QPQ處理的工藝過程為:去油清洗→預熱→鹽浴氮化→鹽浴氧化→去鹽清洗→干燥(拋光→鹽浴氧化→去鹽清洗→干燥)→浸油。QPQ技術是一項由滲氮和氧化工序組成的復合工藝,此技術是一種提高基體表面耐磨性、耐蝕性的氮、氧化鹽浴復合處理技術,常用于替代滲碳淬火、離子滲氮、鍍鉻等熱處理和表面強化技術,以提高產品耐磨性、耐蝕性和解決硬化變形問題。該技術被廣泛應用于工程機械、儀器儀表和輕化工等領域。本文對40Cr鋼進行QPQ處理,并與輝光離子滲氮、氧化、電鍍鉻處理后的組織耐磨性和耐蝕性進行了對比研究。
1.試驗材料及方法
(1)試驗材料及工藝
試驗材料為40Cr鋼(調質后基體硬度約為274HV),采用線切割加工金相試樣,磨損試驗試樣尺寸φ30mm×10mm,耐腐蝕試驗試樣尺寸φ10mm×100mm,分別對各試樣進行編號,經不同熱表處理時各試樣的編號信息如表1所示。試樣表面進行磨削加工,使表面粗糙度達到1.6μm,試樣熱表處理前經過無水丙酮清洗、清水漂洗、吹干處理。經不同熱表處理時,工藝參數如表2所示。經過QPQ處理和氧化處理后,試樣表面為黑色,經過鍍鉻處理后表面為銀亮色,而經過離子滲氮處理后其表面為銀灰色。
表1 不同熱表處理試樣編號
試樣類別 | QPQ處理 | 氧化 | 鍍鉻 | 離子滲氮 |
金相試樣 | a1 | — | — | d1 |
磨損試驗試樣 | a2 | b2 | c2 | d2 |
耐腐蝕試驗試樣 | a3 | b3 | c3 | d3 |
表2 40Cr鋼熱表處理工藝參數
(2)顯微硬度試驗
用細砂紙將經過各熱表處理工藝的金相試樣(a1、d1)打磨至發亮,用于檢測金相和測量硬度。在金相鑲嵌后,測量滲層表面到基體硬度梯度。試驗所用顯微硬度計,試驗力為0.098N(10gf),保壓時間為10s;將制作好的金相試樣用4%硝酸、酒精溶液腐蝕,待試樣干燥后,用4XB型金相顯微鏡觀察試樣組織。
(3)磨損試驗
采用M-2000A型環塊磨損試驗機對經過各熱表處理工藝的磨損試樣(a2、b2、c2、d2)進行滑動磨損試驗,與之對磨的摩擦副為GCr15鋼試環,硬度為57HRC,外徑為40mm,環的轉速為200r/min,所加載荷為100N,總的磨損時間為30min。磨損試樣的前后面,用丙酮反復將其清洗后烘干,并用精度為0.1mg的電光分析天平稱量試樣的磨損失重。
(4)耐蝕性試驗
用KD60鹽霧試驗機,按GB/T10125對經過不同熱表處理工藝的試樣(a3、b3、c3、d3)進行中性鹽霧試驗。試驗所用的腐蝕介質為含5%的NaCl,pH值為6.7的鹽水溶液,試驗箱溫度為35℃,噴嘴壓力為83kPa,以24h為一個觀察期,間歇式噴霧8h,停16h。
2.試驗結果與分析
(1)滲層硬度
經過不同工藝處理后40Cr鋼硬度分布如表3所示。由表3可知:經過QPQ、離子滲氮、鍍鉻后表面硬度分別達到711HV、525HV、703HV,硬度梯度由表面至基體逐漸減小。試樣經氧化處理后由于氧化膜層很薄,細砂紙打磨后試樣表面無氧化膜存在,故無法測其硬度。
表3 顯微硬度測試結果
距表面距離/μm | 0 | 100 | 200 | 300 | 400 | 500 |
離子滲氮表面硬度HV | 525 | 462 | 375 | 310 | 274 | 274 |
QPQ表面硬度HV | 711 | 303 | 300 | 274 | 273 | 270 |
鍍鉻表面硬度HV | 703 | 274 | 274 | 273 | 274 | 273 |
氧化表面硬度HV | — | 274 | 274 | 274 | 273 | 274 |
(2)滲層金相組織
附圖a、b分別為經過離子滲氮、QPQ處理后40Cr鋼的金相照片。由于經過鍍鉻后試樣鍍層組織是純鉻,經過氧化后表面為很薄的黑色Fe3O4氧化膜,故此兩種工藝處理后不必看試樣的金相。
(a)離子滲氮處理 (b)QPQ處理
不同工藝處理后40Cr的金相組織
由附圖可知:QPQ、離子滲氮的滲層組織由表到里都是由化合物層、擴散層組成,圖中白色帶狀為化合物層。只是QPQ表面多了的氧化層在金相顯微鏡下觀察不到。從圖中可以看到離子滲氮處理時間為QPQ處理的7倍,但所形成的化合物層厚度約為QPQ處理化合物層厚度的一半,在化合物層均勻性方面,從圖中可看到經QPQ處理后試樣的滲層組織更為均勻,而離子滲氮后試樣組織均勻性較差些。
(3)滑動磨損試驗結果
在上面所述磨損試驗條件下,不同工藝處理過的試樣磨損值比較如表4所示。由表4可知:經QPQ處理過的試樣在30min試驗中磨損值最低為1.9mg。其滑動磨損的耐磨性是鍍鉻的1.45倍,是離子滲氮的4.32倍,是氧化的7.9倍,可見經QPQ處理過的試樣耐磨性大幅提高。
表4 滑動磨損試驗磨損值比較
序號 | 處理方法 | 硬度HV | 磨損值/mg | 相對磨損比 |
1 | QPQ處理 | 711 | 1.9 | 1 |
2 | 鍍鉻 | 703 | 2.75 | 1.45 |
3 | 離子滲氮 | 525 | 8.2 | 4.32 |
4 | 氧化 | — | 15 | 7.9 |
(4)滲層腐蝕性能結果
在上面所述耐腐蝕試驗條件下,經不同工藝處理過的試樣中性鹽霧試驗結果如表5所示。由表5可知:經QPQ處理的40Cr鋼試樣抗鹽霧腐蝕能力為鍍鉻的3.2倍,離子滲氮的8倍,氧化的32倍。這表明經QPQ處理后的鋼件耐蝕性大幅提高了。
表5 中性鹽霧試驗耐蝕性比較
序號 | 處理方法 | 開始生銹時間/h | 相對耐蝕性比較 |
1 | QPQ處理 | 256 | 1 |
2 | 鍍鉻 | 80 | 0.31 |
3 | 離子滲氮 | 32 | 0.13 |
4 | 氧化 | 8 | 0.03 |
(5)結果分析
在4種工藝處理中:QPQ處理時,40Cr鋼表面形成了Fe2～3N高濃度氮化物層和致密的Fe3O4氧化膜。這種化合物層具有較高的硬度和耐磨性,而鍍鉻層的結合力不夠強,在滑動磨損試驗中,鍍鉻層易剝落,故其耐磨性不如QPQ,但與離子滲氮后表面的低氮合金組織比較,耐磨性又好點,而經氧化后表面僅為Fe3O4氧化膜,此組織硬度很低,僅有防腐作用;另外QPQ處理后試樣之所以有極高的耐蝕性,主要是由于高耐蝕性的Fe2～3N化合物層和表面致密的氧化膜,且氧能延伸到更深的化合物層內,從而使化合物層進一步鈍化來使表面有更高的耐蝕性。
3.結語
(1)經過QPQ處理的40Cr鋼表面生成了Fe2～3N高濃度氮化物和致密Fe3O4氧化膜,其表面的顯微硬度、耐磨性和耐蝕性有極大的提高。
(2)經QPQ、鍍鉻、離子滲氮、氧化處理后,40Cr鋼表面的耐磨性越來越低,其表面的耐蝕性也越來越低。
作者:甄延波、趙娜、程良、常森、韓壯壯
單位:山西航天清華裝備有限責任公司
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