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QPQ處理對40Cr鋼滲層組織影響的研究

2021-06-03 15:45:39 作者：甄延波來源：熱處理生態圈分享至：

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。

一、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，使表面粗糙度值達到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

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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。

二、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

（2）滲層金相組織

圖1a、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。

圖1 不同工藝處理后40Cr的金相組織

由圖1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

（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

（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。

三、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。

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