31CrMoV9钢离子渗氮层的微动摩擦磨损特性研究

针对31CrMoV9钢基体及其渗氮层,采用切向微动磨损试验机开展球/平面接触模式下的切向微动磨损试验探究了在法向载荷为20 N时,不同位移幅值下(D=5、10、50μm)的切向微动损伤机制和损伤演变规律.采用X射线衍射仪(XRD)对试样表层物相进行分析,扫描电子显微镜(SEM)和白光干涉仪对试样磨损区进行形貌表征,能谱仪(EDS)和电子探针显微分析仪(EPMA)进行化学元素分析.结果表明:离子渗氮处理后在基体表面形成了化合物层和扩散层,显著提高了表面硬度.在法向载荷F_(n)=20 N时,随着微动位移幅值的增大,31CrMoV9基体及其渗氮层的微动运行区均由部分滑移区逐渐向混合、完全滑移区转变,磨损体积增大,磨损更加严重,稳定阶段的摩擦系数逐渐增大.在部分滑移区和完全滑移区,渗氮层较基体在稳定阶段的摩擦系数更小,而在混合区基体的摩擦系数更小在混合区和完全滑移区时,基体及渗氮层的损伤机制均为剥层、磨粒磨损和氧化磨损.离子渗氮生成的化合物层能提高材料的抗微动磨损性能,在D=10和50μm时,磨损率分别降低了约38.5%和70.2%.研究结果可为轨道交通等领域结构件的选材和抗微动磨损设计提供参考.

31CrMoV9钢调质与气体氮化工艺研究

新开发的液压柱塞泵中的主轴使用31CrMoV9加工。为提高和掌握该材料的综合性能及其表面的耐磨性能和抗疲劳性能,先对31CrMoV9原材料进行调质处理,粗加工到一定尺寸后进行气体氮化处理,氮化后再进行精加工到零件尺寸的工艺研究。基于此,对31CrMoV9的调质工艺、气体氮化工艺进行了试验,试验后对调质硬度、氮化层深度等进行检查,最终确定31CrMoV9材料的调质工艺和氮化工艺。研究结果表明,31CrMoV9经910℃淬火,630~640℃回火,可满足28~35HRC的硬度要求。气体氮化处理后,表面硬度可达800HV0.2以上。

31CrMoV9钢大兆瓦级内齿圈工艺研究

31CrMoV9钢是淬透性较高的EN 10085:2001欧标渗氮钢,通过调质+渗氮后,使表面获得高硬度,同时心部仍有较好的强韧性,适合于大型重载零件使用。近年来随着国内风电市场的发展,引进较多国外风电齿轮箱技术,31CrMoV9钢也更多地用于大兆瓦级风电内齿圈制造。目前,国内有关31CrMoV9钢的技术资料较少,文中对于31CrMoV9钢风电内齿圈的冷热工艺结合,尤其是对于其调质工艺及调质后开齿加工工艺进行试验并取得了成功。

精炼渣组成对31CrMoV9钢夹杂物的影响

试验用31CrMoV9钢(/%:0.28~0.33C,0.30~0.35Si,0.49~0.60Mn,0.011~0.016P,0.027~0.031S,2.47~2.60Cr,0.16~0.23Mo,0.12~0.19V)由25 kg感应炉熔炼,采用正交试验研究了二元碱度2.5~3.5不同成分精炼渣(/%:46.43~59.89CaO,15.16~23.50SiO_2,10~20Al_2O_3,6~10MgO,2~5CaF_2)对31CrMoV9钢夹杂物数量、尺寸和成分的影响。结果表明,精炼渣二元碱度和氧化铝含量对该钢夹杂物含量的影响显著;当二元碱度从2.5增加到3.5时,每0.3 mm^2钢中夹杂物的平均面积从22.07μm^2增至25.67μm^2,增幅为16.31%;夹杂物的数量从316.67个/0.3 mm^2降至255.00个/0.3 mm^2,降幅为19.47%,且有利于形成复合型夹杂物。当氧化铝含量从10%增加到20%,每0.3 mm^2钢中夹杂物的面积由22.57μm^2增至24.28μm^2,增幅为7.55%,夹杂物的数量由292.67个/0.3 mm^2降至272.00个/0.3 mm^2,降幅为7.06%,并易形成镁铝尖晶石类夹杂物。综合分析,当精炼渣成分为10%Al_2O_3、10%MgO、5%CaF_2、二元碱度为3.5时精炼效果最佳。

31CrMoV9钢深层渗氮工艺研究

对31CrMoV9钢在500~520℃氮势分段可控渗氮工艺进行了研究。结果表明:31CrMoV9钢在520℃深层渗氮,强渗期高氮势,扩散期低氮势的渗氮工艺,获得深硬化层,渗氮时间较短,表面硬度高,表面脆性Ⅰ级;在500℃~510℃渗氮,强渗8 h,氮势K_n=5.0~6.5,扩散4 h,K_n=1.5~2.5,渗氮后,渗氮层表面硬度800~860 HV,硬化层深度0.19~0.22 mm,表面脆性Ⅰ级;在515~520℃渗氮,强渗8 h,K_n=5.0~6.5,扩散4 h,K_n=1.5~2.5,渗氮后,渗氮层表面硬度710~800 HV,硬化层深度0.24~0.28 mm,表面脆性Ⅰ级。

31CrMoV9钢的离子渗氮

对φ55 mm 31CrMoV9钢棒材进行了910℃正火、900℃油淬和600℃回火的预备热处理。然后将该棒材加工成10 mm×10 mm×25 mm的试样。将试样在510℃分别进行离子渗氮25 h和45 h。采用金相分析和硬度试验测定了渗层的深度、表面硬度和显微组织,目的是研究31CrMoV9钢离子渗氮的可行性。结果表明,随着离子渗氮时间的延长,深层深度增大,表面硬度升高,但脉状组织趋于严重。此外,渗层无脆性,心部组织良好。结果表明,31CrMoV9钢的离子渗氮表面硬化是可行的。

国内外31CrMoV9钢成分与夹杂物特性分析

对国内外不同产地的31CrMoV9钢进行对比研究。分析表明,国外钢中硫、磷和总氧含量低,而国内钢中的锰硫比低,国外钢样中的夹杂物数量少,尺寸小,弥散分布性强,长宽比小于1.5的夹杂物数量占总量的比例大,纺锤率大,且夹杂物的形态以球状和类球状居多,极少出现块状和条状夹杂物,国外的夹杂物主要是以Al_2O_3、CaO、MnS等组成的复合夹杂物,而国内钢样中夹杂物分布不均匀,成分波动性较大。

31CrMoV9钢固溶双细化工艺研究

对31CrMoV9钢棒料和大型齿圈坯件进行了双细化处理。结果表明，双细化工艺处理可使Ф70mm的棒料完全淬透，高温回火后组织为回火索氏体1级，晶粒度6．5～7．5级，力学性能达到或超过德国相关标准，并解决了含V钢切削性能差的问题。

31CrMoV9钢系列产品氮化的研究

使用VKA-D氮化炉对31CrMoV9钢制产品进行了不同调质状态和不同氮化工艺的研究。当调质硬度或强度较高时(达到330HBW以上时),渗氮后能够达到900HV10以上的表面硬度。若采用氮化前氧化的工艺,能够提高表面硬度值,但是对氮化层深度没有显著的影响。

31CrMoV9热处理工艺研究

分析了淬火温度和回火温度对31CrMoV9钢力学性能和组织的影响。淬火温度一定时,随回火温度升高,材料的抗拉强度和屈服强度下降明显,低温冲击性能则提升显著。回火温度一定时,随淬火温度的提高,材料的强度指标得到提高,但塑性和韧性降低。材料的最佳调质处理工艺为:930℃淬火+600℃回火。

31CrMoV9钢夹杂物和组织观察

31Cr Mo V9是欧洲牌号的高淬透性合金钢,属于近几年国产化过程中新研制的钢种。为比较国内外成品钢质量的差距,提高中国该钢种的冶炼水平,选取不同产地的31Cr Mo V9钢,对其中的非金属夹杂物进行研究。电解钢样观察其中夹杂物的外观形貌,并对钢样进行金相观察和利用高温共聚焦显微镜观察钢样的组织变化。研究发现,单一成分的夹杂物多为长条状,而复合夹杂物多为球形。研究过程所选取的中国生产的钢材与德国钢材在夹杂物的数量和形态控制上存在差距,中国生产的钢材单位面积内夹杂物的数量更多,夹杂物的大小不均匀,形态控制不理想。就成分而言,德国钢材的夹杂物成分主要是以Al2O3、Ca O、Mn S等组成的复合夹杂物,而中国钢材的夹杂物存在着成分的波动性。共聚焦显微镜试验过程中发现,在升温过程中夹杂物会发生球化现象,降温过程中,钢样开始形成马氏体组织的温度有所不同,中国钢样为580℃,德国钢样为450℃,这与其本身晶体的成分有关,最后的组织为马氏体+碳化物颗粒+残余奥氏体。

31CrMoV9钢调质工艺研究

为提高31CrMoV9钢的综合力学性能,对其进行调质处理工艺研究。对材料的力学性能和组织进行分析,确定调质工艺为淬火温度(900±10)℃,回火温度635℃。调质处理后,材料的力学性能完全满足标准要求。

焊后热处理对31CrMoV9钢电子束焊接接头组织及性能的影响

研究了31CrMoV9钢电子束焊接接头在焊后去应力退火、焊后调质两种不同焊后热处理状态下的焊缝组织与性能,并与同等强度等级下的母材组织与性能进行了对比研究。结果表明,接头焊后组织为板条马氏体及少量残留奥氏体;焊缝经调质处理后,组织为相对均匀的回火索氏体,接头力学性能与母材相当,相比于焊后去应力退火处理,焊缝冲击性能大幅提高。两种类型的焊后热处理均未消除焊缝柱状枝晶等凝固组织形态,但焊后调质工艺可减轻焊缝柱状枝晶组织偏析,并使之细化,使得焊缝与母材的组织与硬度更加均匀;焊后经多次重复淬火,焊缝经检测均未见裂纹,说明焊后采用调质工艺可行,这为提高焊缝冲击性能提供了可行工艺路线。