超聲波淬火技術與40cr淬火液

超聲波淬火就是將淬火工件加熱到淬火溫度適當保溫后，投入具有超聲振動的淬火槽內冷卻，實現工件淬火的方法。40cr淬火液進行淬火時由于超聲波對淬火介質的空化作用，強化了淬火介質的冷卻過程，提高了冷卻烈度和冷卻均勻性。工件的淬硬性、淬透性也得到了提高，保證了40cr淬火液的淬火質量，適用于一些常規方法不能實現的某些材料的淬火。它是近年來發展起來的一種淬火新技術。工藝原理超聲波在40cr淬火液中的“空化”作用聲音在不同介質中傳播的形式不同，產生的波也不同。在流體介質中（包括液體與氣體），由于流體介質沒有固體介質那種切變彈性，無法形成橫波，所以，只能以縱波形式傳播。在這種傳播形式中，介質質點的振動方向與波的傳遞方向一致。表現為介質質點的分布為周期地疏密變化。在聲波傳遞過程中，每一個微小體積的液體介質都處于不停被迫壓縮與弛張交替的狀態。我們取介質中某一微小體積的液體來分析它在聲波作用下的狀態：當聲波頻率很高（20kHz以上的超聲波），強度又達到一定程度時，由于液體介質剪切模量幾乎等于零，這微小體積的液體中，在聲波的某前半周受拉，使之瞬時形成空穴（氣泡），緊接著，后半周的極短的一剎那間（數萬分之一秒數量級）又轉為受壓縮，此刻空穴以極大速度閉合而消失，伴隨產生強烈的水擊（水錘）作用，因而使這微小體積的液體介質承受數百個大氣壓的壓力沖擊。這種現象在水力學上稱之為氣蝕現象，又稱“空化”作用。超聲波淬火就是建立在利用這種“空化”作用來改變淬火零件與40cr淬火液之間的熱交換條件的一種先進淬火工藝方法。超聲波對淬火冷卻過程的影響淬火零件在冷卻過程中，高溫區由于40cr淬火液汽化形成的汽膜隔熱使冷卻過程緩慢，造成零件的冷卻曲線向右延伸，當零件材質C曲線（TTT曲線）靠左時，冷卻曲線就可能與C曲線相交，這就意味著淬火零件組織可能向珠光體型組織轉變，淬火失效。當40cr淬火液中引入超聲波時，由于超聲波在介質中的“空化”作用，在高溫區形成包裹在淬火零件表面的汽膜很快被擊破，40cr淬火液直接與灼熱工件接觸，完全改變了汽膜階段的換熱條件。這樣，使淬火冷卻過程迅速轉為汽泡沸騰冷卻階段，淬火零件冷卻烈度大大提高，冷卻曲線變得陡直，并向左移動。實驗證實：超聲波使淬火過程的整個溫度區的冷卻速度都提高了，并且最大冷卻速度往高溫區方向移動，即汽膜冷卻階段短暫而汽泡沸騰冷卻階段的冷卻速度提高幅度較大。這一點對保證零件的冷卻速度大于材質要求的淬火臨界冷卻速度，防止淬火組織往珠光體型組織轉變而得到馬氏體組織，提高零件的淬硬性及淬透性是十分有利的。另外，超聲波可以調節40cr淬火劑的冷卻特性。超聲波對介質冷卻特性的影響中，超聲波的持續作用時間對冷卻特性影響很大。介質中冷卻時，其溫度變化與超聲波持續作用時間的關系曲線。實驗證實：超聲波持續作用時間越長，在整個溫度區冷卻速度越快，油中的冷卻速度可接近水中的冷卻速度。這樣，在油介質淬火冷卻中引入超聲波，可以在很大范圍內（從靜水中的冷卻特性到靜油中的冷卻特性）調節油介質的冷卻特性，從而控制工件的淬火深度和淬火硬度。除了水和油外，超聲波對乳濁液的冷卻特性也有較大影響。如氯化鈉的水溶液與變壓器油混合而成的乳濁液，在超聲波的作用下，可以使得乳濁液中的質點彌散度提高，而無須添加活性劑，能使介質冷卻特性加強而且穩定。本文參考《淬火冷卻技術及淬火介質》一書。