QPQ盐浴及质量控制.doc

QPQ处理的质量控制

吴清江 张永顺

摘 要： QPQ盐浴复合热处理技术是一种新的金属表面强化改性技术。本文研究了QPQ盐浴复合热处理的工艺过程及质量控制要点。
关键词： QPQ 复合热处理 质量控制

“QPQ”是英文“Quench—Polish—Quench”的字头缩写。原意为淬火—抛光—淬火，在国内把它称作QPQ盐浴复合处理技术，其中“盐浴复合”的含义是指在氮化盐浴和氧化盐浴两种盐浴中处理工件。QPQ盐浴复合热处理技术既可以使工件几乎不变形，同时又可以大幅度提高金属表面的耐磨性、抗蚀性，是一种新的金属表面强化改性技术。这种技术实现了渗氮工序和氧化工序的复合，氮化物和氧化物的复合，耐磨性和抗蚀性复合，热处理技术和防腐技术的复合。
成都某研究所在20世纪80年代中期独立开发了成分独特的渗氮盐浴配方，其中添加了一种特殊的氧化剂，使盐浴中的有害氰根含量保持在0.2%以下，同时盐浴中的有效成分氰酸根含量长期保持稳定。试验表明，现有气体软氮化和离子渗氮基本上都可以用QPQ盐浴复合处理技术来代替，而且可以大为提高工件的耐磨性和抗蚀性。其抗蚀性可达到Cu-Ni-Cr多层电镀的水平。某厂为解决某型号产品试制暴露出的火药气体对炮架腐蚀严重的问题，于98年引进此项专利技术，成功的应用于产品的生产中，通过对零件的滑动磨损试验，耐磨性比发黑处理高出几百倍。通过海水防腐试验，QPQ处理的零件均比发黑处理的零件提高几十倍，效果很好。
由于新技术，所以工艺上就有其独特的要求，操作中必须严格规范，工件才能达到耐磨性和抗蚀性的要求，并得到较为美观的外表。下面就工艺中几个关键步骤加以分析讨论：
1工艺原理
1.1 基本工艺过程：
QPQ盐浴复合处理主要工序有：
预热：350-400℃ 20-40min
氮化：510-580℃ 30-180min
氧化：350-400℃ 15-20min
工艺过程为：装卡——清洗去油——预热——氮化——氧化——清洗去盐——干燥——浸油。
1.2 各工序的基本作用：
预热：预热的主要作用是烤干工件表面的的水分，使冷工件升温后再入氮化炉，以防工件带水入氮化炉引起盐浴溅射和防止冷工件入炉后盐浴温度下降太多。同时预热对减少工件变形和获得色泽均一的外观也有一定作用。预热工序通常在空气炉中进行。
氮化：氮化是QPQ盐浴复合热处理技术的核心工序。氮化盐中氰酸根的分解而产生的活性氮原子渗入工件，在工件表面形成耐磨性和抗蚀性很高的化合物层和耐疲劳的扩散层。
氧化：氧化工序的作用一是彻底分解工件从氮化炉带出来的氰根，达到环保要求。二是在工件表面形成黑色氧化膜，增加防腐能力，对提高耐磨性也有一定好处。
1.3 QPQ盐浴复合处理的主要原料：
QPQ盐浴复合处理的主要原料为三种生产用盐。
基盐：基盐在氮化炉中熔化形成高氰酸根（CNO－ ）的氮化盐浴。基盐除了第一次开始生产时熔化装满氮化炉之外，在正常生产中浴面下降时，也应加入基盐以提高浴面。
调整盐：在生产过程中当氮化盐浴的氰酸根下降时，应向氮化炉补加调整盐，以使氰酸根含量维持在规定的范围之内。
氧化盐：氧化盐用于氧化盐浴，浴面下降时直接补加氧化盐。
1.4 QPQ处理后的工件渗层组织
在QPQ处理过程中预热和氧化两道工序只能形成氧化膜，在氮化工序形成较深的复杂渗层。
工件浸入氮化盐浴后，氰酸根分解产生的N、C原子可在工件表面形成高的N势和C势。由于N原子半径仅为Fe原子半径的一半，而C原子的半径更小，所以N、C原子可以在Fe原子的点阵间隙中进行扩散。
在QPQ处理的氮化温度（510-580℃）下，工件表面的高浓度N、C原子向内部扩散，先形成在α-Fe中的固溶体。随着表面原子浓度的提高，逐渐形成γ′（Fe4 N）化合物和ε（Fe2-3N）化合物。最终由工件表面向中心形成N、C的浓度梯度。渗层组织为化合物层ε相、ε相+γ′相、γ′相，化合物层以下是N在α-Fe中的固溶体，形成扩散层。
因此，QPQ处理后的工件渗层组织由三层构成：外表为氧化膜；中间为化合物层；向内为扩散层。其中以化合物层最为重要，其主要组成为Fe2-3N，它是提高耐磨性的可靠保证，同时它的抗蚀性也很好。氧化膜的主要作用是与化合物一起构成极好的抗蚀层。同时它处于多孔状态，可以储油，减少摩擦，对提高耐磨性有利，同时还有美化外观的作用。扩散层主要作用是提高工件的疲劳强度，对增加细薄件的整体强度和弹性也有很大的作用。
2.渗层质量的影响因素及控制：
根据工艺原理我们看到QPQ处理的工件质量好坏主要取决于渗层是否达到技术要求，工艺的关键是各种参数保证渗层的需要，而决定渗层的主要因素是氮化温度、氮化时间、氮化盐浴中的氰酸根含量和基体材料四个因素：
2.1氮化温度的控制 ：
氮化温度主要根据基体材料的种类来决定，其次要考虑工件的强度要求。氮化温度太低，不能形成足够深度的渗层；氮化温度太高，疏松层严重，氮化温度超过回火温度则会降低基体的硬度。
一般工模具可选用510～520℃
高速钢刀具可选用540～550℃
高速钢模具或耐磨零件可选用570℃
结构钢、不锈耐热钢或铸铁件可选用570℃
2.2氮化时间的控制：
氮化时间的长短主要取决于工件的种类及服役条件而定。时间太短，不能形成足够深度的渗层，时间过长则疏松严重。
根据工件的服役条件，采用的氮化时间分为三类：
要求耐磨性的零件，采用120～130分钟
主要用于防腐性零件采用90～100分钟
薄板冲压，增加弹性零件采取40～50分钟
2.3 CNO－含量的控制
根据QPQ盐浴复合处理的原理，氮化盐浴的CNO－不得低于30%，最高不要超过40%。
2.4基体材料的控制：
设计部门根据零件的服役状况，合理选择材质，基本思路是：抗蚀性要求高的零件选用合金材料，达到满足基本硬度和氮化温度的需要。抗蚀性要求一般的零件选用碳素结构钢，既经济又能满足产品的需要。
3. 外观质量控制
经QPQ盐浴复合处理的工件表面呈黑色或蓝黑色。
检验标准：按专利技术文件的规定为：在500LX的照度下，距灯300mm肉眼观察，表面颜色应比较均匀一致，不得有明显的花斑、锈迹、发红。而不应在室外强烈阳光下检查工件外观。
生产中发现，熔盐和工艺稍有控制不好时，工件易产生发花、发红现象，尤其是材料含Si量多时，如27SiMn、30CrMnSi等材料，工件外表发花、发红现象极多，虽然此现象不影响工件的耐磨和抗蚀性，但影响工件的美观。为提高工件的外表质量，使其基本达到颜色一致需采取下列措施：
3.1  控制熔盐的清洁度
氮化盐浴中悬浮细粒状渣过多，使盐浴变成黑灰色时，应及时采用滤渣器滤渣，必要时要更换新溶液。
3.2  严格执行工件的前清洗，去除工件表面的油渍和沉积物，有锈的工件要经过酸洗去除锈渍。
3.3 工件表层出现轻微的发红现象，可采用擦拭的办法去除；较严重的要进行返工处理。
4最终质量控制
4.1 耐磨性：带同材料的试棒，维氏硬度要达到工艺规定，证实渗层已达到要求。
4.2抗蚀性：用10%CuSO4溶液滴试工件非棱角处，30分钟不析出铜，即表示有完整渗层，防锈能力满足要求。
QPQ盐浴复合热处理技术在军工领域具有广泛的应用前景。而这种工艺的质量控制对生产方和使用方来讲，都是一个新课题，必须有相应的工艺保障措施和质量监控措施，才能保证QPQ处理后的零件达到所规定的质量要求。

参考文献
1 李惠友等 QPQ盐浴复合处理技术 机械工业出版社 1997年3月
2 孙定国等 高厚度化合物层的离子氮碳共渗处理 金属热处理 2004 年 第2期
3 曾耀新 离子化学热处理及其进展 中国表面工程 2000年第1期