QPQ 復合處理![]()
QPQ處理是一種新的金屬鹽浴表面強化改性技 術(shù)。它的中文全稱為“淬火-拋光-淬火”處理。 上述“淬火”不是我們己知的常規(guī)淬火概念,而是指金屬在兩種不同性質(zhì)的低溫熔融鹽浴中作復 合處理。以使多種元素同時滲入金屬表面,形成氧 化膜,化合物層,擴散層組成的復合滲層,以使金 屬表面得到強化改性,它與傳統(tǒng)的氣體和真空離子 氮化概念有相同之處,不同之處在于滲入元素多、 工藝方法等差異,同時還可以做到全工藝過程時間 短、無公害等優(yōu)點。
“QPQ”是英文 “Quench-Polish-Quench”的字
頭縮寫。原意為淬火-拋光-淬火,從專業(yè)技術(shù) 角度上講,這種說法不夠確切,但在上 己經(jīng)習慣沿用今。
QPQ技術(shù)實際上是低溫鹽浴氮碳共滲加鹽浴 氧化再加拋光、氧化的全過程。
QPQ技術(shù)在國內(nèi)也被稱作QPQ鹽浴復合技術(shù)。
工藝上:氮化鹽浴和氧化鹽浴復合,實現(xiàn)滲氮工序和氧化工序的復合
+滲層組織上是氮化物和氧化物的復合
+性能上主要是耐磨性和耐蝕性的復合
+技術(shù)上是熱處理技術(shù)和耐腐技術(shù)的復合
1、氣體滲氮法
在氨分解氣氛中進行,利用氨分解產(chǎn)生的 氮原子滲入金屬表面,產(chǎn)生氮化物硬化層。它 必須利用含有C「、Mo、AI等合金元素的特殊滲 氮鋼。處理溫度510520°C,保溫時間70小時 以上。
缺點是必須采用含有特殊合金元素的專用 滲氮鋼;處理時間長;表面生成的化合物 (Fe2N)層脆性太大,通常必須磨掉。
優(yōu)點是硬度髙,滲層深。
2、氰鹽滲氮法
其原料為劇毒的氰化鉀和氰化鈉和化合物,處理 溫度為520560 °C,處理時間依材料品種、規(guī)格不 同,一般為5~30分鐘。
新鹽配好后必須經(jīng)過長時間老化才能使用,老 化的目的是使氰鹽在熔融狀態(tài)下吸收空氣中的氧, 變成氰酸鹽,氰酸鹽才是滲氮的有效成分。由于采 用的是自然時效法,氰酸根含量不會太高(質(zhì)量分 數(shù) < 10%)。
該法使?jié)B氮技術(shù)由專用滲氮鋼擴大到高速鋼, 但該法對其他鋼種仍然不太適用,只能做耐蝕滲氮 用,且時效時間太長(數(shù)天)。
3、活性氰鹽滲氮法
由于氰鹽滲氮鹽浴時效時間太長,氰酸根含量太低,適 用鋼種有限,為此開發(fā)了一種向氛化物鹽浴中通壓縮空氣的 新的鹽浴滲氮方法,大大縮短了時效過程,升高了鹽浴中的 氰酸鹽含量(質(zhì)量分數(shù)16 % ~28 % )。
用該法處理后工件表面一般都形成Fe3N (含部分Fe4N)。 這種氮化物不像滲氮鋼氣體滲氮后形成的Fe2N那樣脆,有較 高軔性,因此人們稱之為軟氮化。
優(yōu)點:不受鋼種的限制,工藝周期短,有很好的耐磨、 耐疲勞性能。
缺點:氰化物為原料,有劇毒,會迫成環(huán)境污染。
4、氣體氮碳共滲
為了保留活性氰鹽滲氮法的優(yōu)點,克服其劇毒 和公害的缺點,人們采用氣體方法來模擬它,而不 釆用劇毒氰鹽作原料。原料代表有:尿素固體原料 送入爐子裂解;液體原料甲酰胺、三乙醇胺等滴入 爐子分解;氣體原料氣氛加氨氣直接通入爐子。
氣體氮碳共滲雖然不用氰鹽作原料,但廢氣中 仍含劇毒氰化氫(HCN).
除了公害問題以外,我國國內(nèi)氣體氮碳共滲大 都存在工藝不穩(wěn)定,質(zhì)量不容易控制等問題。
5、無公害鹽浴復合處理法
20世紀70年代中期開發(fā)的全新的無公害鹽浴復 合技術(shù)處理技術(shù)則徹底解決了公害問題.
新的工藝方法先利用有機物和無機物原料配 制成由高氰酸根與碳酸鹽組成的氮化基鹽(TF1)。 同時利用一種叫作Melon的有機物使之與老化的氮 化鹽浴中的碳酸根反應,重新生成氰酸根(CNO-), 使鹽浴重新恢復活性。 與舊法相比,新法原料中完全不含氰化物,補充鹽 的數(shù)量和調(diào)整鹽浴成分時也不用氰化物。 新法雖然原料中不含氰化物,但鹽浴反應后氰酸根 分解會產(chǎn)生占鹽浴總量質(zhì)量分數(shù)為1 % ~3 %的氰根 (CN-),所以工件從氮化鹽浴出來后如直接進行清洗: 則這種清洗水因含有氰化物而不能直接排放。
為此,又開發(fā)了一種氧化鹽,它專門用來分解工件 從氮化鹽浴中帶出來的氰根。這種氧化鹽浴在德國 被稱為AB1,在美國被稱作KQ500。 這種完全不用氰化物作原料的氮化鹽浴再加上可以 分解氰根的氧化鹽浴就構(gòu)成了無公害的鹽浴復合處 理技術(shù)。
新的鹽浴復合處理方法氮化鹽浴中氰酸根含量大大 提高,氰酸根質(zhì)量分數(shù)為32%38%。 由于氮勢的提高,氮的滲入速度加快,減少生產(chǎn)周 期30% 35%。 同時,復合處理方法還在工件表面生成一層氧化層, 這是其他方法所不具備的。 這一層氧化膜大大提高了工件的耐蝕性,耐磨性, 同時也美化了外觀。
6、QPQ新技術(shù)
美國底特律的科林公司在無公害鹽洛復合處 理法基礎(chǔ)上開發(fā)了 QPQ新技術(shù)。
它是在進行鹽浴復合處理全部工藝過程以后,再增 加一道拋光工藝,拋光以后再做一次氧化處理。統(tǒng) 稱QPQ新技術(shù)。
QPQ工藝過程增加拋光和再氧化工序 目的:1)去除氮化物層外面的疏松層 2)使工件表面補充氧的含量

(QPQ技術(shù)由于是在金屬衷面滲入fN、C、 〇等元素,并在金屬表面形成/化合物層和擴 散層,因而使金屬表[&的耐磨性、耐蝕性和耐 疲勞性都大為提島,這是單一的熱處理或單一 耐蝕性技術(shù)所不能與之相比的-
因為一般熱處理和表面硬化技術(shù)只能提高 耐磨他,不能提高耐蝕性,而絕人多數(shù)耐蝕性 技術(shù)都不具缶高的耐磨性,而QPQ技術(shù)兩者兼 而有之。
1、耐磨性
?QPQ處理后在金屬表面形成的化合物層主要 為Fe3N,是一種氮的質(zhì)量分數(shù)為6%以上的 化合物,它與普通的熱處理形成的碳的過飽 和固溶體(淬火馬氏體)有本質(zhì)區(qū)別,因此 兩者不能僅以硬度的高低來比較耐磨性。
1)磨粒磨損
當摩檫的兩金屬工件硬度相差較大時,容 易產(chǎn)生微觀切削方式的磨粒磨損。對這種類 型的磨損來說,如果工件不承受較大沖擊載 荷,則材料的硬度越高,其耐磨性越好。
QPQ處理后金屬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)疲勞磨損
由于金屬的凸起部分擠入對面的工件并向
前移動,在它前面產(chǎn)生隆起,因此金屬產(chǎn)生 彈性變形,凸起物移走,則表面又恢復了原 狀。如果這種加載和卸載反復進行,金屬表 面由于變形次數(shù)過多而產(chǎn)生疲勞,于是金屬 表面產(chǎn)生剝脫,這就是疲勞磨損。
QPQ處理之所以能夠提高材料的疲勞強 度,目前的看法是QPQ提高了擴散層的硬度 并保乘它的高韌性,即疲勞強度的提高主 要在于擴散層的作用。
3)膠合磨損
在某些摩擦條件下,由于配對金屬相對高 速運動或其他原因產(chǎn)生高溫等情況,會使兩 種配對金屬表面發(fā)生膠合,如果膠合力大于 金屬基體的強度,繼續(xù)運動就會使金屬產(chǎn)生
膠合磨+員。
QPQ處理的作用就在于零件的基體材料 選定以后,在零件表面形成了良好的保護膜, 它可以大大減小膠合處的結(jié)合力,減少膠合 磨損的發(fā)生。
2、耐蝕性
?耐蝕性高是QPQ技術(shù)的另一大特點。 ?它的耐蝕性遠遠高于鍍鉻、鍍鎳等表面防護
技術(shù)的水平,甚比某些不銹鋼的耐蝕性還 要高。
QPQ處理件之所以具有極高的耐蝕性,主要 依靠于金屬表面的Fe2_3N化合物層和致密的 Fe304氧化膜,拋光并再次氧化后,不僅使化 合物層更加致密,而且氧還深入到化合物層 厚度的一半以上,使得金屬在大氣、鹽霧、 弱酸、濃堿等條件下都具有很高的耐蝕性。
3、耐疲勞性
QPQ技術(shù)可以顯著地提高材料的耐疲勞性。 ?耐疲勞性能的提高主要依靠化合物層以下的 擴散層的作用。
?碳鋼疲勞強度的提高主要是由于冷卻刀室溫 后從過飽和的含氮鐵素體中沉淀出Fe8N,在 合金鋼中存在微細合金氮化物沉淀。
?這兩種類型的沉淀可以阻礙位錯的移動,從 而提高疲勞強度。
4、工件尺寸形狀
處理前后工件尺寸形狀變化極小是QPQ技術(shù) 的一大特點。
原因:QPQ工藝溫度低于鋼的相變溫度,處 理過程中金屬不發(fā)生組織轉(zhuǎn)變,因此沒有組 織應力產(chǎn)生。所以,它比發(fā)生組織轉(zhuǎn)變的常 規(guī)淬火、高頻感應淬火、滲碳淬火所產(chǎn)生的 變形小得多。
QPQ技術(shù)適用于各種耐磨件,耐蝕件,耐疲勞件或要求耐磨,耐疲勞相結(jié)合件及耐磨與 耐蝕相結(jié)合件。
這項技術(shù)在汽車,摩托車,機車,工程機械, 農(nóng)業(yè)機械,輕化工機械,紡織機械,儀器儀 表,機床,齒輪,機械,工具,模具等行業(yè) 都得到了廣泛應用。

幾個典型行業(yè)的代表性零件如下:
汽車零件:曲軸,凸輪軸,氣門,球頭銷,活塞,氣簧, 扭轉(zhuǎn)盤,座位滑動器的滑軌,剎車控制系統(tǒng)的模數(shù)飛輪, 保險杠,螺旋齒輪,減速器的內(nèi)齒輪,垂直驅(qū)動傳動齒輪, 門鎖,軸套,擋風玻璃搖臂,懸掛支桿活塞,電動機冷卻 風扇,揚聲器,防曬傳動器。
紡織機機械件:絡筒機中的各種耐磨,耐蝕件,尼龍彈力 絲機熱軌件,梳棉機的各種耐磨,耐蝕件以及羅拉,定子, 割圈等紡織零件。
機床零件:機床導軌,絲杠,軸類,摩擦片,齒輪及機床 電器鐵心等,
QPQ在國內(nèi)外的使用現(xiàn)狀
該技術(shù)己被德國、美國、英國、日本等40多 個國家廣泛使用
國內(nèi)多家生產(chǎn)廠商也采用了此技術(shù),包括曲 軸、氣門、凸輪軸、活塞環(huán)、氣彈簧活塞桿、
模具、刀具等
目前十堰汽車產(chǎn)業(yè)迅猛發(fā)展,已經(jīng)成為商用 車大的生產(chǎn)基地,但QPQ技術(shù)暫未得到應 用,急需進行技術(shù)改造和技術(shù)升級
氣體滲氮
利用氨分解產(chǎn)生的氮原子滲入金屬表面,產(chǎn)
生氮化物硬化層。
缺點:是必須采用含有特殊合金元素的專用 滲氮鋼;處理時間長(保溫時間70小時以 上)。
離子氮化
利用輝光放電原理,在等離子區(qū)的強電場作 用下,氮和氫的正離子以高速向工件表面轟 擊,同時由于吸附和擴散的作用,氮遂滲入 工件表面。
缺點:離子氮化時間仍需30?40小時;設備
復雜且投資大;準確測定零件溫度困難;對 于大型爐、各類零件混合裝爐難以保證各處 工件溫度一致^
碳氮共滲
是將碳和氮同時滲入零件表面的化學熱處理工藝, 以滲碳為主,它的共滲溫度低于滲碳高于滲氮 (800?880。。)
優(yōu)點:
比滲碳溫度低,晶粒不會長大,適于直接淬火, 共滲速度快
減小了淬火變形和開裂 耐磨性和疲勞強度高,脆性低
碳氮共滲缺點
固體碳氮共滲質(zhì)量差、周期長 ?:?液體碳氮共滲是在含有氰化物的鹽浴中進行,有劇毒
目前應用較廣的是氣體碳氮共滲
滲碳淬火
*滲碳工作原理:為了增加工件表面的含碳量 及一定的碳濃度梯度,將工件放在滲碳介質(zhì) 中加熱并保溫,使碳原子滲入表層的化學熱 處理工藝。
滲碳+淬火后性能:獲得高的表面硬度,高的
接觸疲勞。
分類:固體滲碳、液體滲碳、氣體滲碳
滲碳缺點
只能改善表面性能。要經(jīng)過滲碳、淬火兩道 工藝過程,當滲層淬火后為壓應力狀態(tài)時, 回火使表面的殘余壓應力下降,回火使表層 的殘余壓應力減小,會引起零件的彎曲疲勞 強度降低。
鍍鋅
渡鋅的工作原理:
將工件置于盛有鍍鋅液的含鍍覆金屬的鍍鋅 槽里,工件為陰極,鍍鋅槽和鍍鋅液為陽極, 通電后陽極金屬離子在電解作用下鍍覆于工 件表面的工藝過程。經(jīng)純化、染色、涂覆護 光擠后的工件能顯著提高工件的防護和裝飾 性,且直接成本較低。
鍍鋅缺點
1、在干燥的空氣中防腐蝕性能好,但在潮濕 的空氣中鋅表面生產(chǎn)致密的碳酸鋅膜。
2、鍍鋅溶液分有氰化物鍍液和無氫化鍍液兩 種,在生產(chǎn)中廣泛采用有氰鍍液,氫化物有 劇毒,且對環(huán)境污染嚴重,后續(xù)社會成本大。
鍍鉻
鍍鉻和鍍鋅原理相同,不同的是鍍鉻槽是采 用鉛、鉛銻合金制成的不溶性陽極,它只起 導電作用,電解液中的鉻離子濃度需要定期 加入鉻化物來維持。鍍鉻可使零件光滑平整、 不生銹、硬度高(可達HRC65)耐高溫 (500° C)耐腐蝕、耐酸、耐磨。
鍍鉻缺點
1、鍍鉻前的工件表面粗糙度高,其精度影響鍍鉻 的表面質(zhì)量;
2、鍍鉻過程中,氫和氧的揮發(fā)帶出鉻離子,有害 人體健康且廢棄鍍液污染環(huán)境。
3、工藝時間與鍍層厚度有關(guān),鍍后需加工且增加 工件外形尺寸,不適應外形尺寸復雜的工件。
4、疲勞及接觸強度差,在局部受力情況下,表面 鉻層易剝落。
QPQ處理工件
1)耐磨、耐蝕、抗疲勞、抗咬合、抗擦傷
2)工藝時間短(6h)、溫度低C<600°C)、變形小、不需要后續(xù)精加工
3)無公害,不影響操作員身體健康,廢棄物對環(huán)境無影響。

QPQ可代替哪些傳統(tǒng)工藝
為了提高工件表面的耐磨性,這項技術(shù)可替 代大量滲碳淬火、高頻感應淬火、離子滲氮 等熱處理和表面強化技術(shù)。
為了提高工件表面的耐蝕性也可替代發(fā)黑、 鍍鉻、鍍硬鉻、鍍鎳等表面防護技術(shù)。