針對淬火油污染嚴(yán)重、生產(chǎn)不因素等問題,介紹一種新型水基淬火介質(zhì),及替代傳統(tǒng)油淬的工藝。利用光學(xué)顯鏡、洛氏硬度計、 試驗機和沖擊試驗機等手段對不同規(guī)格的42CrMo鋼板在無機高分子水基淬火液中淬火再高溫回火后的組織及性能進(jìn)行了研究,并分析了用無機高分子水溶性淬火介質(zhì)替代淬火油的可能性。結(jié)果表明,42CrMo鋼在淬火后的硬度值為55～56 HRC;回火后的硬度值為285 HBW;顯組織主要為粒狀索氏體。其抗拉強度、屈服強度、伸長率、斷面收縮率等力學(xué)性能均達(dá)到大型合金鋼鍛件的JB/T6396技術(shù)條件要求。因此,改進(jìn)后的熱處理工藝可以更好地應(yīng)用于42CrMo鋼板的淬火,顯著提高了偏航齒圈綜合熱處理質(zhì)量。 

  42CrMo鋼板作為現(xiàn)代社會使用廣泛的材料之一,往往在服役環(huán)境中容易遭受腐蝕和磨損等破壞,使得其使用壽命大大降低。氣體滲氮（gas nitriding）是一種能夠顯著鋼鐵材料表面耐腐蝕性能和耐磨損性能的技術(shù)。但是其效率往往很低,也導(dǎo)致了其生產(chǎn)成本的增加。因此,越來越多的研究集中到了氣體滲氮效率上。鐵酸鑭是一種稀土鈣鈦礦氧化物,在催化領(lǐng)域的應(yīng)用前景也非常有潛力。本論文以42CrMo鋼為基體,在基體表面通過溶膠凝膠法預(yù)制備一層鐵酸鑭薄膜,這也是 次將鐵酸鑭引入到氣體滲氮中。并且研究了不同薄膜厚度、滲氮溫度以及不同混合氣體比例等參數(shù)的改變對滲層組織、結(jié)構(gòu)及性能的影響。

   通過光學(xué)顯鏡（OM）和掃描電鏡（SEM）觀察樣品表面和橫截面結(jié)構(gòu)和形貌;通過X射線衍射儀（XRD）和能譜儀（EDS）表征滲氮層物相和化學(xué)成分組成;通過顯硬度計表征滲氮層顯力學(xué)性能和有效硬化層厚度;利用削盤式摩擦磨損儀和電化學(xué)工作站分別表征樣品耐磨損性能和耐腐蝕性能;后續(xù)利用超景深顯鏡觀察樣品摩擦磨損和電化學(xué)腐蝕形貌;通過X射線光譜（XPS）和透射電鏡（TEM）研究樣品表面化學(xué)和成鍵狀態(tài)及區(qū)形貌,討論了鐵酸鑭在氣體滲氮過程中催滲機理。42crmo鋼板結(jié)果表明,在樣品表面預(yù)制備一層鐵酸鑭薄膜后,可以有效地促進(jìn)化合物層和有效硬化層增厚。霧化沉積鐵酸鑭薄膜樣品在550℃下氣體滲氮4h后,具有厚的化合物層和有效硬化層,厚度分別為15.29μm和305.8μm;此外,表面氮含量增加也使得表面硬度有了顯著,表面硬度 值為910.5HV0

42CrMo鋼板含有Cr、Mo等多種合金化元素,具有優(yōu)良的綜合力學(xué)性能,既具有較高的強度,又具有較好的塑性,在鍛件,特別是大型鍛件領(lǐng)域,有廣泛的應(yīng)用。本文采用計算機模擬與實驗相結(jié)合的方法,構(gòu)建了 42CrMo鋼較準(zhǔn)確的本構(gòu)模型和材料性能數(shù)據(jù)庫,并開展了材料變形和熱處理淬火過程的計算機模擬和實驗,模擬結(jié)果與實驗結(jié)果吻合較好。

   通過熱壓縮實驗,測定了 42CrMo鋼板在不同溫度和應(yīng)變速率下的應(yīng)力-應(yīng)變數(shù)據(jù),構(gòu)建了改進(jìn)的Johnson-Cook本構(gòu)模型和應(yīng)變補償?shù)腁rrhenius本構(gòu)模型,得到了較大應(yīng)變范圍內(nèi)較準(zhǔn)確的42CrMo鋼的本構(gòu)方程。擬合了手冊中標(biāo)準(zhǔn)的42CrMo鋼的TTT曲線,獲得了較準(zhǔn)確的TTT曲線數(shù)據(jù)。此外還構(gòu)建了包含熱導(dǎo)率、比熱容、楊氏模量、泊松比、相變潛熱、膨脹系數(shù)等較完善、準(zhǔn)確的42CrMo鋼數(shù)據(jù)庫。以構(gòu)建的數(shù)據(jù)庫為基礎(chǔ),通過DEFORM軟件模擬了 42CrMo鋼在變形溫度為1123 K、應(yīng)變速率為0.01 s-1條件下的熱壓縮過程,將模擬結(jié)果中壓縮后試樣的尺寸數(shù)據(jù)、Top Die載荷-行程曲線以及計算得出的應(yīng)力-應(yīng)變曲線分別與相同實驗條件下實測結(jié)果進(jìn)行對比。結(jié)果顯示,載荷-行程曲線和應(yīng)力-應(yīng)變曲線在數(shù)值大小和變化趨勢上與實驗結(jié)果吻合較好,表明選用的應(yīng)變補償?shù)腁rrhenius本構(gòu)模型能夠比較準(zhǔn)確地描述42crmo鋼板的變形行為。

    通過DEFORM軟件模擬了 42CrMo鋼板在1123 K時的末端淬火過程,結(jié)果顯示試樣末端與水的換熱程度劇烈,溫度迅速下降,形成大量馬氏體組織,隨著遠(yuǎn)離淬火末端,馬氏體含量逐漸降低,硬度也隨之降低。同時進(jìn)行了同條件的末端淬火實驗,對淬火后試樣的軸向硬度分布進(jìn)行了測量,并觀察不同位置組織組成,實驗結(jié)果與模擬結(jié)果基本一致,這表明文中構(gòu)建的42CrMo鋼數(shù)值模擬數(shù)據(jù)庫較為準(zhǔn)確?？梢栽诖嘶A(chǔ)上進(jìn)行不同幾何形狀、不同變形條件、不同熱處理過程的數(shù)值模擬,為實際生產(chǎn)過程的模擬與優(yōu)化打下了良好的基礎(chǔ)。

目的確定42CrMo鋼板感應(yīng)淬火過程的奧氏體相變動力學(xué)參數(shù),并驗證其可靠性。方法根據(jù)不同加熱速率下42CrMo鋼奧氏體膨脹曲線,基于經(jīng)典JMAK（Johnson-Mehl-Avrami-Kolmogorov）模型和Kissinger方法,確定了42CrMo鋼奧氏體化相變動力學(xué)的參數(shù)。建立ABAQUS局部移動式感應(yīng)淬火模型,選取淬火區(qū)域加熱過程中點的溫度變化曲線作為驗證奧氏體化模型的對象?！?

  基于Scheil法則和JMAK相變動力學(xué)模型,采用文中求解得到的奧氏體化參數(shù),采用Matlab對42CrMo連續(xù)轉(zhuǎn)變過程離散為每個時間間隔的等溫相變并求解,并對照相關(guān)學(xué)者采用的擴展解析動力學(xué)模型和JAMK模型,加以驗證。結(jié)果根據(jù)上述方法,得到的42CrMo奧氏體相變動力學(xué)參數(shù)為:能Q為2.04×106 J/mol,指前因子lnk0的值取230.78,Avrami指數(shù)n取0.427。42crmo鋼板將淬火加熱過程離散為數(shù)量很大的均勻時間間隔,并以求解的動力學(xué)模型在每個間隔內(nèi)進(jìn)行對應(yīng)溫度條件下奧氏體體積分?jǐn)?shù)的求解并順次疊加,以模擬得到的奧氏體轉(zhuǎn)變時間和轉(zhuǎn)變溫度等作為依據(jù),該模型有良好的表現(xiàn)性。結(jié)論對42CrMo非等溫且加熱速度不恒定的連續(xù)奧氏體轉(zhuǎn)變過程,JAMK模型擬合表現(xiàn)良好,采用文中求解的參數(shù)組對表面感應(yīng)淬火的奧氏體轉(zhuǎn)變歷程進(jìn)行仿真預(yù)測是可行的。

  42CrMo鋼蝸輪蝸桿在裝配時發(fā)現(xiàn)蝸桿表面開裂,通過宏觀分析、化學(xué)成分分析、淬火表面殘余應(yīng)力測試、觀分析、金相檢驗、能譜分析、硬度測試等方法對蝸桿開裂的原因進(jìn)行了分析。結(jié)果表明:該42CrMo鋼板蝸桿表面裂紋為淬火應(yīng)力裂紋,蝸桿材料中的錳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)偏高以及淬火過程中熱應(yīng)力與組織應(yīng)力疊加導(dǎo)致蝸桿沿軸線方向開裂。