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QPQ 复合处理
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一、什么是QPQ复合处理?

QPQ处理是一种新的金属盐浴表面强化改性技 术。它的中文全称为“淬火-抛光-淬火”处理。 上述“淬火”不是我们己知的常规淬火概念,而是指金属在两种不同性质的低温熔融盐浴中作复 合处理。以使多种元素同时渗入金属表面,形成氧 化膜,化合物层,扩散层组成的复合渗层,以使金 属表面得到强化改性,它与传统的气体和真空离子 氮化概念有相同之处,不同之处在于渗入元素多、 工艺方法等差异,同时还可以做到全工艺过程时间 短、无公害等优点。

“QPQ”是英文 “Quench-Polish-Quench”的字
头缩写。原意为淬火-抛光-淬火,从专业技术 角度上讲,这种说法不够确切,但在上 己经习惯沿用今。

QPQ技术实际上是低温盐浴氮碳共渗加盐浴 氧化再加抛光、氧化的全过程。

QPQ技术在国内也被称作QPQ盐浴复合技术。
    工艺上:氮化盐浴和氧化盐浴复合,实现渗氮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
   +性能上主要是耐磨性和耐蚀性的复合
   +技术上是热处理技术和耐腐技术的复合



1、气体渗氮法
在氨分解气氛中进行,利用氨分解产生的 氮原子渗入金属表面,产生氮化物硬化层。它 必须利用含有C「、Mo、AI等合金元素的特殊渗 氮钢。处理温度510520°C,保温时间70小时 以上。

缺点是必须采用含有特殊合金元素的专用 渗氮钢;处理时间长;表面生成的化合物 (Fe2N)层脆性太大,通常必须磨掉。

优点是硬度髙,渗层深。

 

2、氰盐渗氮法
其原料为剧毒的氰化钾和氰化钠和化合物,处理 温度为520560 °C,处理时间依材料品种、规格不 同,一般为5~30分钟。

新盐配好后必须经过长时间老化才能使用,老 化的目的是使氰盐在熔融状态下吸收空气中的氧, 变成氰酸盐,氰酸盐才是渗氮的有效成分。由于采 用的是自然时效法,氰酸根含量不会太高(质量分 数 < 10%)。

该法使渗氮技术由专用渗氮钢扩大到高速钢, 但该法对其他钢种仍然不太适用,只能做耐蚀渗氮 用,且时效时间太长(数天)。

 

3、活性氰盐滲氮法
由于氰盐渗氮盐浴时效时间太长,氰酸根含量太低,适 用钢种有限,为此开发了一种向氛化物盐浴中通压缩空气的 新的盐浴渗氮方法,大大缩短了时效过程,升高了盐浴中的 氰酸盐含量(质量分数16 % ~28 % )。

用该法处理后工件表面一般都形成Fe3N (含部分Fe4N)。 这种氮化物不像渗氮钢气体渗氮后形成的Fe2N那样脆,有较 高軔性,因此人们称之为软氮化。

优点:不受钢种的限制,工艺周期短,有很好的耐磨、 耐疲劳性能。
缺点:氰化物为原料,有剧毒,会迫成环境污染。

 

4、气体氮碳共滲
为了保留活性氰盐渗氮法的优点,克服其剧毒 和公害的缺点,人们采用气体方法来模拟它,而不 釆用剧毒氰盐作原料。原料代表有:尿素固体原料 送入炉子裂解;液体原料甲酰胺、三乙醇胺等滴入 炉子分解;气体原料气氛加氨气直接通入炉子。

气体氮碳共渗虽然不用氰盐作原料,但废气中 仍含剧毒氰化氢(HCN).
除了公害问题以外,我国国内气体氮碳共渗大 都存在工艺不稳定,质量不容易控制等问题。

 

5、无公害盐浴复合处理法
20世纪70年代中期开发的全新的无公害盐浴复 合技术处理技术则彻底解决了公害问题.

新的工艺方法先利用有机物和无机物原料配 制成由高氰酸根与碳酸盐组成的氮化基盐(TF1)。 同时利用一种叫作Melon的有机物使之与老化的氮 化盐浴中的碳酸根反应,重新生成氰酸根(CNO-), 使盐浴重新恢复活性。 与旧法相比,新法原料中完全不含氰化物,补充盐 的数量和调整盐浴成分时也不用氰化物。 新法虽然原料中不含氰化物,但盐浴反应后氰酸根 分解会产生占盐浴总量质量分数为1 % ~3 %的氰根 (CN-),所以工件从氮化盐浴出来后如直接进行清洗: 则这种清洗水因含有氰化物而不能直接排放。

为此,又开发了一种氧化盐,它专门用来分解工件 从氮化盐浴中带出来的氰根。这种氧化盐浴在德国 被称为AB1,在美国被称作KQ500。 这种完全不用氰化物作原料的氮化盐浴再加上可以 分解氰根的氧化盐浴就构成了无公害的盐浴复合处 理技术。

新的盐浴复合处理方法氮化盐浴中氰酸根含量大大 提高,氰酸根质量分数为32%38%。 由于氮势的提高,氮的渗入速度加快,减少生产周 期30% 35%。 同时,复合处理方法还在工件表面生成一层氧化层, 这是其他方法所不具备的。 这一层氧化膜大大提高了工件的耐蚀性,耐磨性, 同时也美化了外观。

 

6、QPQ新技术
美国底特律的科林公司在无公害盐洛复合处 理法基础上开发了 QPQ新技术。

它是在进行盐浴复合处理全部工艺过程以后,再增 加一道抛光工艺,抛光以后再做一次氧化处理。统 称QPQ新技术。

QPQ工艺过程增加抛光和再氧化工序 目的:1)去除氮化物层外面的疏松层 2)使工件表面补充氧的含量


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二、QPQ复合处理技术的渗层性能

(QPQ技术由于是在金属衷面渗入fN、C、 〇等元素,并在金属表面形成/化合物层和扩 散层,因而使金属表[&的耐磨性、耐蚀性和耐 疲劳性都大为提岛,这是单一的热处理或单一 耐蚀性技术所不能与之相比的-
因为一般热处理和表面硬化技术只能提高 耐磨他,不能提高耐蚀性,而绝人多数耐蚀性 技术都不具缶高的耐磨性,而QPQ技术两者兼 而有之。


1、耐磨性
?QPQ处理后在金属表面形成的化合物层主要 为Fe3N,是一种氮的质量分数为6%以上的 化合物,它与普通的热处理形成的碳的过饱 和固溶体(淬火马氏体)有本质区别,因此 两者不能仅以硬度的高低来比较耐磨性。
1)磨粒磨损
当摩檫的两金属工件硬度相差较大时,容 易产生微观切削方式的磨粒磨损。对这种类 型的磨损来说,如果工件不承受较大冲击载 荷,则材料的硬度越高,其耐磨性越好。
QPQ处理后金属表面的硬度比心部大幅度 提高,因而它可以大大提高表面的耐磨性。
2)疲劳磨损
由于金属的凸起部分挤入对面的工件并向
前移动,在它前面产生隆起,因此金属产生 弹性变形,凸起物移走,则表面又恢复了原 状。如果这种加载和卸载反复进行,金属表 面由于变形次数过多而产生疲劳,于是金属 表面产生剥脱,这就是疲劳磨损。
QPQ处理之所以能够提高材料的疲劳强 度,目前的看法是QPQ提高了扩散层的硬度 并保乘它的高韧性,即疲劳强度的提高主 要在于扩散层的作用。
3)胶合磨损
在某些摩擦条件下,由于配对金属相对高 速运动或其他原因产生高温等情况,会使两 种配对金属表面发生胶合,如果胶合力大于 金属基体的强度,继续运动就会使金属产生
胶合磨+员。
QPQ处理的作用就在于零件的基体材料 选定以后,在零件表面形成了良好的保护膜, 它可以大大减小胶合处的结合力,减少胶合 磨损的发生。


2、耐蚀性
?耐蚀性高是QPQ技术的另一大特点。 ?它的耐蚀性远远高于镀铬、镀镍等表面防护
技术的水平,甚比某些不锈钢的耐蚀性还 要高。
QPQ处理件之所以具有极高的耐蚀性,主要 依靠于金属表面的Fe2_3N化合物层和致密的 Fe304氧化膜,抛光并再次氧化后,不仅使化 合物层更加致密,而且氧还深入到化合物层 厚度的一半以上,使得金属在大气、盐雾、 弱酸、浓碱等条件下都具有很高的耐蚀性。

3、耐疲劳性
 QPQ技术可以显著地提高材料的耐疲劳性。 ?耐疲劳性能的提高主要依靠化合物层以下的 扩散层的作用。
?碳钢疲劳强度的提高主要是由于冷却刀室温 后从过饱和的含氮铁素体中沉淀出Fe8N,在 合金钢中存在微细合金氮化物沉淀。
?这两种类型的沉淀可以阻碍位错的移动,从 而提高疲劳强度。

4、工件尺寸形状
处理前后工件尺寸形状变化极小是QPQ技术 的一大特点。
原因:QPQ工艺温度低于钢的相变温度,处 理过程中金属不发生组织转变,因此没有组 织应力产生。所以,它比发生组织转变的常 规淬火、高频感应淬火、渗碳淬火所产生的 变形小得多。

 




 三、QPQ技术应用


QPQ技术适用于各种耐磨件,耐蚀件,耐疲劳件或要求耐磨,耐疲劳相结合件及耐磨与 耐蚀相结合件。
这项技术在汽车,摩托车,机车,工程机械, 农业机械,轻化工机械,纺织机械,仪器仪 表,机床,齿轮,机械,工具,模具等行业 都得到了广泛应用。

 

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几个典型行业的代表性零件如下:
汽车零件:曲轴,凸轮轴,气门,球头销,活塞,气簧, 扭转盘,座位滑动器的滑轨,刹车控制系统的模数飞轮, 保险杠,螺旋齿轮,减速器的内齿轮,垂直驱动传动齿轮, 门锁,轴套,挡风玻璃摇臂,悬挂支杆活塞,电动机冷却 风扇,扬声器,防晒传动器。
纺织机机械件:络筒机中的各种耐磨,耐蚀件,尼龙弹力 丝机热轨件,梳棉机的各种耐磨,耐蚀件以及罗拉,定子, 割圈等纺织零件。
机床零件:机床导轨,丝杠,轴类,摩擦片,齿轮及机床 电器铁心等,

 

QPQ在国内外的使用现状
该技术己被德国、美国、英国、日本等40多 个国家广泛使用
国内多家生产厂商也采用了此技术,包括曲 轴、气门、凸轮轴、活塞环、气弹簧活塞杆、
模具、刀具等
目前十堰汽车产业迅猛发展,已经成为商用 车大的生产基地,但QPQ技术暂未得到应 用,急需进行技术改造和技术升级

 




四、各项处理技术分析比较


气体渗氮
利用氨分解产生的氮原子渗入金属表面,产
生氮化物硬化层。
缺点:是必须采用含有特殊合金元素的专用 渗氮钢;处理时间长(保温时间70小时以 上)。

 

离子氮化
利用辉光放电原理,在等离子区的强电场作 用下,氮和氢的正离子以高速向工件表面轰 击,同时由于吸附和扩散的作用,氮遂渗入 工件表面。
缺点:离子氮化时间仍需30?40小时;设备
复杂且投资大;准确测定零件温度困难;对 于大型炉、各类零件混合装炉难以保证各处 工件温度一致^


碳氮共滲
是将碳和氮同时渗入零件表面的化学热处理工艺, 以渗碳为主,它的共渗温度低于渗碳高于渗氮 (800?880。。)

 

优点:
比渗碳温度低,晶粒不会长大,适于直接淬火, 共渗速度快
减小了淬火变形和开裂 耐磨性和疲劳强度高,脆性低

 

碳氮共渗缺点
固体碳氮共渗质量差、周期长 ?:?液体碳氮共渗是在含有氰化物的盐浴中进行,有剧毒
目前应用较广的是气体碳氮共滲

 

渗碳淬火
*渗碳工作原理:为了增加工件表面的含碳量 及一定的碳浓度梯度,将工件放在渗碳介质 中加热并保温,使碳原子渗入表层的化学热 处理工艺。
渗碳+淬火后性能:获得高的表面硬度,高的
接触疲劳。
分类:固体渗碳、液体渗碳、气体滲碳

 

渗碳缺点
只能改善表面性能。要经过渗碳、淬火两道 工艺过程,当渗层淬火后为压应力状态时, 回火使表面的残余压应力下降,回火使表层 的残余压应力减小,会引起零件的弯曲疲劳 强度降低。

 

镀锌
渡锌的工作原理:
将工件置于盛有镀锌液的含镀覆金属的镀锌 槽里,工件为阴极,镀锌槽和镀锌液为阳极, 通电后阳极金属离子在电解作用下镀覆于工 件表面的工艺过程。经纯化、染色、涂覆护 光挤后的工件能显著提高工件的防护和装饰 性,且直接成本较低。

 

镀锌缺点
1、在干燥的空气中防腐蚀性能好,但在潮湿 的空气中锌表面生产致密的碳酸锌膜。
2、镀锌溶液分有氰化物镀液和无氢化镀液两 种,在生产中广泛采用有氰镀液,氢化物有 剧毒,且对环境污染严重,后续社会成本大。

 

镀铬
镀铬和镀锌原理相同,不同的是镀铬槽是采 用铅、铅锑合金制成的不溶性阳极,它只起 导电作用,电解液中的铬离子浓度需要定期 加入铬化物来维持。镀铬可使零件光滑平整、 不生锈、硬度高(可达HRC65)耐高温 (500° C)耐腐蚀、耐酸、耐磨。

 

镀铬缺点
1、镀铬前的工件表面粗糙度高,其精度影响镀铬 的表面质量;
2、镀铬过程中,氢和氧的挥发带出铬离子,有害 人体健康且废弃镀液污染环境。
3、工艺时间与镀层厚度有关,镀后需加工且增加 工件外形尺寸,不适应外形尺寸复杂的工件。
4、疲劳及接触强度差,在局部受力情况下,表面 铬层易剥落。



五、QPQ技术的主要特征


QPQ处理工件
1)耐磨、耐蚀、抗疲劳、抗咬合、抗擦伤
2)工艺时间短(6h)、温度低C<600°C)、变形小、不需要后续精加工
3)无公害,不影响操作员身体健康,废弃物对环境无影响。


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QPQ可代替哪些传统工艺
为了提高工件表面的耐磨性,这项技术可替 代大量渗碳淬火、高频感应淬火、离子渗氮 等热处理和表面强化技术。
为了提高工件表面的耐蚀性也可替代发黑、 镀铬、镀硬铬、镀镍等表面防护技术。