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刃口钝化及涂层工艺是提升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,激光熔覆层可以提升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。
对42CrMo钢板首先锻造后淬火,再分别进行常规热处理、浅冷处理和深冷处理,之后进行中温回火,然后测试试样的硬度和冲击韧性,并采用扫描电子显镜观察冲击试样的断口形貌和试样的观组织,探索浅冷处理和深冷处理对42CrMo硬度和冲击韧性及观组织的影响。结果表明,相比于常规热处理,42CrMo经浅冷处理和深冷处理后硬度略下降,冲击韧性有所提升,并且试样经深冷处理后的冲击韧性提升程度高于浅冷处理的冲击韧性。冲击试样断口呈准解理断裂,属于脆性断裂。观组织分析表明,浅冷处理和深冷处理均能促进试样组织中细小碳化物弥散分布析出。
利用光学显镜、扫描电镜和电子探针对热处理后开裂的42CrMo钢板制大型风电主轴进行观组织形貌及区成分分析。结果表明,主轴裂纹附近存在大量的硫化物及氮化物夹杂,且夹杂物与基体存在明显的间隙面,易以界面脱粘开裂机制产生裂纹,同时夹杂处的区成分偏析及裂纹附近的缩松缺陷共同作用最终导致主轴开裂。
用光学显镜、42crmo钢板扫描电镜、透射电镜和显硬度研究了回火温度和时间对42CrMo钢显组织和硬度的影响,并推导获得了回火后屈服强度的计算模型。结果表明:随着回火温度的升高和时间的延长,马氏体的板条界面逐渐模糊或消失,板条宽度增加,位错密度显著减少,析出相由针状的过渡性碳化物逐渐向球形的稳定渗碳体转变,显组织从回火马氏体演变为碳化物弥散分布的回火屈氏体（400℃）和索氏体（600℃）,同时硬度不断降低,且在前2 h回火内降低显著,而后趋于稳定。由于扩散控制的回火组织演变类同于单一相变过程,基于JMAK方程建立的强度计算模型,可以较好地预测42CrMo钢在200～600℃回火时的屈服强度变化。
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电压时达到了最小的磨损率。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。
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