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42CrMo鋼板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、摩擦磨損試驗機(jī)等儀器對42CrMo鋼激光熔凝后的顯組織、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、掃描速度對熔凝層性能的影響規(guī)律。結(jié)果表明:工藝參數(shù)對熔凝區(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。
采用硬度測試、顯組織觀察、脆性等級和疏松等級評價等方法研究了滲氮溫度對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;滲層深度和疏松等級隨滲氮溫度的升高而增加,但脆性等級變化不大。當(dāng)滲氮溫度為560℃時,42CrMo鋼零件可獲得表面硬度≥600 HV、滲層（白亮層）深度≥15μm、1級脆性等級、2級疏松等級的滲層。
為了提高刀具用42CrMo鋼的耐磨性能,采用電弧離子鍍技術(shù)在其表面沉積制備TiAlSiN涂層,并測試分析了勵磁電壓對其組織結(jié)構(gòu)及摩擦學(xué)性能的影響。研究結(jié)果表明:提高電壓后涂層表面粗糙度也隨之增大,制得厚度更大的TiAlSiN涂層,從初的2.16μm持續(xù)增大到4.85μm,表面粗糙度增大。隨電壓升高,涂層沿垂直基體表面的方向生長,獲得了更明顯的柱狀晶,空隙數(shù)量也進(jìn)一步增加,降低了涂層的組織致密度。隨著電壓的上升,等離子體離化率也明顯,制備得到了硬度更高的涂層,涂層的厚度也明顯增大。42crmo鋼板電壓增加過程中,TiAlSiN涂層的摩擦系數(shù)和磨損率表現(xiàn)出先下降再升高的變化規(guī)律,當(dāng)電壓達(dá)到30 V電壓時獲得了 磨損率。涂層存在磨粒磨損現(xiàn)象,可以觀察到部分涂層發(fā)生了剝落。30 V電壓時涂層表面變得更加平整,形成了更加致密的組織,耐磨性顯著提高。
刃口鈍化及涂層工藝是刀具切削性能及加工質(zhì)量的重要刀具后處理方法。本文對鈍化未涂層、鈍化且涂層以及無鈍化涂層的硬質(zhì)合金鉆頭鉆削42CrMo鋼板的鉆削性能進(jìn)行對比研究,并分析了鈍化且涂層鉆頭刃口的K因子及平均圓度隨加工孔數(shù)變化情況。結(jié)果表明:刀具鈍化與涂層后處理工藝對刀具壽命及其失效形式有決定性影響。在實驗參數(shù)下,未后處理鉆頭加工孔數(shù)僅10孔就發(fā)生崩刃失效;鈍化未涂層鉆頭的壽命是鈍化涂層鉆頭的10倍,主要失效形式為粘結(jié)磨損與磨粒磨損;鈍化且涂層鉆頭壽命為無鈍化涂層的150倍,主要失效形式為磨粒磨損。鈍化且涂層鉆頭刃口在加工過程中的存在:"涂層破損—基體磨損—新刃口形成—刃口崩刃—刃口再形成"的變化趨勢。
利用摩擦磨損試驗探究不同激光功率下42CrMo鋼板激光熔覆層的耐磨性,采用SEM和OM觀察了試樣摩擦磨損前后的熔覆層組織形貌。結(jié)果表明:42CrMo鋼基體的摩擦因數(shù)較大,且在該摩擦磨損后出現(xiàn)了嚴(yán)重的脆性剝落現(xiàn)象,激光熔覆層可以42CrMo鋼的耐磨損性能;當(dāng)激光功率為1600 W時,摩擦因數(shù)可降低至0.28,熔覆層表面SEM形貌較為光滑,耐磨性優(yōu)異,熔覆層組織中的晶粒細(xì)化均勻,主要表現(xiàn)為細(xì)小的等軸晶,組織較為致密,從而提高了熔覆層的耐磨損性能。
在42CrMo鋼的基礎(chǔ)成分上增加Al、Ti元素,通過末端淬火試驗和截面硬度試驗對比分析Al對42CrMo鋼淬透性的影響差異,通過常規(guī)力學(xué)性能檢測對比其與42CrMo鋼的力學(xué)性能差異。42crmo鋼板結(jié)果表明Al、Ti元素添加可進(jìn)一步提高淬透性,并且使鋼的強(qiáng)度達(dá)到1200 MPa級,-40℃下KV2≥27 J,滿足低溫環(huán)境下螺栓用鋼的使用要求。采用化學(xué)相分析方法,對鋼中析出相進(jìn)行了定性、定量分析,結(jié)果表明Ti在鋼中添加發(fā)揮明顯固氮作用,提高了Al元素的固溶量,利用熱膨脹法對比測定試驗鋼的等溫轉(zhuǎn)變曲線,證明了增加Al含量,降低了奧氏體臨界轉(zhuǎn)變溫度,使C曲線右移,明顯改善了鋼的淬透性。
通過激光沖擊強(qiáng)化對42CrMo鋼板中碳合金鋼進(jìn)行了表面強(qiáng)化處理。采用顯組織觀察、硬度測試、摩擦磨損實驗研究了不同脈沖能量的激光沖擊強(qiáng)化處理對42CrMo鋼組織和性能的影響。結(jié)果表明:未經(jīng)激光沖擊強(qiáng)化的42CrMo鋼組織中鐵素體均勻連續(xù),珠光體片層間鐵素體較為明顯。隨著激光沖擊強(qiáng)化輸出能量的增加,組織中鐵素體越來越分散,珠光體片層組織越來越不明顯,激光沖擊強(qiáng)化后42CrMo鋼中有大量位錯、亞晶出現(xiàn)。在32～36 J的脈沖能量范圍內(nèi),激光沖擊強(qiáng)化的該鋼的表面硬度和耐磨性顯著提高,并在表面形成了厚度0.75 mm的硬化層。激光沖擊強(qiáng)化沖擊能量越高,42CrMo鋼硬度越高,耐磨性越好。
目的探究二次噴丸工藝參數(shù)對42CrMo鋼零件表面完整性的影響規(guī)律。方法建立三維隨機(jī)噴丸有限元模型,并通過實驗驗證有限元模型預(yù)測殘余應(yīng)力的準(zhǔn)確性。將一次噴丸后零件的表面形貌和應(yīng)力應(yīng)變結(jié)果作為初始狀態(tài)導(dǎo)入到二次噴丸模型中,構(gòu)建出二次噴丸預(yù)測模型。分析二次噴丸參數(shù)對42CrMo鋼零件表面殘余應(yīng)力場、表面粗糙度以及等效塑性形變場的影響情況。
結(jié)果二次噴丸后,42CrMo鋼板零件近表層（0～100μm）的殘余壓應(yīng)力值均比初始狀態(tài)有所增加。增加二次噴丸覆蓋率對表面殘余應(yīng)力的作用為明顯, 可比初始狀態(tài)提高63.3%,而增加二次噴丸直徑對殘余應(yīng)力的改善效果42crmo鋼板不明顯。過度增加二次噴丸速度會導(dǎo)致表面粗糙度明顯增加,提高二次噴丸覆蓋率可顯著降低表面粗糙度,覆蓋率為300%時,粗糙度比初始狀態(tài)減小了14.4%。表層PEEQ值隨著二次噴丸速度、彈丸直徑和覆蓋率的增加而增加,但當(dāng)二次噴丸速度、彈丸直徑和覆蓋率增加到一定程度后,表層PEEQ值會趨于飽和。
基于深冷處理提供的溫度場和永磁體提供的勻強(qiáng)磁場,對42CrMo鋼板合金鋼進(jìn)行磁場深冷處理,并與常規(guī)工藝和深冷處理工藝進(jìn)行了對比分析。結(jié)果表明:磁冷工藝在深冷處理工藝的基礎(chǔ)上進(jìn)一步提高了42CrMo鋼的耐磨性,磁冷工藝處理材料的耐磨性較常規(guī)工藝和深冷工藝分別提高約26. 7%和22. 2%。
這是由于深冷處理使得殘留奧氏體進(jìn)一步轉(zhuǎn)化為馬氏體;深冷處理也使得過飽和馬氏體析出大量碳生成碳化物;深冷處理中磁場的存在對α-Fe晶格的作用使過飽和馬氏體析出碳的方向得到優(yōu)化,回火屈氏體在磁場方向致密聚集,耐磨性提高。 基于有限元計算分析了直徑為Φ40 mm的42CrMo鋼圓棒試樣分別使用淬火油和PAG水基液淬火后試樣不同位置的組織、硬度以及淬火過程中的溫度變化,采用硬度檢測和顯組織分析對模擬結(jié)果進(jìn)行了驗證。42crmo鋼板結(jié)果表明,當(dāng)使用淬火油淬火時,試樣表面由奧氏體向馬氏體和貝氏體轉(zhuǎn)變,心部由奧氏體向貝氏體轉(zhuǎn)變;當(dāng)使用PAG水基液淬火時,試樣表層幾乎轉(zhuǎn)變成馬氏體,心部轉(zhuǎn)變成馬氏體和貝氏體;試樣經(jīng)淬火油和PAG水基液淬火后,表面硬度分別為58和55 HRC,均由表面至心部硬度逐漸降低,但使用PAG水基液淬火后試樣的心部硬度比用淬火油的高5 HRC,約為50 HRC。
目的提高42CrMo鋼板激光淬火后硬化層的深度和分布均勻性。方法利用COMSOL Multiphysics軟件對42CrMo鋼激光淬火過程中溫度場的演變進(jìn)行分析,且考慮材料的熱物性參數(shù)隨溫度變化。通過設(shè)定激光工藝參數(shù)模擬試樣的溫度場分布,利用馬氏體轉(zhuǎn)變條件得到硬化層形貌尺寸。參照模擬結(jié)果,利用連續(xù)輸出的光纖耦合半導(dǎo)體激光器對42CrMo鋼進(jìn)行激光淬火實驗,用熱電偶測溫儀對試樣測溫并與模擬的溫度歷史曲線進(jìn)行對比,用光學(xué)顯鏡對試樣橫截面處硬化層形貌進(jìn)行分析,將實驗所得硬化層形貌與模擬結(jié)果進(jìn)行比較。并在相同的功率密度下,改變光斑的幾何尺寸進(jìn)行模擬,分析并比較硬化層的幾何特征。結(jié)果實驗所測某點的溫度歷史曲線與模擬結(jié)果一致性較高,硬化層實際形貌與模擬結(jié)果基本吻合。
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