通過激光沖擊強(qiáng)化對(duì)42CrMo鋼板中碳合金鋼進(jìn)行了表面強(qiáng)化處理。采用顯組織觀察、硬度測(cè)試、摩擦磨損實(shí)驗(yàn)研究了不同脈沖能量的激光沖擊強(qiáng)化處理對(duì)42CrMo鋼組織和性能的影響。結(jié)果表明:未經(jīng)激光沖擊強(qiáng)化的42CrMo鋼組織中鐵素體均勻連續(xù),珠光體片層間鐵素體較為明顯。隨著激光沖擊強(qiáng)化輸出能量的增加,組織中鐵素體越來越分散,珠光體片層組織越來越不明顯,激光沖擊強(qiáng)化后42CrMo鋼中有大量位錯(cuò)、亞晶出現(xiàn)。在32～36 J的脈沖能量范圍內(nèi),激光沖擊強(qiáng)化的該鋼的表面硬度和耐磨性顯著提高,并在表面形成了厚度0.75 mm的硬化層。激光沖擊強(qiáng)化沖擊能量越高,42CrMo鋼硬度越高,耐磨性越好。 

  目的探究二次噴丸工藝參數(shù)對(duì)42CrMo鋼零件表面完整性的影響規(guī)律。方法建立三維隨機(jī)噴丸有限元模型,并通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證有限元模型預(yù)測(cè)殘余應(yīng)力的準(zhǔn)確性。將一次噴丸后零件的表面形貌和應(yīng)力應(yīng)變結(jié)果作為初始狀態(tài)導(dǎo)入到二次噴丸模型中,構(gòu)建出二次噴丸預(yù)測(cè)模型。分析二次噴丸參數(shù)對(duì)42CrMo鋼零件表面殘余應(yīng)力場(chǎng)、表面粗糙度以及等效塑性形變場(chǎng)的影響情況。

  結(jié)果二次噴丸后,42CrMo鋼板零件近表層（0～100μm）的殘余壓應(yīng)力值均比初始狀態(tài)有所增加。增加二次噴丸覆蓋率對(duì)表面殘余應(yīng)力的作用為明顯, 可比初始狀態(tài)提高63.3%,而增加二次噴丸直徑對(duì)殘余應(yīng)力的改善效果42crmo鋼板不明顯。過度增加二次噴丸速度會(huì)導(dǎo)致表面粗糙度明顯增加,提高二次噴丸覆蓋率可顯著降低表面粗糙度,覆蓋率為300%時(shí),粗糙度比初始狀態(tài)減小了14.4%。表層PEEQ值隨著二次噴丸速度、彈丸直徑和覆蓋率的增加而增加,但當(dāng)二次噴丸速度、彈丸直徑和覆蓋率增加到一定程度后,表層PEEQ值會(huì)趨于飽和。

利用三維原子探針（3DAP）分析元素分布。結(jié)果表明Al-Ti、Al-B的添加均使42CrMo鋼板淬透性提高,Al-B配合添加的42CrMo鋼淬透性 ,直接淬火后截面心部馬氏體組織大于90%;并且使鋼的抗拉強(qiáng)度Rm≥1200MPa,-40℃下沖擊吸收功KV2≥27J,力學(xué)性能滿足低溫環(huán)境下12.9級(jí)螺栓用鋼的使用要求。

   通過化學(xué)相分析實(shí)驗(yàn)和CCT曲線測(cè)定,表明Al-Ti配合添加,Ti發(fā)揮固氮作用形成TiN,使Al固溶于鐵素體中,抑制貝氏體產(chǎn)生;Al-B配合添加,當(dāng)Al的添加含量較高,使得相同溫度下AlN優(yōu)先BN析出,這一部分Al發(fā)揮固氮作用,另外一部分Al與B共同固溶于鋼中,抑制珠光體和鐵素體的轉(zhuǎn)變,增加實(shí)驗(yàn)鋼在較低的冷速下獲得馬氏體的能力,提高鋼的淬透性。通過3DAP實(shí)驗(yàn)分析鋼中各元素的分布情況,其中Al元素在鋼中彌散分布,抑制C的擴(kuò)散,從而抑制貝氏體的形成,提高鋼的淬透性。

  采用電弧離子鍍技術(shù)在刀具42CrMo鋼板表面沉積制備TiAlSiN涂層,實(shí)驗(yàn)測(cè)試分析勵(lì)磁電壓對(duì)其的組織結(jié)構(gòu)及其摩擦性能的影響。研究結(jié)果表明不同電壓制備的TiAlSiN涂層表面形成了大量孔洞。隨著電壓升高后,涂層的粗糙度和厚度明顯增加。所有層都形成了緊密結(jié)合狀態(tài),未產(chǎn)生明顯縫隙結(jié)構(gòu),涂層都形成了具有柱狀結(jié)構(gòu)。當(dāng)電壓上升后,產(chǎn)生了更多的空隙,導(dǎo)致涂層致密度發(fā)生減小。逐漸提高電壓后,獲得了具備更高顯硬度的涂層,達(dá)到了比合金鋼基體更高的硬度。隨著電壓升高,涂層的摩擦系數(shù)和磨損率先降低再升高,到達(dá)30 V電壓時(shí)達(dá)到了小的磨損率。涂層主要發(fā)生了42crmo鋼板磨粒磨損的情況。30 V電壓時(shí)形成了更加平整的涂層表面,涂層的組織結(jié)構(gòu)也變得更加致密,顯著提高了耐磨性。 

對(duì)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(chǎng)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(chǎng)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(duì)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(chǎng)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(duì)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(duì)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。