QPQ技术对42CrMo组织和性能的影响

QPQ技术对42CrMo组织和性能的影响

QPQ技术对42CrMo组织和性能的影响

前言

随着现代工业的发展,对零件性能的要求越来越高,为了满足工业生产的需求,产生了不同的工艺,其中为了提高工件的表面性能,产生了渗淡阳化复合工艺。渗淡后形成一层薄薄的淡化层,能提高工件的表面硬度和抗摩擦性能,阳化后形成了薄阳化层,改善了渗淡层的电化学性能,能显著提高工件的抗摩擦性能和抗腐蚀性能。

QPQ是英文"Quench-Polish-Quench"的字母缩写,是"淬火-抛光-淬火"的意思,在中国我们叫这个技术为QPQ，这是一个新兴的表面热加工工艺。工件在经过QPQ盐浴复合处理之后具有高抗蚀性、高耐磨性、较高的一系列的好处，譬如提高了工件的质量。所以这种技术被广泛的应用于各种加工技术中，在汽车，轮船，火车等的制造过程中得到了广泛的应用。但是QPQ工艺也有坏处譬如产生的废气废渣会对人的身体产生影响,因为这种情况的产生对QPQ的发展和应用产生了巨大的影响。

渗氮又被称为氮化,是指将一种氮原子在加热过程中被扩散了出来，然后被工件的表面吸收，形成了一层膜，所以这种工艺能提高工件的表面性能。氮原子在工件表面进一步被内部吸收，到了工件表面的同时向中心扩散。海水淡化的发展历史可分为气体脱盐法、氰化物法。盐浴软脱盐工艺(活性氰化脱盐工艺),气体软脱盐工艺(气体轻渗碳工艺)这六个发展阶段。无公害盐浴复合处理工艺及QPQ新技术。由于这些工艺可以使工件具有较高的耐磨性、硬度,因而在工业上得到了广泛的应用。具有良好的抗疲劳性能。QPQ技术完美的结合了渗氮和氧化的结合。由于它有一个对环境没有任何污染的好处,而且具有耐腐蚀、耐磨、硬度高、体积小等优点。并且处理后没有很大的变形。

熔盐脱盐的历史可以追溯到很久以前。在20世纪20年代初,用氰化液在大约850℃的温度范围内进行渗碳或更多的准确地说是渗碳。1929年大家发现了一个新工艺，这个新工艺被叫做QPQ技术。那个时候，这个技术适用性很弱，一般情况下不能使用，一些低碳钢都不能用,只适用于型钢的耐腐蚀性能的真钢。这种新的盐浴适用于几乎所有种类的钢。因此,该技术在世界范围内得到了迅速的发展,并在许多发达的地区得到了广泛性的应用，拥有很多的优点，所以得到了很大程度上的推广。

后来大家通用了这种新工艺，并且在一定程度上对这个技术有了改动，拥有了更好的性能。要想使用这种方法，要有预处理和抛光处理之后才能使用这种办法,再对工件进行处理。经过这种处理后,不仅表面工件美观,耐蚀性大大提高。

化学热处理一种通过试剂产生的一些反应来对工件产生化学反应,，通过产生的一些新的组织来对零件产生应该。这样会使零件有了新的组织，然后零件就会有别的用途，这样它的价值就得到了很高的提升。据我们所知零件的失效有各种原因，但是，主要的原因是表面，表面不好就会有很大的坏处，容易发生断裂弯曲等等一系列的问题,这种情况最最可能发生故障的零件中。应为工作的需要，所以对工件的表面有很高的要求。铁芯是钢的原始成分,表面是渗有合金元素的材料。之间存在紧密的晶体结合。心和表层的结合比电镀等表面保护技术的结合要强得多。

化学热处理过程包括渗透剂的化学成分和配比、浸出剂分解反应过程的控制和参数的确定。浸渍剂、浸渗温度和时间、工件的制备、浸渗后的冷却过程和热处理。提高工件的硬化能力等。无论是哪种化学热处理工艺,都可以根据化学热处理中渗透剂的物理状态进行分类。渗氮可分为固体渗透、气体渗透、液体渗透、浆液渗透、液电解渗透、等离子体渗透和气体沉积渗透等。

1.2.1固体渗

所使用的渗透剂是一种具有一定粒径的固体材料。它由渗碳剂(如渗碳过程中的木炭)、催化剂(如碳酸钙)组成。渗碳)和填料(如渗铝铝粉)在一定比例内构成。该方法简单。工件被嵌入充满渗透剂的铁盒中,并密封。可在加热炉内加热、保温一定时间,但质量不易控制,生产效率低。

1.2.2气体渗

审计有可能是液体的，还有可能是具有能挥发性的固体。然而,在经过加热后固体能挥发。该入渗剂具有易分解为活性原子、经济、易于控制、无污染、渗层性能好等特点。气相沉积LSO是气体稀释法的新发展,主要用于元素(如钛、钒等)。不容易在金属中扩散。主要特征是气态原子沉积在钢的表面与钢中的碳形成硬度很高的碳化物涂层,或用铁形成硼化物,等等。

1.2.3液体渗

渗透剂是熔盐或其他化合物。为了加快化学热处理过程,电解液浸渗工艺。在增加电解装置后形成。硼砂盐浴炉金属浸渗处理是近几年发展起来的一种工艺,主要用于渗碳。碳化物形成元素如钛、铬、钒等。

1.3盐浴法的历史

最新的一种渗氮技术于1929被发现。1947年,在含麦的盐浴中登记为"Sulfiluz"的盐浴。另一种被称为"特尼夫"的表面处理方法已经被开发出来。使用的氮化盐中并没有硫化物，然而氰化物的含量特别高。经处理后,可获得一定的抗疲劳和耐腐蚀能力。虽然这种方法取得了较好的成果，但是并没有取得好的耐磨性。废液中的废渣会产生氨酸。对环境的污染,限制了其使用。到20世纪70年代中期,西德德古萨已经发展了特尼弗-TF1.通过与原方法的比较,提出了盐浴渗碳的新方法。在2005年,使用过一段时间之后活性降低，要想恢复之前的活性，必须加入新的盐。由于基盐中浓度较高,难以处理,故原盐浴稀释法较为麻烦,且易危及人类的健康。通过添加再生盐来补充工件处理后失去的N和C,可以恢复碱盐,从而使生产得以继续进行。因为该新方法及其对环境无污染的性能已获得并能快速应用。在中国,武汉材料研究所开发的LT系列工艺(硫轻渗碳)20世纪80年代中期的防护措施可以有效地提高各种钢铁零件的表面耐磨性和抗疲劳性,降低摩擦系数。QPQ技术可以大大提高系统的工作效率。同种情况下镀镍更高,但与铜、镍和铬复合镀层的水平相同。该工艺为80vol.%n2和20vol.%h2,在500℃稀释5h,然后进行正过程。在500℃或450℃处理1h,如图2所示,在500℃处对AISIH11钢试样进行处理,形成正层、渗层和扩散层。阳性后处理样本ENT正在稀释过程中。在[6≤8]层上形成了一个边界明显的正层。阳化层和阳性后产物在阳性层中的比例为DETE。受正温度的影响。450℃后,正极层厚度小于0.5μm,正极层主要由组分引起,含量较少,表现较好耐腐蚀当正温度为500℃时,正极层厚度约为1.7μm,正极层主要由组分组成,含少量在.。所有处理样品的表面硬度如表1所示,并将阳性后处理的表面与未经后正处理的稀释样品的表面进行了比较。h由于铁脱盐的硬度高于阳离子化铁,使硬度降低。在450℃时,经正极处理后形成的正极层较薄,表面只有显微硬度。略有下降。而在500℃时,正处理形成一层厚的正层,使显微硬度明显下降。

1.3.1QPQ盐浴复合处理技术的工艺过程

盐浴氮化是一种化学热扩散过程，随着海水淡化的发展,光元素NTS继续向内扩散。根据材料和处理时间的不同,可以提高材料的疲劳强度,使耐磨性提高200-500%,提高腐蚀率。复合层的稳定性也有明显的提高。这为下一步的QPQ工艺奠定了基础,用了这种办法工件的性能得到了很大程度的提升

QPQ技术工艺过程如图1-2所示，QPQ技术实在氮化后经过简单的抛光处理，接着用氮化炉子再进行阳化处理。

QPQ盐浴复合处理技术的主要工序有:

盐液的预热:通常情况下盐的预热温度为400℃,预热时间20~40min;

淡化:通常淡化温度为520~580℃,淡化时间10~180min;

阳化:通常阳化温度为470~490℃,阳化时间20~40min。

这种工艺过程为:去油调制处理酒精清洗热处理炉子预热氮化炉子氮化阳化去盐热水煮清洗干燥浸油。

不同工序的不同做用:

(1)预热的目的:350℃400℃,20min40min,作用是除掉工件中残留的水分,使工件的温度升高。为了处理干净水分,防止对工作人员产生溅伤。防止工件温度太低，在进入盐液时大幅度降低盐液的温度。

(2)氮化的主要目标：通过基盐在氮化炉子中加热，温度不断升高，然后盐中的氰原子得到扩散，经过浸泡进入工件中，形成了氮化层，这个氮化层就是我们所需要的，理论上氮化层越厚效果越好。氮化过程中要注意很多问题，比如，工件一定要处理干净了，表面不能有杂质氧化物，要经过一系列的抛光，最后要用酒精清洗。阳性:其主要作用是在稀释后完全分解附着在工件上的稀盐中的氰化物根(CN-)。减少环境污染,同时在工件表面形成致密层。薄膜提高了金属表面的耐蚀性。此外,杨华LSO对降低摩擦系数有一定的好处。

(4)机械抛光:去除材料表面形成的疏松层,消除对材料性能的影响。

1.3.2QPQ盐浴复合处理技术的机理

1)QPQ盐浴复合处理所用盐

氮化基盐:基盐的主要组成就是氰酸根和尿素,氰酸根的含量保持34~36%,氰根在3%以下。西德德固萨公司的盐浴含氰酸根37.6%,氰根1.8%,碳酸根14.5%,钠、钾离子分别为37.2%和8.9%。

调整盐(再生盐):再生盐的作用是在氮化过程中，氰原子的数量不够了的时候，我们要马上让氰原子的数量再回去,达到所需要的指标。

42CrMo钢的试验配方为:氢化钠37.4%,氢化钾52.6%,硝酸钠52.6%。

工艺的化学方程式：

经查阅资料得知，渗氮是在氮化炉子中发生的，是经过盐浴，产生渗氮层。在达到盐液预处理的保温时间后，将工件放入已经融化的基盐中后，已经扩散的氰原子就进入到工件的表面，然后经过不同的保温时间，氰原子的进入表面的程度会达到不同的程度。发生了化学物理反应如下:

4＋2＋＋2［Ｎ］

＋＋＋2［Ｎ］

3＋［Ｎ］

4＋［Ｎ］

阳化的过程，只要是生成了氧化铁、氧化亚铁和四氧化三铁。这两个反应可表达成:

＋＋ 

＋＋ 

经过氧化后的工件，其表面生成物不是同一种，是很多种化合物形成的混合物。

2＋2

4＋32

＋

1.4QPQ盐浴复合处理技术的最新进展

该工艺为80vol.%n2和20vol.%h2,在500℃稀释5h,然后进行正过程。在500℃或450℃处理1h,如图2所示,在500℃处对AISIH11钢试样进行处理,形成正层、渗层和扩散层。阳性后处理样本ENT正在稀释过程中。在[6≤8]层上形成了一个边界明显的正层。阳化层和阳性后产物在阳性层中的比例为DETE。受正温度的影响。450℃后,正极层厚度小于0.5μm,正极层主要由组分引起,含量较少,表现较好耐腐蚀当正温度为500℃时,正极层厚度约为1.7μm,正极层主要由组分组成,含少量在.。所有处理样品的表面硬度如表1所示,并将阳性后处理的表面与未经后正处理的稀释样品的表面进行了比较。h由于铁脱盐的硬度高于阳离子化铁,使硬度降低。在450℃时,经正极处理后形成的正极层较薄,表面只有显微硬度。略有下降。而在500℃时,正处理形成一层厚的正层,使显微硬度明显下降。

赵诚,青岛科技大学,采用等离子轻渗碳和后燕化复合处理.它的基础是等离子体轻质碳化硼的表面硬化处理。然后继续。经过正极处理后,在ε-Fe2-3N相的白色和明亮的复合层表面形成了一层黑色致密膜,其处理参数如下:表2.试验结果表明,复合渗层主要由ε-Fe2-3N,γ-Fe4N组成。还有一小部分相成分复合处理后的工件N不仅提高了表面的硬度和耐磨性,而且提高了表面的耐蚀性。

1.5QPQ研究意义

QPQ是一个新兴的工艺，这种工艺不需要很高的温度，属于低温处理的很好的工艺。但是唯一比较麻烦的工序就是工件已经要进行很好的抛光处理。我们知道很难将两种工艺结合到一起，但是盐浴复合处理，就完成了结合这个过程，实现了脱盐过程与正工艺的结合，实现了脱盐物质与正物质的结合。在渗流层的结构上，实现了海水淡化过程与正盐浴和正盐浴的结合。在世界范围内得到了迅速的发展，并在许多。第一阶段是对全文的介绍。设备和技术。这一阶段的主要特点是全面引进全套设备和技术，并向进口商购买qpq处理盐。代价很高。生产成本很高。20世纪80年代中后期，我国祁水岩机车车辆厂、山东潍坊柴油机厂、杭州汽车有限公司发动机厂和其他制造商引进了德国德古萨公司的整套QPQ处理设备和技术，用于柴油机车，价格高达600000美元、900000美元。。

支柱产业迫切需要引进新的技术配送技术。转型和产品升级这就是科技。该技术将在越来越多的领域发挥越来越广泛的作用，将有助于提高机械产品的质量。在我国并达到先进水平。由于全世界汽车，轮船和航空航天的发展，所以大家对零件的需求越来越大，所以提高零件的质量的问题已经刻不容缓了，不同的国家都有了新的研究，而我们也有了新的发现，我们研究了不同的零件经过不同的工序，会不会产生新的组织，会不会对性能有提升。

1.6研究内容

研究了不同氮化温度和氧化时间对42CrMo表面性能的影响。耐腐蚀性能，厚度和表面硬度。研究了脱盐温度和脱盐时间对样品表面性能的影响。同时，研究了不同阳离子时间和不同阳离子时间对样品微观结构和性能的影响。熔盐脱盐的历史可以追溯到很久以前。在20世纪20年代初,用氰化液在大约850℃的温度范围内进行渗碳或更多的准确地说是渗碳。最早的盐浴稀释技术始于1929年。全氰低温盐浴脱盐,又称盐浴氰化物,被广泛应用于高速脱盐中。到了20世纪40年代德国和前苏联,当时,这一技术不适用于除高速钢以外的钢种,只适用于型钢的耐腐蚀性能。真钢。同时,新制备的氰酸盐必须经过较长时间的陈化才能使用。从目前的观点来看,老化的目的是使氰化物吸收Th。空气中的正气在熔融状态下转化为氰酸盐,氰酸盐是稀释的有效成分。由于采用自然老化的方法,氰酸盐的含量不太高。一般来说,质量分数不超过10%。由于盐浴老化几天,盐浴中氰化物含量过低,适宜的钢非常有限。由于这个原因,1954年德国德古萨公司(Deegussa)开发了一种向氰化盐浴中注入空气的新稀释方法,这种方法在德国被称为"特尼弗",即盐浴稀释法，因为这种最新方法的发现，节省资源并且不会对环境产生污染，在短短的时间内，得到了最大程度的应用，然而在应用的过程中，大家都一定程度上进行了改进，使工件得到最大化的应用。

2实验材料、设备及方法

2.1实验材料

实验材料为42CrMo钢（化学成分见表2-1），42CrMo用于QPQ复合处理的淡化盐和阳化盐为安丘环能热处理材料有限公司生产的的J-2型淡化基盐和Y-1型阳化盐。

表2-145#钢化学成分

Tab.2-1Thechemicalcompositionof45steel元素CSiMnSPCr含量/wt.%0.38-0.430.15-0.350.75-1.00<0.04<0.0350.80-1.10

试样采用车削制成φ22mm×20mm大小，用于金相组织观察和硬度测试。表面依次用320#~1200#SiC砂纸磨平，再用金刚石研磨膏抛光至镜面。最后用无水乙醇在超声波中清洗，吹干，待用。

2.2实验设备

表2-2实验过程中的主要设备

Tab.2-2mainequipmentduringexperiment设备名称型号箱式电阻炉SJ2-5-12井式电阻炉8-10激光共聚焦显微镜OLS4000维氏硬度计81049X射线衍射仪XRD-6100扫描电镜JSM-7500F

2.3实验工艺流程和参数

本课题研究了不同淡化温度、不同淡化时间QPQ盐浴复合处理对42CrMo表面性能的影响。研究了公件经过处理之后，表面的变化。从而研究了不同淡化温度和不同淡化时间对试样表面性能的影响：同时研究了不同阳化时间及不同阳化对组织和性能的影响。

制定了以下实验流程：

根据此思路，为了研究不同淡化时间对QPQ盐浴复合处理42CrMo钢表面性能的影响确定实验工艺参数如表2-3所示：

表2-3QPQ盐浴复合处理不同淡化时间工艺参数

试样编号氮化温度/℃氮化时间/min维氏硬度1#5803h6302#5804h7303#5805h7304#5806h730试样编号氮化温度/℃氮化时间/min维氏硬度5#5603h5506#5604h6707#5605h6908#5606h730试样编号氮化温度/℃氮化时间/min维氏硬度9#5403h45010#5405h49011#5407h64012#5409h730

表2-3QPQ盐浴复合处理不同淡化时间工艺参数

根据此思路，为了研究不同淡化温度对QPQ盐浴复合处理42CrMo钢表面性能的影响确定如表2-4所示：试样编号氮化温度/℃氮化时间/min维氏硬度1#5404h4602#5604h6703#5804h730

表2-3QPQ盐浴复合处理不同氮化温度工艺参数

在这种情况下，为了研究不同阳化时间对QPQ盐浴复合处理42CrMo钢表面性能的影响确定如表2-5所示：试样编号氧化温度/℃氧化时间/min维氏硬度1#470206602#470305803#470404204#480207205#480306006#480405207#490207308#490306289#49040500

表2-5不同氧化时间对42CrMo表面的影响

根据此思路，为了研究不同阳化温度对QPQ盐浴复合处理42CrMo钢表面性能的影响确定如表2-6所示：试样编号氧化温度/℃氧化时间/min维氏硬度1#470206602#480207203#49020730

2.4组织与性能测试

2.4.1外观

经过淡化处理后的试样表面为灰色，经过后阳化处理的试样表面为黑色表面形貌观察：通过电镜扫描技术，观察工件的表面和内部性能。

24.2组织进行分析

采用金相显微镜分析表面物相组织和显微组织。本试验利用MD4000M型金相显微镜观察试样的金相组织，分析渗层厚度及致密度，以便于淡化盐成分以及淡化参数的选择。

2.4.3XRD分析

本试验选用岛津XRD-6100型X射线衍射仪对淡碳共渗盐和QPQ试样各层进行物相分析，衍射范围10～90°，扫描速率4°/min。利用jade软件并结合pdf卡片对衍射峰进行分析得出各衍射峰对应的物相组成，同时结合EDS分析，可以确定试样共渗各层的主要物相组成与分布。

2.4.4SEM和EDS分析

本试验利用FEI-QUANTA-200扫描电子显微镜对金相试样进行深入观察分析，能够实现包括阳化层、疏松层以及化合物层等各共渗层的厚度估算和组织致密度观察；利用能谱仪对样品渗层进行线扫描分析，通过渗层中各元素的分布规律，来研究基盐对淡碳共渗组织及元素分布的影响。

2.4.5硬度

选用维氏显微硬度计分别测试样品外表面以及不同渗层深度的硬度变化。试验载荷选用100gf，压头加载时间10s，该载荷条件下，试样压痕深度一般不会超过其对角线长度的1/7，因此该载荷条件下硬度数据真实、有效。

3实验结果及分析

3.1外观观察及分析

42CrMo钢经QPQ盐浴复合处理后呈现出不同的颜色。图3-1分别是原始试样，经过淡化盐浴空载保温时间4小时、淡化温度580℃、淡化时间为4小时淡化处理的试样以及经过阳化温度490℃、阳化时间20min后阳化处理的试样的表面。

图3-1不同处理的42CrMo钢颜色变化

Fig.3-1Colorchangeof42CrMosteeltreatedwithdifferenttreatments

从图3-1中可以看出，仅经过淡化处理的42CrMo钢试样表面为灰色，而经过后阳化处理的试样表面为黑色。QPQ复合处理可以使试样表面获得良好的外观。

3.2金相分析

3.2.1淡化温度对试样渗层厚度的影响

淡化盐液预处理时间为4h、淡化时间为4小时，淡化温度为540℃、560℃、580℃条件下试样的金相图片如图所示：

3-2a3-2b

3-2c

图3-2淡化温度为540℃、560℃、580℃条件下试样的金相图片

从图3-2中我们可以看出，试样的表面从外到里，依次为阳化膜、白亮层、扩散层。试样的心部为铁素体和珠光体。在540℃的时候氮化层的厚度大概为16.2μm，随着氮化温度的升高，氮化层逐渐变厚，560℃时氮化层厚度能达到17.6μm，在580℃时氮化层厚度达到最大值为19.8μm。随着渗淡温度的升高，试样的化合物层深度逐渐增加，疏松层也加重。作出化合物层厚度随着淡化温度的规律如图3-3所示：

图3-3化合物层的厚度和氮化温度的关系

根据图3-3可以看出在淡化盐液预处理时间为4h、淡化时间为4h条件下，试样氮化层厚度会随着淡化温度的升高而变厚，而且氮化层厚度随淡化温度升高而增大的幅度很小，但是淡化温度为520℃、560℃时，化合物层厚度没有达到20μm。淡化温度为580℃时化合物层厚度达到19.8μm，此时疏松层厚度为9.4μm不到10μm。所以可以认为最佳的淡化温度为580℃。

3.3硬度分析

3.3.1淡化盐液预处理对试样渗层表面硬度的影响

淡化盐液空载保温时间为4h、淡化时间为4h，淡化温度为540℃、560℃、580℃条件下试样渗层表面硬度曲线如图3-6所示：

3-6氮化时间对硬度的影响

根据图3-6可以看出在化盐液空载保温时间为4h、淡化时间为90min条件下，试样渗层表面硬度会随着淡化温度的升高而增大，当淡化温度超过560℃后，试样表面硬度增大的速率明显降低。因为渗层表面的ε-Fe3N相具有较高的硬度，也就是说渗层表面硬度和渗层厚度有着一定的关系。随着淡化温度的提高，渗层厚度增大的同时也变得更加的致密，达到一定温度后，试样表面具有了完整且致密的渗层，超过这个温度后试样渗层表面硬度几乎不受淡化温度的影响，所以硬度随着淡化温度增大的速率就会明显降低。

3.3.2淡化时间对试样渗层表面硬度的影响

淡化盐液空载保温时间为4h、淡化温度为580℃，淡化时间为3h、4h、5h、6h条件下试样试样渗层表面硬度