針對淬火油污染嚴(yán)重、生產(chǎn)不因素等問題,介紹一種新型水基淬火介質(zhì),及替代傳統(tǒng)油淬的工藝。利用光學(xué)顯鏡、洛氏硬度計(jì)、 試驗(yàn)機(jī)和沖擊試驗(yàn)機(jī)等手段對不同規(guī)格的42CrMo鋼板在無機(jī)高分子水基淬火液中淬火再高溫回火后的組織及性能進(jìn)行了研究,并分析了用無機(jī)高分子水溶性淬火介質(zhì)替代淬火油的可能性。結(jié)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(qiáng)度、屈服強(qiáng)度、伸長率、斷面收縮率等力學(xué)性能均達(dá)到大型合金鋼鍛件的JB/T6396技術(shù)條件要求。因此,改進(jìn)后的熱處理工藝可以更好地應(yīng)用于42CrMo鋼板的淬火,顯著提高了偏航齒圈綜合熱處理質(zhì)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(shù)。但是其效率往往很低,也導(dǎo)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(lǐng)域的應(yīng)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(yù)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(jié)構(gòu)及性能的影響。

   通過光學(xué)顯鏡（OM）和掃描電鏡（SEM）觀察樣品表面和橫截面結(jié)構(gòu)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(xué)成分組成;通過顯硬度計(jì)表征滲氮層顯力學(xué)性能和有效硬化層厚度;利用削盤式摩擦磨損儀和電化學(xué)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(xué)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(xué)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(jī)理。42crmo鋼板結(jié)果表明,在樣品表面預(yù)制備一層鐵酸鑭薄膜后,可以有效地促進(jìn)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

針對石油平臺35CrMo鋼大齒輪、42CrMo鋼板小齒輪的齒面缺陷修復(fù)任務(wù),對齒輪材質(zhì)、零件現(xiàn)狀開展了工藝修復(fù)研究。通過對CO2氣體保護(hù)焊、氬弧焊、光纖激光焊三種焊接工藝進(jìn)行分析比較,發(fā)現(xiàn)光纖激光焊修復(fù)齒輪缺陷優(yōu)勢明顯。經(jīng)過齒輪實(shí)際修復(fù)后的檢測與試驗(yàn),取得了比較好的效果。 

  通過顯組織觀察和力學(xué)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(xué)性能的變化。通過三維原子探針（3DAP）技術(shù)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(jié)果表明,42CrMo鋼水淬后在450℃回火時(shí)顯組織為回火屈氏體,在500～650℃區(qū)間回火時(shí)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(qiáng)度和規(guī)定塑性延伸強(qiáng)度降低,-40℃低溫沖擊性能升高。在500℃回火可達(dá)到12.9級螺栓力學(xué)指標(biāo)（Rm≥1200 MPa,KV2≥27 J）,力學(xué)性能 ,且滿足低溫環(huán)境下螺栓用鋼的使用要求。3DAP結(jié)果表明,鋼中的合金元素通過固溶強(qiáng)化和沉淀強(qiáng)化提高了鋼的性能。 

   針對42CrMo合結(jié)鋼軋材超聲波探傷合格率低的問題,利用掃描電鏡等設(shè)備對探傷不合樣品進(jìn)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(nèi)生夾雜和生產(chǎn)過程接觸的原輔料的分析比對,認(rèn)為大尺寸夾雜物主要由于外來夾雜進(jìn)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(jié)晶器液位波動(dòng)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。 

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(yīng)淬火進(jìn)行表面強(qiáng)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(nèi),42crmo鋼板且橫截面硬化層為"月牙形",試樣表面各點(diǎn)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(shí)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(shè)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(dǎo)下進(jìn)行實(shí)驗(yàn)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(jié)果表明,選擇適當(dāng)?shù)募す夤β拭芏群蛼呙杷俣冗M(jìn)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(jìn)行光纖耦合半導(dǎo)體激光器淬火實(shí)驗(yàn),實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)所得硬化層形貌和模擬結(jié)果進(jìn)行對比,平均誤差為6.5%。模擬結(jié)果還表明,在激光功率、光斑面積和掃描速度不變時(shí),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(jì)和掃描電鏡,對經(jīng)過預(yù)備熱處理（退火、淬火、調(diào)質(zhì)）+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(jìn)行了觀察和分析。結(jié)果表明,預(yù)備熱處理為退火處理時(shí),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(yù)備熱處理為淬火處理和調(diào)質(zhì)處理時(shí),殘留的鐵素體形態(tài)細(xì)小,且與回火索氏體均勻分布。采用不同預(yù)備熱處理時(shí),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(diào)質(zhì)處理后的沖擊性能;預(yù)備熱處理為調(diào)質(zhì)處理時(shí),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(kuò)展區(qū)所占比例較退火處理和淬火處理時(shí)要大。因此,調(diào)質(zhì)處理更適合作為42CrMo鋼的預(yù)備處理。