針對淬火油污染嚴重、生產不因素等問題,介紹一種新型水基淬火介質,及替代傳統油淬的工藝。利用光學顯鏡、洛氏硬度計、 試驗機和沖擊試驗機等手段對不同規格的42CrMo鋼板在無機高分子水基淬火液中淬火再高溫回火后的組織及性能進行了研究,并分析了用無機高分子水溶性淬火介質替代淬火油的可能性。結果表明,42CrMo鋼在淬火后的硬度值為55～56 HRC;回火后的硬度值為285 HBW;顯組織主要為粒狀索氏體。其抗拉強度、屈服強度、伸長率、斷面收縮率等力學性能均達到大型合金鋼鍛件的JB/T6396技術條件要求。因此,改進后的熱處理工藝可以更好地應用于42CrMo鋼板的淬火,顯著提高了偏航齒圈綜合熱處理質量。 

  42CrMo鋼板作為現代社會使用廣泛的材料之一,往往在服役環境中容易遭受腐蝕和磨損等破壞,使得其使用壽命大大降低。氣體滲氮（gas nitriding）是一種能夠顯著鋼鐵材料表面耐腐蝕性能和耐磨損性能的技術。但是其效率往往很低,也導致了其生產成本的增加。因此,越來越多的研究集中到了氣體滲氮效率上。鐵酸鑭是一種稀土鈣鈦礦氧化物,在催化領域的應用前景也非常有潛力。本論文以42CrMo鋼為基體,在基體表面通過溶膠凝膠法預制備一層鐵酸鑭薄膜,這也是 次將鐵酸鑭引入到氣體滲氮中。并且研究了不同薄膜厚度、滲氮溫度以及不同混合氣體比例等參數的改變對滲層組織、結構及性能的影響。

   通過光學顯鏡（OM）和掃描電鏡（SEM）觀察樣品表面和橫截面結構和形貌;通過X射線衍射儀（XRD）和能譜儀（EDS）表征滲氮層物相和化學成分組成;通過顯硬度計表征滲氮層顯力學性能和有效硬化層厚度;利用削盤式摩擦磨損儀和電化學工作站分別表征樣品耐磨損性能和耐腐蝕性能;后續利用超景深顯鏡觀察樣品摩擦磨損和電化學腐蝕形貌;通過X射線光譜（XPS）和透射電鏡（TEM）研究樣品表面化學和成鍵狀態及區形貌,討論了鐵酸鑭在氣體滲氮過程中催滲機理。42crmo鋼板結果表明,在樣品表面預制備一層鐵酸鑭薄膜后,可以有效地促進化合物層和有效硬化層增厚。霧化沉積鐵酸鑭薄膜樣品在550℃下氣體滲氮4h后,具有厚的化合物層和有效硬化層,厚度分別為15.29μm和305.8μm;此外,表面氮含量增加也使得表面硬度有了顯著,表面硬度 值為910.5HV0

。在激光功率密度不變時,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的曲率則逐漸減少。結論通過優化激光淬火工藝參數,控制激光淬火的熱傳導時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。 

  本文對實驗用鋼42CrMo進行了成分測定、熱處理工藝設計、組織表征、性能檢測與分析等研究。采用Jmat-pro軟件模擬了42CrMo鋼的冷卻轉變過程,并實測了實驗用鋼的連續冷卻轉變曲線和等溫轉變曲線,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,特別是貝氏體轉變區間、類型、特征和含量等與硬度的關系,通過熱處理工藝設計調控組織,建立了觀組織與硬度、韌性和耐磨性等之間的關系。42CrMo鋼板的連續冷卻轉變曲線CCT圖表明,Ac1為743℃,Ac3為792℃,在實驗的冷速范圍內,存在有先共析鐵素體、珠光體、貝氏體和馬氏體四個轉變區;冷速大于3℃/s,獲得羽毛狀上貝和針片狀下貝為主的復相組織,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%）下貝氏體的復相組織。

   等溫轉變曲線TTT圖表明,在410℃500℃區間等溫將發生上貝氏體轉變,組織為羽毛狀特征為主,下貝氏體轉變的等溫溫度介于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℃之間等溫出現的大量針狀魏氏組織,與實驗材料組織不均,晶粒粗大有關。42crmo鋼板調質熱處理工藝實驗結果表明,淬火加熱溫度840℃,采用18%水基淬火介質冷卻,獲得下貝氏體含量約為20.3%的馬/貝復相組織,經560℃回火,其綜合力學性能達到良好匹配;等溫熱處理工藝實驗表明,在320℃380℃區間等溫,

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致嚴重的環境污染。改用水淬不僅可滿足綠色環保的要求而且可降低成本,但極易產生開裂。針對上述問題,本研究基于溫度場、組織場和應力場的有限元模擬,獲得優化的水-空交替控時淬火冷卻（ATQ）工藝,成功應用于大直徑（ф1970 mm）的42CrMo鋼齒圈毛坯的淬火冷卻。結果表明:采用ATQ工藝處理42CrMo鋼齒圈毛坯,不僅回火后的力學性能高于性能指標要求,而且有效避免了淬火開裂。 

  對42CrMo鋼板軋制工藝參數進行了的優化,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律。結果表明,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時可避免在棒材剪切下料過程開裂、掉塊現象。 

   利用高壓水射流噴丸技術（WSP）和真空脈沖等離子氮化技術,研究了水射流噴丸預處理對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應力測定儀、表面粗糙度儀、顯硬度儀對等離子氮化和復合處理后試樣的滲層顯組織、結構以及表面完整性進行了表征,并對疲勞斷口形貌進行了分析。42crmo鋼板結果表明:經過WSP預處理后,42CrMo鋼獲得了更好的氮化效果,疲勞性能得到大幅。原因是經WSP預處理后,試樣表面細小彌散的氮化物和表層晶粒的細化有利于抑制表面裂紋的萌生與擴展,改變了疲勞裂紋的萌生機制,次表層硬度的提高以及更深的殘余壓應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力抑制了次表層二次裂紋的萌生以及主裂紋的擴展,延長了42CrMo鋼滲氮后的接觸疲勞壽命,使得失效機理更接近于赫茲理論。