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。在激光功率密度不变时,随着垂直于扫描方向上的光斑宽度增加,硬化层宽度呈正比例增加,硬化层深度则先增后减,距离硬化层中心深处相同距离点的曲率则逐渐减少。结论通过优化激光淬火工艺参数,控制激光淬火的热传导时间和深度方向的温度梯度分布,可以在表面不熔化的前提下,获得较深的硬化层。光斑尺寸对42CrMo钢板激光深层淬火硬化层深度和硬化层均匀性有较大影响,选择较大的光斑宽度可以得到更为均匀的硬化层。
本文对实验用钢42CrMo进行了成分测定、热处理工艺设计、组织表征、性能检测与分析等研究。采用Jmat-pro软件模拟了42CrMo钢的冷却转变过程,并实测了实验用钢的连续冷却转变曲线和等温转变曲线,利用OM、SEM、硬度测量等手段分析了不同冷却速度和等温温度下的组织及特征,特别是贝氏体转变区间、类型、特征和含量等与硬度的关系,通过热处理工艺设计调控组织,建立了观组织与硬度、韧性和耐磨性等之间的关系。42CrMo钢板的连续冷却转变曲线CCT图表明,Ac1为743℃,Ac3为792℃,在实验的冷速范围内,存在有先共析铁素体、珠光体、贝氏体和马氏体四个转变区;冷速大于3℃/s,获得羽毛状上贝和针片状下贝为主的复相组织,随冷速增加,组织中马氏体含量增加,混合贝氏体相中上贝氏体量减少,硬度呈上升趋势,冷速20℃/s,获得马氏体基体+（3%5%）下贝氏体的复相组织。
等温转变曲线TTT图表明,在410℃500℃区间等温将发生上贝氏体转变,组织为羽毛状特征为主,下贝氏体转变的等温温度介于310℃410℃之间,组织为针片状贝氏体+板条状马氏体的复相组织,随等温温度降低,马氏体含量增加;在560℃-590℃之间等温出现的大量针状魏氏组织,与实验材料组织不均,晶粒粗大有关。42crmo钢板调质热处理工艺实验结果表明,淬火加热温度840℃,采用18%水基淬火介质冷却,获得下贝氏体含量约为20.3%的马/贝复相组织,经560℃回火,其综合力学性能达到良好匹配;等温热处理工艺实验表明,在320℃380℃区间等温,
对于大倾覆力矩、重载疲劳和高冲击高磨损的轴承材料,通常采用感应淬火进行表面强化,但存在软带和变形大等问题。而使用激光淬火硬化层深度在1 mm以内,42crmo钢板且横截面硬化层为"月牙形",试样表面各点硬化层分布不均,较浅处易提前发生损坏。
为解决以上问题,利用COMSOL软件模拟激光深层淬火过程温度场时空分布,与常规激光淬火不同,激光深层淬火采用了宽光斑、低速扫描,且辅助用于提高吸光率的涂料,在软件中设定不同激光功率、扫描速度和光斑尺寸,分析得到不同工艺参数下的温度场分布、硬化层形貌和特征尺寸,并在模拟指导下进行实验得到深层硬化层,并探究光斑尺寸对硬化层深度、宽度、均匀性的影响。模拟结果表明,选择适当的激光功率密度和扫描速度进行激光淬火温度场的模拟,可以得到3.6 mm深的硬化层。以此进行光纤耦合半导体激光器淬火实验,实验所得有效硬化层深度为3.7 mm,硬化层平均硬度为774 HV0.3。42crmo钢板将实验所得硬化层形貌和模拟结果进行对比,平均误差为6.5%。模拟结果还表明,在激光功率、光斑面积和扫描速度不变时,改变光斑的宽度,硬化层的宽度与光斑的宽度成正比例,硬化层的深度随光斑宽度增加先增加后减小。随着光斑宽度增加,硬化层分布更加均匀。
利用金相显镜、洛氏硬度计和扫描电镜,对经过预备热处理（退火、淬火、调质）+亚温淬火+高温回火处理（又称临界区淬火+回火）后的42CrMo钢的组织、冲击性能以及断口形貌进行了观察和分析。结果表明,预备热处理为退火处理时,亚温处理后残留的铁素体粗大不均;且在回火索氏体之间分布不均匀;预备热处理为淬火处理和调质处理时,残留的铁素体形态细小,且与回火索氏体均匀分布。采用不同预备热处理时,亚温处理后的硬度差别很小。亚温处理后42CrMo钢的冲击性能均高于常规调质处理后的冲击性能;预备热处理为调质处理时,亚温处理后的冲击功 ,从其断口形貌中可以看出,其起裂区和裂纹纤维扩展区所占比例较退火处理和淬火处理时要大。因此,调质处理更适合作为42CrMo钢的预备处理。
为了提高汽车传动件常用材料42CrMo钢板的耐腐蚀性能,对42CrMo钢进行锰系磷化处理,并考察了表面调整和磷化液温度对磷化膜耐腐蚀性能的影响。
结果表明,表面调整后形成的磷化膜结晶细致均匀,晶粒大小较均一,较未表面调整直接形成的磷化膜的耐腐蚀性能有一定的提高;磷化液温度对磷化膜的观形貌、成分和耐腐蚀性能有较大影响,随着磷化液温度从78℃升高到94℃,晶粒先细化后粗化,磷化膜致密性先变好后变差;磷化膜中Mn元素质量分数先升高后降低,Fe元素质量分数先降低后升高,而P和O元素质量分数变化不大;磷化膜的腐蚀电位先正移后负移,腐蚀电流密度先降低后升高;表面调整后在86℃下形成的磷化膜具有良好的耐腐蚀性能,其腐蚀电位和腐蚀电流密度分别为-527.46 mV、1.997×10-5A/cm2,对42CrMo钢的保护效率为73.2%,能有效提高42CrMo钢板的耐腐蚀性能。
42CrMo钢板经过调质处理（淬火+回火）可以获得良好的强度和韧性,因此被作为制造大规格螺栓等零部件的常用材料。由于此类零部件应用环境的影响,对于其制造材料不仅要求具备良好的强度、韧性、延展性等综合性能,还要求高的低温冲击性能,特别是大规格的螺栓（42mm≤Φ≤64mm）,其截面尺寸的增加导致淬火后材料心部除马氏体组织产生外,作为不完全淬火组织的贝氏体组织比例增加,难以实现截面性能的均匀性和保证心部的低温冲击性能。因此为保证大规格螺栓的服役性能,要求材料要具有良好的淬透性,即淬火后心部马氏体组织达到90%以上。虽然通过控制生产工艺可以改善材料的淬透性,但是影响材料淬透性的根本原因是材料的化学成分。本文针对大规格螺栓钢淬透性问题,在42CrMo钢基础成分上配合添加元素Al、B、Ti,同时控制钢的N含量,研究了Al添加对42CrMo钢淬透性和淬火组织以及性能的影响,并与含B钢进行对比,揭示Al对不同尺寸42CrMo钢淬透性的影响规律。
具体研究内容如下:在42crmo钢板基础成分中配合添加Al-Ti和Al-B元素,通过末端淬火实验和截面硬度实验对比分析设计钢与42CrMo钢淬透性的差异,并通过金相显镜OM、扫描电镜SEM观察不同部位淬火后组织形貌以及回火后观组织和断口形貌,通过常规力学性能检测其常温拉伸和低温冲击性能,
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