针对淬火油污染严重、生产不因素等问题,介绍一种新型水基淬火介质,及替代传统油淬的工艺。利用光学显镜、洛氏硬度计、 试验机和冲击试验机等手段对不同规格的42CrMo钢板在无机高分子水基淬火液中淬火再高温回火后的组织及性能进行了研究,并分析了用无机高分子水溶性淬火介质替代淬火油的可能性。结果表明,42CrMo钢在淬火后的硬度值为55～56 HRC;回火后的硬度值为285 HBW;显组织主要为粒状索氏体。其抗拉强度、屈服强度、伸长率、断面收缩率等力学性能均达到大型合金钢锻件的JB/T6396技术条件要求。因此,改进后的热处理工艺可以更好地应用于42CrMo钢板的淬火,显著提高了偏航齿圈综合热处理质量。
42CrMo钢板作为现代社会使用广泛的材料之一,往往在服役环境中容易遭受腐蚀和磨损等破坏,使得其使用寿命大大降低。气体渗氮（gas nitriding）是一种能够显著钢铁材料表面耐腐蚀性能和耐磨损性能的技术。但是其效率往往很低,也导致了其生产成本的增加。因此,越来越多的研究集中到了气体渗氮效率上。铁酸镧是一种稀土钙钛矿氧化物,在催化领域的应用前景也非常有潜力。本论文以42CrMo钢为基体,在基体表面通过溶胶凝胶法预制备一层铁酸镧薄膜,这也是 次将铁酸镧引入到气体渗氮中。并且研究了不同薄膜厚度、渗氮温度以及不同混合气体比例等参数的改变对渗层组织、结构及性能的影响。
通过光学显镜（OM）和扫描电镜（SEM）观察样品表面和横截面结构和形貌;通过X射线衍射仪（XRD）和能谱仪（EDS）表征渗氮层物相和化学成分组成;通过显硬度计表征渗氮层显力学性能和有效硬化层厚度;利用削盘式摩擦磨损仪和电化学工作站分别表征样品耐磨损性能和耐腐蚀性能;后续利用超景深显镜观察样品摩擦磨损和电化学腐蚀形貌;通过X射线光谱（XPS）和透射电镜（TEM）研究样品表面化学和成键状态及区形貌,讨论了铁酸镧在气体渗氮过程中催渗机理。42crmo钢板结果表明,在样品表面预制备一层铁酸镧薄膜后,可以有效地促进化合物层和有效硬化层增厚。雾化沉积铁酸镧薄膜样品在550℃下气体渗氮4h后,具有厚的化合物层和有效硬化层,厚度分别为15.29μm和305.8μm;此外,表面氮含量增加也使得表面硬度有了显著,表面硬度 值为910.5HV0
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针对石油平台35CrMo钢大齿轮、42CrMo钢板小齿轮的齿面缺陷修复任务,对齿轮材质、零件现状开展了工艺修复研究。通过对CO2气体保护焊、氩弧焊、光纤激光焊三种焊接工艺进行分析比较,发现光纤激光焊修复齿轮缺陷优势明显。经过齿轮实际修复后的检测与试验,取得了比较好的效果。
通过显组织观察和力学性能检测,分析了42CrMo钢板在不同回火温度下观组织形貌和力学性能的变化。通过三维原子探针（3DAP）技术分析500℃回火温度下42CrMo钢中元素分布情况,研究了Cr、Mn、Mo等合金元素对钢性能的影响。结果表明,42CrMo钢水淬后在450℃回火时显组织为回火屈氏体,在500～650℃区间回火时显组织均为回火索氏体,随着回火温度的增加,颗粒状碳化物增多;抗拉强度和规定塑性延伸强度降低,-40℃低温冲击性能升高。在500℃回火可达到12.9级螺栓力学指标（Rm≥1200 MPa,KV2≥27 J）,力学性能 ,且满足低温环境下螺栓用钢的使用要求。3DAP结果表明,钢中的合金元素通过固溶强化和沉淀强化提高了钢的性能。
针对42CrMo合结钢轧材超声波探伤合格率低的问题,利用扫描电镜等设备对探伤不合样品进行分析,发现探伤不合样品中有直径为100μm左右的球形夹杂物或者尺寸为1 000μm左右的长条形夹杂物。42crmo钢板通过钢液内生夹杂和生产过程接触的原辅料的分析比对,认为大尺寸夹杂物主要由于外来夹杂进入钢液中,终造成轧材探伤合格率低。通过增加硅钙线用量、钢包浇铸后期不下渣、浸入式水口侵蚀速率小于1.5 mm/h、结晶器液位波动不大于±3 mm和恒定拉速浇铸等控制方式,减少了钢中外来大尺寸夹杂,提高了钢液洁净度,使探伤合格率提高到97.5%以上。
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。