QPQ盐浴及质量控制

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 Fe 中的固溶体 随着表面原子浓度的提高 逐渐形成 Fe4 N 化合物和 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 相 相 相 相 化合物层 以下是 N 在 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