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對(duì)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(cè)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(duì)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(duì)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(shí)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(shí)間對(duì)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(jì)算模型。結(jié)果表明:隨著回火溫度的升高和時(shí)間的延長(zhǎng),馬氏體的板條界面逐漸模糊或消失,板條寬度增加,位錯(cuò)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(shí)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(jì)算模型,可以較好地預(yù)測(cè)42CrMo鋼在200～600℃回火時(shí)的屈服強(qiáng)度變化。
針對(duì)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(duì)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(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(duì)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
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。
42CrMo鋼板齒圈毛坯的淬火通常采用油淬或聚合物水溶液淬火來避免淬火的開裂,但油淬或聚合物水溶液淬火導(dǎo)致嚴(yán)重的環(huán)境污染。改用水淬不僅可滿足綠色環(huán)保的要求而且可降低成本,但極易產(chǎn)生開裂。針對(duì)上述問題,本研究基于溫度場(chǎng)、組織場(chǎng)和應(yīng)力場(chǎng)的有限元模擬,獲得優(yōu)化的水-空交替控時(shí)淬火冷卻（ATQ）工藝,成功應(yīng)用于大直徑（ф1970 mm）的42CrMo鋼齒圈毛坯的淬火冷卻。結(jié)果表明:采用ATQ工藝處理42CrMo鋼齒圈毛坯,不僅回火后的力學(xué)性能高于性能指標(biāo)要求,而且有效避免了淬火開裂。
對(duì)42CrMo鋼板軋制工藝參數(shù)進(jìn)行了的優(yōu)化,研究了不同加熱、軋制溫度的42CrMo鋼棒材組織及布氏硬度變化規(guī)律。結(jié)果表明,通過控制加熱、均熱段溫度和終軋溫度可有效控制熱軋態(tài)42CrMo鋼棒材組織及布氏硬度;42CrMo鋼棒材開裂原因主要是軋制后產(chǎn)生大量的貝氏體組織,且沿棒材橫斷面分布不均勻,由邊部到心部的貝氏體含量減小,布氏硬度則由大變小。熱軋鋼布氏硬度≤260HBW時(shí)可避免在棒材剪切下料過程開裂、掉塊現(xiàn)象。
利用高壓水射流噴丸技術(shù)（WSP）和真空脈沖等離子氮化技術(shù),研究了水射流噴丸預(yù)處理對(duì)42CrMo鋼等離子氮化后的滾動(dòng)接觸疲勞性能的影響。采用OM、SEM、TEM、XRD應(yīng)力測(cè)定儀、表面粗糙度儀、顯硬度儀對(duì)等離子氮化和復(fù)合處理后試樣的滲層顯組織、結(jié)構(gòu)以及表面完整性進(jìn)行了表征,并對(duì)疲勞斷口形貌進(jìn)行了分析。42crmo鋼板結(jié)果表明:經(jīng)過WSP預(yù)處理后,42CrMo鋼獲得了更好的氮化效果,疲勞性能得到大幅。原因是經(jīng)WSP預(yù)處理后,試樣表面細(xì)小彌散的氮化物和表層晶粒的細(xì)化有利于抑制表面裂紋的萌生與擴(kuò)展,改變了疲勞裂紋的萌生機(jī)制,次表層硬度的提高以及更深的殘余壓應(yīng)力影響層推遲了次表層裂紋的萌生,更高的次表層殘余壓應(yīng)力抑制了次表層二次裂紋的萌生以及主裂紋的擴(kuò)展,延長(zhǎng)了42CrMo鋼滲氮后的接觸疲勞壽命,使得失效機(jī)理更接近于赫茲理論。
