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針對淬火油污染嚴重、生產(chǎn)不因素等問題,介紹一種新型水基淬火介質,及替代傳統(tǒng)油淬的工藝。利用光學顯鏡、洛氏硬度計、 試驗機和沖擊試驗機等手段對不同規(guī)格的42CrMo鋼板在無機高分子水基淬火液中淬火再高溫回火后的組織及性能進行了研究,并分析了用無機高分子水溶性淬火介質替代淬火油的可能性。結果表明,42CrMo鋼在淬火后的硬度值為55～56 HRC;回火后的硬度值為285 HBW;顯組織主要為粒狀索氏體。其抗拉強度、屈服強度、伸長率、斷面收縮率等力學性能均達到大型合金鋼鍛件的JB/T6396技術條件要求。因此,改進后的熱處理工藝可以更好地應用于42CrMo鋼板的淬火,顯著提高了偏航齒圈綜合熱處理質量。
42CrMo鋼板作為現(xiàn)代社會使用廣泛的材料之一,往往在服役環(huán)境中容易遭受腐蝕和磨損等破壞,使得其使用壽命大大降低。氣體滲氮（gas nitriding）是一種能夠顯著鋼鐵材料表面耐腐蝕性能和耐磨損性能的技術。但是其效率往往很低,也導致了其生產(chǎn)成本的增加。因此,越來越多的研究集中到了氣體滲氮效率上。鐵酸鑭是一種稀土鈣鈦礦氧化物,在催化領域的應用前景也非常有潛力。本論文以42CrMo鋼為基體,在基體表面通過溶膠凝膠法預制備一層鐵酸鑭薄膜,這也是 次將鐵酸鑭引入到氣體滲氮中。并且研究了不同薄膜厚度、滲氮溫度以及不同混合氣體比例等參數(shù)的改變對滲層組織、結構及性能的影響。
通過光學顯鏡（OM）和掃描電鏡（SEM）觀察樣品表面和橫截面結構和形貌;通過X射線衍射儀（XRD）和能譜儀（EDS）表征滲氮層物相和化學成分組成;通過顯硬度計表征滲氮層顯力學性能和有效硬化層厚度;利用削盤式摩擦磨損儀和電化學工作站分別表征樣品耐磨損性能和耐腐蝕性能;后續(xù)利用超景深顯鏡觀察樣品摩擦磨損和電化學腐蝕形貌;通過X射線光譜（XPS）和透射電鏡（TEM）研究樣品表面化學和成鍵狀態(tài)及區(qū)形貌,討論了鐵酸鑭在氣體滲氮過程中催滲機理。42crmo鋼板結果表明,在樣品表面預制備一層鐵酸鑭薄膜后,可以有效地促進化合物層和有效硬化層增厚。霧化沉積鐵酸鑭薄膜樣品在550℃下氣體滲氮4h后,具有厚的化合物層和有效硬化層,厚度分別為15.29μm和305.8μm;此外,表面氮含量增加也使得表面硬度有了顯著,表面硬度 值為910.5HV0
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針對石油平臺35CrMo鋼大齒輪、42CrMo鋼板小齒輪的齒面缺陷修復任務,對齒輪材質、零件現(xiàn)狀開展了工藝修復研究。通過對CO2氣體保護焊、氬弧焊、光纖激光焊三種焊接工藝進行分析比較,發(fā)現(xiàn)光纖激光焊修復齒輪缺陷優(yōu)勢明顯。經(jīng)過齒輪實際修復后的檢測與試驗,取得了比較好的效果。
通過顯組織觀察和力學性能檢測,分析了42CrMo鋼板在不同回火溫度下觀組織形貌和力學性能的變化。通過三維原子探針（3DAP）技術分析500℃回火溫度下42CrMo鋼中元素分布情況,研究了Cr、Mn、Mo等合金元素對鋼性能的影響。結果表明,42CrMo鋼水淬后在450℃回火時顯組織為回火屈氏體,在500～650℃區(qū)間回火時顯組織均為回火索氏體,隨著回火溫度的增加,顆粒狀碳化物增多;抗拉強度和規(guī)定塑性延伸強度降低,-40℃低溫沖擊性能升高。在500℃回火可達到12.9級螺栓力學指標（Rm≥1200 MPa,KV2≥27 J）,力學性能 ,且滿足低溫環(huán)境下螺栓用鋼的使用要求。3DAP結果表明,鋼中的合金元素通過固溶強化和沉淀強化提高了鋼的性能。
針對42CrMo合結鋼軋材超聲波探傷合格率低的問題,利用掃描電鏡等設備對探傷不合樣品進行分析,發(fā)現(xiàn)探傷不合樣品中有直徑為100μm左右的球形夾雜物或者尺寸為1 000μm左右的長條形夾雜物。42crmo鋼板通過鋼液內生夾雜和生產(chǎn)過程接觸的原輔料的分析比對,認為大尺寸夾雜物主要由于外來夾雜進入鋼液中,終造成軋材探傷合格率低。通過增加硅鈣線用量、鋼包澆鑄后期不下渣、浸入式水口侵蝕速率小于1.5 mm/h、結晶器液位波動不大于±3 mm和恒定拉速澆鑄等控制方式,減少了鋼中外來大尺寸夾雜,提高了鋼液潔凈度,使探傷合格率提高到97.5%以上。
針對具有不同淬硬層深度42CrMo鋼板軸承的許用接觸應力大小不同的問題,采用線性回歸法建立 變形量與 接觸應力之間的線性方程,計算許用接觸應力。通過試驗分析了套圈淬硬層深度對軸承許用接觸應力的影響。結果表明,當淬硬層深度不大于6 mm時,許用接觸應力隨淬硬層深度的增大而增大。
以常用齒輪鋼42CrMo鋼板為研究材料,采用不同空氣流量對其進行離子氮氧共滲,并與傳統(tǒng)離子滲氮進行對比。利用光學顯鏡、XRD和電化學工作站對滲層的顯組織、物相和耐蝕性進行了測試和分析。研究結果表明,在550℃+4h相同溫度和時間條件下,離子氮氧共滲化合物層比傳統(tǒng)離子滲氮滲層厚度增加50%以上,氮化疏松層級別提高到1～2級;同時,離子氮氧共滲后滲層表層形成了一薄層Fe3O4,使耐蝕性得到顯著提高,0.3L/min為 空氣流量。該研究可為改進42CrMo表面改性工藝方案提供參考。
本文通過對42CrMo鋼在N32+N15混合機油、快速淬火油和PAG水溶性淬火介質中的淬火試驗,對其機械性能、環(huán)保等進行分析對比。試驗結果表明,42CrMo鋼板在12%PAG水溶性淬火介質中淬火優(yōu)于在油類冷卻劑中淬火,并且具有環(huán)保效果。
為了建立適用于冷塑性加工力學性能研究的材料本構模型,提出了一種基于材料觀變形機制分析的本構模型建立及其驗證方法。以高脆硬性的淬火態(tài)42CrMo鋼板為例,首先根據(jù)材料的化學成分和硬度,運用數(shù)值計算方法獲取冷塑性變形流動應力數(shù)據(jù),然后通過分析流動應力數(shù)據(jù)特點建立了Z-A （Zerilli-Armstron）修正本構方程, 結合硬度壓痕實驗結果和有限元仿真對本構方程有效性進行了驗證。結果表明,修正后的Z-A本構模型擬合效果好,42crmo鋼板相關度較高;硬度壓痕實驗結果與仿真結果整體誤差較小,所建立的本構方程能夠準確描述材料的力學行為,可以用于淬火態(tài)42CrMo鋼冷塑性加工的力學特性研究中。
對于大傾覆力矩、重載疲勞和高沖擊高磨損的軸承材料,通常采用感應淬火進行表面強化,但存在軟帶和變形大等問題。而使用激光淬火硬化層深度在1 mm以內,42crmo鋼板且橫截面硬化層為"月牙形",試樣表面各點硬化層分布不均,較淺處易提前發(fā)生損壞。
為解決以上問題,利用COMSOL軟件模擬激光深層淬火過程溫度場時空分布,與常規(guī)激光淬火不同,激光深層淬火采用了寬光斑、低速掃描,且輔助用于提高吸光率的涂料,在軟件中設定不同激光功率、掃描速度和光斑尺寸,分析得到不同工藝參數(shù)下的溫度場分布、硬化層形貌和特征尺寸,并在模擬指導下進行實驗得到深層硬化層,并探究光斑尺寸對硬化層深度、寬度、均勻性的影響。模擬結果表明,選擇適當?shù)募す夤β拭芏群蛼呙杷俣冗M行激光淬火溫度場的模擬,可以得到3.6 mm深的硬化層。以此進行光纖耦合半導體激光器淬火實驗,實驗所得有效硬化層深度為3.7 mm,硬化層平均硬度為774 HV0.3。42crmo鋼板將實驗所得硬化層形貌和模擬結果進行對比,平均誤差為6.5%。模擬結果還表明,在激光功率、光斑面積和掃描速度不變時,改變光斑的寬度,硬化層的寬度與光斑的寬度成正比例,硬化層的深度隨光斑寬度增加先增加后減小。隨著光斑寬度增加,硬化層分布更加均勻。
利用金相顯鏡、洛氏硬度計和掃描電鏡,對經(jīng)過預備熱處理（退火、淬火、調質）+亞溫淬火+高溫回火處理（又稱臨界區(qū)淬火+回火）后的42CrMo鋼的組織、沖擊性能以及斷口形貌進行了觀察和分析。結果表明,預備熱處理為退火處理時,亞溫處理后殘留的鐵素體粗大不均;且在回火索氏體之間分布不均勻;預備熱處理為淬火處理和調質處理時,殘留的鐵素體形態(tài)細小,且與回火索氏體均勻分布。采用不同預備熱處理時,亞溫處理后的硬度差別很小。亞溫處理后42CrMo鋼的沖擊性能均高于常規(guī)調質處理后的沖擊性能;預備熱處理為調質處理時,亞溫處理后的沖擊功 ,從其斷口形貌中可以看出,其起裂區(qū)和裂紋纖維擴展區(qū)所占比例較退火處理和淬火處理時要大。因此,調質處理更適合作為42CrMo鋼的預備處理。
