通过激光冲击强化对42CrMo钢板中碳合金钢进行了表面强化处理。采用显组织观察、硬度测试、摩擦磨损实验研究了不同脉冲能量的激光冲击强化处理对42CrMo钢组织和性能的影响。结果表明:未经激光冲击强化的42CrMo钢组织中铁素体均匀连续,珠光体片层间铁素体较为明显。随着激光冲击强化输出能量的增加,组织中铁素体越来越分散,珠光体片层组织越来越不明显,激光冲击强化后42CrMo钢中有大量位错、亚晶出现。在32～36 J的脉冲能量范围内,激光冲击强化的该钢的表面硬度和耐磨性显著提高,并在表面形成了厚度0.75 mm的硬化层。激光冲击强化冲击能量越高,42CrMo钢硬度越高,耐磨性越好。
目的探究二次喷丸工艺参数对42CrMo钢零件表面完整性的影响规律。方法建立三维随机喷丸有限元模型,并通过实验验证有限元模型预测残余应力的准确性。将一次喷丸后零件的表面形貌和应力应变结果作为初始状态导入到二次喷丸模型中,构建出二次喷丸预测模型。分析二次喷丸参数对42CrMo钢零件表面残余应力场、表面粗糙度以及等效塑性形变场的影响情况。
结果二次喷丸后,42CrMo钢板零件近表层（0～100μm）的残余压应力值均比初始状态有所增加。增加二次喷丸覆盖率对表面残余应力的作用为明显, 可比初始状态提高63.3%,而增加二次喷丸直径对残余应力的改善效果42crmo钢板不明显。过度增加二次喷丸速度会导致表面粗糙度明显增加,提高二次喷丸覆盖率可显著降低表面粗糙度,覆盖率为300%时,粗糙度比初始状态减小了14.4%。表层PEEQ值随着二次喷丸速度、弹丸直径和覆盖率的增加而增加,但当二次喷丸速度、弹丸直径和覆盖率增加到一定程度后,表层PEEQ值会趋于饱和。
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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。
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。
42crmo钢板具体的研究结果如下:（1）采用电脉冲处理地实现了钢材的晶粒细化,明确了脉冲电流诱导晶粒细化的具体机理。瞬时的高能量输入显著降低了奥氏体相变能障,极大地提高了奥氏体的形核率,短时间的作用以及随后快速的水冷处理抑制了奥氏体晶粒的长大。电脉冲处理后,淬火态42CrMo钢的晶粒细化了56.3%,固溶态T250钢的晶粒尺寸下降了74.6%。
（2）揭示出电脉冲处理提高钢材中残余奥氏体稳定性的具体机制:i)若处理前钢材中的合金元素是不均匀分布的,则电脉冲处理的瞬时性也就决定了处理后的元素无法充分均匀化,奥氏体稳定化元素浓度高的区域将为残余奥氏体的形成提供足够的化学驱动力;ii)晶粒的细化以及电脉冲处理过程中界面处大量晶体缺陷的形成,使马氏体与奥氏体的界面能得到提高,这将使马氏体的生长提前停滞,同时马氏体转变起始温度也会显著下降;iii)奥氏体向马氏体转变是一个体积膨胀的过程,电脉冲处理过程中存在的热压应力可有效地抑制马氏体转变。
（3）脉冲电流特定的物理场分布及物理效应可明显改变亚结构及第二相的形态和分布。受热压应力的影响,原本在高层错能钢材中难以形成的堆垛层错在电脉冲处理中得以形成,而堆垛层错的形成又为回火态42CrMo钢板中超细珠光体类组织的形成奠定了基础;合金元素贫瘠区与富集区之间的应力可促进孪晶或残余奥氏体的形成;电子风强烈冲击界面形成大量的晶体缺陷,可使第二相主动地浸润晶界,而若使界面处的缺陷得到回复,第二相则被动浸润其他界面;多个物理场的重叠可使亚结构的分布具有方向性,如42CrMo钢中沿电流方向分布的位错、T250钢中沿电流方向分布的Ni3（Ti,Al）团簇;电迁移效应可促进位错形成具有小角度取向差的亚晶界。
（4）研究发现脉冲电流对优滑移系上原子或位错运动的促进42crmo钢板,可使沿电流方向的特定取向强度增强,形成了沿电流方向（ED）的织构。如固溶态T250钢中{112}//ED织构、TS+EPA态T250钢中残余奥氏体{111}//ED及EPS+EPA态T250钢中小角度{110}//ED织构的形成。