vědomosti

Ultrazvukové kalení spočívá v zahřátí kalených dílů na kalicí teplotu a správném udržování tepla a poté je vložit do kalící nádrže s ultrazvukovými vibracemi, aby se ochladily, aby se dosáhlo kalení obrobku. Kalení je klíčový proces pro zlepšení pevnosti a houževnatosti a proces kalení v kalícím chladicím médiu (voda, olej atd.) je obecně rozdělen do tří stupňů: membránový var, bublinkový var a konvekční výměna tepla.

Mezi nimi je nejdůležitější fází bublinkový var, protože obrobek je ve fázi rychlého ochlazení, mělo by být zajištěno, že zóna vnitřní teploty obrobku je ve fázi bublinkového varu kalení. Současně by rychlost ochlazování měla být větší než kritická rychlost ochlazování, aby se kalená ocelová konstrukce mohla transformovat do směru martenzitu. Při běžném procesu ochlazování a chlazení je obtížné rozdrtit plynový film ve vysokoteplotní zóně i za podmínek intenzivního míchání.

Po zavedení ultrazvukového pole v důsledku „kavitačního“ efektu ultrazvukové vlny v médiu výsledný náraz vysokotlaké rázové vlny protrhne plynový film a rychle se dostane do fáze varu bublin, což výrazně zvyšuje intenzitu chlazení celé teplotní pásmo.

Jako běžná legovaná konstrukční ocel má 42CrMo4 vysokou pevnost a houževnatost, žádnou zjevnou křehkost při popouštění, vysokou mez únavy a odolnost po zpracování kalením a popouštěním a dobrou rázovou houževnatost při nízkých teplotách. Mezitím se obecně používá k výrobě hřídelí, ozubených kol a dílů ojnic s velkými průřezy. Proces tepelného zpracování je relativně vyspělý, ale proces kalení je stále citlivý na vliv faktorů, jako je kalící chladicí médium a tloušťka průřezu součástí, a je snadné vytvořit trhliny po kalení vodou, zejména obrobek s velkým rozdílem v tloušťce průřezu, který při kalení vodou velmi snadno praskne.

Při použití kalení v oleji nelze kvůli nízké chladicí kapacitě ocel 42CrMo4 s velkým průřezem kalit, což má za následek nízkou míru kvalifikace jejích mechanických vlastností. V tomto článku je ultrazvuková vlna zavedena do procesu kalení a chlazení oceli 42CrMo4, což zlepšuje intenzitu kalení chladicího média pro kalení a poskytuje odkaz pro výzkum a aplikaci procesu kalení oceli 42CrMo4.

 

2. Experimentální materiály a metody

2.1 Experimentální materiály

Chemické složení ocelových výkovků 42CrMo4 použitých v testu je uvedeno v tabulce 1.

Tabulka 1 Chemické složení 42CrMo4 (skóre kvality) (%)

Prvky	C	Mn	Si	S	P	Cr	Mo
Standard (EN 10083-3-2006)	0.38 0.45 ~	0.60 0.90 ~	≤0.40	≤0.035	≤0.025	0.90 1.20 ~	0.15 0.30 ~
Změřený	0.42	0.77	0.29	0.010	0.019	1.14	0.224

Za účelem studia procesu kalení pro ocelové díly 42CrMo4 s velkým průřezem byly výkovky zpracovány na kruhové vzorky o rozměrech φ90 mm × 150 mm obráběním.

2.2 Experimentální princip a metody

Obrázek 1 ukazuje ultrazvukové zhášecí zařízení, ve kterém je výkon generátoru ultrazvukové energie nastavitelný na 0~1500W.

 

a) Ultrazvukové generátory

b) Stav žádosti

Obrázek 1 Ultrazvukové kalicí zařízení

 

V procesu zhášení je ultrazvuková vlna s frekvencí 28 kHz zavedena do ultrazvukového převodníku přes generátor ultrazvukové energie a převodník převádí pulzní signál elektrické oscilace vysílaný ultrazvukovým generátorem na vysokofrekvenční mechanické vibrace a zhášecí vzorek je umístěn ve středu zhášecí nádrže a poloha je relativně pevná, aby se snížila chyba testu.

 

Vzorek se zahřívá v muflové peci z keramických vláken TC15L-12 a pec splňuje požadavky pece třídy III (±10°C) a přístroje typu D specifikované v GB/T30825-2014 "Měření teploty tepelného zpracování". Specifická křivka procesu tepelného zpracování je uvedena na obrázku 2 a požadavky na proces jsou uvedeny v tabulce 2

 

Obrázek 2 Křivka procesu tepelného zpracování oceli 42CrMo4

 

Tabulka 2 Požadavky na proces kalení pro ocel 42CrMo4

Číslo vzorku	Kalení Chladící médium	Zda přidat ultrazvuk	Výkon / W
1	20 °C voda	Ano	1500
2	20 °C voda	Ne	/
3	20 °C olej	Ano	1500
4	20 °C olej	Ano	1000
5	20 °C olej	Ano	500
6	20 °C olej	Ne	/

 

Po tepelném zpracování byly odebrány vzorky o poloměru 1/2 pro pozorování metalografické struktury a testování mechanických vlastností. Pro každý vzorek byla odebrána 1 skupina vzorků (2 tahové vzorky, 2 impaktní vzorky, 1 metalografický vzorek).

3 Experimentální výsledky a analýza

3.1 Vliv procesu ultrazvukového kalení na mechanické vlastnosti

Obrázek 3 ukazuje mechanické vlastnosti oceli 42CrMo4 po kalení různými procesy. To je vidět na obrázku 3.

 

Obrázek3 The Mechanický Pvlastnosti 42CrMo4 Socel After Qohromující tím Different Pletech

Pevnost v tahu (Rm) a mez kluzu (Rp0.2) vzorků po kalení olejem jsou nižší než u kalení vodou, ale prodloužení (A), smrštění průřezu (Z) a energie pohlcování nárazu (KV) jsou větší než u kalení vodou a se zvýšením výkonu ultrazvuku se postupně zvyšuje pevnost v tahu a mez kluzu, zatímco tažnost, smršťování průřezu a energie pohlcování nárazu se postupně snižují.

 

3.2 Vliv procesu ultrazvukového kalení na mikrostrukturu

Obrázek 4 ukazuje mikrostrukturu oceli 42CrMo4 po kalení různými procesy.

Jak je patrné z obrázku 4, zavedení ultrazvukových vln má významný vliv na mikrostrukturu oceli 42CrMo4 po kalení. Struktura pro kalení vodou s pomocí ultrazvuku je temperovaný sostenit, jak je znázorněno na obrázku 4a. Struktura konvenčního vodního chlazení je temperovaná soxhlet + malé množství feritu a zrno je hrubší než na obrázku 4a, jak je znázorněno na obrázku 4b. Struktury pod různými výkony ultrazvukového kalení oleje byly temperovaný sostenit + granulovaný bainit + ferit, ale s poklesem výkonu ultrazvuku se obsah granulárního bainitu a feritu postupně zvyšoval a rozložení mikrostruktur bylo stále více nerovnoměrné, jak je znázorněno na Obr. 4c~e. Struktura konvenčního chlazení oleje je hrubě temperovaný sostenit + částečně zrnitý bainit + ferit a struktura je velmi nerovnoměrná a obsah zrnitého bainitu a feritu je větší než u kalení oleje s pomocí ultrazvuku, jak je znázorněno na obrázku 4f.

 

Obrázek 4 Mikrostruktura oceli 42CrMo4 po kalení různými procesy

Protože ocel 42CrMo4 je subeutektická ocel, ve srovnání s eutektickou ocelí se křivka diagramu izotermického přechodu austenitu posouvá doleva, stabilita podchlazeného austenitu je nízká, doba gestace je krátká a je vyžadována velká rychlost ochlazování. v zóně kritické přechodové teploty kalení, jinak je snadné mít nemartenzitickou transformaci kvůli nedostatečnému podchlazení.

Navíc jeho olejová viskozita a průřez vzorku jsou velké, chladicí kapacita je nízká a pozici „konce nosu“ izotermické přechodové křivky austenitu se nelze během kalení zcela vyhnout a ocel nemůže být vytvrzena, takže problém s bainitem nastane v důsledku nedostatečné rychlosti chlazení po kalení. Po zavedení ultrazvukových vln do zhášecího chladicího média se chladicí kapacita zhášecího chladicího média zvýší a rychlost chlazení se zvýší, což podpoří transformaci martenzitu. S nárůstem výkonu ultrazvuku se obsah bainitu a feritu postupně snižuje a při zvýšení výkonu ultrazvuku na 1500W se chladicí účinek blíží účinku kalení vodou.

 

4 Závěr

1) Ve srovnání s konvenčním kalením olejem a vodou lze pevnost v tahu a mez kluzu oceli 42CrMo4 po tepelném zpracování zlepšit přidáním ultrazvuku, ale prodloužení, smrštění po lomu a energie tlumení nárazů se sníží.

 

2） V procesu ultrazvukového kalení oleje se se zvyšováním výkonu ultrazvuku postupně zvyšuje rychlost chlazení, postupně se zvyšuje pevnost v tahu a mez kluzu, zatímco prodloužení, rychlost smrštění po lomu a energie absorpce nárazu se postupně snižují. Mezitím obsah granulovaného bainitu a feritu v tkáni postupně klesá a struktura je jednotnější.