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為了提高汽車傳動件常用材料42CrMo鋼板的耐腐蝕性能,對42CrMo鋼進(jìn)行錳系磷化處理,并考察了表面調(diào)整和磷化液溫度對磷化膜耐腐蝕性能的影響。
結(jié)果表明,表面調(diào)整后形成的磷化膜結(jié)晶細(xì)致均勻,晶粒大小較均一,較未表面調(diào)整直接形成的磷化膜的耐腐蝕性能有一定的提高;磷化液溫度對磷化膜的觀形貌、成分和耐腐蝕性能有較大影響,隨著磷化液溫度從78℃升高到94℃,晶粒先細(xì)化后粗化,磷化膜致密性先變好后變差;磷化膜中Mn元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)先升高后降低,Fe元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)先降低后升高,而P和O元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)變化不大;磷化膜的腐蝕電位先正移后負(fù)移,腐蝕電流密度先降低后升高;表面調(diào)整后在86℃下形成的磷化膜具有良好的耐腐蝕性能,其腐蝕電位和腐蝕電流密度分別為-527.46 mV、1.997×10-5A/cm2,對42CrMo鋼的保護(hù)效率為73.2%,能有效提高42CrMo鋼板的耐腐蝕性能。
42CrMo鋼板經(jīng)過調(diào)質(zhì)處理（淬火+回火）可以獲得良好的強(qiáng)度和韌性,因此被作為制造大規(guī)格螺栓等零部件的常用材料。由于此類零部件應(yīng)用環(huán)境的影響,對于其制造材料不僅要求具備良好的強(qiáng)度、韌性、延展性等綜合性能,還要求高的低溫沖擊性能,特別是大規(guī)格的螺栓（42mm≤Φ≤64mm）,其截面尺寸的增加導(dǎo)致淬火后材料心部除馬氏體組織產(chǎn)生外,作為不完全淬火組織的貝氏體組織比例增加,難以實(shí)現(xiàn)截面性能的均勻性和保證心部的低溫沖擊性能。因此為保證大規(guī)格螺栓的服役性能,要求材料要具有良好的淬透性,即淬火后心部馬氏體組織達(dá)到90%以上。雖然通過控制生產(chǎn)工藝可以改善材料的淬透性,但是影響材料淬透性的根本原因是材料的化學(xué)成分。本文針對大規(guī)格螺栓鋼淬透性問題,在42CrMo鋼基礎(chǔ)成分上配合添加元素Al、B、Ti,同時控制鋼的N含量,研究了Al添加對42CrMo鋼淬透性和淬火組織以及性能的影響,并與含B鋼進(jìn)行對比,揭示Al對不同尺寸42CrMo鋼淬透性的影響規(guī)律。
具體研究內(nèi)容如下:在42crmo鋼板基礎(chǔ)成分中配合添加Al-Ti和Al-B元素,通過末端淬火實(shí)驗(yàn)和截面硬度實(shí)驗(yàn)對比分析設(shè)計(jì)鋼與42CrMo鋼淬透性的差異,并通過金相顯鏡OM、掃描電鏡SEM觀察不同部位淬火后組織形貌以及回火后觀組織和斷口形貌,通過常規(guī)力學(xué)性能檢測其常溫拉伸和低溫沖擊性能,
42crmo鋼板具體的研究結(jié)果如下:（1）采用電脈沖處理地實(shí)現(xiàn)了鋼材的晶粒細(xì)化,明確了脈沖電流誘導(dǎo)晶粒細(xì)化的具體機(jī)理。瞬時的高能量輸入顯著降低了奧氏體相變能障,極大地提高了奧氏體的形核率,短時間的作用以及隨后快速的水冷處理抑制了奧氏體晶粒的長大。電脈沖處理后,淬火態(tài)42CrMo鋼的晶粒細(xì)化了56.3%,固溶態(tài)T250鋼的晶粒尺寸下降了74.6%。
（2）揭示出電脈沖處理提高鋼材中殘余奧氏體穩(wěn)定性的具體機(jī)制:i)若處理前鋼材中的合金元素是不均勻分布的,則電脈沖處理的瞬時性也就決定了處理后的元素?zé)o法充分均勻化,奧氏體穩(wěn)定化元素濃度高的區(qū)域?qū)闅堄鄪W氏體的形成提供足夠的化學(xué)驅(qū)動力;ii)晶粒的細(xì)化以及電脈沖處理過程中界面處大量晶體缺陷的形成,使馬氏體與奧氏體的界面能得到提高,這將使馬氏體的生長提前停滯,同時馬氏體轉(zhuǎn)變起始溫度也會顯著下降;iii)奧氏體向馬氏體轉(zhuǎn)變是一個體積膨脹的過程,電脈沖處理過程中存在的熱壓應(yīng)力可有效地抑制馬氏體轉(zhuǎn)變。
（3）脈沖電流特定的物理場分布及物理效應(yīng)可明顯改變亞結(jié)構(gòu)及第二相的形態(tài)和分布。受熱壓應(yīng)力的影響,原本在高層錯能鋼材中難以形成的堆垛層錯在電脈沖處理中得以形成,而堆垛層錯的形成又為回火態(tài)42CrMo鋼板中超細(xì)珠光體類組織的形成奠定了基礎(chǔ);合金元素貧瘠區(qū)與富集區(qū)之間的應(yīng)力可促進(jìn)孿晶或殘余奧氏體的形成;電子風(fēng)強(qiáng)烈沖擊界面形成大量的晶體缺陷,可使第二相主動地浸潤晶界,而若使界面處的缺陷得到回復(fù),第二相則被動浸潤其他界面;多個物理場的重疊可使亞結(jié)構(gòu)的分布具有方向性,如42CrMo鋼中沿電流方向分布的位錯、T250鋼中沿電流方向分布的Ni3（Ti,Al）團(tuán)簇;電遷移效應(yīng)可促進(jìn)位錯形成具有小角度取向差的亞晶界。
（4）研究發(fā)現(xiàn)脈沖電流對優(yōu)滑移系上原子或位錯運(yùn)動的促進(jìn)42crmo鋼板,可使沿電流方向的特定取向強(qiáng)度增強(qiáng),形成了沿電流方向（ED）的織構(gòu)。如固溶態(tài)T250鋼中{112}//ED織構(gòu)、TS+EPA態(tài)T250鋼中殘余奧氏體{111}//ED及EPS+EPA態(tài)T250鋼中小角度{110}//ED織構(gòu)的形成。
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)測試分析勵磁電壓對其的組織結(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。
