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42CrMo钢板因具有良好的淬透性、强度以及韧性,被广泛应用于拉矫辊制造中,但是这种材料的耐蚀性、耐磨损性及耐疲劳性还不够理想,限制了拉矫辊连续工作能力。为进一步提高拉矫辊基材强度和耐磨损性能,利用激光熔凝技术对调质后42CrMo钢进行了激光强化工艺研究。采用光学显镜、金相显镜、显硬度计、摩擦磨损试验机等仪器对42CrMo钢激光熔凝后的显组织、相结构、强度及摩擦磨损性能进行了分析,研究了激光功率、扫描速度对熔凝层性能的影响规律。结果表明:工艺参数对熔凝区力学性能影响较大,激光功率显著影响熔凝层的深度,扫描速度影响表面成形质量;调质后42CrMo钢基体组织主要为回火马氏体+残余奥氏体,经过激光熔凝后,基体组织发生转变,马氏体含量显著提高。
采用硬度测试、显组织观察、脆性等级和疏松等级评价等方法研究了渗氮温度对42CrMo钢板零件渗氮后氧化渗层性能的影响。结果表明:在渗氮后氧化处理过程中,渗层的表面硬度随着渗氮温度的升高出现先增后降的趋势;渗层深度和疏松等级随渗氮温度的升高而增加,但脆性等级变化不大。当渗氮温度为560℃时,42CrMo钢零件可获得表面硬度≥600 HV、渗层（白亮层）深度≥15μm、1级脆性等级、2级疏松等级的优秀渗层。
为了提高刀具用42CrMo钢的耐磨性能,采用电弧离子镀技术在其表面沉积制备TiAlSiN涂层,并测试分析了励磁电压对其组织结构及摩擦学性能的影响。研究结果表明:提高电压后涂层表面粗糙度也随之增大,制得厚度更大的TiAlSiN涂层,从最初的2.16μm持续增大到4.85μm,表面粗糙度增大。随电压升高,涂层沿垂直基体表面的方向生长,获得了更明显的柱状晶,空隙数量也进一步增加,降低了涂层的组织致密度。随着电压的上升,等离子体离化率也明显提升,制备得到了硬度更高的涂层,涂层的厚度也明显增大。42crmo钢板电压增加过程中,TiAlSiN涂层的摩擦系数和磨损率表现出先下降再升高的变化规律,当电压达到30 V电压时获得了 磨损率。涂层存在磨粒磨损现象,可以观察到部分涂层发生了剥落。30 V电压时涂层表面变得更加平整,形成了更加致密的组织,耐磨性显著提高。
42CrMo钢板含有Cr、Mo等多种合金化元素,具有优良的综合力学性能,既具有较高的强度,又具有较好的塑性,在锻件,特别是大型锻件领域,有广泛的应用。本文采用计算机模拟与实验相结合的方法,构建了 42CrMo钢较准确的本构模型和材料性能数据库,并开展了材料变形和热处理淬火过程的计算机模拟和实验,模拟结果与实验结果吻合较好。
通过热压缩实验,测定了 42CrMo钢板在不同温度和应变速率下的应力-应变数据,构建了改进的Johnson-Cook本构模型和应变补偿的Arrhenius本构模型,得到了较大应变范围内较准确的42CrMo钢的本构方程。拟合了手册中标准的42CrMo钢的TTT曲线,获得了较准确的TTT曲线数据。此外还构建了包含热导率、比热容、杨氏模量、泊松比、相变潜热、膨胀系数等较完善、准确的42CrMo钢数据库。以构建的数据库为基础,通过DEFORM软件模拟了 42CrMo钢在变形温度为1123 K、应变速率为0.01 s-1条件下的热压缩过程,将模拟结果中压缩后试样的尺寸数据、Top Die载荷-行程曲线以及计算得出的应力-应变曲线分别与相同实验条件下实测结果进行对比。结果显示,载荷-行程曲线和应力-应变曲线在数值大小和变化趋势上与实验结果吻合较好,表明选用的应变补偿的Arrhenius本构模型能够比较准确地描述42crmo钢板的变形行为。
通过DEFORM软件模拟了 42CrMo钢板在1123 K时的末端淬火过程,结果显示试样末端与水的换热程度剧烈,温度迅速下降,形成大量马氏体组织,随着远离淬火末端,马氏体含量逐渐降低,硬度也随之降低。同时进行了同条件的末端淬火实验,对淬火后试样的轴向硬度分布进行了测量,并观察不同位置组织组成,实验结果与模拟结果基本一致,这表明文中构建的42CrMo钢数值模拟数据库较为准确。可以在此基础上进行不同几何形状、不同变形条件、不同热处理过程的数值模拟,为实际生产过程的模拟与优化打下了良好的基础。
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对磨煤机减速机齿轮进行失效分析,结果表明:齿轮齿根弯曲疲劳强度不足,轮齿断裂属于多次累积损伤产生的疲劳断裂42crmo钢板,而且齿轮内部不仅存在魏氏体组织,还存在较大的偏析区,因而在材料内部产生较大的组织应力,该组织应力与工作应力叠加,容易诱发裂纹的形成及扩展.分析结果还发现齿轮表面并没有经过表面热处理,表面硬度未达到设计要求.
利用激光熔覆技术在42CrMo钢板表面制备了Stellite-6钴基涂层,然后在不同的温度下对涂层进行热处理,探究了热处理温度对涂层显组织、硬度、耐蚀性和摩擦学性能的影响。结果表明:热处理能有效减小涂层内部的残余应力,消除裂纹、孔洞等缺陷;在900℃下进行热处理后,FCC结构的钴演变为HCP结构的钴,亚稳态M7C3型碳化物演变为稳态M23C6型碳化物;经过900℃×1 h的热处理后,涂层的近表面硬度是未热处理涂层的1.5倍,
约为1300 HV;未热处理涂层的摩擦因数为0.42,磨损机理主要表现为塑性变形、犁沟及脆性剥落;热处理后,涂层的摩擦因数降至0.29,磨损机理主要为磨粒磨损和黏着磨损;热处理后生成的稳态M23C6型碳化物具有强化合金、提升涂层力学性能的作用;未热处理涂层与热处理涂层的自腐蚀电流密度均约为3.3×10-3 A·cm-2,自腐蚀电位均在-0.29 V左右,单个容抗弧特征近乎重合。热处理过程中发生的再结晶和晶粒尺寸变化、马氏体相变对钴基涂层耐蚀性的影响不大。
制造水平的不断提升,对复杂精密的机械装备、零件的品质要求也越来越高,而塑性加工技术和热处理技术作为材料成型及改善材料性能的关键手段,在制造加工工业中发挥着关键性作用。42crmo钢板材料处理过程中,材料的最终性能受多方面因素的影响,如塑性加工过程中的加载速度、几何形状、摩擦与接触条件,热处理过程中的温度分布、组织分布和应力分布等,如果仅通过试验来摸索设计工艺参数,费时费力,无法满足实际生产需求。现阶段,可以通过计算机进行塑性加工和热处理过程的数值模拟,辅助工艺设计和工艺优化,缩短研发周期,提高产品质量,降低成本。因此,研究如何提高数值模拟的准确性具有十分重要的意义。
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