對42CrMo鋼板首先鍛造后淬火,再分別進(jìn)行常規(guī)熱處理、淺冷處理和深冷處理,之后進(jìn)行中溫回火,然后測試試樣的硬度和沖擊韌性,并采用掃描電子顯鏡觀察沖擊試樣的斷口形貌和試樣的觀組織,探索淺冷處理和深冷處理對42CrMo硬度和沖擊韌性及觀組織的影響。結(jié)果表明,相比于常規(guī)熱處理,42CrMo經(jīng)淺冷處理和深冷處理后硬度略下降,沖擊韌性有所,并且試樣經(jīng)深冷處理后的沖擊韌性程度高于淺冷處理的沖擊韌性。沖擊試樣斷口呈準(zhǔn)解理斷裂,屬于脆性斷裂。觀組織分析表明,淺冷處理和深冷處理均能促進(jìn)試樣組織中細(xì)小碳化物彌散分布析出。
利用光學(xué)顯鏡、掃描電鏡和電子探針對熱處理后開裂的42CrMo鋼板制大型風(fēng)電主軸進(jìn)行觀組織形貌及區(qū)成分分析。結(jié)果表明,主軸裂紋附近存在大量的硫化物及氮化物夾雜,且夾雜物與基體存在明顯的間隙面,易以界面脫粘開裂機(jī)制產(chǎn)生裂紋,同時夾雜處的區(qū)成分偏析及裂紋附近的縮松缺陷共同作用終導(dǎo)致主軸開裂。
用光學(xué)顯鏡、42crmo鋼板掃描電鏡、透射電鏡和顯硬度研究了回火溫度和時間對42CrMo鋼顯組織和硬度的影響,并推導(dǎo)獲得了回火后屈服強(qiáng)度的計算模型。結(jié)果表明:隨著回火溫度的升高和時間的延長,馬氏體的板條界面逐漸模糊或消失,板條寬度增加,位錯密度顯著減少,析出相由針狀的過渡性碳化物逐漸向球形的穩(wěn)定滲碳體轉(zhuǎn)變,顯組織從回火馬氏體演變?yōu)樘蓟飶浬⒎植嫉幕鼗鹎象w（400℃）和索氏體（600℃）,同時硬度不斷降低,且在前2 h回火內(nèi)降低顯著,而后趨于穩(wěn)定。由于擴(kuò)散控制的回火組織演變類同于單一相變過程,基于JMAK方程建立的強(qiáng)度計算模型,可以較好地預(yù)測42CrMo鋼在200～600℃回火時的屈服強(qiáng)度變化。
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刃口鈍化及涂層工藝是刀具切削性能及加工質(zhì)量的重要刀具后處理方法。本文對鈍化未涂層、鈍化且涂層以及無鈍化涂層的硬質(zhì)合金鉆頭鉆削42CrMo鋼板的鉆削性能進(jìn)行對比研究,并分析了鈍化且涂層鉆頭刃口的K因子及平均圓度隨加工孔數(shù)變化情況。結(jié)果表明:刀具鈍化與涂層后處理工藝對刀具壽命及其失效形式有決定性影響。在實驗參數(shù)下,未后處理鉆頭加工孔數(shù)僅10孔就發(fā)生崩刃失效;鈍化未涂層鉆頭的壽命是鈍化涂層鉆頭的10倍,主要失效形式為粘結(jié)磨損與磨粒磨損;鈍化且涂層鉆頭壽命為無鈍化涂層的150倍,主要失效形式為磨粒磨損。鈍化且涂層鉆頭刃口在加工過程中的存在:"涂層破損—基體磨損—新刃口形成—刃口崩刃—刃口再形成"的變化趨勢。
利用摩擦磨損試驗探究不同激光功率下42CrMo鋼板激光熔覆層的耐磨性,采用SEM和OM觀察了試樣摩擦磨損前后的熔覆層組織形貌。結(jié)果表明:42CrMo鋼基體的摩擦因數(shù)較大,且在該摩擦磨損后出現(xiàn)了嚴(yán)重的脆性剝落現(xiàn)象,激光熔覆層可以42CrMo鋼的耐磨損性能;當(dāng)激光功率為1600 W時,摩擦因數(shù)可降低至0.28,熔覆層表面SEM形貌較為光滑,耐磨性優(yōu)異,熔覆層組織中的晶粒細(xì)化均勻,主要表現(xiàn)為細(xì)小的等軸晶,組織較為致密,從而提高了熔覆層的耐磨損性能。
在42CrMo鋼的基礎(chǔ)成分上增加Al、Ti元素,通過末端淬火試驗和截面硬度試驗對比分析Al對42CrMo鋼淬透性的影響差異,通過常規(guī)力學(xué)性能檢測對比其與42CrMo鋼的力學(xué)性能差異。42crmo鋼板結(jié)果表明Al、Ti元素添加可進(jìn)一步提高淬透性,并且使鋼的強(qiáng)度達(dá)到1200 MPa級,-40℃下KV2≥27 J,滿足低溫環(huán)境下螺栓用鋼的使用要求。采用化學(xué)相分析方法,對鋼中析出相進(jìn)行了定性、定量分析,結(jié)果表明Ti在鋼中添加發(fā)揮明顯固氮作用,提高了Al元素的固溶量,利用熱膨脹法對比測定試驗鋼的等溫轉(zhuǎn)變曲線,證明了增加Al含量,降低了奧氏體臨界轉(zhuǎn)變溫度,使C曲線右移,明顯改善了鋼的淬透性。
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、 試驗機(jī)和沖擊試驗機(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
為了提高刀具用42CrMo鋼板的耐磨性能,采用電弧離子鍍技術(shù)在其表面沉積制備TiAlSiN涂層,并測試分析了勵磁電壓對其組織結(jié)構(gòu)及摩擦學(xué)性能的影響。研究結(jié)果表明:提高電壓后涂層表面粗糙度也隨之增大,制得厚度更大的TiAlSiN涂層,從初的2.16μm持續(xù)增大到4.85μm,表面粗糙度增大。隨電壓升高,涂層沿垂直基體表面的方向生長,獲得了更明顯的柱狀晶,空隙數(shù)量也進(jìn)一步增加,降低了涂層的組織致密度。隨著電壓的上升,等離子體離化率也明顯,制備得到了硬度更高的涂層,涂層的厚度也明顯增大。電壓增加過程中,TiAlSiN涂層的摩擦系數(shù)和磨損率表現(xiàn)出先下降再升高的變化規(guī)律,當(dāng)電壓達(dá)到30 V電壓時獲得了 磨損率。涂層存在磨粒磨損現(xiàn)象,可以觀察到部分涂層發(fā)生了剝落。30 V電壓時涂層表面變得更加平整,形成了更加致密的組織,耐磨性顯著提高。
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)過齒輪實際修復(fù)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(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(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。
