针对淬火油污染严重、生产不因素等问题,介绍一种新型水基淬火介质,及替代传统油淬的工艺。利用光学显镜、洛氏硬度计、 试验机和冲击试验机等手段对不同规格的42CrMo钢板在无机高分子水基淬火液中淬火再高温回火后的组织及性能进行了研究,并分析了用无机高分子水溶性淬火介质替代淬火油的可能性。结果表明,42CrMo钢在淬火后的硬度值为55～56 HRC;回火后的硬度值为285 HBW;显组织主要为粒状索氏体。其抗拉强度、屈服强度、伸长率、断面收缩率等力学性能均达到大型合金钢锻件的JB/T6396技术条件要求。因此,改进后的热处理工艺可以更好地应用于42CrMo钢板的淬火,显著提高了偏航齿圈综合热处理质量。
42CrMo钢板作为现代社会使用广泛的材料之一,往往在服役环境中容易遭受腐蚀和磨损等破坏,使得其使用寿命大大降低。气体渗氮（gas nitriding）是一种能够显著钢铁材料表面耐腐蚀性能和耐磨损性能的技术。但是其效率往往很低,也导致了其生产成本的增加。因此,越来越多的研究集中到了气体渗氮效率上。铁酸镧是一种稀土钙钛矿氧化物,在催化领域的应用前景也非常有潜力。本论文以42CrMo钢为基体,在基体表面通过溶胶凝胶法预制备一层铁酸镧薄膜,这也是 次将铁酸镧引入到气体渗氮中。并且研究了不同薄膜厚度、渗氮温度以及不同混合气体比例等参数的改变对渗层组织、结构及性能的影响。
通过光学显镜（OM）和扫描电镜（SEM）观察样品表面和横截面结构和形貌;通过X射线衍射仪（XRD）和能谱仪（EDS）表征渗氮层物相和化学成分组成;通过显硬度计表征渗氮层显力学性能和有效硬化层厚度;利用削盘式摩擦磨损仪和电化学工作站分别表征样品耐磨损性能和耐腐蚀性能;后续利用超景深显镜观察样品摩擦磨损和电化学腐蚀形貌;通过X射线光谱（XPS）和透射电镜（TEM）研究样品表面化学和成键状态及区形貌,讨论了铁酸镧在气体渗氮过程中催渗机理。42crmo钢板结果表明,在样品表面预制备一层铁酸镧薄膜后,可以有效地促进化合物层和有效硬化层增厚。雾化沉积铁酸镧薄膜样品在550℃下气体渗氮4h后,具有厚的化合物层和有效硬化层,厚度分别为15.29μm和305.8μm;此外,表面氮含量增加也使得表面硬度有了显著,表面硬度 值为910.5HV0
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42CrMo钢板含有Cr、Mo等多种合金化元素,具有优良的综合力学性能,既具有较高的强度,又具有较好的塑性,在锻件,特别是大型锻件领域,有广泛的应用。本文采用计算机模拟与实验相结合的方法,构建了 42CrMo钢较准确的本构模型和材料性能数据库,并开展了材料变形和热处理淬火过程的计算机模拟和实验,模拟结果与实验结果吻合较好。
通过热压缩实验,测定了 42CrMo钢板在不同温度和应变速率下的应力-应变数据,构建了改进的Johnson-Cook本构模型和应变补偿的Arrhenius本构模型,得到了较大应变范围内较准确的42CrMo钢的本构方程。拟合了手册中标准的42CrMo钢的TTT曲线,获得了较准确的TTT曲线数据。此外还构建了包含热导率、比热容、杨氏模量、泊松比、相变潜热、膨胀系数等较完善、准确的42CrMo钢数据库。以构建的数据库为基础,通过DEFORM软件模拟了 42CrMo钢在变形温度为1123 K、应变速率为0.01 s-1条件下的热压缩过程,将模拟结果中压缩后试样的尺寸数据、Top Die载荷-行程曲线以及计算得出的应力-应变曲线分别与相同实验条件下实测结果进行对比。结果显示,载荷-行程曲线和应力-应变曲线在数值大小和变化趋势上与实验结果吻合较好,表明选用的应变补偿的Arrhenius本构模型能够比较准确地描述42crmo钢板的变形行为。
通过DEFORM软件模拟了 42CrMo钢板在1123 K时的末端淬火过程,结果显示试样末端与水的换热程度剧烈,温度迅速下降,形成大量马氏体组织,随着远离淬火末端,马氏体含量逐渐降低,硬度也随之降低。同时进行了同条件的末端淬火实验,对淬火后试样的轴向硬度分布进行了测量,并观察不同位置组织组成,实验结果与模拟结果基本一致,这表明文中构建的42CrMo钢数值模拟数据库较为准确。可以在此基础上进行不同几何形状、不同变形条件、不同热处理过程的数值模拟,为实际生产过程的模拟与优化打下了良好的基础。
42CrMo钢板因具有良好的淬透性、强度以及韧性,被广泛应用于拉矫辊制造中,但是这种材料的耐蚀性、耐磨损性及耐疲劳性还不够理想,限制了拉矫辊连续工作能力。为进一步提高拉矫辊基材强度和耐磨损性能,利用激光熔凝技术对调质后42CrMo钢进行了激光强化工艺研究。采用光学显镜、金相显镜、显硬度计、摩擦磨损试验机等仪器对42CrMo钢激光熔凝后的显组织、相结构、强度及摩擦磨损性能进行了分析,研究了激光功率、扫描速度对熔凝层性能的影响规律。结果表明:工艺参数对熔凝区力学性能影响较大,激光功率显著影响熔凝层的深度,扫描速度影响表面成形质量;调质后42CrMo钢基体组织主要为回火马氏体+残余奥氏体,经过激光熔凝后,基体组织发生转变,马氏体含量显著提高。
采用硬度测试、显组织观察、脆性等级和疏松等级评价等方法研究了渗氮温度对42CrMo钢板零件渗氮后氧化渗层性能的影响。结果表明:在渗氮后氧化处理过程中,渗层的表面硬度随着渗氮温度的升高出现先增后降的趋势;渗层深度和疏松等级随渗氮温度的升高而增加,但脆性等级变化不大。当渗氮温度为560℃时,42CrMo钢零件可获得表面硬度≥600 HV、渗层（白亮层）深度≥15μm、1级脆性等级、2级疏松等级的渗层。
为了提高刀具用42CrMo钢的耐磨性能,采用电弧离子镀技术在其表面沉积制备TiAlSiN涂层,并测试分析了励磁电压对其组织结构及摩擦学性能的影响。研究结果表明:提高电压后涂层表面粗糙度也随之增大,制得厚度更大的TiAlSiN涂层,从初的2.16μm持续增大到4.85μm,表面粗糙度增大。随电压升高,涂层沿垂直基体表面的方向生长,获得了更明显的柱状晶,空隙数量也进一步增加,降低了涂层的组织致密度。随着电压的上升,等离子体离化率也明显,制备得到了硬度更高的涂层,涂层的厚度也明显增大。42crmo钢板电压增加过程中,TiAlSiN涂层的摩擦系数和磨损率表现出先下降再升高的变化规律,当电压达到30 V电压时获得了 磨损率。涂层存在磨粒磨损现象,可以观察到部分涂层发生了剥落。30 V电压时涂层表面变得更加平整,形成了更加致密的组织,耐磨性显著提高。
