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40Cr钢经调质处理后,具有良好的综合力学性能,常用于加工机械设备中重要的轴类、连杆和齿轮等零部件。在服役过程中,这类部件将会受到交变、冲击、振动等动载荷的作用,由疲劳、磨损引起的故障大大增加,这会带来难以估计的损失及隐患。本文采用激光重熔技术对调质40Cr钢表面进行处理。通过对处理后试样表层微观结构和受力状态的表征,获得了激光表面重熔处理后试样的组织及力学性能变化规律;根据疲劳裂纹扩展速率、摩擦系数、磨损量等数据,建立了疲劳裂纹扩展行为和摩擦磨损机制;探索了激光表面重熔技术在提高调质40Cr钢零件服役寿命领域应用的可行性。经过激光表面重熔处理后,熔化区的组织由细小的马氏体及碳化物颗粒组成,热影响区的组织多为熔化区与基体区组织的混合。
对40Cr钢进行QPQ盐浴氮氧化复合处理、离子渗氮、镀铬、氧化处理,用显微硬度计、金相显微镜测试了试样表面的显微硬度梯度,观察了渗层组织,用磨损试验机、中性盐雾试验机进行了耐磨性和耐腐蚀性研究。结果表明:经过QPQ处理后的40Cr钢表面生成了Fe2～3N高浓度氮化物层和致密Fe3O4氧化膜,其相应的耐磨性和耐蚀性是四种工艺中 的。
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为明确转炉→LF精炼→连铸工艺条件下生产40Cr钢浸入式水口结瘤分层结构的形成机理,采用扫描电镜、阴极发光仪以及FactSage 7.1热力学软件,对40Cr钢水口结瘤形貌及分层结构进行了研究。结果表明,浸入式水口结瘤物分为水口脱碳层、凝钢层、夹杂物堆积层、凝钢层和表面疏松层。分析了40Cr钢在连铸过程中钢中Al2O3、Al2O3-CaO（SiO2）和Al2O3-MgO尖晶石在水口内壁上的分层沉积现象。结合现场工艺,研究了双凝钢层的形成机理,并通过热力学计算解释了结瘤物的形成机理。
激光表面重熔后的平均硬度约378 HV,相比于基体硬度增加了45%。激光表面重熔处理后,表面存在残余拉应力, 值为310 MPa,随着深度的增加,残余拉应力迅速减小到零并转变为残余压应力,残余压应力 值为133 MPa。激光表面重熔试样的Paris常数C和m分别为7.00874×10-8和3.02707,未处理试样的C和m分别为2.63445×10-7和2.71917。通过疲劳裂纹扩展速率表达式得知,经过激光表面重熔后调质40Cr钢的疲劳裂纹扩展速率明显下降。激光表面重熔处理后组织的细化及次表面残余压应力的出现是裂纹扩展速率降低的主要原因。根据摩擦系数和磨损量数据可知,激光表面重熔处理后试样的磨损量和摩擦系数明显低于未处理试样,说明激光表面重熔处理可以改善调质40Cr钢的磨损性能。对于未处理试样,随着载荷的增加,其磨损机制由粘着磨损和磨粒磨损逐渐演变为疲劳磨损;对于激光表面重熔处理试样,磨粒磨损是整个磨损过程的主要磨损机制,并伴有不同程度的氧化磨损
为计算ф25 mm×100 mm 40Cr圆柱试件喷雾淬火冷却过程的换热系数,采用四通道采样系统测定了喷雾淬火过程的冷却曲线,并用反传热法中的非线性估算法计算出换热系数。计算结果表明,喷雾淬火过程分3个阶段:膜沸腾阶段、核沸腾阶段和对流换热阶段,并在冷却到120℃时,换热系数达到峰值9800 W·m-2·℃-1。采用此换热系数作边界条件,对40Cr钢的喷雾淬火过程进行了数值模拟,得到淬火过程中不同时刻的温度场、组织场、硬度场和应力场。
采用不同的渗钒温度、渗钒时间和渗剂使用次数进行了40Cr钢的表面固体渗钒试验,并以这些实验数据作为训练样本和验证样本,建立了一个四层神经网络系统,对40Cr钢表面固体渗钒试样的性能进行了预测。结果表明,经过训练的四层神经网络,对未学习的40Cr钢表面固体渗钒样本数据具有较好的识别能力和较高的预测精度:硬度的预测值与试验值之间的相对误差在0.31%~2.62%之间;耐磨失重的相对误差在0.35%~2.96%之间;渗层深度的相对误差在0.75%~2.35%之间。
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