QPQ盐浴氮化复合处理技术在机械易损件及工业易损件上的应用

QPQ盐浴氮化复合处理技术在机械易损件及工业易损件上的应用一、什么是QPQ技术“QPQ”是英文“Quench--Polish--Quench”的缩写。原意为淬火(快冷)一抛光一淬火(快冷)，从专业上来讲，这种说法不够确切，但在国际上已经习惯地沿用至今。并被普遍采用。QPQ技术是一种复合型技术，复合的含义，在方法上是指它是在氮化盐浴和氧化盐浴两种盐浴中处理工件，实现了氮化工序和氧化工序的复合；渗层组织上是氮化物和氧化物的复合；性能上是耐磨性和抗蚀性的复合；工艺上是热处理技术和防腐技术的复合。通常硬化技术只能提高金属的耐磨性，防腐技术一般只能提高金属表面的抗蚀性，而QPQ技术则可以同时大幅度提高金属表面的耐磨性和抗蚀性，而且提高的幅度比常规硬化技术和防腐技术高10倍以上，因此它被称为冶金学领域内的革命性新技术。同时该技术还具有工件几乎不变形、元公害、节能等优点。QPQ技术的核心是其无公害的盐浴配方。该配方由德国迪高沙公司实行可口可乐式的独家国际垄断，只向用户提供处理产品的已经熔化的成品盐和生产设备，从不提供盐浴配方。世界上一些著名的大公司都从德国引进了成套设备技术。美国通用电器公司羁这项新技术成功地取代了内燃机车缸套的镀硬铬工艺，消除了六价铬对环境的污染，并提高了缸套的耐磨性和抗蚀性。美国康明斯公司乖J用此项技术解决了进、排气门的耐磨抗蚀问题。德国大众轿车的凸轮轴，奥地利斯太尔重型汽车驱动桥减速器的内齿轮也采用了这项技术。该技术几乎被日本所有汽车厂家采用，其中本田公司有五座大型自动化设备分设于国内外，处理零件150多种，年处理量达6万吨。现在该技术已被德国、美国、英国、法国、瑞士、奥地利、俄罗斯、日本、印度等40多个国家采用，用于各种耐磨件和抗蚀件。我国的戚墅堰机车车辆厂、山东潍坊柴油机厂、杭州汽车发动机厂等厂于八十年代末以60--90万美元从德国引进了成套设备技术，分别用于机车缸套，汽车曲轴等零件，但必须高价从国外进口生产甩盐。二、QPQ技术的特点中国机械装备(集团)公司成都工具研究所经过长期试验研究，于上个世纪八十年代初期率先打破了德国对这项技术的独家国际垄断，独立开发了成分独特的盐浴配方，其无公害水平优于德国，达到国际领先水平。我公司推广的QPQ技术实行大量生产已有十多年历史，现有用户已达100多家，应用的产品有数百种之多。涉及到汽车、摩托车、纺织机械、轻化工机械、、枪械、机床、仪器仪表、齿轮、模具、工具等几十个行业。该技术的生产用盐已销往朝鲜，台湾。由于该技术具有国际先进水平，并创造了很好的经济效益和社会效益，为国家作出了较大贡献，被确定为国家级新产品，“九五“国家重点推广科技项目。先后荣获四川省科技进步一等奖，国家科技进步二等奖等各种奖励。从盐浴的有效成分，工艺过程，渗层的结构与性能等方面来说，我所的0P。技术与德国技术几乎完全相同，但此外我所的QPQ技术还有以下特点：l、无公害水平高我所独立开发的成分独特的氮化盐浴配方，其中添加了一种特殊的氧化剂，使盐浴中的氰根含量仅为德国的1/10，无公害水平更高。2、渗速快与迪高沙公司的盐浴相比，我所的盐浴渗入速度更快，在氮化温度比迪高沙公司技术低10℃的情况下可以达到同样的渗层深度。3、设备简便实用，价格低廉与迪高沙公司相比氮化盐浴不必通压缩空气。迪高沙公司的生产线为双轨密封设备，我所为单轨开放设备，不仅便于操作维修，而且大大降低成本，因此成套设备的费用不到进口的l/5。4、生产用盐价格便宜我所开发的QPQ技术生产用盐大部分采用普通工业原料，因此售价不到进口盐价格的1/3，国内最低。5、终身技术服务可向用户提供QPQ生产线的主要设备，辅助设备，检测设备等全部设备，免费对用户进行技术培训，到现场指导用户投产，长期对用户负责，并实行终身免费技术服务。三、QPQ技术的工艺过程和渗层的影响因素1、QPQ技术的基本工艺过程：清洗剂清洗——清水漂洗——预热——盐浴氮化——盐浴氧化——冷水清洗——热水清洗——自然干燥——浸油经过大量工艺参数试验和长期生产实践的验证，最终确定，一般的结构零件的QPQ处理工艺规范大体如下：预热(空气炉)：350-400℃，20-30min氮化(盐溶炉)：550-570℃，2-3h氧化(盐溶炉)：370-400℃，15-20min高速钢工具的氮化规范：530-560℃，10-40minCrl2MoV类钢的氮化规范：520-530℃，2h根据工件的基体材料，使用条件等因素，对每种产品制定具体的生产工艺。2、渗层形貌QPQ处理后的渗层组织，由外向内由三层组成：即氧化膜，化合物层，扩散层。图1为金相显微镜下观察到的45钢的渗层组织(由于制样保护的原因，一般很难观测到氧化膜)。圈145钢的渗层组织×360氧化膜是铁的氧化物(Fe3O4)，可以提高金属表面的抚蚀性，美化工件的外观。皇与亿舍物层一起构成了抗蚀性极高的综合抗蚀层。同时这层氧化膜对提高耐磨性也毒一定作用。化合物层俗称白亮层，为铁的氮化物(Fe2—3N)，是QPQ技术所形成的渗层组织中最重要的部分。化合物层耐磨性极高，抗蚀性也极高，通常渗层质量的好坏多以化合物层的厚度和致密度来衡量。扩散层是氮渗入铁的晶格中形成的固溶体，它可以提高金属的疲劳强度，对提高普通碳钢和低合金钢的耐磨性和抗蚀性作用不大，但高速钢、不锈钢等高合金钢的扩散层要硬度可以达到1000HV以上，因此有很高的耐磨性。在化合物层最外面往往有一层海绵状或柱状多孔区，一般称之为疏松层。疏松层硬度低，耐磨性差，通常认为它会影响产品的使用寿命，应加以控制。3、渗层形成的影响因素渗层形成的影响因素主要指氮化工序的氮化温度、氮化时间、氰酸根含量的影响，基体材料也对渗层有较大影响。氮化温度的影响：化合物层的深度随着氮化温度的升高几乎成直线增加，但氮化温度对化合物层的表面硬度影响较小。氮化温度超过570℃，疏松层会加重。氮化时间的影响：化合物层的深度随着氮化时间的加长而增加，氮化时间增加到3小时以后，化合物层增加缓慢，疏松层加重。氰酸根的影响：氰酸根含量的增加，会提高渗速，增加渗层的深度，因此氰酸根含量不能太低，但过高的氰酸根含量也会加剧疏松的形成，因此氰酸根的含量应该控制在一定的范围内。氧化规范对化合物层的深度，硬度和致密度没有影响。4、基体材料的选择与预先热处理基体材料所含的合金元素不同直接影响到渗层的硬度和深度，通常认为合金元素可以提高渗层硬度，而减少渗层深度；同时由于基体材料成分的不同，预先热处理的硬度不同，抗回火能力不同，影响到QPQ处理以后基体心部的硬度。钢中的含碳量对化合物层深度影响不大，对渗层的表面硬度影响也不大。常见材料在QPQ处理前的预先热处理大体上有如下几种情况，现根据钢的含碳量和抗回火能力的不同，分别加以说明。低碳钢：20、20Cr、20CrMo、18CrMnTi等低碳钢、低碳合金钢一般都不作予先热处理，即使先进行淬火或正火，QPQ处理后基体硬度也会大幅度下降。中高碳钢：45、40Cr、T12、GCrl5等中高碳钢、中高碳低合金钢，由于抗回火能力并不强，QPQ处理后淬火硬度不能保持，这类材料如果要求较高的心部强度，QPQ处理前应该进行调质处理。高合金钢：对于高速钢、Crl2MoV、3Cr2W8V、5CrMnM0及H13等高合金钢，由于具有很高的抗回火能力，所以在QPQ处理前可以进行予先淬火。QPQ处理后，工件基体仍然保持高硬度。综上所述，对要求整体高硬度的工件，如切削工具和某些模具应选择抗回火能力高的高合金钢，如高速钢、高铬钢等，并预先进行淬火，QPQ处理后可以保持基体的高硬度。对整体强度要求较高的工件，应选用中高碳的碳钢或低合金钢，并预先进行调质，QPQ处理后可以保证工件的整体强度。没有整体硬度或强度要求的工件可以选择廉价的低碳钢或中碳钢，不必进行预先热处理。常见材料的QPQ处理规范，渗层的表面硬度和化合物层深度如表1。表1常用材料的处理规范及渗层硬度深度四、QPQ技术的渗层性能1、极高的耐磨性在试验室进行的严格的滑动磨损试验(图2)表明，40Cr钢经QPQ处理后，耐磨性可以达到常规淬火的30倍，低碳钢渗碳淬火的14倍，离子氮化的2．8倍，镀硬铬的2．1倍。对45钢进行的滚动磨损试验取得了与滑动磨损试验类似的结果。图2滑动磨损试验比较图2、极好的抗蚀性(1)露天放置试验在四川盆地潮湿的条件下，进行了室外露天遮雨放置试验，这更接近大多数产品的存放条件。试验结果如表3，45钢经QPQ处理后，抗蚀性可以达到镀硬铬的16倍，lCrl3不锈钢的26倍，1Crl8Ni9Ti不锈钢的4．5倍。表2露天放置抗蚀性比较试验序号试样种类开始生锈时间（天）相对抗蚀性比1QPQ处理（45钢）36412lCrl8Ni9Ti801／4.53镀装饰铬551／6.64镀硬铬231／165lCrl3141／266发黑51／73(2)盐雾试验在试验室条件下进行了标准的5％NaCl水溶液盐雾试验(图3)表明，经QPQ处理的45钢抗盐雾腐蚀能力为1Crl8Ni9Ti不锈钢的5倍，镀装饰铬的35倍，1Crl3不锈钢的40倍，镀硬铬的70倍，发黑的280倍。图3盐雾试验抗蚀性比较图3、良好的耐疲劳性能QPQ技术可以使钢、铁材料的疲劳强度提高20一200％。疲劳强度提高幅度的大小受基体材料的种类、予先处理状态、QPQ处理的工艺参数等因素的影响。对调质状态的45钢进行的滚动弯曲疲劳试验表明，QPQ处理后疲劳强度提高40％多。4、极微小的变形由于QPQ技术的处理温度低于钢的相变温度，处理过程中基体上不会发生组织转变，因此没有组织应力产生。所以它比发生组织转变的常规淬火、高频淬火、渗碳淬火所产生的变形小得多。处理前后工件尺寸形状变化极小是QPQ处理技术的一大特点，利用这一特点解决了很多常规方法无法解决的变形难题。在正常情况下，处理前后工件尺寸的变化量大约为0.01mm左右，通常外径增大O.005mm，内孔缩小O.005mm。五、QPQ技术与相邻技术比较1、与盐浴软氮化比较首先由于盐浴软氮化的盐浴中含有1—3％的氰根，清洗工件的排放水污染环境,这种方法现在已经被禁止使用。QPQ技术则不污染环境，完全符合环保排放标准。其次盐浴软氮化盐浴中的有效成分氰酸根的含量仅为16--28％，QPQ技术渗氮盐浴中的氰酸根含量高达32—38％。因此盐浴中的氮势更高，渗速更快，渗层的耐磨性更高。由于QPQ技术比盐浴氮化增加一道氧化工序，使化合物层钝化，大大提高抗蚀能力。同时在化合物层外面生成抗蚀性很强的的Fe3O4氧化膜，因此QPQ技术的抗蚀性远远高于盐浴软氮化。2、与气体软氮化和离子氮化比较气体软氮化虽然不用氰化物作原料，但反应产物中仍然含有剧毒的氰化氢气体。例如，由氨气和吸热式气体构成的软氮化气氛中，氰化氢含量高达620×10-6，即使在气体排放口点燃也达不到排放标准。因此气体软氮化并非无公害。国外对盐浴软氮化与气体软氮化及离子氮化技术进行了严格的磨损试验，其结果是盐浴渗氮的耐磨性最好，最稳定，而气体软氮化及离子氮化质量不稳定，耐磨性高低相差很多。QPQ技术不仅耐磨性比气体软氮化和离子氮化高，抗蚀性更是气体软氮化和离子氮化无法与之相比的。3、与渗碳和碳氮共渗比较工件渗碳淬火以后得到的表面渗层组织为淬火回火状态的含碳马氏体，有时含有一定量的Fe3C碳化物。碳氮共渗工件淬火后的表面渗层组织不是单纯的马氏体，其中含有少量的氮，所以耐磨性比渗碳件高。QPQ技术的主体工艺是盐浴渗氮，盐浴渗氮的表面层为氮化物层，含氮的浓度远远高于氮碳共渗，因此QPQ技术的耐磨性比渗碳和碳氮共渗高得多。采用QPQ处理代替渗碳和碳氮共渗，除了提高耐磨性以外，常常是为了减少工件的变形，当然，有时也为了提高工件的抗蚀性。4、与高频淬火和整体淬火比较由于QPQ技术的工艺温度低，在钢的相变点以下，因此与高频淬火和整体淬火相比，工件的变形小得多。高频淬火和整体淬火件改用此技术，除了提高耐磨性外，大都为了解决淬火变形问题。QPQ技术代替整体淬火的前提条件是处理后工件的整体强度能够达到技术要求，必要时工件可以予先进行正火或调质。对尺寸小于5m