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用同軸送粉的方式在42CrMo鋼板表面激光熔覆Fe-WC合金粉末,通過掃描電鏡、光學(xué)顯鏡、能譜儀觀察分析熔覆層的顯組織特征、WC陶瓷顆粒對熔覆層組織性能的影響、WC陶瓷顆粒分布特征及WC周圍塊狀共晶物的組成成分;用顯硬度計(jì)、摩擦磨損試驗(yàn)儀、高精度電子天平測量基體與熔覆層的性能及質(zhì)量損失,分析了引起性能曲線變化的原因。結(jié)果表明,熔覆層底部到頂部的組織變化為平面晶、晶界明顯的胞狀晶、交錯生長的柱狀樹枝晶、排列緊密的胞狀晶、方向均一的柱狀樹枝晶; WC陶瓷顆粒具有細(xì)化枝晶、阻斷枝晶生長,增強(qiáng)熔覆層性能的能力; WC陶瓷顆粒在熔覆層中聚集分布,形成較寬的陶瓷帶; WC陶瓷顆粒周圍的塊狀共晶物是由WC部分分解得到的,其組成元素包括C、W、Fe、P、Cr。熔覆層平均硬度達(dá)到850 HV0.3,是基體平均硬度的3.4倍。摩擦因數(shù)為0.275左右,比基體小0.525。基體的質(zhì)量損失是熔覆層的11倍多。說明Fe-WC合金熔覆層能夠有效基體的硬度及其抗磨損能力。
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3種42CrMo鋼淬透性的差異,并通過OM、SEM等手段觀察晶粒形貌以及不同部位淬火后顯組織,利用三維原子探針（3DAP）分析元素分布,通過常規(guī)力學(xué)性能實(shí)驗(yàn)檢測其常溫拉伸和低溫沖擊性能。結(jié)果表明,AlTi、Al-B的添加均使42CrMo鋼淬透性提高,Al-B鋼增加淬透性作用更大,淬火后距淬火端25 mm處的硬度增加6 HRC,直徑42、48和56 mm截面的心部硬度分別增加7、10和14 HRC,并且使鋼的抗拉強(qiáng)度Rm≥1200 MPa,-40℃下沖擊吸收功KV2≥27 J,力學(xué)性能滿足低溫環(huán)境下螺栓用鋼的使用要求。42crmo鋼板通過化學(xué)相分析實(shí)驗(yàn)和TTT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,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,
。在激光功率密度不變時(shí),隨著垂直于掃描方向上的光斑寬度增加,硬化層寬度呈正比例增加,硬化層深度則先增后減,距離硬化層中心深處相同距離點(diǎn)的曲率則逐漸減少。結(jié)論通過優(yōu)化激光淬火工藝參數(shù),控制激光淬火的熱傳導(dǎo)時(shí)間和深度方向的溫度梯度分布,可以在表面不熔化的前提下,獲得較深的硬化層。光斑尺寸對42CrMo鋼板激光深層淬火硬化層深度和硬化層均勻性有較大影響,選擇較大的光斑寬度可以得到更為均勻的硬化層。
本文對實(shí)驗(yàn)用鋼42CrMo進(jìn)行了成分測定、熱處理工藝設(shè)計(jì)、組織表征、性能檢測與分析等研究。采用Jmat-pro軟件模擬了42CrMo鋼的冷卻轉(zhuǎn)變過程,并實(shí)測了實(shí)驗(yàn)用鋼的連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變曲線和等溫轉(zhuǎn)變曲線,利用OM、SEM、硬度測量等手段分析了不同冷卻速度和等溫溫度下的組織及特征,特別是貝氏體轉(zhuǎn)變區(qū)間、類型、特征和含量等與硬度的關(guān)系,通過熱處理工藝設(shè)計(jì)調(diào)控組織,建立了觀組織與硬度、韌性和耐磨性等之間的關(guān)系。42CrMo鋼板的連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變曲線CCT圖表明,Ac1為743℃,Ac3為792℃,在實(shí)驗(yàn)的冷速范圍內(nèi),存在有先共析鐵素體、珠光體、貝氏體和馬氏體四個(gè)轉(zhuǎn)變區(qū);冷速大于3℃/s,獲得羽毛狀上貝和針片狀下貝為主的復(fù)相組織,隨冷速增加,組織中馬氏體含量增加,混合貝氏體相中上貝氏體量減少,硬度呈上升趨勢,冷速20℃/s,獲得馬氏體基體+（3%5%）下貝氏體的復(fù)相組織。
等溫轉(zhuǎn)變曲線TTT圖表明,在410℃500℃區(qū)間等溫將發(fā)生上貝氏體轉(zhuǎn)變,組織為羽毛狀特征為主,下貝氏體轉(zhuǎn)變的等溫溫度介于310℃410℃之間,組織為針片狀貝氏體+板條狀馬氏體的復(fù)相組織,隨等溫溫度降低,馬氏體含量增加;在560℃-590℃之間等溫出現(xiàn)的大量針狀魏氏組織,與實(shí)驗(yàn)材料組織不均,晶粒粗大有關(guān)。42crmo鋼板調(diào)質(zhì)熱處理工藝實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,淬火加熱溫度840℃,采用18%水基淬火介質(zhì)冷卻,獲得下貝氏體含量約為20.3%的馬/貝復(fù)相組織,經(jīng)560℃回火,其綜合力學(xué)性能達(dá)到良好匹配;等溫?zé)崽幚砉に噷?shí)驗(yàn)表明,在320℃380℃區(qū)間等溫,
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42CrMo鋼板齒圈毛坯的淬火通常采用油淬或聚合物水溶液淬火來避免淬火的開裂,但油淬或聚合物水溶液淬火導(dǎo)致嚴(yán)重的環(huán)境污染。改用水淬不僅可滿足綠色環(huán)保的要求而且可降低成本,但極易產(chǎn)生開裂。針對上述問題,本研究基于溫度場、組織場和應(yīng)力場的有限元模擬,獲得優(yōu)化的水-空交替控時(shí)淬火冷卻（ATQ）工藝,成功應(yīng)用于大直徑（ф1970 mm）的42CrMo鋼齒圈毛坯的淬火冷卻。結(jié)果表明:采用ATQ工藝處理42CrMo鋼齒圈毛坯,不僅回火后的力學(xué)性能高于性能指標(biāo)要求,而且有效避免了淬火開裂。
對42CrMo鋼板軋制工藝參數(shù)進(jìn)行了的優(yōu)化,研究了不同加熱、軋制溫度的42CrMo鋼棒材組織及布氏硬度變化規(guī)律。結(jié)果表明,通過控制加熱、均熱段溫度和終軋溫度可有效控制熱軋態(tài)42CrMo鋼棒材組織及布氏硬度;42CrMo鋼棒材開裂原因主要是軋制后產(chǎn)生大量的貝氏體組織,且沿棒材橫斷面分布不均勻,由邊部到心部的貝氏體含量減小,布氏硬度則由大變小。熱軋鋼布氏硬度≤260HBW時(shí)可避免在棒材剪切下料過程開裂、掉塊現(xiàn)象。
利用高壓水射流噴丸技術(shù)（WSP）和真空脈沖等離子氮化技術(shù),研究了水射流噴丸預(yù)處理對42CrMo鋼等離子氮化后的滾動接觸疲勞性能的影響。采用OM、SEM、TEM、XRD應(yīng)力測定儀、表面粗糙度儀、顯硬度儀對等離子氮化和復(fù)合處理后試樣的滲層顯組織、結(jié)構(gòu)以及表面完整性進(jìn)行了表征,并對疲勞斷口形貌進(jìn)行了分析。42crmo鋼板結(jié)果表明:經(jīng)過WSP預(yù)處理后,42CrMo鋼獲得了更好的氮化效果,疲勞性能得到大幅。原因是經(jīng)WSP預(yù)處理后,試樣表面細(xì)小彌散的氮化物和表層晶粒的細(xì)化有利于抑制表面裂紋的萌生與擴(kuò)展,改變了疲勞裂紋的萌生機(jī)制,次表層硬度的提高以及更深的殘余壓應(yīng)力影響層推遲了次表層裂紋的萌生,更高的次表層殘余壓應(yīng)力抑制了次表層二次裂紋的萌生以及主裂紋的擴(kuò)展,延長了42CrMo鋼滲氮后的接觸疲勞壽命,使得失效機(jī)理更接近于赫茲理論。
