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以WC、Ti C、Co和Co50合金粉末为原料,通过设计不同的成分配比,在40Cr刀具钢表面激光熔覆了WC/Co、WC/Co50和WC-Ti C/Co50钴基碳化物复合涂层。借助XRD、OM、SEM和EDS等表征手段分析了粉末成分配比和激光熔覆工艺参数对刀具表面复合涂层物相结构、宏观形貌和微观组织的影响。结果表明,当激光功率为4.2 k W,扫描速度为350 mm/min时,制备的WC/Co50和WC-Ti C/Co50复合涂层表面形貌良好,平整连续且无宏观裂纹。硬度测试和摩擦磨损试验表明,复合涂层具有高的硬度和良好的耐磨性, 显微硬度达到1211 HV0.2, 磨损失重2.1 mg,分别为基材的3.03倍和34.4%。熔覆层中大量存在的WC、Ti C以及原位自生的W2C、Fe3W3C等碳化物增强相对提高复合涂层的硬度和耐磨性起到了主要作用。
研究了渗硼温度、保温时间、供硼剂含量和稀土氧化铈含量对40Cr钢渗层厚度及组织和硬度的影响。结果表明,随渗硼温度升高、保温时间延长,40Cr钢表面渗层厚度增大;随碳化硼加入量的增加,渗层厚度在渗硼剂中含1%B4C和5%B4C时出现两个极大值点;适量的稀土氧化铈可以促进硼的渗入,过多的稀土氧化铈的加入反而不利于渗层厚度的增大。稀土氧化铈的加入能够改善渗层的组织,渗硼层硬度亦有所提高。
就热处理工艺对40Cr钢表面粗糙度影响的问题,进行试验研究。通过五种不同的热处理工艺,得到五种不同的表面粗糙度,由此确认热处理工艺与40Cr钢表面粗糙度的关系。基于两者的关系,可以通过热处理工艺来使机械零件达到表面粗糙度要求。 针对40Cr铸坯锭型偏析缺陷,利用碳硫分析法对不同连铸工艺条件下该钢种铸坯截面各处碳元素偏析值及偏析极差进行分析。结果表明:连铸拉速控制在0.7-0.75 m/min、过热度控制在15-25℃、比水量控制在0.25 L/kg、结晶器电磁搅拌参数控制在180 A、3 Hz(单向旋转)、末端电磁搅拌参数控制在400 A、8 Hz条件下,铸坯碳元素偏析极差可控制在0.05%以内。
活塞杆在往复试验过程中,导块滑槽部位发生开裂故障现象。通过显微硬度计、体视显微镜、扫描电镜等手段对开裂的40Cr钢导块的硬度、裂纹形态及扩展方式、断口表面特征及显微组织进行分析。结果表明:导块淬火不充分,组织转变不完全,调质处理后基体硬度低是导块产生裂纹的根本原因。
激光冲击强化作为一种前沿的表面处理技术,具备“三高一快”(高压、高能、超快、高应变率)特点,可以广泛应用在金属和零部件的强化上。各国研究人员已经对激光冲击强化技术进行了系统研究,但都是在航空铝合金材料方面,而在航空工业有重要作用的高质量合金钢的科学研究则比较少。40Cr钢在航空工业上常使用在高速和冲击负荷小的工作环境中,而传统的表面强化方法主要存在效率低、温度高、工作环境差等缺点。
针对上面提到的问题,本文以40Cr钢为研究对象,采用ABAQUS有限元软件系统研究了不同工艺参数(冲击次数、光斑直径、冲击波加载时间、激光能量和压力幅值上升时间)对激光冲击强化的影响。对不同的搭接率布置方案激光冲击强化进行了分析。研究了正反表面同时冲击和间隔冲击在残余应力和表面变形的差异,并探讨了正反表面间隔冲击两次,三种顺序对残余应力和“残余应力洞”的影响。采用脉冲激光器对40Cr钢方块试样进行激光冲击强化处理并与模拟结果进行对比。分析“残余应力洞”产生原理、以及不同工艺参数对其影响,研究了两种对“残余应力洞”抑制的方法。
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