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QPQ盐浴复合处理技术的基本原理及操作注意事项
”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能够使工件几乎不变形, 同时又能够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。
我司经过多年的实践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能够用QPQ盐浴复合处理技术来代替, 而且能够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,成功的应用于气弹簧、 刀具、 模具、 纺织机械、 汽车等行业, 经过对零件的滑动磨损试验, 耐磨性比发黑处理高出几百倍。经过海水防腐试验, 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, 因此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(黑亮色)。下面就工艺中几个关键步骤加以分析讨论:
一、 QPQ技术的基本工艺过程
1、 工件清洗---清水漂洗—预热—盐浴氮化—盐浴氧化—冷水冷却—热水浸泡—清水漂洗—烘干—抛光—二次氧化—抛光—包装。
预热( 空气炉) 350-400℃、 20-30min
氮化( 盐浴炉) 550-580℃、 60-180min
氧化炉( 盐浴炉) 370-400℃ 、 20-40min
预热的作用: 预热的作用 是烤干工件表面的水分, 使冷工件升温后再入氮化炉, 以防带水工件入氮化炉后引起盐浴溅射和防止冷工件入炉后氮化炉温度下降太多。一般温度下降不超过30℃, 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的作用。
氮化: 氮化是QPQ盐浴复合处理技术的核心工序, 由于氮化盐浴中氰酸根( CNO-) 的分解产生活性氮原子, 在金属表面形成耐磨和抗蚀性很高的化合物层和耐疲劳的扩散层。
氧化: 氧化的主要作用可使工件从氮化炉带出的盐中的氰根( CN-) 彻底分解, 消除公害, 同时在工件表面形成黑色的氧化膜( Fe3O4) , 增加抗蚀性, 对提高耐磨也有一定的好处。
2、 渗层外貌及特征
QPQ盐浴复合处理以后在钢的表面形成的渗层外貌: 最外面是氧化膜, 主要成分是( Fe3O4) , 氧化物层里面是化合物层, 也称”白亮层”, 主要成分是Fe2-3CN, 化合物层以内是扩散层,
( 1) 化合物层:
化合物层是QPQ盐浴复合处理技术所形成的渗层中最重要的部分, 对渗层的耐磨性和抗蚀性都起主导作用。经过金相分析, 如图S45C和35CrMo在不同的氮化时间的金相图:

35CrMo化合物层×400 QP120min 35CrMo化合物层×400 QP100min

S45C化合物层×400 QP120min S45C化合物层×400 QP100min

在QPQ盐浴复合处理过程中, 随着C、 N元素的不断渗入, 达到一定浓度后, 形成了化合物层Fe2-3N和Fe2-3CN, 对碳钢基体来说, 化合物层的硬度HV0.1/15至少在500以上,
对低碳钢及中碳钢经QPQ处理以后, 硬度在500-700( 单位: Kg/mm2) , 化合物层即白亮层深度一般在10-25μm( 生产工艺不同, 渗层也不相同) 。合金钢如; 38CrMoAl、 5CrMnMo等氮化钢, 硬度达到900-1100。渗层在9-15μm, 化合物层是耐磨、 抗蚀的核心渗层, 因此在做渗层检查时, 都以检测化合物层为主, 化合物层的深度与工艺条件( CNO%浓度、 氮化时间及氮化温度) 影响较大。在工艺条件相同的时, 化合物层的深度主要取决于合金元素的含量, 对于高合金钢硬度高, 不但渗层浅而扩散层也浅。
( 2) 扩散层
扩散层是只在显微镜下观察到的化合物层与中心之间那层暗黑色组织。由于氮的浓度由表面向中心逐步降低, 到化合物层与扩散层交界处, 氮的浓度下降到不足以形成化合物层, 而只能形成氮在α-Fe晶格中的固溶体或过饱和固溶体, 这一层氮在α-Fe中的固溶体就是扩散层, 由于它的抗蚀性不高, 因此在显微镜下呈暗黑色。
( 3) 氧化膜
工件经过氮化工序处理后在氧化盐浴保温时才会在表面形成氧化膜。这种氧化膜只有在氮化处理后的表面上才比较容易形成, 如果未作氮化处理的工件直接进入氧化盐浴中, 则不能形成完整的氧化膜。这可能与氮化处理后工件表面的活性状态有关,
氧化膜的厚薄也与工件的预先氮化状态有关, 对于大多数结构零件, 氮化后表面形成较厚的氧化膜, 氧化膜的抗蚀性很好, 氧化膜在显微镜下呈灰白色, 与化合物层极为相似, 对结构钢样品, 很难观察到。可是试样外面的的黑色外观说明氧化膜确实存在, 同时也由于化合物层外层常常存在疏松, 氧化膜与化合物层之间没有明显的过渡, 在制备金相时很难区分, 因此只有在电子显微镜 下才能看到这层氧化膜。
氧化工序不但在工件的化合物层以外形成氧化膜。而且化合物层也吸收了高达8%的氧, 这比一般盐浴氮化后水冷的化合物层中的含氧量高6倍, 即在氧化过程中不但在表面生成氧化膜, 还有一部分氧以间隙式形式溶入化合物晶格中使表面钝化。改进了表面的抗蚀性和耐磨性 。
工件经过氮化-氧化后再次抛光以后, 不但降低了工件表面的粗糙度, 是其外表变得赏心悦目, 更重要的是抛光后再次氧化能够大大提高化合物层中的含氧量, 从而进一步提高抗蚀性。
( 4) 疏松层
一般在QPQ盐浴复合处理以后, 化合物层外面往往有一层海绵状或柱状的多孔组织, 这一区域不是特别致密, 一般称为疏松层, 这层组织硬度低, 耐磨性差, 疏松层不但盐浴处理技术有, 而且气体氮化也会形成疏松。而且疏松层更加严重。
二、 QPQ盐浴复合处理技术的渗层性能
1、 极高的耐磨性
在实验室进行的严格的滑动磨损试验表明, 40Cr钢经过QPQ处理以后, 耐磨性能够达到常规淬火的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。
2、 极好的抗蚀性
在潮湿的环境下, 工件进行了露天遮雨放置试验, 45( S45C) 钢经QPQ处理后, 抗蚀性能够达到镀硬铬的16倍。1Cr13不锈钢的26倍, 1Cr18Ni9Ti不锈钢的4.5倍。
3、 良好的抗疲劳性能
QPQ处理能够使钢、 铁材料的疲劳强度提高20-200%, 疲劳强度提高的大小受基体材料的种类、 预先处理状态、 QPQ处理的工艺参数等因素的影响。
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、 处理过程基体不会发生组织转变, 因此没有组织应力产生, 因此它比发生组织转变的常规淬火、 高频淬火、 渗碳所产生的变形小得多 。
在正常的情况下, 处理前后工件尺寸的变化量大约在0.01mm左右, 外径增大0.005mm, 内孔缩小0.005mm。
三、 QPQ盐浴复合处理技术的实际操作及常见问题
1、 清洗: 除油、 去锈, 切削时冷却润滑油以及某些金属清洗剂的残留物, 在工件表面上以表膜的形式存在, 微区分析说明, 有磷酸盐, 硅酸盐、 钙、 镁、 氯、 氧、 硫等元素的化合物存在, 会阻碍工件表面对氮和碳的吸收。
2、 预热: 工件不预热或预热不充分, 直接进入氮化炉, 处理后, 外观容易不均匀, 甚至产生芝麻点等表面缺陷, 如果预热过度, 处理后也会产生色泽不均匀, 甚至发红等现象。工件表面呈紫色为好, 草黄色也可, 工件仍保持金属光泽, 说明预热不足, 工件表面黑色, 说明预热过度。
3、 氮化: 氮化是QPQ盐浴复合处理技术中最重要的工序, 氮化的目的是在工件表面形成足够深的致密的化合物层和相应深度的扩散层。
氮化盐浴中 CNO—控制在33-37%, 当CNO—＜30%时, 会降低渗层的形成速度。如果CNO—＞40%时, 则容易形成渗层不致密, 甚至造成严重的疏松, , 调整盐以每班少量多次添加为好, 这样不会造成CNO—大起大落, 不宜一次添加过多, 这样会影响渗层的致密度。
4、 氮化炉的维护: 保持氮化炉盐浴的良好状态、 对渗层质量有很大的影响, 带有赃物、 油脂、 或铁锈的工件不准进入氮化炉内, 铜铝、 锌等有色金属件不准进入氮化炉, 大批量的铜焊件不宜进入氮化炉, 装工具的卡具及常见的工具要保持清洁。不宜带杂物进入氮化炉。要
及时清除氮化炉内的炉渣, , 对保证化合物层的致密度极为重要。每班及时捞取氮化炉的悬浮的细渣及底部的沉渣( 氧化皮) , 要及时补充新基盐, 要保证盐浴成分的活性, 同时要定时向氮化炉通气, 以加速CNO—的分解, 盐浴液面要保持一致, 不要忽低忽高。
5、 氧化炉的维护: 从氮化炉出来的工件不能在空气中停留时间过长, 否则, 氧化后的工件可能产生表面发红现象。在生产过程中, 氧化盐浴不断与带入的氮化盐发生分解反应, 生成碳酸盐渣产物, 同时氧化盐浴还会与卡具反应, 生成红色的Fe2O3, 使盐浴老化, 发红。
如果氧化盐浴上面有快状的浅黄色物体悬浮, 似凝非凝, 表明氧化盐浴已经老化, 要及时更换新盐浴。
6、 工件表面颜色不均匀
( ! ) 、 处理前, 工件表面有油污、 锈迹及赃物或附着清洗剂的残留物。
( 2) 、 工件预热温度低, 或预热时间短, 预热后工件仍保持金属光泽
( 3) 、 工件从氮化炉出来, 进入氧化炉时, 没有匀速下降, 或在空气中停留时间过长。
( 4) 、 氧化盐浴已老化, 发红渣多; ( 5) 、 氧化盐炉或氮化盐炉表面有浮渣、 赃物。
7、 工件使用时耐磨性能不够
( 1) 、 渗层硬度低; ( 2) 、 渗层浅; ( 3) 、 化合物层疏松严重。( 4) 、 基体材料选择不当;
( 5) 、 热处理工艺参数选择不当, 氮化时间短、 处理温度低或CNO—浓度低。
8、 工件抗蚀性差
( 1) 化合物层浅或化合物层不连续, 局部无化合物层。( 2) 、 化合物层外面的疏松层占化合物层的大部分; ( 3) 工件在处理前局部有锈剂, 处理时未除掉, 处理后成为腐蚀源; ( 4) 、 氧化工序未搞好, 工件表面发红, 这种氧化物以后成为腐蚀源。( 5) 、 工件氮化时间、 或处理温度低或CNO—浓度低。
9、 渗层浅或渗层不均匀
( ! ) 、 在制备金相时化合物层保护不好或试样倒棱使化合物层部分剥落, 在显微镜下只能观察到化合物层的残留部分。( 2) 工件表面除油不彻底、 表面有锈迹杂物或不锈钢、 耐热钢表面的钝化膜未去掉, 造成局部无渗层或渗层过浅。( 3) 、 CNO—浓度低, 氮化温度低, 或保温时间短, ( 4) 、 化合物层外面的疏松层太厚, 化合物层只占渗层的小部分。总之, 热处理过程中盐浴成分非常复杂, 具体问题要具体分析, 不再一一举例。
1、 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, 特别是材料含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:
1.1  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。
1.2  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。
1.3 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。
2最终质量控制
2.1 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。
2.2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。
备注:
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( CNO—) 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。