卻能力較低，淬火時(shí)不能完全避開(kāi)奧氏體等溫轉(zhuǎn)變曲線(xiàn)的“鼻尖”位置，無(wú)法使鋼淬透，因此淬火后會(huì)出現(xiàn)因冷卻速度不夠而產(chǎn)生貝氏體的問(wèn)題。超聲波引入淬火冷卻介質(zhì)后，淬火冷卻介質(zhì)的冷卻能力提高，冷卻速度增加，會(huì)促進(jìn)馬氏體轉(zhuǎn)變。隨著超聲波功率的增加，貝氏體和鐵素體含量逐漸減少，當(dāng)超聲波功率增加至1500W時(shí)，與水淬時(shí)的冷卻效果較為接近。

4 結(jié)束語(yǔ)

1) 相比常規(guī)油淬、水淬，加入超聲波后可以提高42CrMo4鋼熱處理后的抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度，但伸長(zhǎng)率、斷后收縮率、沖擊吸收能量降低。

2）在超聲波油淬過(guò)程中，隨著超聲波功率的增加，冷卻速度逐漸增大，抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度逐漸增加，而伸長(zhǎng)率、斷后收縮率、沖擊吸收能量逐漸降低，同時(shí)組織中粒狀貝氏體和鐵素體的含量逐漸降低，組織更加均勻。