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为提高40Cr钢的抗磨及耐蚀性能,用304不锈钢冲孔板制成的活性屏对40Cr钢进行离子渗氮(ASPN)处理,研究了活性屏与工件的距离对渗层组织结构和性能的影响,并与普通直流离子渗氮(DCPN)进行了比较。用光学显微镜(OM)、X射线衍射仪(XRD)、辉光放电光谱仪(GDOES)、显微硬度计、往复摩擦磨损试验机和电化学工作站对渗层组织、相成分、硬度、耐磨及耐腐蚀性能进行分析。结果表明:经不锈钢活性屏离子渗氮处理后,试样表面得到了致密均匀的渗氮层,渗层主要由ε-Fe2-3N、γ′-Fe4N和CrN相组成,且随着试样与活性屏距离从10mm、20mm增加到30mm,对应的渗层厚度从6μm、4.7μm减小到3.5μm。经氮化处理后,40Cr钢的耐磨性和耐腐蚀性都有显著的提高,ASPN处理后试样的耐腐蚀性较DCPN有明显的提高。
讨论了焊后热处理对Ti Al合金与40Cr热轧钢摩擦焊接头显微组织及力学性能的影响。焊态下,钢侧界面层附近发生马氏体转变,界面层中碳原子富集生成Ti C,降低了接头的力学性能;Ti Al合金侧形成了羽毛状及魏氏体组织。经580°C和630°C保温2 h焊后热处理,界面层附近形成回火索氏体组织,碳弥散分布,接头的抗拉强度由焊态时的86 MPa分别提高至395 MPa和330 MPa。焊态下,接头沿界面层断裂;热处理后,接头呈准解理断裂,断裂位置位于Ti Al合金侧,距界面层约1 mm。
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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。
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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