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    鹽浴QPQ——QPQ控制定義及要點

    2022-1-22
    QPQ鹽浴復合處理是一種先進的金屬熔鹽表面強化改性技術,是英文“Quench—Polish—Quench”的字頭縮寫。原意為淬火—拋光—淬火,在國內把它稱作QPQ鹽浴復合處理技術,將工件在兩種不同性質的熔融鹽液中先后進行處理,使多種元素同時滲入金屬表面,形成由幾種化合 物組成的復合滲層,使金屬表面得到強化改性,耐磨性、抗蝕性和耐疲勞性同時得到大幅度提高。其中“鹽浴復合”的含義是指在氮化鹽浴和氧化鹽浴兩種鹽浴中處理工件。


     QPQ鹽浴復合熱處理技術是一種新的金屬表面強化改性技術。該技術實現了滲氮工序和氧化工序的復合,氮化物和氧化物的復合,耐磨性和抗蝕性復合,熱處理技術和防腐技術的復合。


    一、QPQ復合處理與單一提高耐磨性的傳統熱處理技術和單一提高抗蝕性的表面處理相比,有如下特點: 
    1、良好的耐磨性、耐疲勞性能 ,使產品的表面硬度、耐磨性、抗腐蝕性和耐疲勞性同時大幅度提高。


     例如:大量生產應用及試驗證明,QPQ技術可以提高工模具壽命2倍以上。嚴格的滾動和滑動磨損試驗說明45鋼、400Cr鋼經QPQ鹽浴復合處理后,其耐磨性比高頻淬火高15倍以上,比20鋼滲碳淬火高10倍以上,比鍍硬鉻和離子滲氮高2倍以上。調質的45鋼,經QPQ處理后其疲勞強度提高40,最高可提高100。 經QPQ鹽浴復合處理的45#鋼、40Cr鋼(退火態)的耐磨性,達到淬火及高頻淬火的16倍以上;經QPQ鹽浴復合處理的20#鋼,耐磨性達到滲碳淬火的9倍以 上,是鍍硬鉻和離子氮化的2倍多。經QPQ鹽浴復合處理的45號鋼,其疲勞極限提高4O%左右。


    例如:45鋼經QPQ處理后在大氣中和鹽霧中的抗蝕性比鍍硬鉻高16倍以上,比發黑高7O倍以上。


    2、可取代多種工藝


      它常常用來取代滲碳淬火、高頻淬火、離子滲氮、軟氮化、調質、易變形件的淬火等常規熱處理和表面強化技術,以提高金屬表面硬度和耐磨、耐疲勞性能,特別是用來解決硬化變形難題?捎脕砣〈l藍、鍍硬鉻、鍍裝飾鉻、鍍鎳、鍍 鋅、硫化、等常規表面處理工藝,大幅度提高零件的抗蝕性,大大降低生產成本。45鋼經QPQ處理以后,在大氣和鹽霧試驗中的抗蝕性比發黑高70倍以上,比鍍鉻高16倍以上,甚至比1Cr18Ni9Ti奧氏體不銹鋼還高5倍。QPQ技術為使廉價的碳鋼代替不銹鋼開辟了廣闊的發展前景。 適應于各種結構鋼、工具鋼、耐熱不銹鋼、純鐵、鑄鐵及各種鐵基粉末冶金件。適應于各種要求高耐磨、高抗蝕、耐疲勞和微變形的場合。如:汽車、摩托車、機車、工程機械、農業機械、輕工機械、紡織機械、機床、儀器、儀表、槍械、齒輪、工模具等行業。


    3、可以取代多道工序


    用本工藝進行一次處理,可以取代淬火一回火一發黑三道工序,或取代滲碳—淬火—回火—鍍硬鉻四道工序.根據產品的不同性能要求,全部生產過程10分 鐘—3小時, 生產成本低,大幅度節能。




    二、QPQ和其他工藝的技術對比:


    強化效果及其重現性


    氣體滲氮


    強化效果良好但是同一爐次及不同爐次間易存在不均勻


    離子滲氮


    強化效果優良,但是對于較窄的工作帶易產生狹縫現象及邊角效應


    QPQ工藝


    強化效果及重現性優良




    主要性能


    氣體滲氮


    耐磨性好、抗咬合性一般、抗疲勞性較好、工件脆性大、工件變形大


    離子滲氮


    耐磨性好、抗咬合性差、抗疲勞性較好、工件脆性大、工件變形大


    QPQ工藝


    耐磨性好、抗咬合性好、抗疲勞性較好、工件脆性小、微變形


    三、QPQ鹽浴復合熱處理的工藝過程
    1、工藝原理
    1.1 基本工藝過程:
        QPQ鹽浴復合處理主要工序有:
    預熱:350-400℃ 20-40min
    氮化:510-580℃ 30-180min
    氧化:350-400℃ 15-20min
    工藝過程為:裝卡——清洗去油——預熱——氮化——氧化——清洗去鹽——干燥——浸油。
    1.2 各工序的基本作用:
    預熱:預熱的主要作用是烤干工件表面的的水分,使冷工件升溫后再入氮化爐,以防工件帶水入氮化爐引起鹽浴濺射和防止冷工件入爐后鹽浴溫度下降太多。同時預熱對減少工件變形和獲得色澤均一的外觀也有一定作用。預熱工序通常在空氣爐中進行。
    氮化:氮化是QPQ鹽浴復合熱處理技術的核心工序。氮化鹽中氰酸根的分解而產生的活性氮原子滲入工件,在工件表面形成耐磨性和抗蝕性很高的化合物層和耐疲勞的擴散層。
    氧化:氧化工序的作用一是徹底分解工件從氮化爐帶出來的氰根,達到環保要求。二是在工件表面形成黑色氧化膜,增加防腐能力,對提高耐磨性也有一定好處。
    1.3 QPQ鹽浴復合處理的主要原料:
    QPQ鹽浴復合處理的主要原料為三種生產用鹽。
    基鹽:基鹽在氮化爐中熔化形成高氰酸根(CNO- )的氮化鹽浴;}除了第一次開始生產時熔化裝滿氮化爐之外,在正常生產中浴面下降時,也應加入基鹽以提高浴面。
    調整鹽:在生產過程中當氮化鹽浴的氰酸根下降時,應向氮化爐補加調整鹽,以使氰酸根含量維持在規定的范圍之內。
    氧化鹽:氧化鹽用于氧化鹽浴,浴面下降時直接補加氧化鹽。
    1.4 QPQ處理后的工件滲層組織
    在QPQ處理過程中預熱和氧化兩道工序只能形成氧化膜,在氮化工序形成較深的復雜滲層。
    工件浸入氮化鹽浴后,氰酸根分解產生的N、C原子可在工件表面形成高的N勢和C勢。由于N原子半徑僅為Fe原子半徑的一半,而C原子的半徑更小,所以N、C原子可以在Fe原子的點陣間隙中進行擴散。
    在QPQ處理的氮化溫度(510-580℃)下,工件表面的高濃度N、C原子向內部擴散,先形成在α-Fe中的固溶體。隨著表面原子濃度的提高,逐漸形成γ′(Fe4 N)化合物和ε(Fe2-3N)化合物。最終由工件表面向中心形成N、C的濃度梯度。滲層組織為化合物層ε相、ε相+γ′相、γ′相,化合物層以下是N在α-Fe中的固溶體,形成擴散層。
    因此,QPQ處理后的工件滲層組織由三層構成:外表為氧化膜;中間為化合物層;向內為擴散層。其中以化合物層最為重要,其主要組成為Fe2-3N,它是提高耐磨性的可靠保證,同時它的抗蝕性也很好。氧化膜的主要作用是與化合物一起構成極好的抗蝕層。同時它處于多孔狀態,可以儲油,減少摩擦,對提高耐磨性有利,同時還有美化外觀的作用。擴散層主要作用是提高工件的疲勞強度,對增加細薄件的整體強度和彈性也有很大的作用。


    2、滲層質量的影響因素及控制:
    根據工藝原理我們看到QPQ處理的工件質量好壞主要取決于滲層是否達到技術要求,工藝的關鍵是各種參數保證滲層的需要,而決定滲層的主要因素是氮化溫度、氮化時間、氮化鹽浴中的氰酸根含量和基體材料四個因素:
    2.1氮化溫度的控制 :
    氮化溫度主要根據基體材料的種類來決定,其次要考慮工件的強度要求。氮化溫度太低,不能形成足夠深度的滲層;氮化溫度太高,疏松層嚴重,氮化溫度超過回火溫度則會降低基體的硬度。
    一般工模具可選用510~520℃
    高速鋼刀具可選用540~550℃
    高速鋼模具或耐磨零件可選用570℃
    結構鋼、不銹耐熱鋼或鑄鐵件可選用570℃
    2.2氮化時間的控制:
    氮化時間的長短主要取決于工件的種類及服役條件而定。時間太短,不能形成足夠深度的滲層,時間過長則疏松嚴重。
    根據工件的服役條件,采用的氮化時間分為三類:
    要求耐磨性的零件,采用120~130分鐘
    主要用于防腐性零件采用90~100分鐘
    薄板沖壓,增加彈性零件采取40~50分鐘
    2.3 CNO-含量的控制
    根據QPQ鹽浴復合處理的原理,氮化鹽浴的CNO-不得低于30%,最高不要超過40%。
    2.4基體材料的控制:
    設計部門根據零件的服役狀況,合理選擇材質,基本思路是:抗蝕性要求高的零件選用合金材料,達到滿足基本硬度和氮化溫度的需要?刮g性要求一般的零件選用碳素結構鋼,既經濟又能滿足產品的需要。


    四、產品質量控制重點及檢測方法
    1、外觀質量控制
    經QPQ鹽浴復合處理的工件表面呈黑色或藍黑色。
    檢驗標準:按專利技術文件的規定為:在500LX的照度下,距燈300mm肉眼觀察,表面顏色應比較均勻一致,不得有明顯的花斑、銹跡、發紅。而不應在室外強烈陽光下檢查工件外觀。
    生產中發現,熔鹽和工藝稍有控制不好時,工件易產生發花、發紅現象,尤其是材料含Si量多時,如27SiMn、30CrMnSi等材料,工件外表發花、發紅現象極多,雖然此現象不影響工件的耐磨和抗蝕性,但影響工件的美觀。為提高工件的外表質量,使其基本達到顏色一致需采取下列措施:
    2、 控制熔鹽的清潔度
    氮化鹽浴中懸浮細粒狀渣過多,使鹽浴變成黑灰色時,應及時采用濾渣器濾渣,必要時要更換新溶液。
    3、嚴格執行工件的前清洗,去除工件表面的油漬和沉積物,有銹的工件要經過酸洗去除銹漬。
    4、 工件表層出現輕微的發紅現象,可采用擦拭的辦法去除;較嚴重的要進行返工處理。


    5、耐磨性:帶同材料的試棒,維氏硬度要達到工藝規定,證實滲層已達到要求。
    6、抗蝕性:用10%CuSO4溶液滴試工件非棱角處,30分鐘不析出銅,即表示有完整滲層,防銹能力滿足要求。
    QPQ鹽浴復合熱處理技術在軍工領域具有廣泛的應用前景。而這種工藝的質量控制對生產方和使用方來講,都是一個新課題,必須有相應的工藝保障措施和質量監控措施,才能保證QPQ處理后的零件達到所規定的質量要求。


    五、QPQ常用參數
    QPQ處理后滲層的硬度 
    1、碳鋼、低合金鋼


    代表鋼號:20、45、T10、20Cr、40Cr等。 滲層表面硬度500-700HV,相當于HRC50-60。


    2、合金鋼


    代表鋼號:6Cr2W8V、Cr12MoV、38CrMoAl、1Cr13-4Cr13


    滲層表面硬度850-1000HV相當于HRC65-69。


    3、高速鋼、奧氏體不銹鋼


    代表鋼號:淬火的W18Cr4V、W6Mo5、Cr4V2及1Cr18Ni9Ti。


    滲層表面硬度1000-1200HV相當于HRC69-75.


    4、鑄鐵


    各種灰口鑄鐵、可鍛鑄鐵、球墨鑄鐵等。 滲層表面硬度,500HV相當于,HRC50。


    4.質量穩定,操作簡便,極小的變形 。


    QPQ鹽浴復合處理以后,工件的尺寸和形狀幾乎無變化。因此該技術可以用來解決常規熱處理無法解決的硬化變形難題。




    常用材料QPQ處理工藝參數及滲層性能


    材料種類   代表牌號  前處理   表面硬度   化合物層深


    低碳鋼 A3,10#,20# — Hv 500-700 15-20μ


    中碳鋼 45#,40Cr 不處理或調質 Hv 600-750 12-20μ


    氮化鋼 38CrMoAl 調質 Hv 950-1000 9-15μ


    鑄模鋼 3Cr2W8V 淬火 Hv 950-1050 6-10μ


    擠模鋼 H13 淬火 Hv 950-1100 6-10μ


    熱模鋼 5CrMnMo 淬火 Hv 750-900 9-15μ


    冷模鋼 Cr12MoV 高溫淬火 Hv 950-1100 6-15μ


    高速鋼 W6Mo5Cr4V2 淬火 Hv 1000-1200 -


    不銹鋼 1Cr13,4Cr13 — Hv 900-1000 6-10μ


    不銹鋼 1Cr18Ni9Ti — Hv 950-1100 6-10μ


    氣門鋼 5Cr21Mn9Ni4N


    固溶 Hv 900-1100 3-8μ


    灰鑄鐵 HT20-40 — Hv 500-700 總深度100μ


    球墨鐵 QT60-20 — Hv 600-800 總深度100μ




     

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