QPQ处理对40Cr钢渗层组织影响的研究

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QPQ 处理对40Cr 钢渗层组织影响的研究
■ 甄延波，赵娜，程良，常森，韩壮壮
摘要：对40Cr 钢进行QPQ 盐浴氮氧化复合处理、离子渗氮、镀铬、氧化处理，用显微硬度计、金相显微镜测试了试样表面的显微硬度梯度，观察了渗层组织，用磨损试验机、中性盐雾试验机进行了耐磨性和耐腐蚀性研究。

结果表明：经过QPQ 处理后的40Cr 钢表面生成了Fe 2～3N 高浓度氮化物层和致密Fe 3O 4氧化膜，其相应的耐磨性和耐蚀性是四种工艺中最高的。

关键词：QPQ ；耐磨性；耐蚀性
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。

1. 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。

（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，
表1 不同热表处理试样编号
试样类别QPQ 处理
氧化镀铬离子渗氮金相试样a1——d1磨损试验试样a2b2c2d2耐腐蚀试验试样
a3
b3
c3
d3
表2 40Cr 钢热表处理工艺参数
试样
工艺热表处理工艺参数
a1，a2，a3QPQ 处理预热（360℃×30m i n ）+渗氮（630℃×120m i n ）+氧化
（380℃×30min ）
b2，b3氧化槽液（NaOH:NaNO 2=2:1），氧化（140℃×20 min ）c2，c3镀铬槽液（CrO 3:250g/L+H 2SO 4:3g/L ），镀铬（55℃×50A/dm 2）
d1，d2，d3
离子渗氮
辉光离子渗氮（520℃×20h ）
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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0.1m g 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G B/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 。

2. 试验结果与分析
（1）渗层硬度 经过不同工艺处理后40C r 钢硬度分布如表3所示。

由表3可知：经过Q P Q 、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。

（2）渗层金相组织 附图a 、b 分别为经过离子渗氮、QPQ 处理后40C r 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F e 3O 4氧化膜，故此两种工艺
处理后不必看试样的金相。

由附图可知：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Q P Q 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1.9m g 。

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。

（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。

（5）结果分析 在4种工艺处理中：Q P Q 处理时，40C r 钢表面形成了Fe 2～3N 高浓度氮化物
表3 显微硬度测试结果
距表面距离/μm 0100200300400500离子渗氮表面硬度HV 525462375310274274QPQ 表面硬度HV 711303300274273270镀铬表面硬度HV 703274274273274273氧化表面硬度HV
—
274
274
274
273
274
（a ）离子渗氮处理 （b ）QPQ 处理
不同工艺处理后40Cr 的金相组织
表4 滑动磨损试验磨损值比较
序号处理方法硬度HV 磨损值/mg 相对磨损比
1
QPQ 处理711
1.9
1
2镀铬
703 2.75 1.453离子渗氮5258.2 4.32
4
氧化—157.9
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层和致密的F e 3O 4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Q P Q ，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F e 3O 4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
表5 中性盐雾试验耐蚀性比较
序号处理方法开始生锈时间/h
相对耐蚀性比较
1QPQ 处理25612镀铬800.313离子渗氮320.134
氧化
8
0.03
性的Fe 2～3N 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。

3. 结语
（1）经过QPQ 处理的40Cr 钢表面生成了Fe 2～3N 高浓度氮化
物和致密F e 3O 4氧化膜，其表面的显微硬度、耐磨性和耐蚀性有极大的提高。

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（2）经Q P Q 、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。

参考文献：
[1] 李惠友，罗德福，吴少
旭.Q P Q 技术的原理与应用[M ].北京：机械工业出版社，2008：2-4.
[2] 师蔷，王群，曹宏哲.QPQ 盐
浴复合处理对35钢组织和性能的影响[J].材料热处理技术，2008（10）：84.
作者简介：甄延波、赵娜、程良、常森、韩壮壮，山西航天清华装备有限责任公司。

高碳铬轴承钢制轴承零件淬火组织缺陷分析
■ 孙钦贺
摘要：对高碳铬轴承钢零件淬火后产生的显微组织主要缺陷原因进行了分析，并针对性地提出预防纠正措施。

关键词：轴承；高碳铬轴承钢；淬火；缺陷；措施
高碳铬钢制轴承零件马氏体淬回火后组织应为隐晶、细小结晶或小针状马氏体、均匀分布的细小残留碳化物和少量的残留奥氏体，除微型轴承外，允许存在
少量的针状或块状屈氏体（如图1所示）。

淬回火后的显微组织按《JB/T1255—2014 滚动轴承 高碳铬轴承钢零件 热处理技术条
件》标准条款3.2.2显微组织的规定。

具有这种组织的高碳铬轴承钢硬度、强度、耐磨性和耐疲劳性能都很好。

经过回火还可以使轴承钢获得一定弹性、韧性、尺。