超声波淬火对42CrMo4钢力学性能和组织的影响

张维，李沛海，杨文军，邓薇薇

重庆长征重工有限责任公司 重庆 400083

1 序言

超声波淬火是将淬火零件加热到淬火温度并适当保温后，投入具有超声波振动的淬火槽内冷却，实现工件淬火[1]。淬火是提高工件强韧性的关键工序，在淬火冷却介质（水、油等）中的淬火过程，一般分为膜沸腾、泡沸腾、对流换热三个阶段[2]。其中，泡沸腾阶段最重要，因为工件处于快速冷却阶段，应该保证工件鼻间温区处于激冷的泡沸腾阶段内，同时要使冷却速度大于临界冷却速度，才能使淬火钢组织向马氏体方向转变。在常规淬火冷却过程中，高温区的气膜即使在激烈搅拌条件下，也很难破碎。在引入超声波场后，由于超声波在介质中的“空化”作用，由此产生的高压激波冲击使气膜破裂，迅速进入泡沸腾阶段，使整个温度区冷却烈度明显提高[3]。

42CrMo4作为一种常见的合金结构钢，具有高强度和韧性，无明显回火脆性，调质处理后有较高的疲劳极限和抗多次冲击能力，低温冲击韧性良好，一般用来制造截面较大的轴类、齿轮类、连杆类零件。其热处理工艺已较为成熟，但淬火过程中仍易受淬火冷却介质以及零件截面厚度等因素的影响，水淬后很容易产生裂纹，尤其是截面厚度相差较大的工件，水淬时非常容易开裂[4]。而采用油淬时，由于冷却能力低，大截面42CrMo4钢无法淬硬，导致其力学性能合格率不高。本文在42CrMo4钢淬火冷却过程中引入了超声波，提高了淬火冷却介质的淬火烈度[5]，为42CrMo4钢淬火工艺的研究和应用提供了参考。

2 试验材料与方法

2.1 试验材料

试验用42CrMo4钢锻件的化学成分见表1 。为了针对大截面的42CrMo4钢零件进行淬火工艺研究，通过机械加工将锻件加工成φ90mm×150mm的圆形试样。

表1 42CrMo4钢锻件的化学成分（质量分数）（%）

2.2 试验原理与方法

图1所示为超声波淬火装置，其中超声波电源发生器的功率在0～1500W可调。在淬火过程中，通过超声波电源发生器向超声波换能器中导入频率为28kHz的超声波，换能器将超声波发生器传递来的电振荡脉冲信号转换成高频机械振动，淬火试样放置在淬火槽中心，位置相对固定，以减少试验误差。

图1 超声波淬火装置示意

用TC15L-12型陶瓷纤维马弗炉对试样进行加热，炉子符合GB/T 30825—2014《热处理温度测量》规定的Ⅲ类炉（±10℃）、D型仪表要求。具体热处理工艺曲线如图2所示，工艺要求见表2。热处理后在1/2半径处取样分别进行金相组织观察和力学性能测试。每个试样分别取1组试样（2个拉伸试样，2个冲击试样，1个金相试样）。

图2 42CrMo4钢热处理工艺曲线

表2 42CrMo4钢的淬火工艺要求

3 试验结果及分析

3.1 超声波淬火工艺对力学性能的影响

图3所示为不同工艺淬火后42CrMo4钢的力学性能。由图3可见，油淬后试样的抗拉强度（Rm）、屈服强度（Rp0.2）均低于水淬，但伸长率（A）、断面收缩率（Z）及冲击吸收能量（KV）均大于水淬，且随着超声波功率增大，抗拉强度、屈服强度逐渐增大，而伸长率、断面收缩率、冲击吸收能量却逐渐减小。

图3 不同工艺淬火后42CrMo4钢的力学性能

3.2 超声波淬火工艺对显微组织的影响

图4所示为不同工艺淬火后42CrMo4钢的显微组织。由图4可知，超声波的引入对42CrMo4钢淬火后的组织有显著影响。超声波辅助水淬时的组织为回火索氏体，如图4a所示；常规水冷时的组织为回火索氏体+少量铁素体，同时相对于图4a晶粒更粗大，如图4b所示；不同功率下的超声波辅助油淬时的组织均为回火索氏体+粒状贝氏体+铁素体，但随着超声波功率的降低，粒状贝氏体和铁素体含量逐渐增多且组织分布越来越不均匀，如图4c～e所示；常规油冷时的组织为粗大的回火索氏体+部分粒状贝氏体+铁素体，组织非常不均匀，粒状贝氏体和铁素体相对于超声波辅助油淬时的含量更大，如图4f所示。

图4 不同工艺淬火后42CrMo4钢的显微组织

由于42CrMo4 钢为亚共析钢，相对于共析钢而言，其奥氏体等温转变图的曲线左移，过冷奥氏体稳定性较低，孕育期短，在淬火临界转变温度区要求有较大的冷却速度，否则极易因为过冷度不够而发生非马氏体转变。且油的黏度大，试样截面较大，冷却能力较低，淬火时不能完全避开奥氏体等温转变曲线的“鼻尖”位置，无法使钢淬透，因此淬火后会出现因冷却速度不够而产生贝氏体的问题。超声波引入淬火冷却介质后，淬火冷却介质的冷却能力提高，冷却速度增加，会促进马氏体转变。随着超声波功率的增加，贝氏体和铁素体含量逐渐减少，当超声波功率增加至1500W时，与水淬时的冷却效果较为接近。

4 结束语

1) 相比常规油淬、水淬，加入超声波后可以提高42CrMo4钢热处理后的抗拉强度、屈服强度，但伸长率、断后收缩率、冲击吸收能量降低。

2）在超声波油淬过程中，随着超声波功率的增加，冷却速度逐渐增大，抗拉强度、屈服强度逐渐增加，而伸长率、断后收缩率、冲击吸收能量逐渐降低，同时组织中粒状贝氏体和铁素体的含量逐渐降低，组织更加均匀。