為了提高刀具用42CrMo鋼板的耐磨性能,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。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。
針對石油平臺35CrMo鋼大齒輪、42CrMo鋼板小齒輪的齒面缺陷修復(fù)任務(wù),對齒輪材質(zhì)、零件現(xiàn)狀開展了工藝修復(fù)研究。通過對CO2氣體保護焊、氬弧焊、光纖激光焊三種焊接工藝進行分析比較,發(fā)現(xiàn)光纖激光焊修復(fù)齒輪缺陷優(yōu)勢明顯。經(jīng)過齒輪實際修復(fù)后的檢測與試驗,取得了比較好的效果。
通過顯組織觀察和力學(xué)性能檢測,分析了42crmo鋼板在不同回火溫度下觀組織形貌和力學(xué)性能的變化。通過三維原子探針（3DAP）技術(shù)分析500℃回火溫度下42CrMo鋼中元素分布情況,研究了Cr、Mn、Mo等合金元素對鋼性能的影響。結(jié)果表明,42CrMo鋼水淬后在450℃回火時顯組織為回火屈氏體,在500～650℃區(qū)間回火時顯組織均為回火索氏體,隨著回火溫度的增加,顆粒狀碳化物增多;抗拉強度和規(guī)定塑性延伸強度降低,-40℃低溫沖擊性能升高。在500℃回火可達到12.9級螺栓力學(xué)指標(biāo)（Rm≥1200 MPa,KV2≥27 J）,力學(xué)性能 ,且滿足低溫環(huán)境下螺栓用鋼的使用要求。3DAP結(jié)果表明,鋼中的合金元素通過固溶強化和沉淀強化提高了鋼的性能。
42CrMo鋼板含有Cr、Mo等多種合金化元素,具有優(yōu)良的綜合力學(xué)性能,既具有較高的強度,又具有較好的塑性,在鍛件,特別是大型鍛件領(lǐng)域,有廣泛的應(yīng)用。本文采用計算機模擬與實驗相結(jié)合的方法,構(gòu)建了 42CrMo鋼較準(zhǔn)確的本構(gòu)模型和材料性能數(shù)據(jù)庫,并開展了材料變形和熱處理淬火過程的計算機模擬和實驗,模擬結(jié)果與實驗結(jié)果吻合較好。
通過熱壓縮實驗,測定了 42CrMo鋼板在不同溫度和應(yīng)變速率下的應(yīng)力-應(yīng)變數(shù)據(jù),構(gòu)建了改進的Johnson-Cook本構(gòu)模型和應(yīng)變補償?shù)腁rrhenius本構(gòu)模型,得到了較大應(yīng)變范圍內(nèi)較準(zhǔn)確的42CrMo鋼的本構(gòu)方程。擬合了手冊中標(biāo)準(zhǔn)的42CrMo鋼的TTT曲線,獲得了較準(zhǔn)確的TTT曲線數(shù)據(jù)。此外還構(gòu)建了包含熱導(dǎo)率、比熱容、楊氏模量、泊松比、相變潛熱、膨脹系數(shù)等較完善、準(zhǔn)確的42CrMo鋼數(shù)據(jù)庫。以構(gòu)建的數(shù)據(jù)庫為基礎(chǔ),通過DEFORM軟件模擬了 42CrMo鋼在變形溫度為1123 K、應(yīng)變速率為0.01 s-1條件下的熱壓縮過程,將模擬結(jié)果中壓縮后試樣的尺寸數(shù)據(jù)、Top Die載荷-行程曲線以及計算得出的應(yīng)力-應(yīng)變曲線分別與相同實驗條件下實測結(jié)果進行對比。結(jié)果顯示,載荷-行程曲線和應(yīng)力-應(yīng)變曲線在數(shù)值大小和變化趨勢上與實驗結(jié)果吻合較好,表明選用的應(yīng)變補償?shù)腁rrhenius本構(gòu)模型能夠比較準(zhǔn)確地描述42crmo鋼板的變形行為。
通過DEFORM軟件模擬了 42CrMo鋼板在1123 K時的末端淬火過程,結(jié)果顯示試樣末端與水的換熱程度劇烈,溫度迅速下降,形成大量馬氏體組織,隨著遠離淬火末端,馬氏體含量逐漸降低,硬度也隨之降低。同時進行了同條件的末端淬火實驗,對淬火后試樣的軸向硬度分布進行了測量,并觀察不同位置組織組成,實驗結(jié)果與模擬結(jié)果基本一致,這表明文中構(gòu)建的42CrMo鋼數(shù)值模擬數(shù)據(jù)庫較為準(zhǔn)確?？梢栽诖嘶A(chǔ)上進行不同幾何形狀、不同變形條件、不同熱處理過程的數(shù)值模擬,為實際生產(chǎn)過程的模擬與優(yōu)化打下了良好的基礎(chǔ)。
針對石油平臺35CrMo鋼大齒輪、42CrMo鋼板小齒輪的齒面缺陷修復(fù)任務(wù),對齒輪材質(zhì)、零件現(xiàn)狀開展了工藝修復(fù)研究。通過對CO2氣體保護焊、氬弧焊、光纖激光焊三種焊接工藝進行分析比較,發(fā)現(xiàn)光纖激光焊修復(fù)齒輪缺陷優(yōu)勢明顯。經(jīng)過齒輪實際修復(fù)后的檢測與試驗,取得了比較好的效果。
通過顯組織觀察和力學(xué)性能檢測,分析了42CrMo鋼板在不同回火溫度下觀組織形貌和力學(xué)性能的變化。通過三維原子探針（3DAP）技術(shù)分析500℃回火溫度下42CrMo鋼中元素分布情況,研究了Cr、Mn、Mo等合金元素對鋼性能的影響。結(jié)果表明,42CrMo鋼水淬后在450℃回火時顯組織為回火屈氏體,在500～650℃區(qū)間回火時顯組織均為回火索氏體,隨著回火溫度的增加,顆粒狀碳化物增多;抗拉強度和規(guī)定塑性延伸強度降低,-40℃低溫沖擊性能升高。在500℃回火可達到12.9級螺栓力學(xué)指標(biāo)（Rm≥1200 MPa,KV2≥27 J）,力學(xué)性能 ,且滿足低溫環(huán)境下螺栓用鋼的使用要求。3DAP結(jié)果表明,鋼中的合金元素通過固溶強化和沉淀強化提高了鋼的性能。
針對42CrMo合結(jié)鋼軋材超聲波探傷合格率低的問題,利用掃描電鏡等設(shè)備對探傷不合樣品進行分析,發(fā)現(xiàn)探傷不合樣品中有直徑為100μm左右的球形夾雜物或者尺寸為1 000μm左右的長條形夾雜物。42crmo鋼板通過鋼液內(nèi)生夾雜和生產(chǎn)過程接觸的原輔料的分析比對,認為大尺寸夾雜物主要由于外來夾雜進入鋼液中,終造成軋材探傷合格率低。通過增加硅鈣線用量、鋼包澆鑄后期不下渣、浸入式水口侵蝕速率小于1.5 mm/h、結(jié)晶器液位波動不大于±3 mm和恒定拉速澆鑄等控制方式,減少了鋼中外來大尺寸夾雜,提高了鋼液潔凈度,使探傷合格率提高到97.5%以上。
基于深冷處理提供的溫度場和永磁體提供的勻強磁場,對42CrMo鋼板合金鋼進行磁場深冷處理,并與常規(guī)工藝和深冷處理工藝進行了對比分析。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行對比,用光學(xué)顯鏡對試樣橫截面處硬化層形貌進行分析,將實驗所得硬化層形貌與模擬結(jié)果進行比較。并在相同的功率密度下,改變光斑的幾何尺寸進行模擬,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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