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采用真空脉冲等离子氮化技术对42CrMo齿轮钢表面改性的方法已经大量应用于生产实践中,但由于工艺参数的控制不合理经常导致氮化层分布不均匀甚至表层部分缺失,引发齿轮等关键零部件寿命低、可靠性差等问题。为此本文探索了等离子氮化的最佳工艺参数和表面预处理后氮化的优化工艺,而后结合显微组织、表面完整性研究了不同处理状态42CrMo钢的接触疲劳性能。利用氮化层的截面显微组织、硬度梯度分布、表层残余压应力评价了合理的等离子氮化和复合处理工艺参数。采用OM、SEM、TEM、XRD对氮化层的显微组织、形貌、含氮量、相成分等进行了分析。用XRD应力测定仪,表面粗糙度仪,显微硬度仪表征了渗氮层表面完整性,并采用SEM对不同状态的接触疲劳断口进行了破坏分析,从而建立了氮化层组织结构、表面完整性和接触疲劳性能三者之间的关系,为齿轮抗疲劳制造提供了实验和理论依据。主要结论有:(1)42CrMo钢的真空脉冲等离子氮化最佳工艺参数为在气压200Pa,温度530℃左右,氮化时间8h。此时的氮化层中白亮层厚度为20μm,渗层总厚度387μm,具有平缓过渡的硬度梯度分布和最大的表面残余压应力-802 MPa。等离子氮化层表层是由ε相和γ’相组成的FexN氮化物,主要呈大块颗粒不均匀的分布在组织中;次表层是氮在α-Fe中的固溶体,大部分氮原子固溶在α-Fe的体心立方晶格中,部分位置析出有小颗粒状氮化物,容易偏聚在界面处。(2)42CrMo钢在氮化温度从450℃上升到560℃的过程中,表面硬度增加,最高为882HV0.1,渗层从150μm增厚到462μm。表面残余应力呈现先增大后减小的变化规律,与表层中ε相体积分数有关。在最佳处理温度530℃渗氮时表层具有最高的含氮量和ε相体积分数,进一步验证了该合理的氮化工艺参数。(3)采用高压水射流喷丸和超声滚压表面强化手段,获得了42CrMo钢合理的表面预处理工艺:在靶距为10 mm,喷嘴移动速度500 mm/min时,采用100MPa的水压对试样表面进行喷丸两次的WSP预处理。表面高压水喷丸后再氮化的复合处理试样与直接进行氮化试样比较,白亮层厚度和氮化层厚度都明显增加,表层化合物层相结构中γ’相体积分数增加,氮化物由条状易于聚集在晶界处转换为无规则的均匀分布。由于WSP预处理使材料表面发生塑性变形时产生大量高密度位错,这些位错为氮原子扩散提供了合理的通道,使氮化的有效硬化层厚度和残余应力影响层深度都增加超过100μm。(4)在同等接触应力作用下,等离子氮化后相比于原始状态疲劳寿命增加5.36倍,疲劳失效从点蚀变为浅层剥落,复合处理后疲劳寿命又比氮化状态增加2.33倍。WSP预处理试样氮化后的条件接触疲劳极限(856MPa)比氮化试样(699MPa)更高,这得益于WSP预处理的催渗作用和复合处理后氮化物呈现颗粒状弥散均匀分布,同时改善了表面完整性获得了有效硬化层和残余应力影响层更深的氮化层组织,从而抑制了疲劳次表层裂纹的扩展和二次裂纹的萌生,由此显著改善了42CrMo钢的接触疲劳性能。