渗碳热处理后18CrNiMo7–6合金钢表面变质层J–C损伤失效参数研究

合金钢在经过渗碳热处理后会在表面形成变质层。在表面变质层内,材料的力学性能沿深度方向发生变化。针对渗碳热处理后的18CrNiMo7-6合金钢的表面变质层,提出了确定Johnson-Cook损伤参数分层测试方法。通过对材料变质层进行分层线切割,得到不同变质层深度下的薄板试样;为获得不同应力三轴度下的拉伸结果,预制了不同断裂方向的拉伸剪切试样,通过试验与仿真相结合的方法,确定了考虑应变累积效应的应力三轴度并测定了材料失效应变与应力三轴度的关系;采用宽脉冲拉伸系统测定了拉伸试样的失效应变与应变率的关系。研究结果表明,同一层材料的失效应变随应力三轴度的增大而减小,在同一应力三轴度水平下,失效应变随层深增大而增大;不同层深处的试样均具有明显的应变率弱化效应,且在同一应变率水平下,失效应变随层深增大而增大;基于测量参数的拉伸过程数值仿真与试验数据的对比验证了所测定参数的准确性。

18CrNiMo7-6渗碳钢磁场深冷处理工艺研究

风电、高铁等高端齿轮产品工作环境比较复杂、恶劣,对齿面硬度及韧性要求高,一旦发生损伤,维修成本高。针对这一现状,对18CrNiMo7-6渗碳钢设计磁场深冷处理正交试验方案,选择最优工艺组进行洛氏硬度检测,并采用光学显微镜观察其显微组织与晶粒度。与常规热处理结果进行对比,探索磁场深冷处理对18CrNiMo7-6渗碳钢冲击韧性、硬度及微观组织的影响。结果表明,磁场深冷处理后的冲击韧性和硬度均有所提升。最优工艺参数为磁场强度为1 T,且不进行交变处理、深冷温度为-190℃、保冷时间为16 h、降温速率为2℃/min,其冲击韧性比常规热处理提高38.07%,洛氏硬度值提高9.49%。微观组织分析表明,磁场深冷处理能促进试样组织中残余奥氏体转变,并细化晶粒。

外圆磨削18CrNiMo7-6力模型及表面完整性研究

为了准确和有效地控制磨削参数对磨削力及表面完整性的影响,通过解析法,以磨粒与材料间的塑性变形、压痕理论以及剪切应变效应为理论依据,建立了三阶段的磨削力理论模型。选定棕刚玉砂轮进行磨削试验,探究了磨削参数对磨削力的影响以及磨削参数和磨削力对表面完整性的影响,通过外圆横向磨削正交试验获得了外圆磨削最优工艺参数。结果表明,外圆磨削力模型法向磨削力和切向磨削力的预测平均误差分别为5.56%和7.08%;砂轮径向进给速度f_(r)对磨削力的影响最大,磨削宽度b次之,工件转速n_(w)和砂轮粒度的影响较小;f_(r)和b对残余应力的影响较大,砂轮粒度对表面粗糙度的影响最大;随着磨削力的增大,表面粗糙度值一直增大,残余应力先减小后增大,沿深度方向残余应力最大值先增大后减小,在试验所取参数条件下,影响残余应力的深度分布范围基本在20~40μm;最优工艺参数组合如下:f_(r)=0.15 mm/min,n_(w)=120 r/min,b=10 mm,砂轮粒度80。

基于三种热处理工艺的18CrNiMo7-6渗碳钢车削参数研究

国产渗碳齿轮主体钢种已经由20CrMoTi转变为18CrNiMo7-6,因其具有优异的高强度、高耐磨性以及极高的冲击韧性,被广泛应用于制造汽车、船舶和铁路机车等行业的核心齿轮部件。由于其氮含量不易控制、加工硬化倾向大、冲击韧性不易达标,是齿轮加工中的关键加工材料。通过研究涂层硬质合金刀具干式车削不同热处理状态下18CrNiMo7-6钢的切削力,分析了三类不同材料的热处理加工工艺流程以及加工参数对三类不同热处理材料切削力影响,并通过频谱分析揭示切削参数对于低频切削力和高频切削力的影响关系。

18CrNiMo7-6齿轮钢的热压缩变形行为及显微组织演变

采用热模拟方法研究了18CrNiMo7-6齿轮钢在变形温度900~1150℃、应变速率0.01~5 s-1条件下的热压缩变形行为;建立了基于Arrhenius模型的全应变本构方程,采用该方程对流变应力曲线进行预测;根据动态材料模型绘制热加工图,并结合热加工图系统地研究显微组织演变特征。结果表明:试验钢的峰值应力随应变速率的增加或变形温度的降低而增大,动态回复和动态再结晶是热变形过程中的主要软化机制;采用建立的全应变本构方程预测得到流变应力曲线与试验结果基本吻合,预测真应力与试验结果的相对误差小于4.715%,说明该模型可以精确地模拟18CrNiMo7-6齿轮钢的热压缩变形行为。试验钢的适合热加工工艺参数为变形温度1050~1150℃、应变速率0.1~1 s^(-1),此时组织为均匀细小的再结晶晶粒,晶粒尺寸在5~15μm。随着变形温度的升高或应变速率的降低,原始奥氏体晶粒不断被动态再结晶晶粒取代,且动态再结晶程度和再结晶晶粒尺寸增大。

车削工艺参数对18CrNiMo7-6钢切削力及表面粗糙度的影响

为了探究车削工艺参数对18CrNiMo7-6钢标准疲劳试样不同位置的切削力和表面粗糙度的影响,采用CAK4085型数控车床对主轴转速n、背吃刀量a_(p)和进给速度v_(f)三个工艺参数进行单因素试验研究。结果表明:对于标准试样的圆弧段和标距段,切削用量对切削力和表面粗糙度的影响规律相同;背吃刀量a_(p)对切削力影响最大,进给速度v_(f)对切削力的影响次之,主轴转速n对切削力的影响最小;拟合的三个切削力分量指数公式中,主切削力的拟合误差为5.25%,背向力的拟合误差为2.29%,相对误差较小。结果显示,影响表面粗糙度Ra的最大因素为进给速度,Ra随v_(f)的增大而增大,圆弧切入段的表面粗糙度Ra比切出段高。综合考虑疲劳试样较好的加工工艺参数为:n=1000r/min,v_(f)=80mm/min,a_(p)=0.3mm。本研究结果可为疲劳试样的车削加工工艺制定提供参考依据。

18CrNiMo7-6渗碳合金钢电解抛光参数研究

为提高18CrNiMo7-6渗碳合金钢表面变质层的电解抛光加工质量,开展18CrNiMo7-6渗碳合金钢表面变质层不同渗碳层深度下的电解抛光工艺分析与试验。结果表明,选择浓磷酸与浓硫酸混合溶液作为电解液,温度为40~45℃,首先研究18CrNiMo7-6渗碳合金钢表层试样在不同抛光电压、抛光电流及抛光时间工艺参数下电解抛光后的表面质量,得到18CrNiMo7-6渗碳合金钢表层的最佳电解抛光参数为10 V、1.8~1.9 A、70 s;再对得到的表层最佳参数进行微调,得到不同渗碳深度下试样的最佳电解抛光参数,次表层电解抛光参数为10 V、1.6~1.7 A、65 s,心部电解抛光参数为10 V、1.5~1.6A、60 s。

渗碳工艺对18CrNiMo7-6合金钢缺口件疲劳性能的影响

为分析渗碳工艺对18CrNiMo7-6缺口构件疲劳性能的影响,对应力集中系数Kt=1.86的缺口试样进行渗碳热处理并测定其旋转弯曲疲劳性能,同时对试样表层组织、硬度以及应力场进行了表征。结果表明,渗碳热处理可以明显提升试样表面硬度并引入残余压应力,并且可以显著提升缺口试样的疲劳性能,相较于未渗碳试样疲劳极限提升超过100%;随着有效硬化层深度的增加,缺口试样的疲劳极限均呈现先增后减的趋势。未渗碳试样和渗碳试样的疲劳源均在缺口根部表面处,且均为多源断裂。疲劳过程中渗碳试样表面残余奥氏体在循环应力作用下诱导马氏体相变,其转变量存在一个临界值。

S含量对18CrNiMo7-6齿轮钢中夹杂物和疲劳性能的影响

以w[S]为0.002%(低S含量)和0.022%(高S含量)的两种18CrNiMo7-6齿轮钢为研究对象,参照齿轮热处理工艺获得伪渗碳试样,并对其力学性能、显微组织、疲劳性能和夹杂物分布进行了分析表征。结果表明,两种齿轮钢的强度基本相当,而高S含量试验钢具有更好的塑性和低温冲击韧性,并且其疲劳极限、疲劳寿命均优于低S含量试验钢,疲强比由0.445提高到0.479。S含量显著影响钢中的夹杂物分布情况:低S含量试验钢中夹杂物以MnS-Oxide为主,数量较少,同时尺寸更大;而高S含量试验钢夹杂物以CaS-MnS-Oxide复合型夹杂物为主,数量提高1倍以上,但尺寸更为细小。高S含量试验钢采用Ca处理工艺对夹杂物进行改性,夹杂物尺寸明显细化,有利于钢的塑韧性提升,并改善疲劳性能。

18CrNiMo7-6钢静态CCT曲线测定与组织分析

利用Gleeble-3800热模拟机对0.1~30℃/s冷却速度下18CrNiMo7-6风电钢连续冷却膨胀曲线进行测试。结合金相-硬度法绘制了18CrNiMo7-6风电钢静态连续冷却转变曲线(CCT曲线),分析了不同冷却速率条件下18CrNiMo7-6风电钢组织转变规律。实验结果表明,18CrNiMo7-6风电钢奥氏体相变点Ac1相变温度为765℃,Ac3相变温度843℃。当冷却速度小于0.5℃/s时,试验钢组织为铁素体和珠光体,发生高温相变;冷却速度0.5~1℃/s时,试验钢中铁素体逐渐减少,开始出现板条状马氏体组织;冷速大于2℃/s时,试验钢组织主要为贝氏体及马氏体,同时发生中温相变和低温相变;随冷速增加钢中贝氏体组织含量减少,马氏体组织含量增多;冷速大于20℃/s,组织全部为马氏体,只发生低温相变;冷速由0.1℃/s增加至30℃/s过程中,风电钢试样硬度逐渐增加。

二次淬火对18CrNiMo7-6组织和性能的影响

研究了两组不同的热处理工艺(一次淬火+低温回火和二次淬火+低温回火)对18CrNiMo7-6钢组织和低温冲击韧性的影响。结果表明:一次淬火处理的钢样组织为马氏体+少量残余奥氏体,二次淬火处理的钢样组织主要为马氏体+残余奥氏体+细小铁素体,铁素体的存在有利于韧性的提高。二次淬火处理后的钢样晶粒尺寸比一次淬火钢样的更加细小、均匀,经过二次淬火处理的钢样在-20℃下表现出更好的冲击韧性。

18CrNiMo7-6喷丸件磨削表面完整性研究

通过对比磨削试验研究了渗碳钢喷丸件的磨削表面完整性,包括表面粗糙度和形貌、表面成分、金相组织、显微硬度和残余应力。结果表明,在研究涉及的工艺条件范围内,喷丸件磨削后表层的残余压应力相比未经喷丸的零件提升30%以上,达到表面-907 MPa的水平,显微硬度也略有增加。磨削速度和径向进给速度对表面粗糙度存在显著影响,影响程度相近,工件转速则影响不大。磨削表面无明显的材料黏附和涂覆现象。即便未发生磨削烧伤,表面仍存在一定氧化,形成金属氧化物等。更为优异的磨削表面完整性为疲劳寿命的提升提供了有力支撑。

18CrNiMo7-6合金钢的动态本构参数确定

为了弥补18CrNiMo7-6合金钢动态力学性能及动态本构模型研究的不足,采用MTS伺服疲劳试验机、基于DIC的高温拉伸试验系统以及分离式霍普金森压杆(SHPB)装置,获取了该材料在不同应变率、温度下的应力-应变关系。结果表明:18CrNiMo7-6合金钢具有明显的应变率强化效应和温升软化特性。选用Johnson-Cook(J-C)本构模型描述18CrNiMo7-6合金钢的动态力学性能,基于试验数据,标定了该材料的J-C模型参数,并通过SHPB试验的有限元模拟验证了所得参数的可靠性。以应变硬化项和应变率强化项耦合的形式对J-C本构模型进行修正。修正后的模型与试验数据吻合程度更高,可为实际工程中的数值模拟问题提供参考。

铸锭加热和锻后热处理工艺对18CrNiMo7-6钢Ф540mm棒材带状的影响

试验18CrNiMo7-6重型齿轮钢(/%:0.165C,0.59Mn,0.24Si,0.006S,0.008P,1.56Ni,1.71Cr,0.28Mo,0.034M,0.0129N)的生产流程为60 t UHP EAF-LF-VD-12.5 t铸锭工艺。试验研究了钢锭加热工艺(1 200~1 220℃,7-8 h^13-15 h),锻材完全退火(900℃12 h,≤80℃/h至650℃50 h,空冷)、等温退火(900℃12 h,空冷至650℃50 h,空冷)和正火(900℃12 h,空冷)工艺对Φ540 mm锻材带状组织的影响。结果表明,钢锭1 200~1 220℃7-8 h加热,锻材经完全退火、等温退火或正火处理后其带状级别分别为4.0,3.5和3.0,钢锭经1 200~1 220℃13-15 h加热,锻材经正火处理后其带状级别为2.5,为最佳工艺。

高铁齿轮用钢18CrNiMo7-6电渣生产工艺实践

为达到高铁齿轮钢高洁净度,尤其是单颗粒D类球状夹杂物尺寸≤10μm的目标,开发了电渣工艺生产高铁齿轮用钢18CrNiMo7-6(/%:0.15~0.21C,≤0.40Si,0.50~0.90Mn,1.50~1.80Cr,1.40~1.70Ni,0.25~0.35Mo,≤0.010P,≤0.010S),Ф250 mm钢坯生产工艺流程:EBT电弧炉-LF-VD-模铸5.6 t电极坯-电渣重熔-锻造-退火-检验。采用5.6 t电渣锭,渣系为CaF_(2)∶Al_(2)O_(3)∶CaO∶MgO=65∶20∶10∶5,冶炼过程中熔化率控制在500~550 kg/h,渣量为180~200 kg,采用新渣系后生产高铁齿轮钢的洁净度为[O]≤15×10^(-6),[H]≤1.0×10^(-6),P≤0.008%,S≤0.005%,A、B、C、D、DS类非金属夹杂物级别≤1.0级,单颗粒D类球状夹杂物尺寸≤10μm,淬透性、力学性能等均符合要求。

18CrNiMo7-6钢的热处理工艺研究

本文对18CrNiMo7-6渗碳钢进行了不同热处理工艺试验,预备热处理采用调质、正回火工艺,渗碳后采用一次淬火、二次淬火工艺进行对比。采用金相法检验预备热处理后的金相组织、渗碳后的心部组织,和碳化物级别、马氏体、残余奥氏体、内氧化的评级等;同时对预备热处理后材料的力学性能进行了检验。结果表明:采用调质预备热处理、渗碳后二次淬火工艺的18CrNiMo7-6渗碳钢的渗碳层性能指标最好,适用于高参数齿轮渗碳淬火。

高速切向车铣对18CrNiMo7-6钢表面完整性的影响

为提高18CrNiMo7-6齿轮钢的抗疲劳性能,进行了高速切向车铣试验。结果表明:高速切向车铣可获得接近于磨削的三维表面粗糙度S_(a),工件转速nw和铣刀转速n_(c)对S_(a)的影响较为显著,且S_(a)随着n_(c)的增大而减小,随nw的增大而增大;高速切向车铣(逆铣)已加工表面均为残余压应力,n_(c)及轴向进给量f_(a)对表面残余应力有显著影响;随着n_(c)的增大,轴向残余应力σ_(x)和切向残余应力σy均呈先增大后减小的趋势,随着f_(a)的增大,σ_(x)和σy显著减小;最大残余应力出现于已加工表面,且在距已加工表面40~60μm之内逐渐减小,之后趋于稳定;轴向进给量f_(a)对表面完整性综合影响最大,随着f_(a)的增大,表面质量迅速变差。在高速切向车铣正交试验条件下,得到的最优试验参数组合为:n_(c)=6500 r/min,n_(w)=75 r/min,f_(a)=0.02 mm/r,径向切深ap=0.1 mm。在最优参数切削条件下,S_(a)为0.30μm,σ_(x)为-400.5 MPa,σy为-415.9 MPa,残余应力影响层深度为60μm。高速切向车铣获得的表面完整性优于传统车削,该切削方法可为外圆表面的加工提供一种更好的加工方式。

成形砂轮修整对18CrNiMo7-6钢磨削表面完整性的影响

为了探究修整切深ad、轴向进给速度f_(d)和修整速比q_(d)等修整工艺参数对18CrNiMo7-6齿轮钢磨削表面完整性的影响,分别采用树脂结合剂金刚石碟轮、青铜结合剂金刚石碟轮和单颗粒金刚石笔3种修整工具对陶瓷结合剂铬刚玉砂轮进行成形修整工艺正交试验,并用修整后的铬刚玉砂轮对18CrNiMo7-6齿轮钢进行横磨试验。结果表明:随着各修整工艺参数的增大,齿轮钢磨削加工表面粗糙度Ra增大,磨削表面更容易产生残余压应力;通过归一化无量纲方法综合评价3种修整工具的磨削表面完整性,表明采用青铜结合剂金刚石碟轮修整时的磨削表面完整性优于其余2种修整工具的,且当ad=4μm,f_(d)=100 mm/min,q_(d)=0.3时齿轮钢,磨削表面的完整性较优。

18CrNiMo7-6渗碳钢不同预备热处理的组织与性能

研究了18CrNiMo7-6钢经"正火+调质"、"正火+回火"两种不同工艺预备热处理的金相组织、抗畸变和力学性能。结果表明:"正火+调质"的试样,抗畸变性能、综合力学性能优于"正火+回火"的;经"正火+调质"的试样,边缘的金相组织比心部的更均匀细小;调质热处理的金相组织更加均匀、贝氏体更少。因此,18CrNiMo7-6渗碳淬火钢,预备热处理采用"正火+调质"的组织和性能优于"正火+回火"的,对于高参数齿轮更加适用。

18CrNiMo7-6钢超声滚压工艺参数多目标优化及试验研究

为了改善18CrNiMo7-6钢的表面质量,使用自主设计的超声滚压装置对试样进行超声滚压加工。通过单因素试验和响应面法,研究了工艺参数及其交互作用对18CrNiMo7-6钢表面粗糙度、残余应力和磨损率的影响,并对所建立的二阶响应面回归模型进行显著性检验。采用满意度函数法对工艺参数进行多目标优化,得到最佳参数为:静压力269 N、滚压次数4、超声振幅7μm。使用最佳工艺参数进行试验验证,试样的表层塑性变形,晶粒细化程度和耐磨性能得到提高,试验结果的预测误差低于5%,验证了优化结果的可行性。