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對磨煤機(jī)減速機(jī)齒輪進(jìn)行失效分析,結(jié)果表明:齒輪齒根彎曲疲勞強(qiáng)度不足,輪齒斷裂屬于多次累積損傷產(chǎn)生的疲勞斷裂42crmo鋼板,而且齒輪內(nèi)部不僅存在魏氏體組織,還存在較大的偏析區(qū),因而在材料內(nèi)部產(chǎn)生較大的組織應(yīng)力,該組織應(yīng)力與工作應(yīng)力疊加,容易誘發(fā)裂紋的形成及擴(kuò)展.分析結(jié)果還發(fā)現(xiàn)齒輪表面并沒有經(jīng)過表面熱處理,表面硬度未達(dá)到設(shè)計(jì)要求.
利用激光熔覆技術(shù)在42CrMo鋼板表面制備了Stellite-6鈷基涂層,然后在不同的溫度下對涂層進(jìn)行熱處理,探究了熱處理溫度對涂層顯組織、硬度、耐蝕性和摩擦學(xué)性能的影響。結(jié)果表明:熱處理能有效減小涂層內(nèi)部的殘余應(yīng)力,裂紋、孔洞等缺陷;在900℃下進(jìn)行熱處理后,FCC結(jié)構(gòu)的鈷演變?yōu)镠CP結(jié)構(gòu)的鈷,亞穩(wěn)態(tài)M7C3型碳化物演變?yōu)榉€(wěn)態(tài)M23C6型碳化物;經(jīng)過900℃×1 h的熱處理后,涂層的近表面硬度是未熱處理涂層的1.5倍,
約為1300 HV;未熱處理涂層的摩擦因數(shù)為0.42,磨損機(jī)理主要表現(xiàn)為塑性變形、犁溝及脆性剝落;熱處理后,涂層的摩擦因數(shù)降至0.29,磨損機(jī)理主要為磨粒磨損和黏著磨損;熱處理后生成的穩(wěn)態(tài)M23C6型碳化物具有強(qiáng)化合金、涂層力學(xué)性能的作用;未熱處理涂層與熱處理涂層的自腐蝕電流密度均約為3.3×10-3 A·cm-2,自腐蝕電位均在-0.29 V左右,單個(gè)容抗弧特征近乎重合。熱處理過程中發(fā)生的再結(jié)晶和晶粒尺寸變化、馬氏體相變對鈷基涂層耐蝕性的影響不大。
制造水平的不斷,對復(fù)雜精密的機(jī)械裝備、零件的品質(zhì)要求也越來越高,而塑性加工技術(shù)和熱處理技術(shù)作為材料成型及改善材料性能的關(guān)鍵手段,在制造加工工業(yè)中發(fā)揮著關(guān)鍵性作用。42crmo鋼板材料處理過程中,材料的終性能受多方面因素的影響,如塑性加工過程中的加載速度、幾何形狀、摩擦與接觸條件,熱處理過程中的溫度分布、組織分布和應(yīng)力分布等,如果僅通過試驗(yàn)來摸索設(shè)計(jì)工藝參數(shù),費(fèi)時(shí)費(fèi)力,無法滿足實(shí)際生產(chǎn)需求。現(xiàn)階段,可以通過計(jì)算機(jī)進(jìn)行塑性加工和熱處理過程的數(shù)值模擬,輔助工藝設(shè)計(jì)和工藝優(yōu)化,縮短研發(fā)周期,提高產(chǎn)品質(zhì)量,降低成本。因此,研究如何提高數(shù)值模擬的準(zhǔn)確性具有十分重要的意義。
利用三維原子探針（3DAP）分析元素分布。結(jié)果表明Al-Ti、Al-B的添加均使42CrMo鋼板淬透性提高,Al-B配合添加的42CrMo鋼淬透性 ,直接淬火后截面心部馬氏體組織大于90%;并且使鋼的抗拉強(qiáng)度Rm≥1200MPa,-40℃下沖擊吸收功KV2≥27J,力學(xué)性能滿足低溫環(huán)境下12.9級螺栓用鋼的使用要求。
通過化學(xué)相分析實(shí)驗(yàn)和CCT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,當(dāng)Al的添加含量較高,使得相同溫度下AlN優(yōu)先BN析出,這一部分Al發(fā)揮固氮作用,另外一部分Al與B共同固溶于鋼中,抑制珠光體和鐵素體的轉(zhuǎn)變,增加實(shí)驗(yàn)鋼在較低的冷速下獲得馬氏體的能力,提高鋼的淬透性。通過3DAP實(shí)驗(yàn)分析鋼中各元素的分布情況,其中Al元素在鋼中彌散分布,抑制C的擴(kuò)散,從而抑制貝氏體的形成,提高鋼的淬透性。
采用電弧離子鍍技術(shù)在刀具42CrMo鋼板表面沉積制備TiAlSiN涂層,實(shí)驗(yàn)測試分析勵(lì)磁電壓對其的組織結(jié)構(gòu)及其摩擦性能的影響。研究結(jié)果表明不同電壓制備的TiAlSiN涂層表面形成了大量孔洞。隨著電壓升高后,涂層的粗糙度和厚度明顯增加。所有層都形成了緊密結(jié)合狀態(tài),未產(chǎn)生明顯縫隙結(jié)構(gòu),涂層都形成了具有柱狀結(jié)構(gòu)。當(dāng)電壓上升后,產(chǎn)生了更多的空隙,導(dǎo)致涂層致密度發(fā)生減小。逐漸提高電壓后,獲得了具備更高顯硬度的涂層,達(dá)到了比合金鋼基體更高的硬度。隨著電壓升高,涂層的摩擦系數(shù)和磨損率先降低再升高,到達(dá)30 V電壓時(shí)達(dá)到了小的磨損率。涂層主要發(fā)生了42crmo鋼板磨粒磨損的情況。30 V電壓時(shí)形成了更加平整的涂層表面,涂層的組織結(jié)構(gòu)也變得更加致密,顯著提高了耐磨性。
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(lì)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。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(shí)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(shí)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(hù)焊、氬弧焊、光纖激光焊三種焊接工藝進(jìn)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(shí)際修復(fù)后的檢測與試驗(yàn),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(shí)顯組織為回火屈氏體,在500～650℃區(qū)間回火時(shí)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(qiáng)度和規(guī)定塑性延伸強(qiáng)度降低,-40℃低溫沖擊性能升高。在500℃回火可達(dá)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(qiáng)化和沉淀強(qiáng)化提高了鋼的性能。
為研究42CrMo鋼板的沖擊動態(tài)力學(xué)性能及本構(gòu)模型,進(jìn)行了沖擊動態(tài)壓縮實(shí)驗(yàn)和金相觀察.材料表現(xiàn)出強(qiáng)烈的應(yīng)變率依賴性,同時(shí)還得到不同應(yīng)變率下力學(xué)性能差異的主要原因在于沖擊動態(tài)載荷下的絕熱剪切行為.采用熱理論,分別考慮熱應(yīng)力和非熱應(yīng)力來解釋變形機(jī)理,得到了應(yīng)變率效應(yīng)的描述.基于此,本文提出含高應(yīng)變率效應(yīng)的動態(tài)本構(gòu)模型,通過絕熱剪切準(zhǔn)則來確定失穩(wěn)的起始點(diǎn),并與模型進(jìn)行耦合.該模型能很好地描述42Cr Mo鋼的準(zhǔn)靜態(tài)和沖擊動態(tài)力學(xué)行為,特別是應(yīng)變硬化效應(yīng)和應(yīng)變率效應(yīng).
42CrMo鋼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(jì)、摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)等儀器對42CrMo鋼激光熔凝后的顯組織、42crmo鋼板相結(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鋼板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(jià)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(shí),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。
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