42CrMo钢激光-电磁感应复合淬火过程应力与变形研究

目的提高激光强化风电机组轴承的尺寸稳定性,对激光-电磁感应复合淬火过程中的应力演化过程进行分析,并研究工艺参数对淬火变形的影响规律。方法通过考虑淬火相关的工艺过程、材料参数、热源输入及边界条件,使用COMSOL软件建立42CrMo钢激光-电磁感应复合淬火数学温度-组织-应力场多物理场耦合模型,研究淬火过程中的温度、组织和应力变化过程,并进行复合淬火实验验证。通过改进边界条件,建立轴承试件的淬火模型,通过改变相关工艺参数包括激光功率、感应功率和扫描速度,研究工艺对轴承淬火变形的影响规律,并与实际轴承实验结果进行对比。结果经实验测试结果和模型结果对比,感应和激光的温度相对误差分别为5.48%和9.69%,淬硬层深度的相对误差为5.66%,工件中心点应力相对误差为7.14%。结合温度变化和组织变化,将应力变化过程分为感应加热阶段、激光加热阶段、自然冷却阶段和强制水冷阶段。改进后的大轴承表面变形量的模拟值与实验值相对平均误差为0.58%。结论在复合淬火过程中,应力同时受到热应力和组织相变应力的影响,热应力和组织相变应力在每个阶段起作用的主体不同。随着激光功率和感应功率的减小,以及扫描速度的增大,轴承内圈外滚道表面法向位移变小,尺寸稳定性越好。

稀土La对42CrMo钢碳化物析出特征及摩擦学性能增强机理研究

使用真空熔炼技术制备了稀土42CrMo钢,采用光学显微镜(OM)、扫描电子显微镜(SEM)和能谱仪(EDS)对材料微观组织、拉伸断口、磨损表面和亚表层进行了表征,研究了La对42CrMo钢碳化物析出特征及摩擦学性能增强机理.结果表明:La减小了晶界张力和界面能,降低了碳化物沉淀所需成核势垒,提供了形核点,使42CrMo钢具有更小的原奥氏体晶粒和碳化物,原奥氏体和碳化物尺寸减少约46.5%和19.4%.添加La后,42CrMo钢具有更优良的力学和摩擦磨损性能,屈服强度、抗拉强度和断后伸长率比普通钢提升了9.29%、9.48%和25.01%,磨损率降低了36.71%.稀土钢强塑性的提高得益于La对晶粒和碳化物的细化以及碳化物和基体界面柔韧性的提高.摩擦磨损性能的提升是由于碳化物和基体的柔性界面在摩擦磨损过程中起到协调变形作用,减少了微裂纹的形成和碳化物的剥离,使摩擦表面形成的自润滑膜更加致密、完整,不易破坏.此外,La减少了钢中夹杂物,也提高了稀土钢的塑性和摩擦磨损性能.

基于应力三轴度的铸态42CrMo钢高温拉伸断裂行为分析

利用Gleeble-3500型热模拟试验机对不同缺口半径(0.5,1.0,2.0,4.0 mm)的铸态42CrMo钢缺口试样进行不同温度(1223,1273,1373 K)下的热拉伸试验,基于应力三轴度分析了其高温拉伸断裂行为。结果表明:较高拉伸温度下缺口试样的流变应力较小;随着缺口半径减小,缺口试样流变应力和峰值应力增加,断裂应变减小;当缺口半径为0.5,1.0 mm时,应力三轴度最大值向最小横截面圆心转移;当缺口半径为2.0,4.0 mm时,拉伸过程中最小横截面圆心处的应力三轴度始终最大;随着缺口半径增加,应力三轴度减小;温度由1223 K升至1373 K,试样断口组织平均晶粒尺寸增大;缺口半径由0.5 mm增加至4.0 mm,平均晶粒尺寸增大,微空洞且尺寸及面积分数增加。

雾化射流对42CrMo钢车削断屑性能影响的实验研究

金属加工过程中,切屑周期性断裂有利于切削过程的稳定进行,实现高质高效加工。雾化射流是一种重要的冷却方式,把压缩空气与切削液混合并断续喷射形成雾状。与切削液溢流冷却相比,雾化射流射出的小液滴渗透性更好,冷却介质能更准确地施加到刀具前刀面和切屑内表面位置。为了探究雾化射流对42CrMo钢车削断屑性能的影响,采用三种冷却方式(干切削、切削液溢流及雾化射流)和两种进给量(0.15mm/r, 0.18mm/r)进行车削实验,对切屑的宏观长度、卷曲半径、切削力和刀—屑接触长度进行观测。在相同的进给量下,采用雾化射流冷却方式可以获得更短的切屑宏观长度、更小的切屑卷曲半径、更小的切削力、更短的刀—屑接触长度以及更小的切屑内表面粗糙度。

超声喷丸工艺参数对42CrMo钢表面质量的影响

通过单因素试验法研究了超声喷丸工艺对42CrMo超高强度钢表面质量的影响,对42CrMo钢超声喷丸处理前后的表面粗糙度、表面硬度、截面显微硬度和微观组织进行了表征分析。结果表明,随着喷丸时间的延长,表面粗糙度和表面硬度逐渐增大直至稳定,稳定值分别为1.08μm和433.60 HV;超声振幅、弹丸直径的增加和喷丸距离的减小可以有效地提升试样的超声喷丸强度,在试样表面产生更加剧烈的塑性变形,虽然提高了表面粗糙度,但是获得了深度更大的硬化层和梯度结构晶粒细化层,分别为2.8 mm和40μm。

42CrMo钢长轴感应淬火裂纹原因分析

观察了感应淬火后42CrMo钢长轴开裂的微观组织、裂纹形貌并测试其化学成分和力学性能,分析了裂纹的形成原因。结果表明:裂纹沿轴向分布且仅存在于大直径区域的淬硬层,与心部相比,该区域晶粒异常粗大且部分晶界熔化,裂纹沿晶扩展,裂纹内存在氧化物,因此判断裂纹产生的主要原因是感应淬火工艺参数不当,导致在长轴直径增大区域的淬火加热温度过高,从而造成淬硬层发生过烧、晶界弱化甚至烧蚀,从而出现裂纹。相比小直径区域,大直径区域的淬硬层较厚、硬度偏低,也佐证了该论断。

夹杂物对42CrMo4钢塑性及韧性的影响分析

风电主轴材质42CrMo4钢内部夹杂物的存在导致大锻件热成形中易出现微裂纹等缺陷。针对不同种类的夹杂物进行研究,探究其在热成形中的损伤失效行为。对原铸态42CrMo4钢进行取样、抛磨、腐蚀后进行夹杂物形貌的SEM观察与EDS成分检测,并对基体损伤较大的夹杂物做纳米压痕实验以获得其真实的力学性能参数。结果表明:铸态42CrMo4钢室温下组织为铁素体和珠光体的共存组织,主要存在Al_(2)O_(3)、TiN、硅酸盐类夹杂物及少量的CaS类夹杂物。纳米压痕实验表征得到在相同载荷下TiN的残余压痕深度最小,说明其塑性变形最小,弹性回复能力最好,Al_(2)O_(3)次之;室温下基体弹性性能最差,其塑性变形最大。在夹杂物附近观察到了部分孔洞,表明夹杂物较基体硬度大,在成形过程中会破坏基体的连续性,形成裂纹等缺陷从而影响产品质量。

常规喷丸和微粒喷丸工艺对42CrMo钢表面性能的影响

为了研究常规喷丸和微粒喷丸2种工艺对42CrMo钢表面性能的影响,利用ABAQUS软件通过正交试验确定了这2种工艺对材料表面粗糙度和残余压应力层深的主次影响因素。根据正交试验的分析结果,开展了一定的实际试验验证。考虑微粒喷丸和常规喷丸的特点,针对喷丸覆盖率单因素研究了2种工艺对42CrMo钢残余应力、表面粗糙度和等效塑性应变的影响。结果表明:微粒喷丸在相同覆盖率条件下能够获得更大的残余压应力、更低的表面粗糙度和更高的等效塑性应变,但强化层深度稍浅。残余压应力的提高有助于提高材料的耐磨损和抗疲劳性能,而较低的表面粗糙度有助于降低裂纹的萌生,更高的等效塑性应变可以进一步细化晶粒,同时有利于产生残余压应力,说明微粒喷丸在机械零部件的表面强化上具有广阔的应用前景。

基于激光同轴送粉工艺的42CrMo材料成形工艺性能研究

42CrMo材料被广泛用于螺栓紧固件制造,材料恶劣服役工况常导致螺杆腐蚀、螺纹失效及螺杆断裂。采用激光同轴送粉工艺开展了42CrMo材料块体成形试验,基于单道成形试验参数优选、单层多道成形试验工艺性分析及块体成形试验性能测试,完成了42CrMo钢材料激光同轴送粉工艺验证及性能表征。分析表明,采用激光功率1800 W,扫描速度13.33 mm∕s,搭接率50%,可以实现42CrMo钢良好成形。组织分析发现,熔覆层组织致密,结合界面良好,呈典型的铁素体+珠光体组织;材料拉伸试验表明,激光成形42CrMo钢材料平均抗拉强度高达746 MPa,断口为典型韧性断口形貌。研究结果可为42CrMo钢激光大尺寸成形提供工艺借鉴。

超声振动对42CrMo铸钢管道硬度和耐磨性的影响

为了探讨超声振动对42CrMo铸钢管道硬度和耐磨性的影响,分别在激励频率为0 kHz(无超声振动)、20 kHz和25 kHz的超声振动下制备检测试样。使用Rtec摩擦试验机,获得了不同载荷条件下平均摩擦系数和摩擦稳定系数的变化规律。采用超声波清洗机对摩擦后的试样进行处理,并采用电子天平进行测量,得出磨损质量的变化规律。将硬度研究与金相观察相结合,得出了超声波振动对试样微观组织和表面硬度的影响规律。通过电子探针显微镜分析微磨损形态,结合元素分布测试结果,解释了超声振动对试样材料耐磨性的影响机理。研究表明,将超声振动应用于管道铸造的工艺过程中,可以显著提高管道的硬度、耐磨性和摩擦稳定性,特别是当激励频率为20 kHz时,管材力学性能的提升效果更显著。

42CrMo袜机行针盘离子注入改性研究

针对采用42CrMo材料制造的袜机行针盘在使用过程中磨损严重的问题,采用氮离子注入方法对其进行表面改性强化,结果表明:氮离子注入可以提高行针盘表面硬度,对维氏硬度HV与载荷F进行了非线性拟合,拟合函数为HV=-61.31ln(F)+443.71(F≤9.807 N);离子注入过程中产生的热量会导致行针盘温度升高,增加行针盘的变形量;行针盘表面沟壑得到改善,呈现较好的一致性。

42CrMo4大截面主轴锻件热处理工艺及性能研究

针对大尺寸42CrMo4主轴锻件常规调质后冲击功及断面收缩率不合,进行补充回火和亚温淬火试验。结果表明,随回火时间的延长和回火温度的提高,锻件强度降低、断面收缩率和冲击功均有提高,但冲击功仍不满足技术要求;而采用亚温淬火工艺后材料塑韧性显著提高,主轴锻件各项性能指标满足技术要求。

42CrMo与06Cr19Ni10异种钢焊接工艺研究

为了解决42CrMo和06Cr19Ni10异种钢焊接熔深不足的问题,进行异种钢焊接工艺研究。采用氩弧焊的焊接方法,焊接材料选择不锈钢焊材,并进行必要的焊前处理,焊接完成后对42CrMo与06Cr19Ni10异种钢焊接接头进行金相和硬度试验。结果表明:选用铬镍含量更高的不锈钢焊材,并对42CrMo母材进行焊前预热处理,可以获得熔合更好的焊接接头,焊缝区域硬度更加均匀。

曲轴用42CrMo钢激光重熔数值模拟与试验验证

为探究曲轴用42CrMo钢在激光重熔处理过程中熔池流动和形貌演变规律,建立高度拟合原始形貌的二维仿真模型,利用有限元法对不同激光功率下试样表面进行仿真分析,并结合试验对比分析表面粗糙度和显微硬度变化规律。结果表明,利用熔池流动模型可良好预测42CrMo钢表面熔池流动和表面微起伏变化;熔池内部流速呈现先增大后减小趋势,通过调控激光功率可在实现表面重熔的同时提升试样表面质量;经激光重熔处理后42CrMo钢表面硬度显著提升,达到曲轴工况需求;仿真模型对表面粗糙度和熔池深度预测结果与试验结果基本吻合。

二次回火对42CrMo4M钢组织性能的影响

借助光学显微镜、扫描电镜、透射电镜和X射线衍射仪等研究了二次回火温度对42CrMo4M钢显微组织、力学性能和残余应力的影响。结果表明:二次回火后,42CrMo4M钢中马氏体板条进一步发生回复和再结晶,位错密度显著降低;长条状碳化物逐渐球化和粗化,转变为颗粒状形貌;随二次回火温度的升高,42CrMo4M钢的屈服强度和抗拉强度呈先上升后大幅下降的趋势,而塑韧性则变化较小。660℃二次回火后,42CrMo4M钢-20℃冲击吸收能量由调质处理后的111 J略微增加至120 J,增幅仅为9 J;此外,随着二次回火温度的升高,42CrMo4M钢中残余应力大致呈先下降后上升的趋势。640℃二次回火后,42CrMo4M钢中残余应力最低,为111.7 MPa,较调质处理后的152.5 MPa,降低了约26.75%。

回火温度对含钒42CrMo钢-40℃冲击韧性的影响

对含钒42CrMo钢进行了870℃油淬和540~650℃回火,采用扫描电子显微镜、电子背散射衍射和透射电子显微镜检测了钢的-40℃冲击韧性、显微组织、应力、位错密度和晶粒取向差。结果显示:随着回火温度的升高,钢的-40℃冲击吸收能量从26 J提高到了118 J,回火索氏体中的碳化物从条状转变为球状;较高温度回火的钢比较低温度回火的钢具有更多的大角度晶界、较小的应力和较低的位错密度;回火索氏体中的条状、针状碳化物主要为Fe__(3)C,球状碳化物主要为M__(7)C__(3)和VC,弥散分布的球状碳化物有利于改善钢的低温冲击韧性。

中碳合金钢42CrMo的ECAP工艺参数模拟及试验研究

高端滚动轴承在服役过程中存在的尺寸稳定性差和滚动疲劳寿命低等问题,严重制约着我国高端装备制造业的发展水平。因此,急需开发具有高强韧性、耐磨、耐疲劳特性的轴承钢。中碳轴承钢作为超高速高精密滚动轴承极具潜力的轴承钢材料,对不同工艺条件下的中碳合金钢ECAP(equal channel angular pressing)工艺参数开展研究,分析了ECAP过程对42CrMo钢的挤压载荷、等效应变、等效应力及温度场数值变化和分布规律。研究结果表明,适当提高挤压初始温度和挤压速度,均可以有效降低挤压载荷和等效应力;加大挤压速度可以明显提升试件挤出温度,但不利于试件ECAP过程形变的均匀性;减小摩擦系数可以显著降低挤压载荷,有助于提高晶粒细化的均匀程度。综合考虑,选定挤压温度950℃,挤压速度10 mm/s、摩擦系数0.03条件下设计试验,可以有效提高ECAP细化晶粒的能力,同时为试件进行下一步热处理提供良好初始条件。以上试验研究是对中碳钢细晶强化的全新探索,可以为其他性能相近的金属材料开展ECAP研究提供技术参考。

离子氮铝共渗方法及对42CrMo钢组织性能的影响

目的研发离子氮铝共渗试验方法,达到不影响42CrMo钢基体组织性能前提下,显著提高试样表面硬度和耐磨性效果。方法采用电解法在42CrMo钢表面沉积氢氧化铝膜,再在520℃/4 h工艺下进行离子氮铝共渗处理,并在相同工艺参数条件与传统离子渗氮进行对比。用光学显微镜、维氏显微硬度计、摩擦磨损测试机、X射线衍射仪及SEM对截面显微组织、截面硬度、耐磨性及物相等进行了测试和分析。结果获得了离子氮铝共渗试验方法,在520℃/4h相同工艺参数下,离子氮铝共渗形成的化合物层和有效硬化层厚度比常规离子渗氮显著增加,其中,化合物层厚度由17.24μm增加到52.13μm,有效扩散层从175μm增加到1050μm,相当于等离子处理效率提升6倍;同时,渗层形成了AlN及FexAl强化相,大幅度提高了渗层的硬度及耐磨性能。表面硬度由750HV0.025提高到1250HV0.025,摩擦因数由常规离子渗氮0.52下降到0.29,磨损率由常规离子渗氮3.22×10^(-5)g/(m·N)下降到1.21×10^(-5)g/(m·N),磨痕明显减轻。结论采用电解硝酸铝生成氢氧化铝沉淀附着在工件表面作为预处理,获得了离子氮铝共渗试验方法,与常规离子渗氮相比,离子氮铝共渗形成了多层次渗层结构,大幅度提高常规离子处理效率、表面硬度及耐磨性。

42CrMo钢超声滚压残余应力及等效塑性应变研究

基于接触力学模型,建立了超声滚压加工残余应力分布的理论模型,模拟了不同静压力、进给速度和振幅下的超声滚压加工过程,分析了超声滚压加工后残余应力和等效塑性应变的分布情况。结果表明,试样表面会发生不同程度的塑性变形并产生残余压应力。随着深度的增加,残余压应力逐渐增大,在深度为0.4 mm处达到最大值,之后逐渐转为残余拉应力,最后残余拉应力和残余压应力趋于平衡。随着深度的增加,等效塑性应变先增大后逐渐减小,最后在深度约1 mm处达到0。加工参数中静压力对残余应力和等效塑性应变的影响最为显著,最大残余压应力和等效塑性应变随着静压力的增大而增大,最大残余压应力和最大等效塑性应变分别为-910.07 MPa和0.46。对比残余应力实验和仿真结果,发现二者残余应力随加工参数的变化规律一致,并且误差范围基本保持在10%以内,验证了有限元模型的准确性和有效性。

42CrMo传动轴花键轴套断裂失效分析

通过光学显微镜、扫描电镜、显微硬度计等方法对传动花键轴套断裂失效的原因进行分析。结果表明,花键轴套的化学成分及硬度均符合要求。花键轴套长期在残留腐蚀介质和应力的作用下发生应力腐蚀开裂及扩展。由于叠加焊接应力和套装应力的耦合作用,形成穿透性裂纹,导致花键轴套承受载荷水平降低,最终在扭矩的作用下在穿透性应力腐蚀裂纹尖端发生扭转断裂。