對于大傾覆力矩、重載疲勞和高沖擊高磨損的軸承材料,通常采用感應(yīng)淬火進行表面強化,但存在軟帶和變形大等問題。而使用激光淬火硬化層深度在1 mm以內(nèi),42crmo鋼板且橫截面硬化層為"月牙形",試樣表面各點硬化層分布不均,較淺處易提前發(fā)生損壞。

   為解決以上問題,利用COMSOL軟件模擬激光深層淬火過程溫度場時空分布,與常規(guī)激光淬火不同,激光深層淬火采用了寬光斑、低速掃描,且輔助用于提高吸光率的涂料,在軟件中設(shè)定不同激光功率、掃描速度和光斑尺寸,分析得到不同工藝參數(shù)下的溫度場分布、硬化層形貌和特征尺寸,并在模擬指導(dǎo)下進行實驗得到深層硬化層,并探究光斑尺寸對硬化層深度、寬度、均勻性的影響。模擬結(jié)果表明,選擇適當(dāng)?shù)募す夤β拭芏群蛼呙杷俣冗M行激光淬火溫度場的模擬,可以得到3.6 mm深的硬化層。以此進行光纖耦合半導(dǎo)體激光器淬火實驗,實驗所得有效硬化層深度為3.7 mm,硬化層平均硬度為774 HV0.3。42crmo鋼板將實驗所得硬化層形貌和模擬結(jié)果進行對比,平均誤差為6.5%。模擬結(jié)果還表明,在激光功率、光斑面積和掃描速度不變時,改變光斑的寬度,硬化層的寬度與光斑的寬度成正比例,硬化層的深度隨光斑寬度增加先增加后減小。隨著光斑寬度增加,硬化層分布更加均勻。

  利用金相顯鏡、洛氏硬度計和掃描電鏡,對經(jīng)過預(yù)備熱處理（退火、淬火、調(diào)質(zhì)）+亞溫淬火+高溫回火處理（又稱臨界區(qū)淬火+回火）后的42CrMo鋼的組織、沖擊性能以及斷口形貌進行了觀察和分析。結(jié)果表明,預(yù)備熱處理為退火處理時,亞溫處理后殘留的鐵素體粗大不均;且在回火索氏體之間分布不均勻;預(yù)備熱處理為淬火處理和調(diào)質(zhì)處理時,殘留的鐵素體形態(tài)細小,且與回火索氏體均勻分布。采用不同預(yù)備熱處理時,亞溫處理后的硬度差別很小。亞溫處理后42CrMo鋼的沖擊性能均高于常規(guī)調(diào)質(zhì)處理后的沖擊性能;預(yù)備熱處理為調(diào)質(zhì)處理時,亞溫處理后的沖擊功 ,從其斷口形貌中可以看出,其起裂區(qū)和裂紋纖維擴展區(qū)所占比例較退火處理和淬火處理時要大。因此,調(diào)質(zhì)處理更適合作為42CrMo鋼的預(yù)備處理。 

針對淬火油污染嚴重、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、 試驗機和沖擊試驗機等手段對不同規(guī)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(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。其抗拉強度、屈服強度、伸長率、斷面收縮率等力學(xué)性能均達到大型合金鋼鍛件的JB/T6396技術(shù)條件要求。因此,改進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

為了提高汽車傳動件常用材料42CrMo鋼板的耐腐蝕性能,對42CrMo鋼進行錳系磷化處理,并考察了表面調(diào)整和磷化液溫度對磷化膜耐腐蝕性能的影響。

   結(jié)果表明,表面調(diào)整后形成的磷化膜結(jié)晶細致均勻,晶粒大小較均一,較未表面調(diào)整直接形成的磷化膜的耐腐蝕性能有一定的提高;磷化液溫度對磷化膜的觀形貌、成分和耐腐蝕性能有較大影響,隨著磷化液溫度從78℃升高到94℃,晶粒先細化后粗化,磷化膜致密性先變好后變差;磷化膜中Mn元素質(zhì)量分數(shù)先升高后降低,Fe元素質(zhì)量分數(shù)先降低后升高,而P和O元素質(zhì)量分數(shù)變化不大;磷化膜的腐蝕電位先正移后負移,腐蝕電流密度先降低后升高;表面調(diào)整后在86℃下形成的磷化膜具有良好的耐腐蝕性能,其腐蝕電位和腐蝕電流密度分別為-527.46 mV、1.997×10-5A/cm2,對42CrMo鋼的保護效率為73.2%,能有效提高42CrMo鋼板的耐腐蝕性能。 

   42CrMo鋼板經(jīng)過調(diào)質(zhì)處理（淬火+回火）可以獲得良好的強度和韌性,因此被作為制造大規(guī)格螺栓等零部件的常用材料。由于此類零部件應(yīng)用環(huán)境的影響,對于其制造材料不僅要求具備良好的強度、韌性、延展性等綜合性能,還要求高的低溫沖擊性能,特別是大規(guī)格的螺栓（42mm≤Φ≤64mm）,其截面尺寸的增加導(dǎo)致淬火后材料心部除馬氏體組織產(chǎn)生外,作為不完全淬火組織的貝氏體組織比例增加,難以實現(xiàn)截面性能的均勻性和保證心部的低溫沖擊性能。因此為保證大規(guī)格螺栓的服役性能,要求材料要具有良好的淬透性,即淬火后心部馬氏體組織達到90%以上。雖然通過控制生產(chǎn)工藝可以改善材料的淬透性,但是影響材料淬透性的根本原因是材料的化學(xué)成分。本文針對大規(guī)格螺栓鋼淬透性問題,在42CrMo鋼基礎(chǔ)成分上配合添加元素Al、B、Ti,同時控制鋼的N含量,研究了Al添加對42CrMo鋼淬透性和淬火組織以及性能的影響,并與含B鋼進行對比,揭示Al對不同尺寸42CrMo鋼淬透性的影響規(guī)律。

  具體研究內(nèi)容如下:在42crmo鋼板基礎(chǔ)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設(shè)計鋼與42CrMo鋼淬透性的差異,并通過金相顯鏡OM、掃描電鏡SEM觀察不同部位淬火后組織形貌以及回火后觀組織和斷口形貌,通過常規(guī)力學(xué)性能檢測其常溫拉伸和低溫沖擊性能,