針對(duì)淬火油污染嚴(yán)重、生產(chǎn)不因素等問(wèn)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(duì)不同規(guī)格的42CrMo鋼板在無(wú)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(wú)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(zhǎng)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(huì)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(lái)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(guò)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(duì)滲層組織、結(jié)構(gòu)及性能的影響。
通過(guò)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(guò)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(guò)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(guò)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(guò)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
用同軸送粉的方式在42CrMo表面激光熔覆Fe-WC合金粉末,通過(guò)掃描電鏡、光學(xué)顯鏡、能譜儀觀察分析熔覆層的顯組織特征、WC陶瓷顆粒對(duì)熔覆層組織性能的影響、WC陶瓷顆粒分布特征及WC周圍塊狀共晶物的組成成分;用顯硬度計(jì)、摩擦磨損試驗(yàn)儀、高精度電子天平測(cè)量基體與熔覆層的性能及質(zhì)量損失,分析了引起性能曲線變化的原因。結(jié)果表明,熔覆層底部到頂部的組織變化為平面晶、晶界明顯的胞狀晶、交錯(cuò)生長(zhǎng)的柱狀樹枝晶、42cr鋼板排列緊密的胞狀晶、方向均一的柱狀樹枝晶; WC陶瓷顆粒具有細(xì)化枝晶、阻斷枝晶生長(zhǎng),增強(qiáng)熔覆層性能的能力; WC陶瓷顆粒在熔覆層中聚集分布,形成較寬的陶瓷帶; WC陶瓷顆粒周圍的塊狀共晶物是由WC部分分解得到的,其組成元素包括C、W、Fe、P、Cr。熔覆層平均硬度達(dá)到850 HV0.3,是基體平均硬度的3.4倍。摩擦因數(shù)為0.275左右,比基體小0.525?；w的質(zhì)量損失是熔覆層的11倍多。說(shuō)明Fe-WC合金熔覆層能夠有效基體的硬度及其抗磨損能力。
在42CrMo鋼板的基礎(chǔ)成分上增加Al、Ti元素,通過(guò)末端淬火試驗(yàn)和截面硬度試驗(yàn)對(duì)比分析Al對(duì)42CrMo鋼淬透性的影響差異,通過(guò)常規(guī)力學(xué)性能檢測(cè)對(duì)比其與42CrMo鋼的力學(xué)性能差異。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(jí),-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(duì)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(duì)比測(cè)定試驗(yàn)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。
通過(guò)宏觀及觀分析手段對(duì)42CrMo鋼板閥體內(nèi)孔表面裂紋開(kāi)裂原因進(jìn)行分析。42crmo鋼板結(jié)果表明:鑄造缺陷、非金屬夾雜物含量較多、調(diào)質(zhì)處理溫度過(guò)高、保溫時(shí)間較長(zhǎng),以致形成粗大珠光體和大量的魏氏組織是造成鍛件開(kāi)裂的主要原因,應(yīng)力過(guò)大導(dǎo)致了鍛件的開(kāi)裂。
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針對(duì)具有不同淬硬層深度42CrMo鋼板軸承的許用接觸應(yīng)力大小不同的問(wèn)題,采用線性回歸法建立 變形量與 接觸應(yīng)力之間的線性方程,計(jì)算許用接觸應(yīng)力。通過(guò)試驗(yàn)分析了套圈淬硬層深度對(duì)軸承許用接觸應(yīng)力的影響。結(jié)果表明,當(dāng)淬硬層深度不大于6 mm時(shí),許用接觸應(yīng)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(duì)其進(jìn)行離子氮氧共滲,并與傳統(tǒng)離子滲氮進(jìn)行對(duì)比。利用光學(xué)顯鏡、XRD和電化學(xué)工作站對(duì)滲層的顯組織、物相和耐蝕性進(jìn)行了測(cè)試和分析。研究結(jié)果表明,在550℃+4h相同溫度和時(shí)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(jí)別提高到1～2級(jí);同時(shí),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(jìn)42CrMo表面改性工藝方案提供參考。
本文通過(guò)對(duì)42CrMo鋼在N32+N15混合機(jī)油、快速淬火油和PAG水溶性淬火介質(zhì)中的淬火試驗(yàn),對(duì)其機(jī)械性能、環(huán)保等進(jìn)行分析對(duì)比。試驗(yàn)結(jié)果表明,42CrMo鋼板在12%PAG水溶性淬火介質(zhì)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(xué)性能研究的材料本構(gòu)模型,提出了一種基于材料觀變形機(jī)制分析的本構(gòu)模型建立及其驗(yàn)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(xué)成分和硬度,運(yùn)用數(shù)值計(jì)算方法獲取冷塑性變形流動(dòng)應(yīng)力數(shù)據(jù),然后通過(guò)分析流動(dòng)應(yīng)力數(shù)據(jù)特點(diǎn)建立了Z-A （Zerilli-Armstron）修正本構(gòu)方程, 結(jié)合硬度壓痕實(shí)驗(yàn)結(jié)果和有限元仿真對(duì)本構(gòu)方程有效性進(jìn)行了驗(yàn)證。結(jié)果表明,修正后的Z-A本構(gòu)模型擬合效果好,42crmo鋼板相關(guān)度較高;硬度壓痕實(shí)驗(yàn)結(jié)果與仿真結(jié)果整體誤差較小,所建立的本構(gòu)方程能夠準(zhǔn)確描述材料的力學(xué)行為,可以用于淬火態(tài)42CrMo鋼冷塑性加工的力學(xué)特性研究中。
