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对于大倾覆力矩、重载疲劳和高冲击高磨损的轴承材料,通常采用感应淬火进行表面强化,但存在软带和变形大等问题。而使用激光淬火硬化层深度在1 mm以内,42crmo钢板且横截面硬化层为"月牙形",试样表面各点硬化层分布不均,较浅处易提前发生损坏。
为解决以上问题,利用COMSOL软件模拟激光深层淬火过程温度场时空分布,与常规激光淬火不同,激光深层淬火采用了宽光斑、低速扫描,且辅助用于提高吸光率的涂料,在软件中设定不同激光功率、扫描速度和光斑尺寸,分析得到不同工艺参数下的温度场分布、硬化层形貌和特征尺寸,并在模拟指导下进行实验得到深层硬化层,并探究光斑尺寸对硬化层深度、宽度、均匀性的影响。模拟结果表明,选择适当的激光功率密度和扫描速度进行激光淬火温度场的模拟,可以得到3.6 mm深的硬化层。以此进行光纤耦合半导体激光器淬火实验,实验所得有效硬化层深度为3.7 mm,硬化层平均硬度为774 HV0.3。42crmo钢板将实验所得硬化层形貌和模拟结果进行对比,平均误差为6.5%。模拟结果还表明,在激光功率、光斑面积和扫描速度不变时,改变光斑的宽度,硬化层的宽度与光斑的宽度成正比例,硬化层的深度随光斑宽度增加先增加后减小。随着光斑宽度增加,硬化层分布更加均匀。
利用金相显镜、洛氏硬度计和扫描电镜,对经过预备热处理（退火、淬火、调质）+亚温淬火+高温回火处理（又称临界区淬火+回火）后的42CrMo钢的组织、冲击性能以及断口形貌进行了观察和分析。结果表明,预备热处理为退火处理时,亚温处理后残留的铁素体粗大不均;且在回火索氏体之间分布不均匀;预备热处理为淬火处理和调质处理时,残留的铁素体形态细小,且与回火索氏体均匀分布。采用不同预备热处理时,亚温处理后的硬度差别很小。亚温处理后42CrMo钢的冲击性能均高于常规调质处理后的冲击性能;预备热处理为调质处理时,亚温处理后的冲击功 ,从其断口形貌中可以看出,其起裂区和裂纹纤维扩展区所占比例较退火处理和淬火处理时要大。因此,调质处理更适合作为42CrMo钢的预备处理。
。在激光功率密度不变时,随着垂直于扫描方向上的光斑宽度增加,硬化层宽度呈正比例增加,硬化层深度则先增后减,距离硬化层中心最深处相同距离点的曲率则逐渐减少。结论通过优化激光淬火工艺参数,控制激光淬火的热传导时间和深度方向的温度梯度分布,可以在表面不熔化的前提下,获得较深的硬化层。光斑尺寸对42CrMo钢板激光深层淬火硬化层深度和硬化层均匀性有较大影响,选择较大的光斑宽度可以得到更为均匀的硬化层。
本文对实验用钢42CrMo进行了成分测定、热处理工艺设计、组织表征、性能检测与分析等研究。采用Jmat-pro软件模拟了42CrMo钢的冷却转变过程,并实测了实验用钢的连续冷却转变曲线和等温转变曲线,利用OM、SEM、硬度测量等手段分析了不同冷却速度和等温温度下的组织及特征,特别是贝氏体转变区间、类型、特征和含量等与硬度的关系,通过热处理工艺设计调控组织,建立了观组织与硬度、韧性和耐磨性等之间的关系。42CrMo钢板的连续冷却转变曲线CCT图表明,Ac1为743℃,Ac3为792℃,在实验的冷速范围内,存在有先共析铁素体、珠光体、贝氏体和马氏体四个转变区;冷速大于3℃/s,获得羽毛状上贝和针片状下贝为主的复相组织,随冷速增加,组织中马氏体含量增加,混合贝氏体相中上贝氏体量减少,硬度呈上升趋势,冷速20℃/s,获得马氏体基体+（3%5%）下贝氏体的复相组织。
等温转变曲线TTT图表明,在410℃500℃区间等温将发生上贝氏体转变,组织为羽毛状特征为主,下贝氏体转变的等温温度介于310℃410℃之间,组织为针片状贝氏体+板条状马氏体的复相组织,随等温温度降低,马氏体含量增加;在560℃-590℃之间等温出现的大量针状魏氏组织,与实验材料组织不均,晶粒粗大有关。42crmo钢板调质热处理工艺实验结果表明,淬火加热温度840℃,采用18%水基淬火介质冷却,获得下贝氏体含量约为20.3%的马/贝复相组织,经560℃回火,其综合力学性能达到良好匹配;等温热处理工艺实验表明,在320℃380℃区间等温,
刃口钝化及涂层工艺是提升刀具切削性能及加工质量的重要刀具后处理方法。本文对钝化未涂层、钝化且涂层以及无钝化涂层的硬质合金钻头钻削42CrMo钢板的钻削性能进行对比研究,并分析了钝化且涂层钻头刃口的K因子及平均圆度随加工孔数变化情况。结果表明:刀具钝化与涂层后处理工艺对刀具寿命及其失效形式有决定性影响。在实验参数下,未后处理钻头加工孔数仅10孔就发生崩刃失效;钝化未涂层钻头的寿命是钝化涂层钻头的10倍,主要失效形式为粘结磨损与磨粒磨损;钝化且涂层钻头寿命为无钝化涂层的150倍,主要失效形式为磨粒磨损。钝化且涂层钻头刃口在加工过程中的存在:"涂层破损—基体磨损—新刃口形成—刃口崩刃—刃口再形成"的变化趋势。
利用摩擦磨损试验探究不同激光功率下42CrMo钢板激光熔覆层的耐磨性,采用SEM和OM观察了试样摩擦磨损前后的熔覆层组织形貌。结果表明:42CrMo钢基体的摩擦因数较大,且在该摩擦磨损后出现了严重的脆性剥落现象,激光熔覆层可以提升42CrMo钢的耐磨损性能;当激光功率为1600 W时,摩擦因数可降低至0.28,熔覆层表面SEM形貌较为光滑,耐磨性优异,熔覆层组织中的晶粒细化均匀,主要表现为细小的等轴晶,组织较为致密,从而提高了熔覆层的耐磨损性能。
在42CrMo钢的基础成分上增加Al、Ti元素,通过末端淬火试验和截面硬度试验对比分析Al对42CrMo钢淬透性的影响差异,通过常规力学性能检测对比其与42CrMo钢的力学性能差异。42crmo钢板结果表明Al、Ti元素添加可进一步提高淬透性,并且使钢的强度达到1200 MPa级,-40℃下KV2≥27 J,满足低温环境下螺栓用钢的使用要求。采用化学相分析方法,对钢中析出相进行了定性、定量分析,结果表明Ti在钢中添加发挥明显固氮作用,提高了Al元素的固溶量,利用热膨胀法对比测定试验钢的等温转变曲线,证明了增加Al含量,降低了奥氏体临界转变温度,使C曲线右移,明显改善了钢的淬透性。
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为了提高汽车传动件常用材料42CrMo钢板的耐腐蚀性能,对42CrMo钢进行锰系磷化处理,并考察了表面调整和磷化液温度对磷化膜耐腐蚀性能的影响。
结果表明,表面调整后形成的磷化膜结晶细致均匀,晶粒大小较均一,较未表面调整直接形成的磷化膜的耐腐蚀性能有一定的提高;磷化液温度对磷化膜的观形貌、成分和耐腐蚀性能有较大影响,随着磷化液温度从78℃升高到94℃,晶粒先细化后粗化,磷化膜致密性先变好后变差;磷化膜中Mn元素质量分数先升高后降低,Fe元素质量分数先降低后升高,而P和O元素质量分数变化不大;磷化膜的腐蚀电位先正移后负移,腐蚀电流密度先降低后升高;表面调整后在86℃下形成的磷化膜具有良好的耐腐蚀性能,其腐蚀电位和腐蚀电流密度分别为-527.46 mV、1.997×10-5A/cm2,对42CrMo钢的保护效率为73.2%,能有效提高42CrMo钢板的耐腐蚀性能。
42CrMo钢板经过调质处理（淬火+回火）可以获得良好的强度和韧性,因此被作为制造大规格螺栓等零部件的常用材料。由于此类零部件应用环境的影响,对于其制造材料不仅要求具备良好的强度、韧性、延展性等综合性能,还要求高的低温冲击性能,特别是大规格的螺栓（42mm≤Φ≤64mm）,其截面尺寸的增加导致淬火后材料心部除马氏体组织产生外,作为不完全淬火组织的贝氏体组织比例增加,难以实现截面性能的均匀性和保证心部的低温冲击性能。因此为保证大规格螺栓的服役性能,要求材料要具有良好的淬透性,即淬火后心部马氏体组织达到90%以上。虽然通过控制生产工艺可以改善材料的淬透性,但是影响材料淬透性的根本原因是材料的化学成分。本文针对大规格螺栓钢淬透性问题,在42CrMo钢基础成分上配合添加元素Al、B、Ti,同时控制钢的N含量,研究了Al添加对42CrMo钢淬透性和淬火组织以及性能的影响,并与含B钢进行对比,揭示Al对不同尺寸42CrMo钢淬透性的影响规律。
具体研究内容如下:在42crmo钢板基础成分中配合添加Al-Ti和Al-B元素,通过末端淬火实验和截面硬度实验对比分析设计钢与42CrMo钢淬透性的差异,并通过金相显镜OM、扫描电镜SEM观察不同部位淬火后组织形貌以及回火后观组织和断口形貌,通过常规力学性能检测其常温拉伸和低温冲击性能,
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