針對(duì)淬火油污染嚴(yán)重、生產(chǎn)不因素等問題,介紹一種新型水基淬火介質(zhì),及替代傳統(tǒng)油淬的工藝。利用光學(xué)顯鏡、洛氏硬度計(jì)、 試驗(yàn)機(jī)和沖擊試驗(yàn)機(jī)等手段對(duì)不同規(guī)格的42CrMo鋼板在無機(jī)高分子水基淬火液中淬火再高溫回火后的組織及性能進(jìn)行了研究,并分析了用無機(jī)高分子水溶性淬火介質(zhì)替代淬火油的可能性。結(jié)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(qiáng)度、屈服強(qiáng)度、伸長率、斷面收縮率等力學(xué)性能均達(dá)到大型合金鋼鍛件的JB/T6396技術(shù)條件要求。因此,改進(jìn)后的熱處理工藝可以更好地應(yīng)用于42CrMo鋼板的淬火,顯著提高了偏航齒圈綜合熱處理質(zhì)量。 

  42CrMo鋼板作為現(xiàn)代社會(huì)使用廣泛的材料之一,往往在服役環(huán)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(shù)。但是其效率往往很低,也導(dǎo)致了其生產(chǎn)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(lǐng)域的應(yīng)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(yù)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(shù)的改變對(duì)滲層組織、結(jié)構(gòu)及性能的影響。

   通過光學(xué)顯鏡（OM）和掃描電鏡（SEM）觀察樣品表面和橫截面結(jié)構(gòu)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(xué)成分組成;通過顯硬度計(jì)表征滲氮層顯力學(xué)性能和有效硬化層厚度;利用削盤式摩擦磨損儀和電化學(xué)工作站分別表征樣品耐磨損性能和耐腐蝕性能;后續(xù)利用超景深顯鏡觀察樣品摩擦磨損和電化學(xué)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(xué)和成鍵狀態(tài)及區(qū)形貌,討論了鐵酸鑭在氣體滲氮過程中催滲機(jī)理。42crmo鋼板結(jié)果表明,在樣品表面預(yù)制備一層鐵酸鑭薄膜后,可以有效地促進(jìn)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

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(qiáng)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(jì)算機(jī)模擬與實(shí)驗(yàn)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(jì)算機(jī)模擬和實(shí)驗(yàn),模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果吻合較好。

   通過熱壓縮實(shí)驗(yàn),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(jìn)的Johnson-Cook本構(gòu)模型和應(yīng)變補(bǔ)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(jì)算得出的應(yīng)力-應(yīng)變曲線分別與相同實(shí)驗(yàn)條件下實(shí)測結(jié)果進(jìn)行對(duì)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(shí)驗(yàn)結(jié)果吻合較好,表明選用的應(yīng)變補(bǔ)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(shí)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(yuǎn)離淬火末端,馬氏體含量逐漸降低,硬度也隨之降低。同時(shí)進(jìn)行了同條件的末端淬火實(shí)驗(yàn),對(duì)淬火后試樣的軸向硬度分布進(jìn)行了測量,并觀察不同位置組織組成,實(shí)驗(yàn)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(jìn)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(shí)際生產(chǎn)過程的模擬與優(yōu)化打下了良好的基礎(chǔ)。

對(duì)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(duì)涂層進(jìn)行熱處理,探究了熱處理溫度對(duì)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(duì)鈷基涂層耐蝕性的影響不大。

 制造水平的不斷,對(duì)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?，F(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。