對(duì)磨煤機(jī)減速機(jī)齒輪進(jìn)行失效分析,結(jié)果表明:齒輪齒根彎曲疲勞強(qiáng)度不足,輪齒斷裂屬于多次累積損傷產(chǎn)生的疲勞斷裂42crmo鋼板,而且齒輪內(nèi)部不僅存在魏氏體組織,還存在較大的偏析區(qū),因而在材料內(nèi)部產(chǎn)生較大的組織應(yīng)力,該組織應(yīng)力與工作應(yīng)力疊加,容易誘發(fā)裂紋的形成及擴(kuò)展.分析結(jié)果還發(fā)現(xiàn)齒輪表面并沒有經(jīng)過表面熱處理,表面硬度未達(dá)到設(shè)計(jì)要求.
利用激光熔覆技術(shù)在42CrMo鋼板表面制備了Stellite-6鈷基涂層,然后在不同的溫度下對(duì)涂層進(jìn)行熱處理,探究了熱處理溫度對(duì)涂層顯組織、硬度、耐蝕性和摩擦學(xué)性能的影響。結(jié)果表明:熱處理能有效減小涂層內(nèi)部的殘余應(yīng)力,裂紋、孔洞等缺陷;在900℃下進(jìn)行熱處理后,FCC結(jié)構(gòu)的鈷演變?yōu)镠CP結(jié)構(gòu)的鈷,亞穩(wěn)態(tài)M7C3型碳化物演變?yōu)榉€(wěn)態(tài)M23C6型碳化物;經(jīng)過900℃×1 h的熱處理后,涂層的近表面硬度是未熱處理涂層的1.5倍,
約為1300 HV;未熱處理涂層的摩擦因數(shù)為0.42,磨損機(jī)理主要表現(xiàn)為塑性變形、犁溝及脆性剝落;熱處理后,涂層的摩擦因數(shù)降至0.29,磨損機(jī)理主要為磨粒磨損和黏著磨損;熱處理后生成的穩(wěn)態(tài)M23C6型碳化物具有強(qiáng)化合金、涂層力學(xué)性能的作用;未熱處理涂層與熱處理涂層的自腐蝕電流密度均約為3.3×10-3 A·cm-2,自腐蝕電位均在-0.29 V左右,單個(gè)容抗弧特征近乎重合。熱處理過程中發(fā)生的再結(jié)晶和晶粒尺寸變化、馬氏體相變對(duì)鈷基涂層耐蝕性的影響不大。
制造水平的不斷,對(duì)復(fù)雜精密的機(jī)械裝備、零件的品質(zhì)要求也越來越高,而塑性加工技術(shù)和熱處理技術(shù)作為材料成型及改善材料性能的關(guān)鍵手段,在制造加工工業(yè)中發(fā)揮著關(guān)鍵性作用。42crmo鋼板材料處理過程中,材料的終性能受多方面因素的影響,如塑性加工過程中的加載速度、幾何形狀、摩擦與接觸條件,熱處理過程中的溫度分布、組織分布和應(yīng)力分布等,如果僅通過試驗(yàn)來摸索設(shè)計(jì)工藝參數(shù),費(fèi)時(shí)費(fèi)力,無法滿足實(shí)際生產(chǎn)需求。現(xiàn)階段,可以通過計(jì)算機(jī)進(jìn)行塑性加工和熱處理過程的數(shù)值模擬,輔助工藝設(shè)計(jì)和工藝優(yōu)化,縮短研發(fā)周期,提高產(chǎn)品質(zhì)量,降低成本。因此,研究如何提高數(shù)值模擬的準(zhǔn)確性具有十分重要的意義。
為研究42CrMo鋼板的沖擊動(dòng)態(tài)力學(xué)性能及本構(gòu)模型,進(jìn)行了沖擊動(dòng)態(tài)壓縮實(shí)驗(yàn)和金相觀察.材料表現(xiàn)出強(qiáng)烈的應(yīng)變率依賴性,同時(shí)還得到不同應(yīng)變率下力學(xué)性能差異的主要原因在于沖擊動(dòng)態(tài)載荷下的絕熱剪切行為.采用熱理論,分別考慮熱應(yīng)力和非熱應(yīng)力來解釋變形機(jī)理,得到了應(yīng)變率效應(yīng)的描述.基于此,本文提出含高應(yīng)變率效應(yīng)的動(dòng)態(tài)本構(gòu)模型,通過絕熱剪切準(zhǔn)則來確定失穩(wěn)的起始點(diǎn),并與模型進(jìn)行耦合.該模型能很好地描述42Cr Mo鋼的準(zhǔn)靜態(tài)和沖擊動(dòng)態(tài)力學(xué)行為,特別是應(yīng)變硬化效應(yīng)和應(yīng)變率效應(yīng).
42CrMo鋼因具有良好的淬透性、強(qiáng)度以及韌性,被廣泛應(yīng)用于拉矯輥制造中,但是這種材料的耐蝕性、耐磨損性及耐疲勞性還不夠理想,限制了拉矯輥連續(xù)工作能力。為進(jìn)一步提高拉矯輥基材強(qiáng)度和耐磨損性能,利用激光熔凝技術(shù)對(duì)調(diào)質(zhì)后42CrMo鋼進(jìn)行了激光強(qiáng)化工藝研究。采用光學(xué)顯鏡、金相顯鏡、顯硬度計(jì)、摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)等儀器對(duì)42CrMo鋼激光熔凝后的顯組織、42crmo鋼板相結(jié)構(gòu)、強(qiáng)度及摩擦磨損性能進(jìn)行了分析,研究了激光功率、掃描速度對(duì)熔凝層性能的影響規(guī)律。結(jié)果表明:工藝參數(shù)對(duì)熔凝區(qū)力學(xué)性能影響較大,激光功率顯著影響熔凝層的深度,掃描速度影響表面成形質(zhì)量;調(diào)質(zhì)后42CrMo鋼板基體組織主要為回火馬氏體+殘余奧氏體,經(jīng)過激光熔凝后,基體組織發(fā)生轉(zhuǎn)變,馬氏體含量顯著提高。
采用硬度測(cè)試、顯組織觀察、脆性等級(jí)和疏松等級(jí)評(píng)價(jià)等方法研究了滲氮溫度對(duì)42CrMo鋼板零件滲氮后氧化滲層性能的影響。結(jié)果表明:在滲氮后氧化處理過程中,滲層的表面硬度隨著滲氮溫度的升高出現(xiàn)先增后降的趨勢(shì);滲層深度和疏松等級(jí)隨滲氮溫度的升高而增加,但脆性等級(jí)變化不大。當(dāng)滲氮溫度為560℃時(shí),42CrMo鋼零件可獲得表面硬度≥600 HV、滲層（白亮層）深度≥15μm、1級(jí)脆性等級(jí)、2級(jí)疏松等級(jí)的滲層。
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。
本試驗(yàn)在一定切削條件下對(duì)42CrMo鋼板進(jìn)行干切削,研究刀具累計(jì)加工1 035 s過程中前后刀面的磨損形貌。試驗(yàn)結(jié)果表明:累計(jì)加工時(shí)間T從0增加到1 035 s的過程中,刀具前刀面參與切削的區(qū)域亮度增加,磨損區(qū)域增大;當(dāng)加工時(shí)間T為1 035 s時(shí),刀具前刀面磨損明顯,出現(xiàn)顏色較深面磨損區(qū)域、亮度較高的部分刀具涂層材料磨損區(qū)域、磨粒磨損明顯的磨損區(qū)域。加工時(shí)間T從0增加到435 s的過程中,刀具后刀面出現(xiàn)明顯的磨損帶,涂層材料磨損帶逐漸增大。加工時(shí)間T從435 s增加到1 035 s的過程中,磨損帶緩慢增大,出現(xiàn)基體磨損現(xiàn)象,隨著磨損時(shí)間延長(zhǎng),基體磨損逐漸增大。當(dāng)加工時(shí)間T從48 s增加到1 035 s,已加工表面粗糙度Ra由3.46μm逐漸增大到3.91μm。
在42CrMo鋼板常規(guī)處理的基礎(chǔ)上增加了冷處理,研究淺冷處理和深冷處理對(duì)42CrMo鋼硬度和耐磨性的影響。結(jié)果表明,經(jīng)淺冷處理和深冷處理后,42CrMo鋼中殘留奧氏體向馬氏體發(fā)生轉(zhuǎn)變,且碳化物析出增多,致使鋼的硬度和耐磨性均有,且深冷處理后硬度和耐磨性幅度高于淺冷處理。
利用JMat-Pro軟件模擬了42CrMo鋼的連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變曲線,并采用DIL805L相變42crmo鋼板淬火膨脹儀實(shí)測(cè)了鋼的各相變點(diǎn),對(duì)不同冷卻速度下的組織轉(zhuǎn)變和貝氏體含量進(jìn)行了分析,并繪制其CCT曲線。結(jié)果表明:42CrMo鋼Ac1=743℃,Ac3=792℃。冷速小于0.5℃/s時(shí),組織為先共析鐵素體與珠光體混合組織;冷速0.5～10℃/s之間,存在一定量的貝氏體,隨冷速加快,貝氏體量先增后降,馬氏體含量逐漸增多,使得硬度呈現(xiàn)較大增幅。冷速大于10℃/s,組織為基體馬氏體+少量貝氏體的混合組織。
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