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。
42CrMo钢板含有Cr、Mo等多种合金化元素,具有优良的综合力学性能,既具有较高的强度,又具有较好的塑性,在锻件,特别是大型锻件领域,有广泛的应用。本文采用计算机模拟与实验相结合的方法,构建了 42CrMo钢较准确的本构模型和材料性能数据库,并开展了材料变形和热处理淬火过程的计算机模拟和实验,模拟结果与实验结果吻合较好。
通过热压缩实验,测定了 42CrMo钢板在不同温度和应变速率下的应力-应变数据,构建了改进的Johnson-Cook本构模型和应变补偿的Arrhenius本构模型,得到了较大应变范围内较准确的42CrMo钢的本构方程。拟合了手册中标准的42CrMo钢的TTT曲线,获得了较准确的TTT曲线数据。此外还构建了包含热导率、比热容、杨氏模量、泊松比、相变潜热、膨胀系数等较完善、准确的42CrMo钢数据库。以构建的数据库为基础,通过DEFORM软件模拟了 42CrMo钢在变形温度为1123 K、应变速率为0.01 s-1条件下的热压缩过程,将模拟结果中压缩后试样的尺寸数据、Top Die载荷-行程曲线以及计算得出的应力-应变曲线分别与相同实验条件下实测结果进行对比。结果显示,载荷-行程曲线和应力-应变曲线在数值大小和变化趋势上与实验结果吻合较好,表明选用的应变补偿的Arrhenius本构模型能够比较准确地描述42crmo钢板的变形行为。
通过DEFORM软件模拟了 42CrMo钢板在1123 K时的末端淬火过程,结果显示试样末端与水的换热程度剧烈,温度迅速下降,形成大量马氏体组织,随着远离淬火末端,马氏体含量逐渐降低,硬度也随之降低。同时进行了同条件的末端淬火实验,对淬火后试样的轴向硬度分布进行了测量,并观察不同位置组织组成,实验结果与模拟结果基本一致,这表明文中构建的42CrMo钢数值模拟数据库较为准确。可以在此基础上进行不同几何形状、不同变形条件、不同热处理过程的数值模拟,为实际生产过程的模拟与优化打下了良好的基础。
刃口钝化及涂层工艺是刀具切削性能及加工质量的重要刀具后处理方法。本文对钝化未涂层、钝化且涂层以及无钝化涂层的硬质合金钻头钻削42CrMo钢板的钻削性能进行对比研究,并分析了钝化且涂层钻头刃口的K因子及平均圆度随加工孔数变化情况。结果表明:刀具钝化与涂层后处理工艺对刀具寿命及其失效形式有决定性影响。在实验参数下,未后处理钻头加工孔数仅10孔就发生崩刃失效;钝化未涂层钻头的寿命是钝化涂层钻头的10倍,主要失效形式为粘结磨损与磨粒磨损;钝化且涂层钻头寿命为无钝化涂层的150倍,主要失效形式为磨粒磨损。钝化且涂层钻头刃口在加工过程中的存在:"涂层破损—基体磨损—新刃口形成—刃口崩刃—刃口再形成"的变化趋势。
利用摩擦磨损试验探究不同激光功率下42CrMo钢板激光熔覆层的耐磨性,采用SEM和OM观察了试样摩擦磨损前后的熔覆层组织形貌。结果表明:42CrMo钢基体的摩擦因数较大,且在该摩擦磨损后出现了严重的脆性剥落现象,激光熔覆层可以42CrMo钢的耐磨损性能;当激光功率为1600 W时,摩擦因数可降低至0.28,熔覆层表面SEM形貌较为光滑,耐磨性优异,熔覆层组织中的晶粒细化均匀,主要表现为细小的等轴晶,组织较为致密,从而提高了熔覆层的耐磨损性能。
在42CrMo钢的基础成分上增加Al、Ti元素,通过末端淬火试验和截面硬度试验对比分析Al对42CrMo钢淬透性的影响差异,通过常规力学性能检测对比其与42CrMo钢的力学性能差异。42crmo钢板结果表明Al、Ti元素添加可进一步提高淬透性,并且使钢的强度达到1200 MPa级,-40℃下KV2≥27 J,满足低温环境下螺栓用钢的使用要求。采用化学相分析方法,对钢中析出相进行了定性、定量分析,结果表明Ti在钢中添加发挥明显固氮作用,提高了Al元素的固溶量,利用热膨胀法对比测定试验钢的等温转变曲线,证明了增加Al含量,降低了奥氏体临界转变温度,使C曲线右移,明显改善了钢的淬透性。
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用同轴送粉的方式在42CrMo钢板表面激光熔覆Fe-WC合金粉末,通过扫描电镜、光学显镜、能谱仪观察分析熔覆层的显组织特征、WC陶瓷颗粒对熔覆层组织性能的影响、WC陶瓷颗粒分布特征及WC周围块状共晶物的组成成分;用显硬度计、摩擦磨损试验仪、高精度电子天平测量基体与熔覆层的性能及质量损失,分析了引起性能曲线变化的原因。结果表明,熔覆层底部到顶部的组织变化为平面晶、晶界明显的胞状晶、交错生长的柱状树枝晶、排列紧密的胞状晶、方向均一的柱状树枝晶; WC陶瓷颗粒具有细化枝晶、阻断枝晶生长,增强熔覆层性能的能力; WC陶瓷颗粒在熔覆层中聚集分布,形成较宽的陶瓷带; WC陶瓷颗粒周围的块状共晶物是由WC部分分解得到的,其组成元素包括C、W、Fe、P、Cr。熔覆层平均硬度达到850 HV0.3,是基体平均硬度的3.4倍。摩擦因数为0.275左右,比基体小0.525。基体的质量损失是熔覆层的11倍多。说明Fe-WC合金熔覆层能够有效基体的硬度及其抗磨损能力。
在42CrMo钢板基础成分中配合添加Al-Ti和Al-B元素,通过末端淬火实验和截面硬度实验对比分析3种42CrMo钢淬透性的差异,并通过OM、SEM等手段观察晶粒形貌以及不同部位淬火后显组织,利用三维原子探针（3DAP）分析元素分布,通过常规力学性能实验检测其常温拉伸和低温冲击性能。结果表明,AlTi、Al-B的添加均使42CrMo钢淬透性提高,Al-B钢增加淬透性作用更大,淬火后距淬火端25 mm处的硬度增加6 HRC,直径42、48和56 mm截面的心部硬度分别增加7、10和14 HRC,并且使钢的抗拉强度Rm≥1200 MPa,-40℃下冲击吸收功KV2≥27 J,力学性能满足低温环境下螺栓用钢的使用要求。42crmo钢板通过化学相分析实验和TTT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,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,
