钢的性能

目录

  • 插图
    • 图 1. 带整体式焊接面的钢制金属焊接变幅杆
    • 图 2. 抗冲击性能对比图
    • 图 3. 15 kHz 下声学材料的功率损耗
    • 图 4. 损耗测量试验装置(Aeroprojects)
    • 图 5. 晶粒尺寸对内耗 Q-1 的影响
    • 图 6. 试验钢的成分与处理
    • 图 7. 温度对各种钢弹性模量的影响
    • 图 8. 温度对各种结构钢弹性模量的影响
    • 图 9. 相对于 W1 钢的工具钢可加工性评级
    • 图 10. 常用不锈钢及其易切削对应牌号的可加工性对比
    • 图 11. CPM® 钢的韧性与耐磨性对比
    • 图 12. CPM® 变幅杆的金属焊接试验
    • 图 13. 20 kHz 旋转式金属焊接变幅杆
    • 图 14. 20 kHz 疲劳试样
    • 图 15. Ferro-Titinat WFN、CPM Rex M4、MC90 — 20 kHz 疲劳试验结果
  • 表格
    • 表 1. 图 3 中的材料
    • 表 2. 图 6 的详细说明
    • 表 3. 温度对各种钢弹性模量的影响
    • 表 4. 公式 \eqref{eq:15301a} 的曲线拟合参数
    • 表 5. 各种钢的材料性能
    • 表 6. 各种不锈钢的损耗测量
    • 表 7. CPM® V® 材料的可加工性
    • 表 8. CPM® Rex® 材料的可加工性
    • 表 9. Ferro-Titanit WFN 与 Rex M4、MC90 的性能对比

当需要耐磨性和/或抗冲击性时,超声谐振器可采用钢材。例如,钢已用于金属焊接变幅杆(焊接端头表面与变幅杆为一体 — 图 1),以及用于嵌件作业的变幅杆。

带整体式焊接面的钢制超声金属焊接变幅杆
图 1. 带整体式焊接面的钢制金属焊接变幅杆
Stanasel[1],第 53 页)

材料选择

与钛和铝不同,选择合适的钢要复杂得多,原因有以下几点。

  1. 钢有数千种之多。有些钢的合金成分仅有细微差别,但对性能的影响却很大。
  2. 对于可热处理钢,有许多影响性能的热处理变量,例如温度和持续时间(预热、热处理、淬火、回火)、周围介质(空气、惰性气体、盐浴)等。即使对于同一种钢,这些参数也可能因所需的最终性能不同而变化。
  3. 虽然钢在相对较低的应变下表现良好,但在较高应变下损耗会急剧增加(见图 3表 1)。常规的(手册)性能列表并不给出损耗性能,因为 —
    1) 损耗对于常规(非超声)应用并不重要。
    2) 损耗不是固定值,而是随应变变化。
    3) 损耗取决于热处理。
    因此,必须针对每种材料和每种热处理状态,在预期应变水平下通过实际超声试验来确定损耗。虽然低损耗很重要,但也必须同时考虑其他所需性能,如耐磨性和缺口敏感性(例如对于螺纹)。

疲劳

参见疲劳的一般性讨论。此外,以下内容为钢所特有。

缺口敏感性

声学材料的一个理想特性是具有较低的疲劳缺口敏感性(即带缺口试样的持久强度应与同种无缺口材料几乎相等)。例如,这对螺纹的疲劳很重要。

测定冲击缺口敏感性的两个类似试验是夏比(Charpy)试验和艾氏(Izod)试验。在这些试验中,一个重摆锤撞击并打断带缺口的试样。摆锤势能的变化(撞击前后)即表征冲击缺口敏感性。图 2 根据夏比 "V" 型缺口试验结果给出了各种钢的冲击抗力。(Bryson[1],第 139 页)注 — 竖直蓝线为后加,它代表 Ti-6Al-4V(退火态及 STA 态薄板和棒材)的夏比 "V" 型缺口试验结果。(见 TIMET[1],图 26,第 18 页。)(由于钛是正交各向异性的,其冲击抗力取决于试验方向。)

图 - 冲击抗力对比 — 夏比 V 型缺口试验
图 2. 冲击抗力对比 — 夏比 "V" 型缺口试验
(竖直蓝线 = Ti-6Al-4V

遗憾的是,冲击缺口敏感性与疲劳缺口敏感性之间可能几乎没有相关性。正如 Yen[1](第 12 页)所述:"人们普遍认为,无论是在疲劳试验、静拉伸试验还是冲击试验中,硬钢都比软钢更具缺口敏感性。一些试验数据表明,钢的强度越高,夏比冲击值越低,疲劳缺口敏感性越大;因此,人们可能会推断冲击值与疲劳缺口敏感性之间存在某种关系。然而,从未有报道表明这两类试验之间存在直接相关性,而且已有相反的证据表明没有理由期待这种相关性存在。"

螺纹

已知钢制变幅杆会在螺纹处失效

损耗

图 3给出了多种材料(包括几种钢)的损耗。(该数据来自 Aeroprojects 1969,由 Maropis[0] 转交给 Culp[0]。)试验装置见图 4。损耗根据流经一根高应力 15 kHz 变幅杆中心的水的温升来确定。注意,这些损耗仅对特定频率和试样形状有效。不过,各种材料之间的比较仍然有效。表 1 给出了对图 3 中手写标注的最佳判读结果。

注 —

  1. 所有钢的损耗都高于 Ti-6Al-4V,而且许多钢的损耗显著更高。
  2. 对于 440-C 钢,当其状态从退火变为全硬时,波速从 5350 m/sec 降至 5200 m/sec(-2.8%)。D2 表现出类似的趋势。
图 - 15 kHz 下声学材料的超声功率损耗
图 3. 15 kHz 下声学材料的功率损耗
表 1. 图 3 中的材料(从左到右)
材料 状态 波速 (m/sec)
1010、1020 钢 未知 5100
440–C 钢 退火 5350
440–C 钢 半硬 5250
D2 工具钢 未知 5280
440–C 钢 全硬 5200
303 不锈钢
(阴影区)
半硬 5100
321? 钢
(阴影区)
退火 5100
440H? 钢
(阴影区)
退火 5100
303、304 不锈钢 退火 5050
Hastalloy-X 钢 退火 5100
Hastalloy-X 钢 未知 4900
Hastalloy-C 钢 未知 5000
Ti-6Al-4V 退火 5070
Monel K-500 未知 4480
Ni-Al-Br 未知 4060
Be-Cu 退火;STA? 3750; 3900

损耗测量超声试验装置(Aeroprojects)
图 4. 损耗测量试验装置(Aeroprojects)

另见不锈钢的损耗测量

晶粒尺寸的影响

Puskar[1] 在 23 kHz 下对一种低碳非合金钢进行了测试,以测定内耗 Q-1。(注 — 损耗与内耗成正比,内耗是品质因数 Q 的倒数。)结果见图 5,其中横轴为总应变幅值 \( \epsilon_{at} \)。(据信这是峰值应变而非峰-峰应变,尽管文中未明确说明。)

随着晶粒尺寸减小(很可能源于热处理工艺),内耗也随之降低。很可能存在某个临界点,晶粒尺寸进一步减小不再带来内耗的进一步降低。但是,从所给数据中无法推断出这一点。

图 5 还表明,在达到某个临界应变 \( \epsilon_{c} \) 之前,内耗 Q-1 保持不变。超过该临界应变后,内耗开始增加(即内部损耗的增长快于储存能量)。希望 \( \epsilon_{c} \) 尽可能大,这样谐振器就能在高振幅下振动而不会遭遇意外的高损耗。图 5 表明,晶粒尺寸最小时 \( \epsilon_{c} \) 最大。例如,晶粒尺寸为 0.620 mm 时 \( \epsilon_{c} \) 为 7.3e-5,而晶粒尺寸为 0.022 mm 时 \( \epsilon_{c} \) 增至 1.3e-4

此外,存在一个使内耗开始增加的临界应变 \( \epsilon_{c} \)(即曲线开始上翘)。该临界应变是内部损耗增长快于储存能量的应变。

\( \epsilon_{c} \) 随晶粒尺寸减小而增大。例如,晶粒尺寸为 0.620 mm 时 \( \epsilon_{c} \) 为 7.3e-5,而晶粒尺寸为 0.022 mm 时 \( \epsilon_{c} \) 增至 1.3e-4。因此,仅考虑损耗的影响,这种细晶材料相比同种粗晶材料可以在显著更高的振幅下驱动。其他钢很可能也是如此。

图 - 晶粒尺寸对内耗 Q 的影响
图 5. 晶粒尺寸对内耗 Q-1 的影响

温度的影响

对弹性模量(杨氏模量)的影响

钢的弹性模量随温度升高而降低(即材料更易被压缩)。因此,在高温下工作的谐振器必须具有更短的调谐长度,以保持兼容的工作频率。

特定钢种

Garofalo[1] 对一系列钢进行了测试,以确定弹性模量与温度的关系。图 6 给出了这些钢的详细信息。

试验钢的成分与处理
图 6. 试验钢的成分与处理
表 2. 图 6 的详细说明
项目 说明
钢种 A 普通低碳钢(SAE 1015)
钢种 B 普通高碳钢(钻杆钢)
钢种 C 钼钢
钢种 D 至 L 铁素体铬钼钢
钢种 M 至 O 铁素体铬钢(铬是唯一的主要合金元素)
钢种 P 至 U 奥氏体不锈钢(铬含量不低于 16%,镍含量不低于 6%)
A.C. 空冷
F.C. 炉冷
W.Q. 水淬

图 7(Garofalo[1],第 18 页)给出了 Garofalo 的试验结果以及其他来源的试验结果。

图 - 温度对各种钢弹性模量的影响
图 7. 温度对各种钢弹性模量的影响

结果(第 19-20 页)—

表 3. 温度对各种钢弹性模量的影响
材料 \( dE/dT \) 范围
[psi/°F]
\( dE/dT \) 范围
[MPa/°C]
铁素体钢 -5000 至 -7000 -62 至 -87
钢 B(钻杆钢) 约 -4100(由列表数据得出) 约 -51
钢 M(12 Cr) 约 -7200(由列表数据得出) 约 -89
奥氏体不锈钢 -5400 至 -6800 -67 至 -84
钢 P 和 Q "中间不连续"  

注意,从图 7 可以看出,许多材料的趋势在约 900 °F (480 °C) 以上变为非线性。300 系列不锈钢通常在高达 1200 °F (650 °C) 或更高温度下仍保持合理的线性。

通用结构钢

图 8(Seif[1],第 9 页)给出了来自各试验来源(数据集)的各种"结构"钢的弹性模量与温度的关系。(更多信息见 Seif[1](第 13 页)。)公式 \eqref{eq:15301a} 给出了相应的最小二乘回归曲线拟合,所依据的温度数据最高达 725 °C。

注意图 8 中数据离散度很大。因此,只有在无法获得所需材料的具体温度数据时,才应使用图 8 和公式 \eqref{eq:15301a}。

图 - 温度对各种结构钢弹性模量的影响
图 8. 温度对各种结构钢弹性模量的影响

图注 —

  1. \( T \) 的单位为 °C。
  2. \( E_{20} \) 为 20 °C 下的弹性模量。

图 8 曲线的回归方程 —

\begin{align} \label{eq:15301a} \frac{E(T)}{E_{20}} &= \textsf{exp} \left\{ -\small\frac{1}{2} \left(\frac{T-20}{C_3}\right)^{C_1} \, -\small\frac{1}{2} \left(\frac{T-20}{C_4}\right)^{C_2} \right\} \end{align}

方程注 —

  1. \( T \) 的单位为 °C。
  2. 方程常数见表 4。(见 Seif[1],表 5‑2(最后四行),第 19 页。注意拟合常数 \(C_2\) 被强制取为 1,未进行拟合(第 11 页)。)

    表 4. 公式 \eqref{eq:15301a} 的曲线拟合参数
    参数 单位 数值
    \(C_1\) ——— 3.768
    \(C_2\) ——— 1.000
    \(C_3\) °C 639
    \(C_4\) °C 1650

对泊松比的影响

可加工性

图 9 给出了各种钢相对于 W1(一种水淬硬化钢,取值为 100)的可加工性,其中 W1 的可加工性相当于 AISI B1112 标尺上的 40%。(Bryson[1],第 141 页。注 — 竖直蓝线为后加,它代表 Ti-6Al-4V 的可加工性,在 AISI B1112 标尺上为 22%(Carpenter[1],第 6 页),即相对于 W1 为 55%。)各种不锈钢的可加工性另见图 10

图 - 相对于 W1 钢的工具钢可加工性评级
图 9. 相对于 W1 钢的工具钢可加工性评级
(竖直蓝线 = Ti-6Al-4V

已知钢种

以下钢种曾以某种方式用于超声谐振器。这些钢种的相对优劣目前仅部分为人所知。

表 5. 各种钢的材料性能
材料 状态 杨氏模量
(GPa)
密度
(kg/m3)
泊松比 细杆
波速
(m/sec)
参考来源
AISI 1030 钢 188 维氏硬度
(约 HRC 13)
210 7850 0.30 5170 见参考来源 3。
AISI 1045 钢 未知 210 7830 0.31 5180 见参考来源 4。
AISI A2 工具钢 HRC 64 203 7860 0.30 5080 matweb.com
AISI D2 工具钢 软态 218 7670 0.28 5330 Culp[0]
AISI D2 工具钢 HRC 54 208 7670 0.28 5210 Culp[0]
AISI M2 工具钢 退火 225 8160 0.29 5290
AISI M2 工具钢 HRC 61 223 8160 0.29 5230 Culp[0]
AISI M2 工具钢 HRC 61-63 217
(207)
8160 0.29 5160 见参考来源 2。
AISI M10 工具钢 未知 207 7890 0.29 5120 Latrobe Steel
CPM 9V 工具钢 HRC 54-56 221 7455 0.30 5440 数据表
CPM 10V 工具钢 HRC 60 221 7418 0.30 5460 数据表
FX Temper 2 工具钢 HRC 39 204
(205)
7580
(7800)
0.273
(0.3)
5190
(5130)
见参考来源 1A。
FX Temper 2 工具钢 HRC 39 203
(205)
7580
(7800)
0.273
(0.3)
5175
(5130)
见参考来源 1B。
FX Temper 2 工具钢 HRC 39 201
(205)
7580
(7800)
0.273
(0.3)
5150
(5130)
见参考来源 1B。

表注 —

  1. HRC = 洛氏 C 标尺硬度。
  2. 细杆波速为计算值。
  3. 粗体字 — 由超声试验测得或据其计算的数据。除特别注明外,这些数据均来自 Culp[0]。相应的标称"手册"数据(通常来自制造商数据或 matweb.com)列于括号内。
  4. 除非另有说明,所有性能均为室温下的数值。

表的参考来源 —

  1. FX Temper 2 工具钢 — 泊松比通过对三个试样(25.4 mm 见方)进行拉伸试验测得。 密度在实验室测得。
    1. 杨氏模量通过 40 kHz 超声全波/半波试验测得(一个试样)。试样直径为 Ø19.1 mm。
    2. 杨氏模量通过一个 40 kHz 双槽条形变幅杆的有限元分析(FEA)标定(每种各一个试样)。
  2. 杨氏模量通过一个 40 kHz 无槽削平圆柱形变幅杆的有限元分析(FEA)标定。
  3. Al-Sarrif[1] — 20.8 kHz 金属焊接变幅杆(FEA 标定);20 微米峰-峰值(第 68 页);输入 5 微米峰-峰值。整体式焊接端头硬化至 HRC 55-60(第 54 页);尚不清楚该硬度是仅针对焊接端头还是针对整个变幅杆。
  4. Stanasel[1] — 用于汽车行业电缆焊接的 20 kHz 金属焊接变幅杆(图 1),FEA 分析。Stanasel 给出了变幅杆的部分尺寸。

以下材料的说明 —

  • 除下文特别推荐外,常规热处理建议(未考虑超声要求)见 Bryson[1]。可咨询材料制造商或您的热处理厂商,他们可能有更多建议。
  • 除非另有说明,下文的"特性"均来自制造商数据,或来自 matweb.com。
  • 所列应用为已知或文献中可查到的应用。所列应用并不全面,在许多情况下,某种材料很容易用于多种应用。此外,某些应用可能属于原型开发,所选材料可能只是出于方便,而非追求最优材料。

工具钢

AISI A2 工具钢

特性 — "高淬透性,热处理中尺寸稳定性高,耐磨性、疲劳寿命、韧性和深层淬硬性能良好。"

应用 — 石油产品的超声处理。见 Gunnerman 的专利[2],第 0013 段。(注 — 该专利写的是"2‑A 工具钢",但无法确认存在这种材料。根据给定的成分(第 0013 段),该材料很可能是 A2。)

AISI D2 工具钢

特性 — 一种空冷硬化、高碳、高铬工具钢,可热处理至 HRC 60-62。由于显微组织中含有大量碳化物,它具有优异的抗磨粒磨损性能。

应用 — 超声金属焊接端头、塑料封合变幅杆、嵌件变幅杆。

AISI M2 工具钢

特性 — 一种钨钼系高速工具钢,耐磨性、韧性和热硬性组合优异。

应用 — 超声金属焊接变幅杆与端头。

达到 HRC 61-62 的建议热处理 —

  1. 将工件放入炉中,分三步预热以消除应力。
    1. 620 °C (1150 °F) 保温 30 分钟
    2. 840 °C (1550 °F) 保温 15 分钟
    3. 1040 °C (1900 °F) 保温 15 分钟
  2. 淬火加热温度 — 1120-1180 °C (2050-2150 °F)
  3. 真空淬火
  4. 在 540-590 °C (1000-1100 °F) 双重回火。这不会降低硬度。

Vertex

特性 — "TLS Vertex 工具钢是一种通用的高铬空冷硬化工具钢,其特点是可达到的硬度相对较高,且显微组织中含有大量富铬合金碳化物。这些碳化物使其在与其他金属和磨料滑动接触时具有良好的耐磨性。Vertex 中的主要合金碳化物比 D2 工具钢特有的大型富铬合金碳化物更小。这些较小的碳化物使 Vertex 相比 D2 具有更好的冲击韧性和更优的疲劳性能。

Vertex 中添加的钼提高了合金碳化物的硬度,更重要的是,与 D2 相比提供了更优异的二次硬化响应。因此,与 D2 不同,Vertex 可以在更高的回火温度下回火,同时仍能达到超过洛氏 C 60 的硬度。由于二次硬度更高,Vertex 在较高回火温度下回火后表现出比 D2 更优异的耐磨性,同时还具有高温回火带来的更优韧性。"(Vertex 数据表

最初由 Timken Latrobe Steel 生产;现为 Latrobe Specialty Steels Co.。

热处理(Latrobe 建议)。最终硬度应约为 HRC 56。

  1. 预热。以不超过 400 °F/hr (220 °C/hr) 的速率预热至 1150 - 1250 °F (621 -677 °C),均温后加热至 1400 - 1450 °F (760 - 788 °C)。
  2. 奥氏体化。从预热温度缓慢加热。炉内或盐浴:在 1850 °F (1010 °C) 奥氏体化。
  3. 淬火。空气或加压气体。冷却至 150 - 125 °F (66 - 51 °C)。
  4. 回火。淬火后立即回火。加热至 1050 °F (565 °C)。每英寸厚度保温 1 小时(最短 2 小时),然后空冷至环境温度并重复一次。

FX Temper 2

特性 — "适量的镍(Ni .80%)、铬(Cr 1.15%)和钼(Mo .5%)合金元素使这种模具钢在广泛使用的 Temper 2 硬度(38-42 HRC)下实现了断裂韧性与耐磨性的良好平衡。"

由 Finkl Steel 生产。见数据表

应用 — 焊料的超声雾化(Culp[0])。

不锈钢

AISI 630 (17Cr-4Ni; 17-4 PH) 不锈钢

PH 指沉淀硬化。

特性 — 一种马氏体沉淀/时效硬化不锈钢,具有高强度和高硬度,同时兼具优异的耐腐蚀性。

应用 — 超声牙科端头。

AISI 304 不锈钢

特性 — 耐腐蚀性优于 302 型。可耐受大多数氧化性酸和盐雾。

应用 — 声化学。

损耗测量

表 6 给出了几种不锈钢材料的损耗测量结果(Culp[0])。每种材料仅测试了一个试样。注意,尽管 4xx 系列的硬度更高(通常与更低损耗相关),但其损耗显著高于 3xx 系列。还应注意,4xx 系列不含镍;尚不清楚这是否是其损耗相对较高的原因之一。

表 6. 各种不锈钢的损耗测量
材料 化学
成分
硬度 调谐长度
(mm)
频率
(Hz)
振幅
(微米_峰值)
损耗
(瓦特)
303 Fe 69%
Cr 18%
Ni 9%
85 HRBS
(约 4 HRC)
106.3 19980 18.5 17
316 Fe 62-72%
Cr 16-18%
Ni 10-14%
180 HB
(约 10 HRC)
105.4 19997 17.8 23
416 Fe 84%
Cr 13%
Ni 0%
29 HRC 111.4 19995 16.9 55
420 Fe 82-88%
Cr 12-14%
Ni 0%
52 HRC 111.9 19986 17.1 56
Ti-6Al-4V   ——— 106.3 20026 18.4 4

表注 —

  1. 材料 —
    仅列出最主要的化学成分。其他成分可能包括锰、钼、磷、硅和硫。
    提供了带硬度值的检验证书。
    括号( )内给出了大致等效的 HRC 硬度。
    列出 Ti-6Al-4V 数据以供比较。
  2. 变幅杆尺寸 —
    输出端直径 = 17.5 mm
    输入端直径 = 38.1 mm
    后肩部长度 = 25.4 mm
    过渡圆角半径 = 38.1 mm
    3/8-24 阶梯螺柱(未拧到底)
  3. 试验设备 —
    频率 — Branson A200A(低振幅)
    振幅 — Fotonic Sensor
    功率 — Clarke-Hess 功率计(损耗中包含驱动换能器的损耗)
    电源 — Sonics & Materials 600 瓦 Vibracell,设定为 40%
    换能器 — 所有试验使用同一支

可加工性

图 10(北美特种钢工业协会,第 6 页)给出了各种牌号不锈钢的可加工性(数值越高越好)。

图 - 常用不锈钢的可加工性对比
图 10. 常用不锈钢及其易切削对应牌号的可加工性对比

空化冲蚀抗力

此处

粉末冶金钢

CPM® 工具钢

CPM® 指坩埚颗粒[粉末]冶金工艺(Crucible Industries),碳化钒含量在 10% 至 18% 之间。见 Haswell[1] 专利(1981 年)。

V 系列

V 系列按钒含量的百分比区分。图 11 给出了性能对比。注意,性能会随 HRC 硬度而变化。不过,在指定的硬度值下,CPM 9V 和 CPM 10V 均优于 D2 和 M2。CPM 9V 似乎在韧性和耐磨性之间有最佳的折中。

图 - CPM 钢的韧性与耐磨性对比
图 11. CPM® 钢的韧性与耐磨性对比

在使用 CPM 2V、5V、10V 和 15V 制变幅杆进行铜与铝试条超声焊接的试验中,Smith[1] 发现 CPM 10V 的磨损最小,同时也产生了最高的焊接强度(图 12)。(这些图所依据的原始研究似乎已无从获得。)

图 - CPM 变幅杆超声金属焊接试验 — 变幅杆剩余体积百分比
变幅杆剩余体积百分比
图 - CPM 变幅杆超声金属焊接试验 — 焊接强度
焊接强度
图 12. CPM® 变幅杆的金属焊接试验

Vieira[1] 获得了一项轮胎切割变幅杆的专利,该变幅杆由粉末金属制成,钒含量在 9% 至 15% 之间(权利要求 11 和 12)。该专利预测,使用 CPM 10V 时,该变幅杆的寿命应为钛变幅杆的三倍(第 0027 段)。专利似乎暗示耐磨性的提升部分归因于钢更高的热导率,尽管这一点并不完全明确(第 0027 段)。专利称硬度应在 HRC 50-64 范围内,但不应超过 64,因为材料会变脆并容易崩缺(第 0025 和 0026 段)。专利称,与钛相比,钢制变幅杆需要"明显更高的功率"(第 0005 段)。然而,这一点未在其他地方讨论,因此尚不清楚粉末金属是否能缓解这一问题。

CPM® 9V®

特性 — 一种含 9% 钒的工具钢。它是 CPM® 10V® 的改型,降低了碳和钒含量以提高韧性,尽管其耐磨性略有降低。其可加工性是 CPM® 10V® 的两倍。

热处理 — HRC 54-56(建议用于韧性与耐磨性的最佳组合 — 见数据表)。数据表指出:"可采用更高的奥氏体化温度以获得更高的硬度,但冲击抗力会略有下降。较低的奥氏体化温度可提供最佳的冲击韧性。"数据表还指出该材料适合渗氮处理。

应用 — 焊料的超声雾化。

CPM® 10V®

特性 — 一种含 10% 钒的工具钢。它具有高耐磨性和良好的韧性。

热处理 — HRC 60(建议用于韧性与耐磨性的最佳组合 — 见数据表)。数据表指出:"可采用更高的奥氏体化温度以获得更高的硬度,但冲击抗力会略有下降。较低的奥氏体化温度可提供最佳的冲击韧性。"数据表还指出该材料适合渗氮处理。

Dukane[2](第 59 页)推荐 HRC 52–56。但 Dukane 指出:"由于 CPM10v 变幅杆的硬度较高,它们更脆;因此通常用于低振幅应用。由于脆性,变幅杆尺寸受到限制[未具体说明]。"(注 — 脆性材料在屈服点之后不会产生显著变形,粉笔就是一个例子。CPM 10V 并不符合这一定义,因此严格来说并不脆。)

"过去,Dukane 在这类应用中使用 D2 钢[见 §]。通过与冶金学家合作并经过试验,我们发现 CPM10V 更可靠。"(Dukane[2],第 59 页)可靠性的判据未具体说明,但可能是磨损、抗疲劳性或螺纹失效。(§ "严重磨损工况,如金属嵌件、焊接玻纤增强零件和切入式切割应用")

关于 30 kHz 下与 16MnCr5V 钢和 Ferro-Titanit 的对比,见 Emmer[1A]

应用 — 超声轮胎切割(Vieira[1] 专利)、金属焊接(Lee[1],第 2 页)、金属嵌件、焊接玻纤增强零件、切入式切割。

表 7. CPM® V® 材料的可加工性
(见图 9
材料 相对于 W1 钢的
可加工性
9V 40%
10V 20%

Rex® 系列

Rex 系列含有高含量的钒、钴和钨组合。这些是用于切削刀具的高速钢。

Vieira[1] 获得了一项轮胎切割变幅杆的专利,该变幅杆由粉末金属制成,钒、钴、钨总含量在 15% 至 22% 之间(权利要求 3 和 4)。专利建议采用 Rex 45Rex 76Rex 86(第 0024 段)。最高 HRC 硬度在 65 上下。注意这些材料的可加工性相对较差(将表 8 与图 9 比较)。

表 8. CPM® Rex® 材料的可加工性
(见图 9
材料 相对于 W1 钢的
可加工性
Rex 45 30%
Rex 76 15%
Rex 86 20%

Vieira 建议的另一来源(第 0024 段)是日立金属(Hitachi Metals,其 Hap 系列)。

应用 — 超声轮胎切割(Vieira[1] 专利)、超声金属焊接(Liesegang[1A])。

Ferro-Titinat (Ferro-TiC)、CPM Rex M4、MC90 INTERMET

Liesegang[1A] 测试了由 Ferro-Titanit WFN 型、CPM Rex M4 和 MC90 钢制成的变幅杆。这些变幅杆用于 20 kHz 下 Ti-6Al-4V 的超声缝焊(图 13)。Liesegang 对这些材料的描述(第 8 页)—

  • Ferro-Titanit WFN。Ferrotitanit WFN 已在商业上用作变幅杆材料。它以马氏体基体加约 33 wt% 碳化钛增强。与用作变幅杆的工具钢相比,Ferrotitanit WFN 的耐磨性似乎更高 [45]。相对较低的密度和较高的机械刚度也是其作为振动工具应用的有利性能。然而,其可加工性具有挑战性,且材料相对昂贵 [44]。
  • CPM Rex M4。CPM RexM4 是一种高速工具钢,通常用于金属钻削。根据制造商数据表 [46],与商用变幅杆工具钢 CPM 10V 相比,CPM RexM4 的耐磨性较低。不过,之所以选择 Rex M4,是因为它相比其他工具钢具有较高的冲击强度 [43]。
  • BÖHLER MC90 INTERMETMC90 Intermet 是一种专为钛合金加工而开发的 FeCoMo 合金 [42]。其与钛接触时的硬度和磨损行为以及机械强度,都是其作为坚固耐用变幅杆候选材料的有利性能。
图 13. 20 kHz 旋转式金属焊接变幅杆
图 13. 20 kHz 旋转式金属焊接变幅杆

Liesegang 的表 5 和表 6(此处做了精简)给出了相关的材料性能。

表 9. Ferro-Titanit WFN、CPM Rex M4 和 MC90 的性能
材料 硬度 [HRC] 杨氏模量 [GPa] 密度 [kg/m3] 泊松比 细杆波速 [m/sec] 疲劳强度 [MPa] 疲劳应变
Ferro-Titanit WFN 69 294 6500 0.24 6730 380 0.0013
CPM Rex M4 64 214 7970 0.3 5180 413 0.0019
BÖHLER MC90 68 223 8280 0.2 5190 430 0.0019

表注 —

  1. HRC = 洛氏 C 标尺硬度。
  2. 细杆波速为计算值。
  3. Ferro-Titanit 的细杆波速比另外两种钢高约 30%。这意味着变幅杆的调谐长度将相应更长。图 14 中的 20 kHz 疲劳试样说明了这一点(见图 14)。(注意,由于波节中部截面的面积极度缩减,所有长度都相当短。)
  4. 疲劳强度(图 15)取自 2.5e9 次循环处出现未失效试样(run-out)的位置。然而数据有限,真实疲劳强度可能有所不同。
  5. 试样直径较小。大型谐振器存在材料缺陷的可能性更大,因此真实疲劳强度可能更低。见 Ferro-Titanit WFN
  6. 疲劳应变为计算值。
图 14. 20 kHz 疲劳试样
图 14. 20 kHz 疲劳试样

图 15. Ferro-Titinat WFN、CPM Rex M4、MC90 — 20 kHz 疲劳试验结果
图 15. Ferro-Titinat WFN、CPM Rex M4、MC90 — 20 kHz 疲劳试验结果

注意,表 9 中的疲劳应变均显著低于 Ti-6Al-4V 的最大推荐应变(约 0.0032)。因此,如果需要高应变(高振幅),可以考虑使用带耐磨涂层的 Ti-6Al-4V。

除非另有说明,以下焊接结果均来自 Liesegang[1A]

焊接结果 — MC90

在三种受试材料中,MC90 获得了最好的焊接强度(第 14 页)。Liesegang(第 15 页)指出 —

"与商业上应用的变幅杆材料相比,MC90 的性能非常出色。在 Ti6Al4V 与 CFRP 的焊接中,以超过 48 m 的位移振幅进行了超过 108 次加载循环,未发生失效且无明显磨损 [14]。该变幅杆累计焊接缝长度达 40 m,约相当于 3 x 108 次加载循环。在本研究中,未检测到接头[焊缝]质量随工具寿命推移而持续下降。"

尽管 MC90 在钛的超声焊接中表现良好,Bloss[1] 发现焊接性能受变幅杆端头与工件之间材料相容性的影响。因此,尚不清楚 MC90 在焊接其他材料时会有怎样的表现。

焊接结果 — CPM Rex M4

由于端头磨损非常严重,焊接强度"异常低"(第 14 页)。"在累计焊接缝长度达到 1 m 后,RexM4 变幅杆端头轮廓的高度减少了约 30%,而 WFN 和 MC90 的变幅杆端头未出现明显磨损。"

焊接结果 — Ferro-Titinat WFN

Ferro-Titinat WFN 变幅杆在焊接过程中因疲劳而失效。疲劳发生的部分原因是 Ferro-Titinat 的杨氏模量高于其他材料,导致在相同振幅下应力高出 13%(Liesegang 的图 11)。Liesegang 还认为疲劳失效可能源于 TiC 团簇处的"机械应力增强"(疲劳裂纹萌生的位置)。基于这些失效,Liesegang 认为 350 MPa 的疲劳强度假定值可能过高(第 15 页)。然而,在疲劳失效之前,Ferro-Titinat WFN 的焊接强度与 MC90 相当(第 15 页)。因此,Liesegang 建议,如果能重新设计变幅杆以降低应力,Ferro-Titinat WFN 或许是合适的(第 16 页)。

Ferro-Titinat 的性能见 Foller[1A]。注 —

  • Ferro-Titinat 有多个牌号,各牌号的性能略有不同。
  • Foller 的波速(其表 2)由超声脉冲回波技术测定。这些是膨胀波速。它们高于细杆波速,不应用于设计目的。不过,Foller 表 2 中的其他材料性能是有效的。

热处理

除上文特别推荐外,常规热处理建议(未考虑超声要求)见 Bryson[1]。可咨询材料制造商或您的热处理厂商,他们可能有更多建议。

对频率的影响

钢谐振器经热处理后,其谐振频率往往会发生变化。在热处理之前进行调谐时必须考虑这一点,以保证最终频率正确。

Liesegang[1A](第 13 页)报告了以下结果 —

表 10. 热处理对谐振频率的影响
材料 硬度 [HRC] 频率变化 [Hz]
Ferro-Titanit WFN 69 -270
CPM Rex M4 64 -505
BÖHLER MC90 68 -670

Liesegang 指出,Ferro-Titanit WFN 含 33%(重量比)的陶瓷相,该相不受热处理影响;因此,与另外两种材料相比,Ferro-Titanit WFN 的频率下降较小。

Culp[0] 报告称 D2 工具钢热处理后频率下降约 200 Hz。