什么是QPQ技术.doc

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、无公害、节能等优点。QPQ综合优点 1：良好的耐磨性、耐疲劳性； 2：良好的耐腐蚀性； 3：产品处理后变形小（几乎不变形）； 4：可替代多道热处理工序和反腐处理工序，生产周期短；5：QPQ技术适用材料广泛；6：无公害水平高、无环境污染 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。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用盐。目前，我公司结合丰富的生产经验及多名科研人员的努力终于研制出QPQ加工配方盐，并且使产品质量达到国际领先水平。2、 QPQ技术的工艺过程和渗层的影响因素1、QPQ技术的完整工艺过程：装夹清洗剂清洗清水漂洗预热盐浴氮化盐浴氧化抛光盐浴二次氧化冷水清洗热水清洗二次抛光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1 45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抗蚀性，美化工件的外观。氧化层与化合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起到一定作用。化合物层俗称白亮层，为铁的氮化物(Fe23N)，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。3、 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13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3238。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、与气体氮化和离子氮化比较气体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62010-6，即使在气体排放口点燃也达不到排放标准。因此气体氮化并非无公害。国外对盐浴软氮化与气体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氮化和离子氮化高，抗蚀性更是气体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5mm的薄件、小件QPQ处理后整体强度有较大幅度的提高，可以考虑不必进行预先热处理。5、与电镀抗蚀技术比较即使碳钢经QPQ处理以后，也具有极高的抗蚀性。QPQ处理后的抗蚀性与铜镍铬三层复合镀处于同一水平，远远高于镀硬铬，镀装饰铬，镀镍。同时应指出，除镀硬铬以外，一般的电镀防护层不具备高的耐磨性，而QPQ技术赋予金属的耐磨性比普通的硬化技术还高。常规的镀铬技术存在着严重的环境污染问题,其六价铬离子的公害问题比氰化物的危害还大，并且难以消除。另外，与电镀技术相比，QPQ技术成本低廉，它的投资成本和能源成本均不到镀硬铬的一半。它的处理成本只有镀硬铬的60多，低于Cu-Ni-Cr三层复合镀，可以说这是一种物美价廉的抗蚀新技术。四、QPQ技术的实际应用QPQ技术适用于各种钢铁材料，包括纯铁、结构钢、工具钢、不锈耐热钢、铸铁及粉末冶金件。可以代替气体氮化、离子氮化等表面强化工艺，大量代替高频淬火、渗碳淬火等硬化工艺，大大提高金属表面的耐磨性。可以代替发黑、镀硬铬、镀装饰铬、镀镍等表面防腐技术，大大提高金属表面的抗蚀性，降低生产成本。1、汽车、摩托车零件的应用汽车、摩托车是应用QPQ技术最多的行业。在国外汽车的曲轴、凸轮轴、气簧、扭转盘等汽车零件的年处理量由数百万件到数千万件，而气门的处理量竟达345亿件。QPQ技术已在专业气门厂大量用于进气门和排气门的生产，十多年来生产的QPQ处理气门已在国内多家汽车厂大量装机使用。近年来QPQ技术在汽车活塞环上得到了很好的应用，已有多家活塞环厂用该技术大量处理活塞环，其中包括江苏等中外合资活塞环生产厂。不仅有普通材料的活塞环，还有要求渗层较深的不锈钢活塞环。QPQ技术用于处理汽车的气弹簧活塞杆也取得了很好的效果。北京、天津、江苏、广西等地已有多家气弹簧活塞杆厂应用了QPQ技术，其中包括中美合资厂，使用效果远远优于镀硬铬的活塞杆。重庆一家生产摩托车的工厂采用QPQ技术对摩托车连杆的机械加工工艺进行了较大的改革，连杆的内孔加工以镗带磨，大大节约了加工工时，降低了生产成本。生产的大量摩托车连杆，供应全国多家摩托车厂使用。现在又有几家摩托车连杆的生产厂家准备采用这项技术。某中美合资专业摩托车齿轮生产厂自1992年采用QPQ技术大规模生产以来，产品质量稳定提高，齿轮的耐磨性大幅度提高，啮合噪音大大减少，已经向全国5家摩托车厂大量供应QPQ处理的摩托车齿轮。2、纺织机械零件山西某纺织机械厂从德国引进一种新型的尼龙纺织机械弹力丝机，其中有一关键件为细长薄壁的热轨，长3.25m；壁厚仅2mm，由0Crl8Nil2Mo2Ti奥氏体不锈钢制成。该厂用QPQ技术进行处理的热轨完全达到了德国热轨的技术要求，产品外观均匀一致，美观漂亮，已投产十多年。江苏某纺织机械厂和山西某机械厂先后从日本引进络筒机。国内有的纺织机械厂采用发黑处理络筒机零件，一周内就开始生锈，抗蚀性与进口件相差甚远。这两家厂采用了QPQ技术以后，络筒机零件的抗蚀性完全达到了日本引进的络筒机零件的抗蚀性能水平。江西某厂从瑞士引进了整套梳棉机，其中大量零件要求高的耐磨性和高的抗蚀性。该厂采用了QPQ技术对多种材料进行了处理，经送瑞士检查，无论是渗层的硬度，还是渗层的深度以及性能方面均达到或超过了国外产品的水平，并投人大量生产。此外还有罗拉，定子，钢令圈等很多纺织机械零件采用QPQ处理，都得到了很好的效果。3、机床零件的应用QPQ技术在机床行业有广泛的用途，其中包括机床丝杠、导轨、轴类零件、摩擦片和机床电器铁心等。摩擦片采用渗碳法制造废品率高达20，而且制造工序繁多。大连某厂采用QPQ技术制造摩擦片，大量生产后废品率下降到零，而且处理后不用磨削。上海某厂从德国引进的机床电器新产品，其铁心为纯铁制造，要求防锈能力极高,该厂曾试验了多种表面防腐方法，均不能使铁心的防锈能力达到德国的技术要求。采用了QPQ技术大量生产后电器铁心的防锈能力完全达到了德国铁心所要求的抗蚀指标。4、模具的应用QPQ技术广泛适用于各类模具，用于提高已热处理模具的使用寿命或直接代替模具热处理湖北某汽车厂用于热挤压耐热钢制的进气门和排气门的模具，由3Cr2W8V钢制造，一副模具只挤压900件气门毛坯，就因产生龟裂而不能再用，QPQ处理后可以挤压2700件气门毛坯，使用寿命相当于处理前的3倍。国内许多厂家利用QPQ技术处理铝合金压铸模，处理后压铸模的寿命一般都提高2倍以上。国外有报道，用高速钢作压铸模，经QPQ处理后可提高寿命10倍以上。成都某厂用于制造歌舞厅用的多棱形装饰小灯泡时，原模具采用4Cr13不锈钢淬火后再抛光的工艺，改为40Cr钢进行QPQ处理以后，模具的寿命由23天延长到7天左右，并大大降低了模具的生产成本。成都某厂生产的汽车橡胶油封圈模具，原采用45钢淬火，不能保证模具的尺寸精度和内孔花纹的光洁度，压制不出合格的橡胶油封圈。后来采用45钢先调质，手工刻好所有花纹，再进行QPQ处理。这样生产的橡胶油封圈尺寸精度和内孔光洁度均达到技术要求，并且不再产生粘模现象，模具寿命长，达到了日本进口的水平，已连续生产10多年。5、刀具的应用已有江苏，青海，陕西等地多家专业工具厂用该技术处理高速钢钻头，钻头的使用寿命普遍提高24倍，而且钻头寿命的分散度(最高钻孔数与最低钻孔数之比)大大降低。不管处理前钻头寿命的分散度有多大，处理后钻头寿命分散度均降到2左右。这说明QPQ技术不仅可以大大提高钻头的寿命，而且对提高钻头质量的稳定性有非常好的作用。除专业工具厂外，还有一些飞机制造厂、重型机器厂、机车厂、以及各种机器制造厂用这项技术处理各种自用刀具都取得了很好的效果。钻头的寿命普遍提高23倍，铣刀寿命提高12倍，铰刀寿命提高2倍以上，齿轮滚刀寿命提高12倍，拉刀寿命提高4倍。6、开关零件的应用开关零件是近几年来采用QPQ技术较多的行业，在江苏，浙江等地已有5家开关厂大量用于生产。多数厂用于低压开关，最近也有的厂家用于处理中高压开关。空气开关等低压开关中的很多冲压零件经QPQ处理后表面的耐磨性大幅度提高，因而开关的寿命也成倍提高。同时零件的抗蚀性也大幅度提高，因而也大大延缓了开关零件的生绣时间。有的开关厂用QPQ技术来代替镀锌，也取得了很好的效果。7、齿轮、蜗杆的应用成都某厂的建筑用内齿圈，直径达200mm，渗碳淬火后变形大，废品率相当高。该厂从采用了QPQ技术以后，生产的成万件内齿圈没有一件因变形超差而报废，而且用户普遍反映这种齿圈啮合噪音小。陕西某厂生产的汽车变速器内的1、2挡同步器齿轮，原来热处理变形超差严重，采用QPQ处理后，齿轮变形很小，均在合格范围之内。以后又进行了台架试验，齿轮的各项性能指标均符合技术要求。成都某厂生产的大型蜗杆，直径为100150mm，长度为11.5m，用退火状态的原材料或调质材料进行机械加工，加工后作QPQ处理。已有两家厂采用该技术连续45年生产了大量蜗杆，满足了生产要求。8、易变形件的应用微变形是QPQ技术的一大优越性，很多用常规方法难以解决的硬化变形问题，采用这种技术迎刃而解。采用这项技术解决变形问题前面已经介绍了弹力丝机热轨、机床摩擦片、汽车的内齿圈等零件，下面是另一些实例。(1)印刷线路板的层压夹具成都某无线电厂从国外引进的印刷线路板热冲设备，其中要求高抗蚀、高耐磨的层压夹具只有极少量备件，急需国产化。该层压夹具为5004601.5mm的2Crl3不锈钢薄板，硬化后的不平度要求O.5mm，试验了多种冷热机械加工方法，变形均达不到要求。采用QPQ技术则一次试验成功，表面硬度达到60HRC以上(原要求40HRC)，抗蚀性提高10倍以上，变形不平度可以控制在O.5mm以内。层压夹具的性能完全达到了国外样品的水平。(2)烟机零件国内几家烟厂从国外引进的成套卷烟机上有一细长导轨件，尺寸为1370303.5mm,上面有42个定位孔，每个孔距都有严格的公差要求，而且上下两个导轨的42个孔要配对装配。国外采用电镀金刚石或气相沉积Fe3O4的方法制造，国内尚不可能用这两种技术处理这样长的工件。湖南某厂采用QPQ技术进行试验，经过反复改进，保证了导轨的孔距公差，两片对装也完全合格，耐磨性也满足了生产要求。后来又有几家烟厂也采用了这项技术处理烟机导轨，都取得了很好的效果。(3)收割器刀片稻麦收割器刀片要求高耐磨性、较好的韧性和弹性。这种刀片通常由O.75mm厚的65Mn钢板制造，上面布满凸凹不平的锯齿，如用常规的热处理进行淬火，产生的弯曲变形无法压平校正。收割器刀片采用QPQ技术进行处理，几乎不变形，因此处理后不必校正。而且刀片有极高的耐磨性，良好的韧性和弹性。取得了良好的使用效果9、尚待开发的用途QPQ技术虽然在很多行业、很多产上得到了应用，但这只占可能用途的很小的一部分，还有很多领域基本上是空白或很少应用。(1)代替镀铬、镀镍试验说明普通碳钢经处理后其抗蚀性比镀铬高10倍以上，远远高于镀镍，达到铜一镍一铬复合镀的水平。目前只在代替镀硬铬方面有一些应用，在代替镀装饰铬，镀镍，铜一镍一铬复合镀方面几乎没有应用。今后应该使尽可能多的镀铬件采用QPQ技术来代替，以便大幅度提高产品的抗蚀性、耐磨性、尽量减少由镀铬引起的六价铬的公害问题。用它来代替镀镍则可以大大降低成本，提高抗蚀性。(2)代替某些不锈钢根据盐雾试验和露天放置试验，45钢经QPQ处理后其抗蚀性可以达到1Cr13不锈钢的20-_40倍，1Crl8N9Ti不锈钢的45倍，同时对盐、碱和弱酸也有很好的抗蚀性。这说明碳钢经QPQ处理不仅可以代替不锈钢，而且抗蚀性可以大大提高，也将大大降低成本。这种代替不锈钢的用途在化工、化肥、轻工等方面有着广泛的应用前景。用低碳钢QPQ处理代替1Crl8Ni9Ti不锈钢作浓碱电解槽，已经取得了很好的效果，大大降低了生产成本。(3)代替某些硬质合金如将淬火的高速钢进行QPQ处理，其表面硬度可达1500HV(相当于91HPA)。这已达到了硬质合金的硬度，表面具有极高的耐磨性。有很多耐磨件，表面要求极高的耐磨性时，常常用硬质合金来制造。如果采用淬火高速钢经QPQ处理来代替硬质合金将会大大降低制造成本，特别是在制造重量较大的模具或耐磨件时，节约的费用非常可观。(4)代替铜作某些耐磨件对蜗轮、蜗杆、轴承、轴瓦等特殊耐磨件由于性能方面的特殊要求，常常用铜来制造，价格极其昂贵。试验表明，如将45钢与青铜制造的一对摩擦副改成45钢与白口铸铁制造，并实行QPQ处理，则其耐磨性可以成10倍的提高，并大大降低生产成我们已经成功地用中碳钢作QPQ处理来代替青镉来制造某些蜗轮、蜗杆，使用效果也很好。轴承、轴瓦及其它很多铜制耐磨件都可以试验以碳钢作QPQ处理来代替。这样不仅大大降低成本，还可以提高耐磨性。汽车零件表面强化新技术QPQ盐浴复合处理在国内外的应用QPQ盐浴复合处理是最新金属盐浴表面强化技术，可以显著提高金属表面的耐磨、耐疲劳和抗蚀性能。该技术的核心无公害的盐浴配方，该技术在国外的汽车、机车、工程机械、机床、仪表、照相机、齿轮、工模具等行业广泛应用。汽车行业应用最多。占总用量的60。日本每年有6万吨零件采用这项技术。凡乎日本所有汽车厂都采用了这项技术、有的厂原已拥有气体氮化等表面强化设备、仍然引进了这项技术。例如本田公司有五座大型自动化的QPQ盐浴复合处理设备分设于国内外的工厂。本田公司有150多种汽车、摩托车零件采用这项新技术。丰田公司、日产公司每月有100吨汽车零件采用此工艺处理。美国用该项技术替代汽车进气门、排气门的镀硬铬工艺取得了成功。40Mn钢进气门、212N钢排气门与硬质合金轮加压对滚实验、气门失重情况的测量结果，可见QPQ盐浴复合处理气门的耐磨性比镀硬铬气门大约搞1倍，并可以避免6价铬的公害。国内东风汽车公司从美国引进的10t柴油车康明斯发动机的进气门、排气门已采用了这种工艺、其产品具有黑色外观、其工艺文件上还注明了工艺方法和渗层技术要求、国外汽车曲轴，从轿车、轻型车到重型车大都采用了这项技术。日本轻型车曲轴的渗层要求：化合物层13m，表面硬度 500HV0.1。德国对重型车曲轴的渗层要求：化合物层12m，表面硬 300HV10。上海桑塔纳轿车的合金铸铁凸轮轴采用德国成套技术，也是采用QPQ盐浴复合处理技术，化合物层约为10m，表面硬度600HV0.1奥地利斯太尔公司采用这项技术处理重型货车驱动桥轮边减速器内齿轮。国外用这项技术处理的汽车零件还有离合器摩擦片、刹车控制系统的模数飞轮、保险框、轴套、挡风玻璃摇臂、气簧活塞、悬挂支杆活塞、风扇电机轴、座椅滑轨、垂直驱动传动齿轮及螺旋齿轮等各种耐磨、抗蚀件。根据英国华孚申热处理中心办的杂志1998年的一篇文章介绍，该技术应用成功的实例很多，其中几种典型零件在世界范围内的年处理量为曲轴：230万件；凸轮轴：575万件；气簧：6900万件;气门：34500万件；离合器摩擦片：75万件。国内山东潍坊柴油机厂、杭州汽车发动机厂等从德国迪高沙公司引进了这项技术，用于汽车曲轴等零件。序号材料处理方法硬度磨损值（mg）比相对磨损1 400 r QPQ处