3.11 QPQ表面强化技术

QPQ原意为淬火-抛光-淬火，从专业技术上讲，这种说法不够确切，但在国际上已沿用至今，在国内被称作QPQ盐浴复合处理技术，其中“复合”的含义有较为深刻的内涵。在工艺上是指在渗氮盐浴和氧化盐浴中处理工件，实现渗氮和氧化工艺的复合；渗层组织是氮化物和氧化物的复合；性能上是耐磨性和耐蚀性的复合；技术上是热处理技术和表面处理技术的复合。QPQ技术的实质是低温盐浴渗氮+盐浴氧化或低温盐浴氮碳共渗+盐浴氧化。

QPQ技术是近年来发展起来的新的表面强化技术。该项技术的核心，即无公害的盐浴配方，原由德国迪高沙公司独家垄断。我国成都工具所李惠友等经过十多年不懈努力，独立开发了这项新技术，并已在全国大面积推广，取得了很好的社会效益，使中国在金属盐浴表面强化技术领域达到了国际先进水平。该项新技术作为“九五”国家级重点推广项目，在替代国外引进技术，提高产品的耐磨性和耐蚀性，解决产品变形难题，以及节能减排消除环境污染等方面，都具有广泛的应用前景。

1.QPQ处理工艺

QPQ技术主要有三种盐：即基盐（渗氮基盐，TF1）、调整盐（再生盐，REG1）和氧化盐（冷却盐，AB1）。

图3-10 QPQ技术工艺曲线

美国底特津的科林公司在引进德国迪高沙公司的无公害盐浴复合处理全部工艺过程以后，增加一道抛光工序，抛光以后再补加一次氧化处理。现在，把这一技术与迪高沙公司的无公害盐浴复合处理技术结合起来，统称为QPQ新技术。QPQ新技术工艺曲线如图3-10所示。

520～580℃渗氮是QPQ技术的核心工序。渗氮盐浴中的氰酸根在工作温度下会发生分解，产生活性氮原子。活性氮原子有较强的扩散能力，不断被金属表面吸收、向内扩散、渗入金属晶格内部，并最终形成化合物层和扩散层。这是QPQ技术提高金属表面耐磨性、耐蚀性及疲劳性能的主要原因。

氧化工序的主要作用是分解工件从渗氮炉中带出来的盐，使其氰根彻底分解，消除公害；同时氧化工序在金属表面形成黑色的氧化膜，增加金属表面的耐蚀性，并且保证有一个漂亮的外观；氧化工序还可以使化合物层氧化，增加化合物层中的氧含量，使其钝化，从而大幅度提高耐蚀性。

美国增加抛光再氧化工序的目的在于去除氮化物层外面的疏松层，并使工件表面补充氧，以进一步提高金属表面的耐蚀性和耐磨性，同时美化外观。

在增加一道抛光工艺后，用盐浴复合处理（TF1-AB1）可使工件的表面粗糙度大大改善。试验表明，在粗糙度改善的同时，耐蚀性却有所下降，经过再次氧化，耐蚀性得以恢复，同时还保留了抛光后低的表面粗糙度值。工件经QPQ新工艺处理后，耐蚀性大幅度提高，外观赏心悦目。

2.主要工序中的化学反应

（1）预热工序中的化学反应 在350～400℃预热温度下，金属表面与空气中的氧发生氧化反应，生成铁的氧化物。化学反应为：2Fe+O₂→2FeO

实践证明，在此温度下金属表面被氧化不但对渗氮无害，反而会促进氮的渗入，有利于氮化物的形成。其化学反应为：6FeO+2[N]→2Fe₃N+3O₂

在相同处理规范下，经过氧化的金属表面比未经氧化的金属表面渗层的深度要深一些。

（2）渗氮工序中的化学反应 渗氮盐浴中有质量分数为30%多的氰酸根。在520～580℃渗氮温度下氰酸根发生分解，产生活性氮原子渗入金属表面，形成化合物层和扩散层。化合物层为Fe₃N和Fe₄N，反应为：

氰酸根分解产生的CO进而分解出碳原子渗入工件表面，形成碳化物或固溶体。2CO→CO₂+[C]3Fe+[C]→Fe₃C

由于氮和碳的同时渗入，所以这种盐浴渗氮技术又被称作氮碳共渗，但是渗氮在过程中起主要作用，渗氮对工件的性能影响很小。严格地说，由于工件还要进行氧化工序，所以渗层中还有氧元素的存在。

关于氰酸根的分解还有另外一种化学反应式，在盐浴不工作而通空气时，在空气中氧的作用下发生分解。

在盐浴渗氮时还有一种化学反应，在向盐浴中通空气时，盐浴中的氰根可能通过氧化的方法，生成氰酸根，从而升高盐浴的氰酸根含量。

这是从前采用通空气的方法提高氰化物盐浴中氰酸根含量的原理，也是李惠友先生等开发QPQ技术用氧化剂使氰根氧化成氰酸根的理论依据。

国外有人向渗氮盐中通CO₂气体，使盐浴中的氰根氧化成氰酸根。

在批量生产的条件下，工件与渗氮盐浴作用的结果会使盐浴中的氰酸根分解成CO32-，从而使氰酸根的含量降低。加入调整盐（也称再生盐REGI）的作用就是使分解出来的CO₃²-再氧化成CNO^-。

（3）氧化工序中的化学反应 氧化盐浴可以使工件从渗氮盐浴中带出来的氰根分解成碳酸盐而沉淀，同样氰酸根也会被分解成碳酸盐沉渣，从而达到无公害的效果。这两个化学反应式可表达为：

工件在氧化盐浴中表面被氧化，夹具和铁制的坩埚也会被氧化。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处理

（1）刀具QPQ处理 高速工具钢刀具的渗氮温度与回火温度相同或略低，用Cr12MoV钢制造的刀具应作高淬（1020～1050℃）高回（500～520℃）处理，然后进行520℃左右的QPQ处理。其渗氮时间参考高速工具钢刀具。高速工具钢刀具渗氮时间的长短，主要取决于刀具的种类和服役条件。渗氮时间的长短最好通过现场切削试验确定。机械厂的自用刀具，可以先从短的渗氮时间试起，逐渐加长渗氮时间，增加渗层厚度，直至刀具产生轻微崩刃为止，最后找出切削寿命最高、又不产生崩刃的最佳渗氮时间。

在高速工具钢刀具渗氮时间试验时，一般渗氮温度为540～550℃，薄刃或小规格刀具宜选用下限温度，厚刃或大规格刀具宜选上限温度。盐浴中的氰酸根含量应加以控制，以中限质量分数32%～34%较佳。

表3-43是李惠友等根据大量试验和用户的现场经验总结出来的刀具渗氮时间参考值。该表提供了刀具有较好的切削寿命、又不产生崩刃的大体渗氮时间范围，并非最佳的渗氮时间，仅供参考。

表3-43 QPQ处理刀具渗氮时间

（2）模具QPQ处理 承受较大压力的模具，心部必须有较高的强度，如压铸模、锻模、挤压模、冷冲模等，在进行QPQ处理前，应进行认真的热处理。常用的牌号有W6Mo5Cr4V2、7Cr7Mo3V2Si、3Cr2W8V、5CrNiMo、5CrMnMo、Cr12MoV、4Cr5MoSiV1、6Cr4W3Mo2VNb等。这类钢制模具经QPQ处理后在不降低心部硬度的情况下，可明显提高表面的耐磨性和耐蚀性，从而大大提高模具的使用寿命。

对于塑料模、橡胶模、玻璃模等模具，由于模具在服役过程中受力不大，主要要求模具的内腔耐磨、耐蚀、耐疲劳，可以用中碳合金结构钢经退火或调质处理，再作QPQ处理。这样既能保证模具内腔的尺寸精度和表面粗糙度，同时又能保证模具的耐磨性和耐蚀性，从而可以大幅度地提高模具的使用寿命。