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。在激光功率密度不變時(shí),隨著垂直于掃描方向上的光斑寬度增加,硬化層寬度呈正比例增加,硬化層深度則先增后減,距離硬化層中心深處相同距離點(diǎn)的曲率則逐漸減少。結(jié)論通過優(yōu)化激光淬火工藝參數(shù),控制激光淬火的熱傳導(dǎo)時(shí)間和深度方向的溫度梯度分布,可以在表面不熔化的前提下,獲得較深的硬化層。光斑尺寸對(duì)42CrMo鋼板激光深層淬火硬化層深度和硬化層均勻性有較大影響,選擇較大的光斑寬度可以得到更為均勻的硬化層。
本文對(duì)實(shí)驗(yàn)用鋼42CrMo進(jìn)行了成分測(cè)定、熱處理工藝設(shè)計(jì)、組織表征、性能檢測(cè)與分析等研究。采用Jmat-pro軟件模擬了42CrMo鋼的冷卻轉(zhuǎn)變過程,并實(shí)測(cè)了實(shí)驗(yàn)用鋼的連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變曲線和等溫轉(zhuǎn)變曲線,利用OM、SEM、硬度測(cè)量等手段分析了不同冷卻速度和等溫溫度下的組織及特征,特別是貝氏體轉(zhuǎn)變區(qū)間、類型、特征和含量等與硬度的關(guān)系,通過熱處理工藝設(shè)計(jì)調(diào)控組織,建立了觀組織與硬度、韌性和耐磨性等之間的關(guān)系。42CrMo鋼板的連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變曲線CCT圖表明,Ac1為743℃,Ac3為792℃,在實(shí)驗(yàn)的冷速范圍內(nèi),存在有先共析鐵素體、珠光體、貝氏體和馬氏體四個(gè)轉(zhuǎn)變區(qū);冷速大于3℃/s,獲得羽毛狀上貝和針片狀下貝為主的復(fù)相組織,隨冷速增加,組織中馬氏體含量增加,混合貝氏體相中上貝氏體量減少,硬度呈上升趨勢(shì),冷速20℃/s,獲得馬氏體基體+（3%5%）下貝氏體的復(fù)相組織。
等溫轉(zhuǎn)變曲線TTT圖表明,在410℃500℃區(qū)間等溫將發(fā)生上貝氏體轉(zhuǎn)變,組織為羽毛狀特征為主,下貝氏體轉(zhuǎn)變的等溫溫度介于310℃410℃之間,組織為針片狀貝氏體+板條狀馬氏體的復(fù)相組織,隨等溫溫度降低,馬氏體含量增加;在560℃-590℃之間等溫出現(xiàn)的大量針狀魏氏組織,與實(shí)驗(yàn)材料組織不均,晶粒粗大有關(guān)。42crmo鋼板調(diào)質(zhì)熱處理工藝實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,淬火加熱溫度840℃,采用18%水基淬火介質(zhì)冷卻,獲得下貝氏體含量約為20.3%的馬/貝復(fù)相組織,經(jīng)560℃回火,其綜合力學(xué)性能達(dá)到良好匹配;等溫?zé)崽幚砉に噷?shí)驗(yàn)表明,在320℃380℃區(qū)間等溫,
連接柴油機(jī)凸輪軸與正時(shí)齒輪的42CrMo鋼板螺栓在試機(jī)過程中斷裂。對(duì)斷裂螺栓進(jìn)行了宏觀檢驗(yàn)、化學(xué)成分分析、硬度測(cè)定、金相檢驗(yàn)和能譜分析。結(jié)果表明:螺栓的化學(xué)成分、顯組織和硬度均正常,但氧化物夾雜的含量較高,且 直徑達(dá)350μm,大大降低了螺栓的有效承載面積,導(dǎo)致其斷裂。
為調(diào)控離子滲氮滲層特性,獲得少脆性化合物層、厚韌性擴(kuò)散層的滲氮層,提高離子滲氮滲層抗沖擊性和重載下的耐磨性,對(duì)42CrMo鋼板進(jìn)行了添加量鈦的創(chuàng)新離子滲氮處理。利用光學(xué)顯鏡、SEM、XRD和顯硬度計(jì)對(duì)滲層的截面顯組織、表面形貌和成分、物相和截面硬度進(jìn)行了測(cè)試和分析。結(jié)果表明:添加量鈦離子滲氮可顯著改善滲層特性,獲得少化合物層的高硬高韌滲氮層,同時(shí)顯著提高離子滲氮效率。
在540℃×4h工藝條件下,添加量鈦可使離子滲氮有效硬化層厚度顯著增加,由常規(guī)離子滲氮的225μm增加到380μm,即滲氮效率提高近70%;有效硬化層厚度提高的情況下,化合物層厚度反而減薄,由常規(guī)離子滲氮的19μm降低到10μm,即化合物層厚度降低了約50%;滲層中化合物層與有效硬化層之比值由常規(guī)離子滲氮的8.5%降低到2.6%。同時(shí)添加量鈦離子滲氮滲層中形成了高硬度強(qiáng)化相Ti N,使?jié)B層表面硬度由703HV0.05提高至895HV0.05。42crmo鋼板添加量鈦離子滲氮獲得了薄化合物層、高硬高韌、厚有效硬化層的優(yōu)良滲氮層特性,該滲層特性對(duì)改善離子滲氮零部件抗沖擊性和重載下的耐磨性具有重要研究和應(yīng)用價(jià)值。
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。
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