連接柴油機(jī)凸輪軸與正時(shí)齒輪的42CrMo鋼板螺栓在試機(jī)過程中斷裂。對(duì)斷裂螺栓進(jìn)行了宏觀檢驗(yàn)、化學(xué)成分分析、硬度測(cè)定、金相檢驗(yàn)和能譜分析。結(jié)果表明:螺栓的化學(xué)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(dá)350μm,大大降低了螺栓的有效承載面積,導(dǎo)致其斷裂。 

  為調(diào)控離子滲氮滲層特性,獲得少脆性化合物層、厚韌性擴(kuò)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(duì)42CrMo鋼板進(jìn)行了添加量鈦的創(chuàng)新離子滲氮處理。利用光學(xué)顯鏡、SEM、XRD和顯硬度計(jì)對(duì)滲層的截面顯組織、表面形貌和成分、物相和截面硬度進(jìn)行了測(cè)試和分析。結(jié)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(shí)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(guī)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(guī)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(guī)離子滲氮的8.5%降低到2.6%。同時(shí)添加量鈦離子滲氮滲層中形成了高硬度強(qiáng)化相Ti N,使?jié)B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(yōu)良滲氮層特性,該滲層特性對(duì)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(yīng)用價(jià)值。

用同軸送粉的方式在42CrMo表面激光熔覆Fe-WC合金粉末,通過掃描電鏡、光學(xué)顯鏡、能譜儀觀察分析熔覆層的顯組織特征、WC陶瓷顆粒對(duì)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(jì)、摩擦磨損試驗(yàn)儀、高精度電子天平測(cè)量基體與熔覆層的性能及質(zhì)量損失,分析了引起性能曲線變化的原因。結(jié)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(cuò)生長(zhǎng)的柱狀樹枝晶、42cr鋼板排列緊密的胞狀晶、方向均一的柱狀樹枝晶; WC陶瓷顆粒具有細(xì)化枝晶、阻斷枝晶生長(zhǎng),增強(qiáng)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(dá)到850 HV0.3,是基體平均硬度的3.4倍。摩擦因數(shù)為0.275左右,比基體小0.525。基體的質(zhì)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鋼板的基礎(chǔ)成分上增加Al、Ti元素,通過末端淬火試驗(yàn)和截面硬度試驗(yàn)對(duì)比分析Al對(duì)42CrMo鋼淬透性的影響差異,通過常規(guī)力學(xué)性能檢測(cè)對(duì)比其與42CrMo鋼的力學(xué)性能差異。結(jié)果表明Al、Ti元素添加可進(jìn)一步提高淬透性,并且使鋼的強(qiáng)度達(dá)到1200 MPa級(jí),-40℃下KV2≥27 J,滿足低溫環(huán)境下螺栓用鋼的使用要求。采用化學(xué)相分析方法,對(duì)鋼中析出相進(jìn)行了定性、定量分析,結(jié)果表明Ti在鋼中添加發(fā)揮明顯固氮作用,提高了Al元素的固溶量,利用熱膨脹法對(duì)比測(cè)定試驗(yàn)鋼的等溫轉(zhuǎn)變曲線,證明了增加Al含量,降低了奧氏體臨界轉(zhuǎn)變溫度,使C曲線右移,明顯改善了鋼的淬透性。 

  通過宏觀及觀分析手段對(duì)42CrMo鋼板閥體內(nèi)孔表面裂紋開裂原因進(jìn)行分析。42crmo鋼板結(jié)果表明:鑄造缺陷、非金屬夾雜物含量較多、調(diào)質(zhì)處理溫度過高、保溫時(shí)間較長(zhǎng),以致形成粗大珠光體和大量的魏氏組織是造成鍛件開裂的主要原因,應(yīng)力過大導(dǎo)致了鍛件的開裂。 

對(duì)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(jìn)行表面強(qiáng)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(diǎn)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(chǎng)時(shí)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(chǎng)分布、硬化層形貌和特征尺寸,并在模擬指導(dǎo)下進(jìn)行實(shí)驗(yàn)得到深層硬化層,并探究光斑尺寸對(duì)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(jìn)行激光淬火溫度場(chǎng)的模擬,可以得到3.6 mm深的硬化層。以此進(jìn)行光纖耦合半導(dǎo)體激光器淬火實(shí)驗(yàn),實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)所得硬化層形貌和模擬結(jié)果進(jìn)行對(duì)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(shí),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(jì)和掃描電鏡,對(duì)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(jìn)行了觀察和分析。結(jié)果表明,預(yù)備熱處理為退火處理時(shí),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(shí),殘留的鐵素體形態(tài)細(xì)小,且與回火索氏體均勻分布。采用不同預(yù)備熱處理時(shí),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(shí),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(kuò)展區(qū)所占比例較退火處理和淬火處理時(shí)要大。因此,調(diào)質(zhì)處理更適合作為42CrMo鋼的預(yù)備處理。