為了提高汽車傳動(dòng)件常用材料42CrMo鋼板的耐腐蝕性能,對(duì)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(duì)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(duì)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(duì)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(guò)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(duì)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(guò)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(duì)大規(guī)格螺栓鋼淬透性問(wèn)題,在42CrMo鋼基礎(chǔ)成分上配合添加元素Al、B、Ti,同時(shí)控制鋼的N含量,研究了Al添加對(duì)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(duì)比,揭示Al對(duì)不同尺寸42CrMo鋼淬透性的影響規(guī)律。
具體研究?jī)?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(guò)末端淬火實(shí)驗(yàn)和截面硬度實(shí)驗(yàn)對(duì)比分析設(shè)計(jì)鋼與42CrMo鋼淬透性的差異,并通過(guò)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(guò)常規(guī)力學(xué)性能檢測(cè)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(shí)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(shí)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(zhǎng)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(shí)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(dòng)力;ii)晶粒的細(xì)化以及電脈沖處理過(guò)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(zhǎng)提前停滯,同時(shí)馬氏體轉(zhuǎn)變起始溫度也會(huì)顯著下降;iii)奧氏體向馬氏體轉(zhuǎn)變是一個(gè)體積膨脹的過(guò)程,電脈沖處理過(guò)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(chǎng)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(cuò)能鋼材中難以形成的堆垛層錯(cuò)在電脈沖處理中得以形成,而堆垛層錯(cuò)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(dòng)地浸潤(rùn)晶界,而若使界面處的缺陷得到回復(fù),第二相則被動(dòng)浸潤(rùn)其他界面;多個(gè)物理場(chǎng)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(cuò)、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(cuò)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(duì)優(yōu)滑移系上原子或位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)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。
基于深冷處理提供的溫度場(chǎng)和永磁體提供的勻強(qiáng)磁場(chǎng),對(duì)42CrMo鋼板合金鋼進(jìn)行磁場(chǎng)深冷處理,并與常規(guī)工藝和深冷處理工藝進(jìn)行了對(duì)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(guò)飽和馬氏體析出大量碳生成碳化物;深冷處理中磁場(chǎng)的存在對(duì)α-Fe晶格的作用使過(guò)飽和馬氏體析出碳的方向得到優(yōu)化,回火屈氏體在磁場(chǎng)方向致密聚集,耐磨性提高。 基于有限元計(jì)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(guò)程中的溫度變化,采用硬度檢測(cè)和顯組織分析對(duì)模擬結(jié)果進(jìn)行了驗(yàn)證。42crmo鋼板結(jié)果表明,當(dāng)使用淬火油淬火時(shí),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(shí),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(duì)42CrMo鋼激光淬火過(guò)程中溫度場(chǎng)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(guò)設(shè)定激光工藝參數(shù)模擬試樣的溫度場(chǎng)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(duì)42CrMo鋼進(jìn)行激光淬火實(shí)驗(yàn),用熱電偶測(cè)溫儀對(duì)試樣測(cè)溫并與模擬的溫度歷史曲線進(jìn)行對(duì)比,用光學(xué)顯鏡對(duì)試樣橫截面處硬化層形貌進(jìn)行分析,將實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)所測(cè)某點(diǎn)的溫度歷史曲線與模擬結(jié)果一致性較高,硬化層實(shí)際形貌與模擬結(jié)果基本吻合。
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