刃口钝化及涂层工艺是刀具切削性能及加工质量的重要刀具后处理方法。本文对钝化未涂层、钝化且涂层以及无钝化涂层的硬质合金钻头钻削42CrMo钢板的钻削性能进行对比研究,并分析了钝化且涂层钻头刃口的K因子及平均圆度随加工孔数变化情况。结果表明:刀具钝化与涂层后处理工艺对刀具寿命及其失效形式有决定性影响。在实验参数下,未后处理钻头加工孔数仅10孔就发生崩刃失效;钝化未涂层钻头的寿命是钝化涂层钻头的10倍,主要失效形式为粘结磨损与磨粒磨损;钝化且涂层钻头寿命为无钝化涂层的150倍,主要失效形式为磨粒磨损。钝化且涂层钻头刃口在加工过程中的存在:"涂层破损—基体磨损—新刃口形成—刃口崩刃—刃口再形成"的变化趋势。
利用摩擦磨损试验探究不同激光功率下42CrMo钢板激光熔覆层的耐磨性,采用SEM和OM观察了试样摩擦磨损前后的熔覆层组织形貌。结果表明:42CrMo钢基体的摩擦因数较大,且在该摩擦磨损后出现了严重的脆性剥落现象,激光熔覆层可以42CrMo钢的耐磨损性能;当激光功率为1600 W时,摩擦因数可降低至0.28,熔覆层表面SEM形貌较为光滑,耐磨性优异,熔覆层组织中的晶粒细化均匀,主要表现为细小的等轴晶,组织较为致密,从而提高了熔覆层的耐磨损性能。
在42CrMo钢的基础成分上增加Al、Ti元素,通过末端淬火试验和截面硬度试验对比分析Al对42CrMo钢淬透性的影响差异,通过常规力学性能检测对比其与42CrMo钢的力学性能差异。42crmo钢板结果表明Al、Ti元素添加可进一步提高淬透性,并且使钢的强度达到1200 MPa级,-40℃下KV2≥27 J,满足低温环境下螺栓用钢的使用要求。采用化学相分析方法,对钢中析出相进行了定性、定量分析,结果表明Ti在钢中添加发挥明显固氮作用,提高了Al元素的固溶量,利用热膨胀法对比测定试验钢的等温转变曲线,证明了增加Al含量,降低了奥氏体临界转变温度,使C曲线右移,明显改善了钢的淬透性。
连接柴油机凸轮轴与正时齿轮的42CrMo钢板螺栓在试机过程中断裂。对断裂螺栓进行了宏观检验、化学成分分析、硬度测定、金相检验和能谱分析。结果表明:螺栓的化学成分、显组织和硬度均正常,但氧化物夹杂的含量较高,且 直径达350μm,大大降低了螺栓的有效承载面积,导致其断裂。
为调控离子渗氮渗层特性,获得少脆性化合物层、厚韧性扩散层的渗氮层,提高离子渗氮渗层抗冲击性和重载下的耐磨性,对42CrMo钢板进行了添加量钛的创新离子渗氮处理。利用光学显镜、SEM、XRD和显硬度计对渗层的截面显组织、表面形貌和成分、物相和截面硬度进行了测试和分析。结果表明:添加量钛离子渗氮可显著改善渗层特性,获得少化合物层的高硬高韧渗氮层,同时显著提高离子渗氮效率。
在540℃×4h工艺条件下,添加量钛可使离子渗氮有效硬化层厚度显著增加,由常规离子渗氮的225μm增加到380μm,即渗氮效率提高近70%;有效硬化层厚度提高的情况下,化合物层厚度反而减薄,由常规离子渗氮的19μm降低到10μm,即化合物层厚度降低了约50%;渗层中化合物层与有效硬化层之比值由常规离子渗氮的8.5%降低到2.6%。同时添加量钛离子渗氮渗层中形成了高硬度强化相Ti N,使渗层表面硬度由703HV0.05提高至895HV0.05。42crmo钢板添加量钛离子渗氮获得了薄化合物层、高硬高韧、厚有效硬化层的优良渗氮层特性,该渗层特性对改善离子渗氮零部件抗冲击性和重载下的耐磨性具有重要研究和应用价值。
利用三维原子探针（3DAP）分析元素分布。结果表明Al-Ti、Al-B的添加均使42CrMo钢板淬透性提高,Al-B配合添加的42CrMo钢淬透性 ,直接淬火后截面心部马氏体组织大于90%;并且使钢的抗拉强度Rm≥1200MPa,-40℃下冲击吸收功KV2≥27J,力学性能满足低温环境下12.9级螺栓用钢的使用要求。
通过化学相分析实验和CCT曲线测定,表明Al-Ti配合添加,Ti发挥固氮作用形成TiN,使Al固溶于铁素体中,抑制贝氏体产生;Al-B配合添加,当Al的添加含量较高,使得相同温度下AlN优先BN析出,这一部分Al发挥固氮作用,另外一部分Al与B共同固溶于钢中,抑制珠光体和铁素体的转变,增加实验钢在较低的冷速下获得马氏体的能力,提高钢的淬透性。通过3DAP实验分析钢中各元素的分布情况,其中Al元素在钢中弥散分布,抑制C的扩散,从而抑制贝氏体的形成,提高钢的淬透性。
采用电弧离子镀技术在刀具42CrMo钢板表面沉积制备TiAlSiN涂层,实验测试分析励磁电压对其的组织结构及其摩擦性能的影响。研究结果表明不同电压制备的TiAlSiN涂层表面形成了大量孔洞。随着电压升高后,涂层的粗糙度和厚度明显增加。所有层都形成了紧密结合状态,未产生明显缝隙结构,涂层都形成了具有柱状结构。当电压上升后,产生了更多的空隙,导致涂层致密度发生减小。逐渐提高电压后,获得了具备更高显硬度的涂层,达到了比合金钢基体更高的硬度。随着电压升高,涂层的摩擦系数和磨损率先降低再升高,到达30 V电压时达到了小的磨损率。涂层主要发生了42crmo钢板磨粒磨损的情况。30 V电压时形成了更加平整的涂层表面,涂层的组织结构也变得更加致密,显著提高了耐磨性。
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目的确定42CrMo钢板感应淬火过程的奥氏体相变动力学参数,并验证其可靠性。方法根据不同加热速率下42CrMo钢奥氏体膨胀曲线,基于经典JMAK（Johnson-Mehl-Avrami-Kolmogorov）模型和Kissinger方法,确定了42CrMo钢奥氏体化相变动力学的参数。建立ABAQUS局部移动式感应淬火模型,选取淬火区域加热过程中点的温度变化曲线作为验证奥氏体化模型的对象。‘
基于Scheil法则和JMAK相变动力学模型,采用文中求解得到的奥氏体化参数,采用Matlab对42CrMo连续转变过程离散为每个时间间隔的等温相变并求解,并对照相关学者采用的扩展解析动力学模型和JAMK模型,加以验证。结果根据上述方法,得到的42CrMo奥氏体相变动力学参数为:能Q为2.04×106 J/mol,指前因子lnk0的值取230.78,Avrami指数n取0.427。42crmo钢板将淬火加热过程离散为数量很大的均匀时间间隔,并以求解的动力学模型在每个间隔内进行对应温度条件下奥氏体体积分数的求解并顺次叠加,以模拟得到的奥氏体转变时间和转变温度等作为依据,该模型有良好的表现性。结论对42CrMo非等温且加热速度不恒定的连续奥氏体转变过程,JAMK模型拟合表现良好,采用文中求解的参数组对表面感应淬火的奥氏体转变历程进行仿真预测是可行的。
42CrMo钢蜗轮蜗杆在装配时发现蜗杆表面开裂,通过宏观分析、化学成分分析、淬火表面残余应力测试、观分析、金相检验、能谱分析、硬度测试等方法对蜗杆开裂的原因进行了分析。结果表明:该42CrMo钢板蜗杆表面裂纹为淬火应力裂纹,蜗杆材料中的锰的质量分数偏高以及淬火过程中热应力与组织应力叠加导致蜗杆沿轴线方向开裂。
