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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,
对42CrMo钢板首先锻造后淬火,再分别进行常规热处理、浅冷处理和深冷处理,之后进行中温回火,然后测试试样的硬度和冲击韧性,并采用扫描电子显镜观察冲击试样的断口形貌和试样的观组织,探索浅冷处理和深冷处理对42CrMo硬度和冲击韧性及观组织的影响。结果表明,相比于常规热处理,42CrMo经浅冷处理和深冷处理后硬度略下降,冲击韧性有所,并且试样经深冷处理后的冲击韧性程度高于浅冷处理的冲击韧性。冲击试样断口呈准解理断裂,属于脆性断裂。观组织分析表明,浅冷处理和深冷处理均能促进试样组织中细小碳化物弥散分布析出。
利用光学显镜、扫描电镜和电子探针对热处理后开裂的42CrMo钢板制大型风电主轴进行观组织形貌及区成分分析。结果表明,主轴裂纹附近存在大量的硫化物及氮化物夹杂,且夹杂物与基体存在明显的间隙面,易以界面脱粘开裂机制产生裂纹,同时夹杂处的区成分偏析及裂纹附近的缩松缺陷共同作用终导致主轴开裂。
用光学显镜、42crmo钢板扫描电镜、透射电镜和显硬度研究了回火温度和时间对42CrMo钢显组织和硬度的影响,并推导获得了回火后屈服强度的计算模型。结果表明:随着回火温度的升高和时间的延长,马氏体的板条界面逐渐模糊或消失,板条宽度增加,位错密度显著减少,析出相由针状的过渡性碳化物逐渐向球形的稳定渗碳体转变,显组织从回火马氏体演变为碳化物弥散分布的回火屈氏体（400℃）和索氏体（600℃）,同时硬度不断降低,且在前2 h回火内降低显著,而后趋于稳定。由于扩散控制的回火组织演变类同于单一相变过程,基于JMAK方程建立的强度计算模型,可以较好地预测42CrMo钢在200～600℃回火时的屈服强度变化。
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为了查找某42CrMo钢板制螺栓断裂失效的原因,采用光学显镜、扫描电镜、电感耦合等离子体光谱仪、碳硫分析仪、硬度计等对断裂件的宏观断口形貌、显组织、硬度和化学成分等进行观察和检测分析。结果表明:螺栓光杆和法兰盘转接圆角处局部过烧和脱碳是引起螺栓断裂的主要原因,使用过程中螺栓光杆和法兰盘转接圆角处的应力集中是导致螺栓断裂的诱发因素。通过严格控制热镦温度,退火气氛,增加毛坯的切削余量,可有效防止过烧及脱碳层在成品零件上出现,避免类似事件的发生。
利用ABAQUS有限元分析软件及二次开发对42CrMo钢板船用曲拐加热和淬火过程进行数值模拟。结果表明:工件分段加热过程中,表面与心部的 温差出现在第二个保温阶段,达到88.6℃;第二阶段保温结束时,工件内外基本无温差,珠光体完全转变为奥氏体。在淬火过程中,曲拐表层形成了一定厚度的马氏体组织,至半马氏体处厚度约为70 mm,其表面马氏体含量的体积分数约为96%;贝氏体主要集中在曲拐的次表层,且其 含量约为56%;曲拐的心部为完全的珠光体组织;残留奥氏体主要集中在曲拐的表层,且其大含量约为4%。
通过使用光纤激光器,激光熔覆镍基复合合金粉末在42CrMo钢表面获得了成形良好的激光熔覆层。采用扫描电子显镜（SEM）、能谱仪（EDS）、X射线衍射（XRD）、显硬度计和磨损试验机研究了熔覆层组织形态、物相、化学成分和显硬度,并对其磨损性能进行了分析。结果表明,激光镍基复合熔覆层的物相主要有γ-Ni、M7C3、M23C6、CrB、Fe6W6C、Mo2FeB2和WC。熔覆层组织主要以胞状晶和胞状树枝晶为主,并有大量的共晶组织。42crmo钢板激光熔覆层的显硬度分布比较均匀,相对基体硬度提高了1.42倍。激光熔覆层的耐磨性是基体的3倍以上,熔覆层的主要磨损机制为磨粒磨损,并伴随着粘着磨损和氧化磨损。
