為了提高汽車傳動件常用材料42CrMo鋼板的耐腐蝕性能,對42CrMo鋼進(jìn)行錳系磷化處理,并考察了表面調(diào)整和磷化液溫度對磷化膜耐腐蝕性能的影響。

   結(jié)果表明,表面調(diào)整后形成的磷化膜結(jié)晶細(xì)致均勻,晶粒大小較均一,較未表面調(diào)整直接形成的磷化膜的耐腐蝕性能有一定的提高;磷化液溫度對磷化膜的觀形貌、成分和耐腐蝕性能有較大影響,隨著磷化液溫度從78℃升高到94℃,晶粒先細(xì)化后粗化,磷化膜致密性先變好后變差;磷化膜中Mn元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)先升高后降低,Fe元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)先降低后升高,而P和O元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)變化不大;磷化膜的腐蝕電位先正移后負(fù)移,腐蝕電流密度先降低后升高;表面調(diào)整后在86℃下形成的磷化膜具有良好的耐腐蝕性能,其腐蝕電位和腐蝕電流密度分別為-527.46 mV、1.997×10-5A/cm2,對42CrMo鋼的保護(hù)效率為73.2%,能有效提高42CrMo鋼板的耐腐蝕性能。 

   42CrMo鋼板經(jīng)過調(diào)質(zhì)處理（淬火+回火）可以獲得良好的強(qiáng)度和韌性,因此被作為制造大規(guī)格螺栓等零部件的常用材料。由于此類零部件應(yīng)用環(huán)境的影響,對于其制造材料不僅要求具備良好的強(qiáng)度、韌性、延展性等綜合性能,還要求高的低溫沖擊性能,特別是大規(guī)格的螺栓（42mm≤Φ≤64mm）,其截面尺寸的增加導(dǎo)致淬火后材料心部除馬氏體組織產(chǎn)生外,作為不完全淬火組織的貝氏體組織比例增加,難以實(shí)現(xiàn)截面性能的均勻性和保證心部的低溫沖擊性能。因此為保證大規(guī)格螺栓的服役性能,要求材料要具有良好的淬透性,即淬火后心部馬氏體組織達(dá)到90%以上。雖然通過控制生產(chǎn)工藝可以改善材料的淬透性,但是影響材料淬透性的根本原因是材料的化學(xué)成分。本文針對大規(guī)格螺栓鋼淬透性問題,在42CrMo鋼基礎(chǔ)成分上配合添加元素Al、B、Ti,同時控制鋼的N含量,研究了Al添加對42CrMo鋼淬透性和淬火組織以及性能的影響,并與含B鋼進(jìn)行對比,揭示Al對不同尺寸42CrMo鋼淬透性的影響規(guī)律。

  具體研究內(nèi)容如下:在42crmo鋼板基礎(chǔ)成分中配合添加Al-Ti和Al-B元素,通過末端淬火實(shí)驗(yàn)和截面硬度實(shí)驗(yàn)對比分析設(shè)計鋼與42CrMo鋼淬透性的差異,并通過金相顯鏡OM、掃描電鏡SEM觀察不同部位淬火后組織形貌以及回火后觀組織和斷口形貌,通過常規(guī)力學(xué)性能檢測其常溫拉伸和低溫沖擊性能,

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(qiáng)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(jī)模擬與實(shí)驗(yàn)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(jī)模擬和實(shí)驗(yàn),模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果吻合較好。

   通過熱壓縮實(shí)驗(yàn),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(bǔ)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(shí)驗(yàn)條件下實(shí)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(shí)驗(yàn)結(jié)果吻合較好,表明選用的應(yīng)變補(bǔ)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(shí)驗(yàn),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(shí)驗(yàn)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(shí)際生產(chǎn)過程的模擬與優(yōu)化打下了良好的基礎(chǔ)。

利用三維原子探針（3DAP）分析元素分布。結(jié)果表明Al-Ti、Al-B的添加均使42CrMo鋼板淬透性提高,Al-B配合添加的42CrMo鋼淬透性 ,直接淬火后截面心部馬氏體組織大于90%;并且使鋼的抗拉強(qiáng)度Rm≥1200MPa,-40℃下沖擊吸收功KV2≥27J,力學(xué)性能滿足低溫環(huán)境下12.9級螺栓用鋼的使用要求。

   通過化學(xué)相分析實(shí)驗(yàn)和CCT曲線測定,表明Al-Ti配合添加,Ti發(fā)揮固氮作用形成TiN,使Al固溶于鐵素體中,抑制貝氏體產(chǎn)生;Al-B配合添加,當(dāng)Al的添加含量較高,使得相同溫度下AlN優(yōu)先BN析出,這一部分Al發(fā)揮固氮作用,另外一部分Al與B共同固溶于鋼中,抑制珠光體和鐵素體的轉(zhuǎn)變,增加實(shí)驗(yàn)鋼在較低的冷速下獲得馬氏體的能力,提高鋼的淬透性。通過3DAP實(shí)驗(yàn)分析鋼中各元素的分布情況,其中Al元素在鋼中彌散分布,抑制C的擴(kuò)散,從而抑制貝氏體的形成,提高鋼的淬透性。

  采用電弧離子鍍技術(shù)在刀具42CrMo鋼板表面沉積制備TiAlSiN涂層,實(shí)驗(yàn)測試分析勵磁電壓對其的組織結(jié)構(gòu)及其摩擦性能的影響。研究結(jié)果表明不同電壓制備的TiAlSiN涂層表面形成了大量孔洞。隨著電壓升高后,涂層的粗糙度和厚度明顯增加。所有層都形成了緊密結(jié)合狀態(tài),未產(chǎn)生明顯縫隙結(jié)構(gòu),涂層都形成了具有柱狀結(jié)構(gòu)。當(dāng)電壓上升后,產(chǎn)生了更多的空隙,導(dǎo)致涂層致密度發(fā)生減小。逐漸提高電壓后,獲得了具備更高顯硬度的涂層,達(dá)到了比合金鋼基體更高的硬度。隨著電壓升高,涂層的摩擦系數(shù)和磨損率先降低再升高,到達(dá)30 V電壓時達(dá)到了小的磨損率。涂層主要發(fā)生了42crmo鋼板磨粒磨損的情況。30 V電壓時形成了更加平整的涂層表面,涂層的組織結(jié)構(gòu)也變得更加致密,顯著提高了耐磨性。