42CrMo鋼板因具有良好的淬透性、強度以及韌性,被廣泛應用于拉矯輥制造中,但是這種材料的耐蝕性、耐磨損性及耐疲勞性還不夠理想,限制了拉矯輥連續工作能力。為進一步提高拉矯輥基材強度和耐磨損性能,利用激光熔凝技術對調質后42CrMo鋼進行了激光強化工藝研究。采用光學顯鏡、金相顯鏡、顯硬度計、摩擦磨損試驗機等儀器對42CrMo鋼激光熔凝后的顯組織、相結構、強度及摩擦磨損性能進行了分析,研究了激光功率、掃描速度對熔凝層性能的影響規律。結果表明:工藝參數對熔凝區力學性能影響較大,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量;調質后42CrMo鋼基體組織主要為回火馬氏體+殘余奧氏體,經過激光熔凝后,基體組織發生轉變,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。當滲氮溫度為560℃時,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。
為了提高刀具用42CrMo鋼的耐磨性能,采用電弧離子鍍技術在其表面沉積制備TiAlSiN涂層,并測試分析了勵磁電壓對其組織結構及摩擦學性能的影響。研究結果表明: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。42crmo鋼板電壓增加過程中,TiAlSiN涂層的摩擦系數和磨損率表現出先下降再升高的變化規律,當電壓達到30 V電壓時獲得了 磨損率。涂層存在磨粒磨損現象,可以觀察到部分涂層發生了剝落。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。
本試驗在一定切削條件下對42CrMo鋼板進行干切削,研究刀具累計加工1 035 s過程中前后刀面的磨損形貌。試驗結果表明:累計加工時間T從0增加到1 035 s的過程中,刀具前刀面參與切削的區域亮度增加,磨損區域增大;當加工時間T為1 035 s時,刀具前刀面磨損明顯,出現顏色較深面磨損區域、亮度較高的部分刀具涂層材料磨損區域、磨粒磨損明顯的磨損區域。加工時間T從0增加到435 s的過程中,刀具后刀面出現明顯的磨損帶,涂層材料磨損帶逐漸增大。加工時間T從435 s增加到1 035 s的過程中,磨損帶緩慢增大,出現基體磨損現象,隨著磨損時間延長,基體磨損逐漸增大。當加工時間T從48 s增加到1 035 s,已加工表面粗糙度Ra由3.46μm逐漸增大到3.91μm。
在42CrMo鋼板常規處理的基礎上增加了冷處理,研究淺冷處理和深冷處理對42CrMo鋼硬度和耐磨性的影響。結果表明,經淺冷處理和深冷處理后,42CrMo鋼中殘留奧氏體向馬氏體發生轉變,且碳化物析出增多,致使鋼的硬度和耐磨性均有,且深冷處理后硬度和耐磨性幅度高于淺冷處理。
利用JMat-Pro軟件模擬了42CrMo鋼的連續冷卻轉變曲線,并采用DIL805L相變42crmo鋼板淬火膨脹儀實測了鋼的各相變點,對不同冷卻速度下的組織轉變和貝氏體含量進行了分析,并繪制其CCT曲線。結果表明:42CrMo鋼Ac1=743℃,Ac3=792℃。冷速小于0.5℃/s時,組織為先共析鐵素體與珠光體混合組織;冷速0.5～10℃/s之間,存在一定量的貝氏體,隨冷速加快,貝氏體量先增后降,馬氏體含量逐漸增多,使得硬度呈現較大增幅。冷速大于10℃/s,組織為基體馬氏體+少量貝氏體的混合組織。
連接柴油機凸輪軸與正時齒輪的42CrMo鋼板螺栓在試機過程中斷裂。對斷裂螺栓進行了宏觀檢驗、化學成分分析、硬度測定、金相檢驗和能譜分析。結果表明:螺栓的化學成分、顯組織和硬度均正常,但氧化物夾雜的含量較高,且 直徑達350μm,大大降低了螺栓的有效承載面積,導致其斷裂。
為調控離子滲氮滲層特性,獲得少脆性化合物層、厚韌性擴散層的滲氮層,提高離子滲氮滲層抗沖擊性和重載下的耐磨性,對42CrMo鋼板進行了添加量鈦的創新離子滲氮處理。利用光學顯鏡、SEM、XRD和顯硬度計對滲層的截面顯組織、表面形貌和成分、物相和截面硬度進行了測試和分析。結果表明:添加量鈦離子滲氮可顯著改善滲層特性,獲得少化合物層的高硬高韌滲氮層,同時顯著提高離子滲氮效率。
在540℃×4h工藝條件下,添加量鈦可使離子滲氮有效硬化層厚度顯著增加,由常規離子滲氮的225μm增加到380μm,即滲氮效率提高近70%;有效硬化層厚度提高的情況下,化合物層厚度反而減薄,由常規離子滲氮的19μm降低到10μm,即化合物層厚度降低了約50%;滲層中化合物層與有效硬化層之比值由常規離子滲氮的8.5%降低到2.6%。同時添加量鈦離子滲氮滲層中形成了高硬度強化相Ti N,使滲層表面硬度由703HV0.05提高至895HV0.05。42crmo鋼板添加量鈦離子滲氮獲得了薄化合物層、高硬高韌、厚有效硬化層的優良滲氮層特性,該滲層特性對改善離子滲氮零部件抗沖擊性和重載下的耐磨性具有重要研究和應用價值。
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、摩擦磨損試驗儀、高精度電子天平測量基體與熔覆層的性能及質量損失,分析了引起性能曲線變化的原因。結果表明,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陶瓷顆粒具有細化枝晶、阻斷枝晶生長,增強熔覆層性能的能力; 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。熔覆層平均硬度達到850 HV0.3,是基體平均硬度的3.4倍。摩擦因數為0.275左右,比基體小0.525。基體的質量損失是熔覆層的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鋼板基礎成分中配合添加Al-Ti和Al-B元素,通過末端淬火實驗和截面硬度實驗對比分析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,通過常規力學性能實驗檢測其常溫拉伸和低溫沖擊性能。結果表明,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,并且使鋼的抗拉強度Rm≥1200 MPa,-40℃下沖擊吸收功KV2≥27 J,力學性能滿足低溫環境下螺栓用鋼的使用要求。42crmo鋼板通過化學相分析實驗和TTT曲線測定,表明Al-Ti配合添加,Ti發揮固氮作用形成TiN,使Al固溶于鐵素體中,抑制貝氏體產生;Al-B配合添加,一部分Al發揮固氮作用,另外一部分Al與B共同固溶于鋼中,
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刃口鈍化及涂層工藝是刀具切削性能及加工質量的重要刀具后處理方法。本文對鈍化未涂層、鈍化且涂層以及無鈍化涂層的硬質合金鉆頭鉆削42CrMo鋼板的鉆削性能進行對比研究,并分析了鈍化且涂層鉆頭刃口的K因子及平均圓度隨加工孔數變化情況。結果表明:刀具鈍化與涂層后處理工藝對刀具壽命及其失效形式有決定性影響。在實驗參數下,未后處理鉆頭加工孔數僅10孔就發生崩刃失效;鈍化未涂層鉆頭的壽命是鈍化涂層鉆頭的10倍,主要失效形式為粘結磨損與磨粒磨損;鈍化且涂層鉆頭壽命為無鈍化涂層的150倍,主要失效形式為磨粒磨損。鈍化且涂層鉆頭刃口在加工過程中的存在:"涂層破損—基體磨損—新刃口形成—刃口崩刃—刃口再形成"的變化趨勢。
利用摩擦磨損試驗探究不同激光功率下42CrMo鋼板激光熔覆層的耐磨性,采用SEM和OM觀察了試樣摩擦磨損前后的熔覆層組織形貌。結果表明:42CrMo鋼基體的摩擦因數較大,且在該摩擦磨損后出現了嚴重的脆性剝落現象,激光熔覆層可以42CrMo鋼的耐磨損性能;當激光功率為1600 W時,摩擦因數可降低至0.28,熔覆層表面SEM形貌較為光滑,耐磨性優異,熔覆層組織中的晶粒細化均勻,主要表現為細小的等軸晶,組織較為致密,從而提高了熔覆層的耐磨損性能。
在42CrMo鋼的基礎成分上增加Al、Ti元素,通過末端淬火試驗和截面硬度試驗對比分析Al對42CrMo鋼淬透性的影響差異,通過常規力學性能檢測對比其與42CrMo鋼的力學性能差異。42crmo鋼板結果表明Al、Ti元素添加可進一步提高淬透性,并且使鋼的強度達到1200 MPa級,-40℃下KV2≥27 J,滿足低溫環境下螺栓用鋼的使用要求。采用化學相分析方法,對鋼中析出相進行了定性、定量分析,結果表明Ti在鋼中添加發揮明顯固氮作用,提高了Al元素的固溶量,利用熱膨脹法對比測定試驗鋼的等溫轉變曲線,證明了增加Al含量,降低了奧氏體臨界轉變溫度,使C曲線右移,明顯改善了鋼的淬透性。
