3.11 QPQ表面強化技術

QPQ原意為淬火-拋光-淬火，從專業技術上講，這種說法不夠確切，但在國際上已沿用至今，在國內被稱作QPQ鹽浴復合處理技術，其中“復合”的含義有較為深刻的內涵。在工藝上是指在滲氮鹽浴和氧化鹽浴中處理工件，實現滲氮和氧化工藝的復合；滲層組織是氮化物和氧化物的復合；性能上是耐磨性和耐蝕性的復合；技術上是熱處理技術和表面處理技術的復合。QPQ技術的實質是低溫鹽浴滲氮+鹽浴氧化或低溫鹽浴氮碳共滲+鹽浴氧化。

QPQ技術是近年來發展起來的新的表面強化技術。該項技術的核心，即無公害的鹽浴配方，原由德國迪高沙公司獨家壟斷。我國成都工具所李惠友等經過十多年不懈努力，獨立開發了這項新技術，并已在全國大面積推廣，取得了很好的社會效益，使中國在金屬鹽浴表面強化技術領域達到了國際先進水平。該項新技術作為“九五”國家級重點推廣項目，在替代國外引進技術，提高產品的耐磨性和耐蝕性，解決產品變形難題，以及節能減排消除環境污染等方面，都具有廣泛的應用前景。

1.QPQ處理工藝

QPQ技術主要有三種鹽：即基鹽（滲氮基鹽，TF1）、調整鹽（再生鹽，REG1）和氧化鹽（冷卻鹽，AB1）。

圖3-10 QPQ技術工藝曲線

美國底特津的科林公司在引進德國迪高沙公司的無公害鹽浴復合處理全部工藝過程以后，增加一道拋光工序，拋光以后再補加一次氧化處理。現在，把這一技術與迪高沙公司的無公害鹽浴復合處理技術結合起來，統稱為QPQ新技術。QPQ新技術工藝曲線如圖3-10所示。

520～580℃滲氮是QPQ技術的核心工序。滲氮鹽浴中的氰酸根在工作溫度下會發生分解，產生活性氮原子。活性氮原子有較強的擴散能力，不斷被金屬表面吸收、向內擴散、滲入金屬晶格內部，并最終形成化合物層和擴散層。這是QPQ技術提高金屬表面耐磨性、耐蝕性及疲勞性能的主要原因。

氧化工序的主要作用是分解工件從滲氮爐中帶出來的鹽，使其氰根徹底分解，消除公害；同時氧化工序在金屬表面形成黑色的氧化膜，增加金屬表面的耐蝕性，并且保證有一個漂亮的外觀；氧化工序還可以使化合物層氧化，增加化合物層中的氧含量，使其鈍化，從而大幅度提高耐蝕性。

美國增加拋光再氧化工序的目的在于去除氮化物層外面的疏松層，并使工件表面補充氧，以進一步提高金屬表面的耐蝕性和耐磨性，同時美化外觀。

在增加一道拋光工藝后，用鹽浴復合處理（TF1-AB1）可使工件的表面粗糙度大大改善。試驗表明，在粗糙度改善的同時，耐蝕性卻有所下降，經過再次氧化，耐蝕性得以恢復，同時還保留了拋光后低的表面粗糙度值。工件經QPQ新工藝處理后，耐蝕性大幅度提高，外觀賞心悅目。

2.主要工序中的化學反應

（1）預熱工序中的化學反應 在350～400℃預熱溫度下，金屬表面與空氣中的氧發生氧化反應，生成鐵的氧化物。化學反應為：2Fe+O₂→2FeO

實踐證明，在此溫度下金屬表面被氧化不但對滲氮無害，反而會促進氮的滲入，有利于氮化物的形成。其化學反應為：6FeO+2[N]→2Fe₃N+3O₂

在相同處理規范下，經過氧化的金屬表面比未經氧化的金屬表面滲層的深度要深一些。

（2）滲氮工序中的化學反應 滲氮鹽浴中有質量分數為30%多的氰酸根。在520～580℃滲氮溫度下氰酸根發生分解，產生活性氮原子滲入金屬表面，形成化合物層和擴散層。化合物層為Fe₃N和Fe₄N，反應為：

氰酸根分解產生的CO進而分解出碳原子滲入工件表面，形成碳化物或固溶體。2CO→CO₂+[C]3Fe+[C]→Fe₃C

由于氮和碳的同時滲入，所以這種鹽浴滲氮技術又被稱作氮碳共滲，但是滲氮在過程中起主要作用，滲氮對工件的性能影響很小。嚴格地說，由于工件還要進行氧化工序，所以滲層中還有氧元素的存在。

關于氰酸根的分解還有另外一種化學反應式，在鹽浴不工作而通空氣時，在空氣中氧的作用下發生分解。

在鹽浴滲氮時還有一種化學反應，在向鹽浴中通空氣時，鹽浴中的氰根可能通過氧化的方法，生成氰酸根，從而升高鹽浴的氰酸根含量。

這是從前采用通空氣的方法提高氰化物鹽浴中氰酸根含量的原理，也是李惠友先生等開發QPQ技術用氧化劑使氰根氧化成氰酸根的理論依據。

國外有人向滲氮鹽中通CO₂氣體，使鹽浴中的氰根氧化成氰酸根。

在批量生產的條件下，工件與滲氮鹽浴作用的結果會使鹽浴中的氰酸根分解成CO32-，從而使氰酸根的含量降低。加入調整鹽（也稱再生鹽REGI）的作用就是使分解出來的CO₃²-再氧化成CNO^-。

（3）氧化工序中的化學反應 氧化鹽浴可以使工件從滲氮鹽浴中帶出來的氰根分解成碳酸鹽而沉淀，同樣氰酸根也會被分解成碳酸鹽沉渣，從而達到無公害的效果。這兩個化學反應式可表達為：

工件在氧化鹽浴中表面被氧化，夾具和鐵制的坩堝也會被氧化。工件表面被氧化以后生成Fe₃O₄氧化膜。Fe₃O₄是FeO和Fe₂O₃的混合物。

3.刀具、模具QPQ處理

（1）刀具QPQ處理 高速工具鋼刀具的滲氮溫度與回火溫度相同或略低，用Cr12MoV鋼制造的刀具應作高淬（1020～1050℃）高回（500～520℃）處理，然后進行520℃左右的QPQ處理。其滲氮時間參考高速工具鋼刀具。高速工具鋼刀具滲氮時間的長短，主要取決于刀具的種類和服役條件。滲氮時間的長短最好通過現場切削試驗確定。機械廠的自用刀具，可以先從短的滲氮時間試起，逐漸加長滲氮時間，增加滲層厚度，直至刀具產生輕微崩刃為止，最后找出切削壽命最高、又不產生崩刃的最佳滲氮時間。

在高速工具鋼刀具滲氮時間試驗時，一般滲氮溫度為540～550℃，薄刃或小規格刀具宜選用下限溫度，厚刃或大規格刀具宜選上限溫度。鹽浴中的氰酸根含量應加以控制，以中限質量分數32%～34%較佳。

表3-43是李惠友等根據大量試驗和用戶的現場經驗總結出來的刀具滲氮時間參考值。該表提供了刀具有較好的切削壽命、又不產生崩刃的大體滲氮時間范圍，并非最佳的滲氮時間，僅供參考。

表3-43 QPQ處理刀具滲氮時間

（2）模具QPQ處理 承受較大壓力的模具，心部必須有較高的強度，如壓鑄模、鍛模、擠壓模、冷沖模等，在進行QPQ處理前，應進行認真的熱處理。常用的牌號有W6Mo5Cr4V2、7Cr7Mo3V2Si、3Cr2W8V、5CrNiMo、5CrMnMo、Cr12MoV、4Cr5MoSiV1、6Cr4W3Mo2VNb等。這類鋼制模具經QPQ處理后在不降低心部硬度的情況下，可明顯提高表面的耐磨性和耐蝕性，從而大大提高模具的使用壽命。

對于塑料模、橡膠模、玻璃模等模具，由于模具在服役過程中受力不大，主要要求模具的內腔耐磨、耐蝕、耐疲勞，可以用中碳合金結構鋼經退火或調質處理，再作QPQ處理。這樣既能保證模具內腔的尺寸精度和表面粗糙度，同時又能保證模具的耐磨性和耐蝕性，從而可以大幅度地提高模具的使用壽命。