QPQ处理对40Cr钢渗层组织影响的研究

2021-06-03 15:45:39 作者：甄延波来源：热处理生态圈分享至：

QPQ处理的工艺过程为：去油清洗→预热→盐浴氮化→盐浴氧化→去盐清洗→干燥（抛光→盐浴氧化→去盐清洗→干燥）→浸油。QPQ技术是一项由渗氮和氧化工序组成的复合工艺，此技术是一种提高基体表面耐磨性、耐蚀性的氮、氧化盐浴复合处理技术，常用于替代渗碳淬火、离子渗氮、镀铬等热处理和表面强化技术，以提高产品耐磨性、耐蚀性和解决硬化变形问题。该技术被广泛应用于工程机械、仪器仪表和轻化工等领域。本文对40Cr钢进行QPQ处理，并与辉光离子渗氮、氧化、电镀铬处理后的组织耐磨性和耐蚀性进行了对比研究。

一、试验材料及方法

（1）试验材料及工艺

试验材料为40Cr钢（调质后基体硬度约为274HV），采用线切割加工金相试样，磨损试验试样尺寸φ30mm×10mm，耐腐蚀试验试样尺寸φ10mm×100mm，分别对各试样进行编号，经不同热表处理时各试样的编号信息如表1所示。试样表面进行磨削加工，使表面粗糙度值达到1.6μm，试样热表处理前经过无水丙酮清洗、清水漂洗、吹干处理。经不同热表处理时，工艺参数如表2所示。经过QPQ处理和氧化处理后，试样表面为黑色，经过镀铬处理后表面为银亮色，而经过离子渗氮处理后其表面为银灰色。

表1 不同热表处理试样编号

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表2 40Cr钢热表处理工艺参数

（2）显微硬度试验

用细砂纸将经过各热表处理工艺的金相试样（a1、d1）打磨至发亮，用于检测金相和测量硬度。在金相镶嵌后，测量渗层表面到基体硬度梯度。试验所用显微硬度计，试验力为0.098N（10gf），保压时间为10s；将制作好的金相试样用4%硝酸、酒精溶液腐蚀，待试样干燥后，用4XB型金相显微镜观察试样组织。

（3）磨损试验

采用M-2000A型环块磨损试验机对经过各热表处理工艺的磨损试样（a2、b2、c2、d2）进行滑动磨损试验，与之对磨的摩擦副为GCr15钢试环，硬度为57HRC，外径为40mm，环的转速为200r/min，所加载荷为100N，总的磨损时间为30min。磨损试样的前后面，用丙酮反复将其清洗后烘干，并用精度为0.1mg的电光分析天平称量试样的磨损失重。

（4）耐蚀性试验

用KD60盐雾试验机，按GB/T10125对经过不同热表处理工艺的试样（a3、b3、c3、d3）进行中性盐雾试验。试验所用的腐蚀介质为含5%的NaCl，pH值为6.7的盐水溶液，试验箱温度为35℃，喷嘴压力为83kPa，以24h为一个观察期，间歇式喷雾8h，停16h。

二、试验结果与分析

（1）渗层硬度

经过不同工艺处理后40Cr钢硬度分布如表3所示。由表3可知：经过QPQ、离子渗氮、镀铬后表面硬度分别达到711HV、525HV、703HV，硬度梯度由表面至基体逐渐减小。试样经氧化处理后由于氧化膜层很薄，细砂纸打磨后试样表面无氧化膜存在，故无法测其硬度。

表3 显微硬度测试结果

（2）渗层金相组织

图1a、b分别为经过离子渗氮、QPQ处理后40Cr钢的金相照片。由于经过镀铬后试样镀层组织是纯铬，经过氧化后表面为很薄的黑色Fe3O4氧化膜，故此两种工艺处理后不必看试样的金相。

图1 不同工艺处理后40Cr的金相组织

由图1可知：QPQ、离子渗氮的渗层组织由表到里都是由化合物层、扩散层组成，图中白色带状为化合物层。只是QPQ表面多了的氧化层在金相显微镜下观察不到。从图中可以看到离子渗氮处理时间为QPQ处理的7倍，但所形成的化合物层厚度约为QPQ处理化合物层厚度的一半，在化合物层均匀性方面，从图中可看到经QPQ处理后试样的渗层组织更为均匀，而离子渗氮后试样组织均匀性较差些。

（3）滑动磨损试验结果

在上面所述磨损试验条件下，不同工艺处理过的试样磨损值比较如表4所示。由表4可知：经QPQ处理过的试样在30min试验中磨损值最低为1.9mg。其滑动磨损的耐磨性是镀铬的1.45倍，是离子渗氮的4.32倍，是氧化的7.9倍，可见经QPQ处理过的试样耐磨性大幅提高。

表4 滑动磨损试验磨损值比较

（4）渗层腐蚀性能结果

在上面所述耐腐蚀试验条件下，经不同工艺处理过的试样中性盐雾试验结果如表5所示。由表5可知：经QPQ处理的40Cr钢试样抗盐雾腐蚀能力为镀铬的3.2倍，离子渗氮的8倍，氧化的32倍。这表明经QPQ处理后的钢件耐蚀性大幅提高了。

表5 中性盐雾试验耐蚀性比较

（5）结果分析

在4种工艺处理中：QPQ处理时，40Cr钢表面形成了Fe2～3N高浓度氮化物层和致密的Fe3O4氧化膜。这种化合物层具有较高的硬度和耐磨性，而镀铬层的结合力不够强，在滑动磨损试验中，镀铬层易剥落，故其耐磨性不如QPQ，但与离子渗氮后表面的低氮合金组织比较，耐磨性又好点，而经氧化后表面仅为Fe3O4氧化膜，此组织硬度很低，仅有防腐作用；另外QPQ处理后试样之所以有极高的耐蚀性，主要是由于高耐蚀性的Fe2～3N化合物层和表面致密的氧化膜，且氧能延伸到更深的化合物层内，从而使化合物层进一步钝化来使表面有更高的耐蚀性。

三、结语

（1）经过QPQ处理的40Cr钢表面生成了Fe2～3N高浓度氮化物和致密Fe3O4氧化膜，其表面的显微硬度、耐磨性和耐蚀性有极大的提高。

（2）经QPQ、镀铬、离子渗氮、氧化处理后，40Cr钢表面的耐磨性越来越低，其表面的耐蚀性也越来越低。

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