钢件经QPQ处理后的抗蚀性.docx

钢件经 qpq 处理后的抗蚀性吴少旭，谢明强，汪 辉，胡敬凡，李惠友( 成都工具研究所，四川 成都610051)摘要: 通过中性盐雾试验探讨了氧化层、化合物层、扩散层和疏松层以及 qpq 处理各工序和添加密封剂对抗蚀性的影响。结果表明，扩散层基本上不具备抗蚀性; 氧化层的抗蚀性有限; 渗氮层的抗蚀性远高于氧化层的抗蚀性; 疏松层太厚会降低渗层抗蚀性，应 尽量减少疏松层的厚度; 渗氮层加氧化层形成的复合渗层具有相当高的抗蚀性。渗氮时间对抗蚀性的影响存在一个抗蚀性最佳的 时间峰值，抛光和二次氧化会有效地提高抗蚀性，密封剂可以大幅度提高抗蚀性。关键词: qpq 处理; 中性盐雾试验; 抗蚀性中图分类号: tg156. 8文献标志码: a文章编号: 0254-6051( 2011) 07-0064-04corrosion resistance of steel parts after qpq treatmentwu shao-xu，xie ming-qiang，wang hui，hu jing-fan，li hui-you( chengdu tool research institute，chengdu sichuan 610051，china)abstract: effects of the oxidation layer，compound layer，diffusion layer and loose layer and procedures in qpq treatment and adding sealants on corrosion resistance of steel parts were investigated through salt spray tests the results show that the diffusion layer basically does not have anti-corrosion corrosion resistance of the oxidation layer is low and that of the compound layer is much better too thick loose layer will reduce corrosion resistance of the compound layer，and its better to try to reduce the thickness of the loose layer permeability nitrogen-oxidation layer formed compound nitriding layer has quite high resistance to corrosion effect of nitrogen time on corrosion resistance has a best time peak polishing and second oxidation will effectively improve corrosion resistance，and sealant can dramatically improve corrosion resistancekey words: qpq treatment; salt spray tests; corrosion resistance由成 都工具研究所独 立 开 发 的qpq ( quench工艺方法提出改进的建议，以便得到更高的抗蚀性。polish quench) 技术是一项金属表面改性技术，打破了国外对此项技术的独家国际垄断，曾获国家科技进步 二等奖，已经大量用于生产 20 多年，用户达数百家之 多。采用 qpq 技术制备的渗层同时具有高耐磨性和 高抗蚀性。研究者们在耐磨性方面作过深入的研究; 在抗蚀性方面虽有很多应用，但是缺乏较深入的研究。 近年来国内外企业对精密零件的抗蚀性要求不断升 高，特别是一些外资企业对 qpq 技术处理零件的抗蚀 性提出了很高的要求，因此有必要就 qpq 技术的各个 环节对抗蚀性能的影响进行深入的研究，以便充分挖 掘出 qpq 技术的抗蚀性潜力，满足用户的要求。在以往的有关 qpq 技术的研究或专著中都只是定 性地说明渗层组织中各个组成部分对抗蚀性的大概影 响情况，本文从 qpq 技术渗层组织的各个组成部分和 主要生产工序着手，深入地研究了渗层组织中氧化层、 疏松层、化合物层、扩散层以及渗氮工序，氧化工序和抛 光工序等对抗蚀性影响的关键因素，并对 qpq 技术的试验材料与方法采用 300 mm 500 mm 坩埚盐浴炉，将热电偶直 接插入坩埚中测量盐浴的温度; 试验材料为退火状态 的 45 钢; 试样尺寸为 10 mm 120 mm。处理工艺: 在常规 qpq 渗氮盐中，渗氮温度 570 ，渗氮时 间5 min 4 h，氧化温度 400 ，氧化时间 20 120 min。金相试样用 4 % 硝酸酒精溶液侵蚀，然后用光学 显微镜观察并采集图像。采用螺旋振动光饰机进行 抛光; 喷砂采用喷细石英砂。 利用 kd-60 盐雾试验 机来测试不同处理的试样的抗盐雾腐蚀能力，试验 依据 iso 9227 2006人工气候腐蚀试验盐雾试验 ( gb / t 10125 ) ，为了防止试样两端头对盐雾腐蚀试 验数据的影响，在进行盐雾试验前，必须把试样的两 端头密封，以试样表面开始生锈的时间作为抗蚀性 的指标。每组试样的数量为 3 个，取其平均值作为 盐雾试验数据的结果。1收稿日期: 2011-03-31作者简介: 吴少旭 ( 1964) ，男，四川遂宁人，高级工程师，主要从事 qpq 技 术 的 研 究，发 表 文 章 3 篇。 联 系 电 话:e-mail: wsx1964 163 com2试验结果与分析2. 1渗层中各层组织对抗蚀性的影响正常 qpq 技术处理的主要工序是渗氮工序和氧第 7 期吴少旭，等: 钢件经 qpq 处理后的抗蚀性65化工序。必要时在渗氮和氧化工序之后增加抛光和再氧化工序。为比较各个工序对抗蚀性的影响，试 验中将各个工序分解开来单独进行试验。为明确在 渗层组织中各个组成部分对抗蚀性的影响，尤其是 明确哪一层组织对提高抗蚀性的贡献最大; 哪一层组织会使抗蚀性严重下降，通过多种试验方案，对渗层组织中各组成部分对抗蚀性的影响进行了系统的 比较试验。qpq 处理 45 钢渗层的显微组织如图 11所示，由 外向内分别为氧化层、疏松层、化合物层和扩散层。图 1 qpq 处理 45 钢渗层的显微组织1 360fig 1 microstructure of 45 steel layer after qpq treatment1 3601) 氧化层( 单氧化) 对抗蚀性的影响为比较氧化层对抗蚀性的影响，试样按正常 qpq 处理氧化工序的规范( 400 ，20 min) 进行氧化处理。 为去除试样表面的钝化膜，得到更好的氧化效果，试样 在氧化之前，进行了喷砂处理。试验的结果是，未经氧 化处理的空白试样，盐雾试验抗蚀性为 5 min; 经氧化 处理后，盐雾试验抗蚀性达到 30 min，即氧化层使试样 的抗蚀性提高 6 倍。如果把氧化时间延长到 120 min， 盐雾试验抗蚀性没有变化，仍然为 30 min，即进行单纯 的氧化处理时，延长氧化时间对抗蚀性的影响不明显。明渗氮加氧化处理的作用绝不是渗氮和氧化( 渗氮层加氧化层) 作用的简单相加。这种抗蚀性的大幅度提 高是由于在渗氮工序形成的化合物层( 渗氮层的主要 部分) 在氧化工序时氧元素渗入到化合物层的内部， 使化合物层钝化，因此抗蚀性才得以大幅度提高。这 种氧元素渗入化合物层内部的事实，已被对渗氮层的 氧元素整体扫描所证实( 见图 22) 。2)渗氮层( 单渗氮) 对抗蚀性的影响为显示渗氮层对抗蚀性的影响，对试样进行了570 ，1 h 渗氮处理，渗氮后不进行氧化，即作单渗氮 处理。单渗氮处理试样盐雾试验的抗蚀性为 22 h，为 未处理空白试样( 5 min) 的 260 倍多。单渗氮试样的 抗蚀性为单氧化试样抗蚀性( 30 min) 的 44 倍，由此可 见渗氮层的抗蚀性远高于氧化层的抗蚀性。图 2 试样化合物层的氧元素扫描2fig 2 scanning of compound layer oxygen23)渗氮层加氧化层对抗蚀性的影响element for the sample单氧化试样的抗蚀性为 30 min，单渗氮试样的抗蚀性为 22 h，但是如果进行先渗氮再氧化处理，其抗蚀 性升高到 122. 6 h。渗氮处理加氧化处理试样的抗蚀 性为单渗氮抗蚀性( 22 h) 的 5 倍多，为单氧化抗蚀性 ( 30 min) 的 240 倍多。可见渗氮对抗蚀性的作用要比 氧化的作用大; 渗氮加氧化处理的作用要比单渗氮和 单氧化作用的相加大很多倍。与未经任何处理的试样相比，单氧化可以提高抗 蚀性 6 倍，单渗氮可以提高抗蚀性 260 多倍，而渗氮加 氧化的复合处理却可以提高抗蚀性 1440 倍多。这说最近研究发现，在对更高温度下的深层 qpq 技术的化合物层内部组织进行区域扫描时，发现化合物层 内部某些区域( 图 3 中的深灰色组织) 氧元素增加，这 更进一步说明，在进行渗氮加氧化处理时，绝不是化合 物层与氧化物层的简单相加，在氮元素与氧元素综合 渗入以后，使渗层的抗蚀性发生了质的变化，因而抗蚀 性极大提高。4) 疏松层对抗蚀性的影响在 570 渗氮 3 h，并 400 ，20 min 氧化的条件 下，随着渗氮时间由 1、2、3 h，延长到 4 h，疏松层逐渐66第 36 卷图 3 试样化合物层内部的元素扫描3fig 3 scanning3 of compound layer internal elements for the sample增加，盐 雾试验抗蚀性由 122. 6，61，25. 6 h 降 低 到14. 2 h，伴随疏松层加深，抗蚀性下降的趋势相当明 显。另一组试验数据说明，在对 570 渗氮 3 h，并400 ，20 min 氧化的试样进行抛光时，随着抛光时间 由 20、60 min 延长到 90 min，渗层的抗蚀性由 11、22 h 升高到 46. 3 h，即伴随抛光时间的延长，疏松层逐渐减 少，抗蚀性逐渐升高。试验说明疏松层会显著降低渗 层的抗蚀性。与在400 20min 的 单氧化时盐雾试验抗蚀性 ( 30 min) 相近，这说明仅靠扩散层和氧化膜起抗蚀性作用，其抗蚀性与单氧化相差不大，由此可见，扩散层 对抗蚀性的作用不大。当渗氮时间增加到 10 min 时， 形成了连续的化合物层( 图 4 ( b) ) ，抗蚀性急剧增加， 达到90 min，这进一步说明化合物层对抗蚀性的主要 作用，没有化合物层或只有不连续的化合物层以及只 有扩散层时抗蚀性都很低。5)扩散层对抗蚀性的影响2. 2qpq 处理各工序对抗蚀性的影响渗氮规范对抗蚀性的影响为证实扩散层对抗蚀性的作用，进行了 570 ，5 min的短时间渗氮加 400 20 min 的氧化处理。此时在试样表面仅形成扩散层和很薄的不连续化合物1)为研究渗氮规范对抗蚀性的影 响，选 定 了 在570 渗氮温度下分别进行了 5、10、20、30 min，1、2、3、4 h 渗氮，并在渗氮后进行 400 20 min 的氧化，然后测定抗蚀性，试验结果如图 5 所示。层( 图 4 ( a) ) ，这时盐雾试验的抗蚀性仅为 45min，图 4 短时间 qpq 处理试样的金相图片fig 4 metallographs of the sample after short time qpq treatment( a) 5 min; ( b) 10 min图 5fig 5渗氮时间( a) 和氧化时间( b) 对试样抗蚀性的影响effect of nitriding time ( a) and oxidized time ( b) on corrosion resistance of the sample第 7 期吴少旭，等: 钢件经 qpq 处理后的抗蚀性67由图 5 可见，在 570 温度下渗氮初期随着渗氮时间的加长，试样的抗蚀性升高，但是渗氮时间达到一 定值以后，抗蚀性开始下降，并且渗氮时间越长，抗蚀 性越低。这说明渗氮时间有一个最佳抗蚀性的峰值。 最佳抗蚀性的渗氮时间峰值是由于在渗氮时间很短时 试样表面尚未形成完整的化合物层或形成很浅的化合 物层，因此试样的抗蚀性都很低。渗氮时间达到一定 的时间以后，形成了较深的致密的化合物层，抗蚀性达 到峰值，以后再延长渗氮时间虽然化合物层深度有所 增加，但是疏松层的增加更为迅速，而这些疏松层在盐 雾试验时成为水分和外部介质的储藏部位，增加了腐 蚀几率，因此抗蚀性下降。对于要求盐雾试验抗蚀性的零件来讲，不是渗氮 时间越长，化合物层越深越好; 而是有一个最佳抗蚀性 的渗氮时间峰值，此时刚好形成较深的致密的化合物 层。在不同渗氮温度和氰酸根含量不同的情况下，最 佳的渗氮时间会有所不同。渗氮温度对抗蚀性的影响 与渗氮时间的影响大体相似，主要以化合物层的深度 和致密度为依据，在减少疏松层的条件下，尽量形成较 深的化合物层，可以得到较高的抗蚀性。的缩写，抛光的作用如何，国外早有报道，但国内尚未见到试验数据。 本文对 570h 渗氮、400 ， 320 min氧化的试样进行了 20、60、90 min 的抛光，抛光后的抗蚀性为 11、22、46. 5 h，然后再进行氧化处理，再 氧化后的抗蚀性为 72、85、102 h。这说明抛光时间加 长，试样的抗蚀性增加。这说明随着抛光时间的加长， 试样表面的疏松层逐渐被除掉，减少了水分和外部介 质的储存点，因而抗蚀性升高。这与前面的疏松层致 使抗蚀性下降的结果一致。试样抛光后进行的再氧化 可以成倍或数倍提高试样的抗蚀性，因此抛光后再氧 化对要求抗蚀性的零件十分必要。在进行抛光试验的同时还对密封剂的作用进行了 试验。对 570 3 h 渗氮，并经 400 20 min 氧化 的试样试验了 2 种密封剂。试样浸密封剂之前的抗蚀 性为 25. 6 h，浸密封剂 a 以后的抗蚀性为 127 h，浸密 封剂 b 后的抗蚀性为 189. 3 h，分别为浸密封剂之前 的 4. 9 倍和 7. 4 倍，说明密封剂对提高 qpq 处理件的 抗蚀性是非常有效的。结论32)氧化工序对抗蚀性的影响1)盐雾试验结果定量地说明，扩散层基本上不具对 570 ，3 h 渗氮的试样分别进行了 10、20、30、60、120 min 不 同 氧 化 时 间 的 试 验。 试 验 结 果 如 图5( b) 所示，总的趋势是伴随氧化时间的延长，试样的 抗蚀性随之升高，120 min 氧化试样的抗蚀性是 10 min 氧化试样抗蚀性的 2 倍多，因此对要求抗蚀性较高的 工件应该采用较长的氧化时间。试验中还对渗氮后试样在空气中冷透后再浸入氧 化盐浴和渗氮后直接浸入氧化盐浴的抗蚀性进行了比 较。渗氮以后直接浸入氧化盐 浴试样的抗蚀性为 25. 6 h，渗氮后在空气中停留 1 h( 完全冷透) 后再浸入 氧化盐浴试样的抗蚀性为 28 h，两种抗蚀性大