CN112095073B - 一种强韧性的qpq处理工艺 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种强韧性的QPQ处理工艺,包括以下步骤:S10、清洗:将待处理的工件放入清洗装置中进行清洗,再烘干,以消除所述工件表面的水分;S20、预热:将所述工件放入预热炉中进行预热;S30、氮化:在温度为500~650℃下,将所述工件放入含氮化盐的盐浴渗氮装置中进行氮化;S40、氧化:在温度400~450℃下,对所述工件进行氧化处理;S50、抛光:在常温下对所述工件表面进行抛光,去除渗氮的疏松层;S60、重复上述S10至S50步骤。该工艺可以得到更深层的盐浴渗氮扩散层,大大提高材料的韧性;该工艺可以降低传统的QPQ高温、长时间渗氮带来的厚白亮层,降低氮化层的脆性和变形,实现处理过程的微变形。
Description
技术领域
本发明涉及金属表面处理领域,更具体地说,它涉及一种强韧性的QPQ处理工艺。
背景技术
QPQ技术是一种金属表面改性技术,用以提高钢的硬度、耐磨性和耐腐蚀性,主要工序是盐浴渗氮(盐浴氮碳共渗)+盐浴氧化。因其渗层深度大、渗层硬度高、低脆性、微变形,以及工艺适应性强而广泛使用。该技术广泛应用于耐磨性、耐蚀性要求比较高的场合,目前已应用于工程机械、汽车、石油、化工等多个领域。
根据Fe-N相图,材料经渗氮处理后,渗层中会出现ε(Fe2-3N)、γ(Fe4N)及α相。随后的氧化处理,渗层中会出现Fe3O4。由于渗氮过程是氮由表面向心部扩散的过程,表面氮的浓度较高,易形成含氮浓度高、硬度高的Fe2-3N相。内层含氮浓度逐渐降低,出现韧性好的Fe4N相,硬度开始下降,直至Fe2-3N相完全转化为Fe4N相。
常规QPQ处理后渗层结构从外向内依次为氧化层、化合物层(白亮层)和扩散层和基体。氧化层由Fe2-3N、Fe4N和Fe3O4组成;化合物层由ε相的Fe2-3N和Fe4N组成,Fe2-3N的硬度很高,是提高材料耐磨性的可靠包裹,同时它的抗蚀性也很好,但韧性较差;扩散层由于渗氮量降低,主要是含Fe4N的γ相和α-Fe组成,扩散层韧性较高且有较高的硬度。
鉴于以上渗层机理,针对不同的材料和应用场景,对材料韧性、耐磨、耐腐蚀性能要求会不一致,相应地,对QPQ处理的渗层组织和厚度要求不一致,比如针对常用销轴材料40Cr、35CrMo、42CrMo等,要求强韧性、耐冲击的,在用QPQ技术处理工件时为了得到材料的强韧性,希望提高氮化渗层的深度,增加渗氮扩散层厚度,减少白亮层厚度。
发明内容
针对现有技术存在的不足,本发明的目的在于提供一种强韧性的QPQ处理工艺,该工艺可以得到更深层的盐浴渗氮扩散层,大大提高材料的韧性;该工艺可以降低传统的QPQ高温、长时间渗氮带来的厚白亮层,降低氮化层的脆性和变形,实现处理过程的微变形。
为实现上述目的,本发明提供了如下技术方案:
一种强韧性的QPQ处理工艺,包括以下步骤:
S10、清洗:将待处理的工件放入清洗装置中进行清洗,再烘干,以消除所述工件表面的水分;
S20、预热:将所述工件放入预热炉中进行预热;
S30、氮化:在温度为500~650℃下,将所述工件放入含氮化盐的盐浴渗氮装置中进行氮化;
S40、氧化:在温度400~450℃下,对所述工件进行氧化处理;
S50、抛光:在常温下对所述工件表面进行抛光,去除渗氮的疏松层;
S60、重复上述S10至S50步骤。
进一步优化为:在步骤S10中,所述清洗装置为超声喷丸机,烘干时间为10-15min;在步骤S20中,预热时间为15-30min;在步骤S30中,氮化时间为30min-90min,温度范围为550~630℃;在步骤S40中,氧化时间为15min-45min,温度范围为410~430℃。
进一步优化为:在步骤S60中,重复次数为至少3次。
进一步优化为:所述盐浴渗氮装置为密闭结构,在步骤S30中,还包括向所述盐浴渗氮装置中通入气体,使得所述盐浴渗氮装置中的压强为1-5atm。
进一步优化为:所述盐浴渗氮装置包括内腔、外腔、气流系统、抽真空装置和测温装置,所述气流系统和所述抽真空装置控制所述盐浴渗氮装置中的压强。
进一步优化为:所述盐浴位于所述内腔中,所述气流系统向所述内腔中通入氮气,并向所述外腔中通入氩气。
进一步优化为:所述盐浴渗氮装置中压强大于1atm的持续时间短于所述氮化时间且长于所述氮化时间的一半。
进一步优化为:在步骤S60完成后,还包括干燥和浸油,且干燥温度为120~150℃,干燥时间为30~60min,浸油时间为60min~120min。
进一步优化为:在步骤S30中,所述氮化盐的浓度为28%-32%,所述氮化盐由高氰酸根与碳酸盐组成。
进一步优化为:在步骤S40中,氧化处理为在氧化盐的作用下进行氧化反应,所述氧化盐包括含氧的亚硝酸盐。
本发明相对于现有技术,具有以下有益效果:本发明所提供的工艺通过在盐浴中氮化处理,使得盐浴中的活性单原子不断向工件表面扩散,渗入到工件的内部,并最终形成保护层,提高工件表面性能;特别地,该工艺可以得到更深层的盐浴渗氮扩散层,大大提高材料的韧性;该工艺可以降低传统的QPQ高温、长时间渗氮带来的厚白亮层,降低氮化层的脆性和变形,实现处理过程的微变形。
附图说明
图1是本发明一实施例中提供的一种强韧性的QPQ处理工艺的流程图;
图2是本发明一实施例中提供的一种强韧性的QPQ处理工艺的另一流程图;
图3本发明一实施例中提供的一种强韧性的QPQ处理工艺的氮化过程加压工艺流程图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例,对本发明进行详细描述。
在本发明的一个实施例中,提供一种强韧性的QPQ处理工艺,包括以下步骤:
S10、清洗:将待处理的工件放入清洗装置中进行清洗,再烘干,以消除所述工件表面的水分;所述清洗装置优选为超声喷丸机,烘干时间为10-15min;能够保证工件表面水分烘干;
S20、预热:将所述工件放入预热炉中进行预热;可选地,预热时间为15-30min;通过预热,使得工件内部的分子运动加速,便于后续氮化过程中渗氮效果;
S30、氮化:在温度为500~650℃下,将所述工件放入含氮化盐的盐浴渗氮装置中进行氮化;可选地,氮化时间为30min-90min,温度范围为550~630℃;所述氮化盐的浓度为28%-32%,所述氮化盐由高氰酸根与碳酸盐组成。需要说明的是,在氮化盐中,盐浴中的活性氮原子不断向工件表面扩散,渗入到工件的内部,并最终形成保护层;
S40、氧化:在温度400~450℃下,对所述工件进行氧化处理;可选地,氧化时间为15min-45min,温度范围为410~430℃;氧化处理为在氧化盐的作用下进行氧化反应,所述氧化盐包括含氧的亚硝酸盐。氧化处理使得工件表面形成氧化膜,提高工件的耐腐蚀性;
S50、抛光:在常温下对所述工件表面进行抛光,去除渗氮的疏松层;
S60、重复上述S10至S50步骤,至少重复3次,可以是3次,4次和5次。重复处理能够有效提高渗氮效果,且并不会让渗氮时间拉长。
在本发明的另一个实施例中,通过增压的方式来提高渗氮效果。可选地:所述盐浴渗氮装置为密闭结构,在步骤S30中,还包括向所述盐浴渗氮装置中通入气体,使得所述盐浴渗氮装置中的压强为1-5atm。所述盐浴渗氮装置包括内腔、外腔、气流系统、抽真空装置和测温装置,所述气流系统和所述抽真空装置控制所述盐浴渗氮装置中的压强。所述盐浴位于所述内腔中,所述气流系统向所述内腔中通入氮气,并向所述外腔中通入氩气。可选地:所述盐浴渗氮装置中压强大于1atm的持续时间短于所述氮化时间且长于所述氮化时间的一半。也就是说工件在氮化处理时候,有一段时间是处于加压状态,这样能够避免工件一开始或者渗氮后期处于高压状态,带来温度影响以及工件本身性能的影响,而温度和工件自身分子运动都会影响渗氮效果。而至少有一半渗氮时间处于高压,能够充分利用高压环境中分子运动加剧带来渗氮效果的提升。优选地,在本发明的一个具体实施例中,对工件氮化处理具体过程为:在常压下氮化10min后,进行加压处理,持续40min,然后再回归到从常压,继续氮化15min;需要说明的是,一般的盐浴渗氮装置只能在微压或者常压下进行渗氮处理,通过本发明中盐浴渗氮装置,提供高压环境,氮化盐位于内腔中,在加压时,通过在外腔中也形成高压,这样保持内腔和外腔中的压力平衡,保护内腔与外腔直接的内壁,同时也能实现在腔体内部压力可以大范围调节,实现高压渗氮。在高压环境下,液体中的分子运动会加快,工件表面的反应速度得到加快,这样使得渗氮效果得到明显提升。
在本发明的又一个实施例中,在步骤S60完成后,还包括干燥和浸油,且干燥温度为120~150℃,干燥时间为30~60min,浸油时间为60min~120min。通过进一步干燥处理,去除工件上的残存水汽,避免生锈;浸油处理使得工件表面形成防锈油膜,进一步提升工件性能。
本发明的原理是通过基础试验测试渗氮白亮层出现的临界氮化时间点,确定出每个循环渗氮时间,在盐浴渗氮过程中精准控制渗氮时间,在白亮层脆性相出现前结束氮化,然后降温至氧化温度,再通过盐浴氧化,降低表层氮势,打通后续氮原子继续扩散的通道,接着抛去工件表层疏松层和附着物,为后续工序做好准备,最后将上述盐浴氮化—盐浴氧化—抛光作为一个循环,重复若干次,直至达到增加扩散层厚度、严格控制白亮层渗层深度的要求。
在本发明的一实施例中,针对40Cr钢试验处理,具体采用以工艺630℃温度下氮化1h,结合420℃温度下氧化30min,再抛光,循环3次处理,其余工艺在其他实施例中已阐述,在此不再赘述;得到的结果是其渗层深度达到0.408mm,较传统QPQ相同时间的深层深0.1mm左右,脆性达到一级(国标脆性最低),变形量小于0.008mm(微变形)。
本发明另外还提供了一组对比试验,同样选择40Cr钢作为试验材料,用A、B两种工艺处理工件。A工艺为循环渗氮QPQ技术,也就是本发明中的技术方案:在630℃温度下氮化1h,氮化盐采用浓度30%的CNO-,在温度420℃下氧化30min,抛光,将以上过程循环3次。B工艺为:在630℃温度下氮化3h,氮化盐采用浓度30%的CNO-,在温度420℃下氧化30min,抛光。用两种工艺处理完工件后,进行金相制样,观察结果可知,虽然A工艺和B工艺总氮化时间相同,均为3h,但A工艺氮化层总深度达到408μm左右,扩散层厚度仅382μm;而B工艺氮化层深度只有318μm,扩散层的厚度150μm。扩散层的存在可明显提高工件的韧性,减少材料脆性,承受更大的冲击载荷。
除非另有定义,本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的,不是旨在于限制本发明。以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合,为使描述简洁,未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述,然而,只要这些技术特征的组合不存在矛盾,都应当认为是本说明书记载的范围。
需要说明的是,术语“第一”和“第二”等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来,而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且,术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含,从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素,而且还包括没有明确列出的其他要素,或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下,由语句“包括一个……”限定的要素,并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
虽然结合附图描述了本发明的实施方式,但是本领域技术人员可以在不脱离本发明的精神和范围的情况下做出各种修改和变型,这样的修改和变型均落入由所附权利要求所限定的范围之内。
Claims (5)
1.一种强韧性的QPQ处理工艺,其特征在于,包括以下步骤:
S10、清洗:将待处理的工件放入清洗装置中进行清洗,再烘干,以消除所述工件表面的水分;
S20、预热:将所述工件放入预热炉中进行预热;
S30、氮化:在温度为500~650℃下,将所述工件放入含氮化盐的盐浴渗氮装置中进行氮化;
S40、氧化:在温度400~450℃下,对所述工件进行氧化处理;
S50、抛光:在常温下对所述工件表面进行抛光,去除渗氮的疏松层;
S60、重复上述S10至S50步骤;
在步骤S10中,所述清洗装置为超声喷丸机,烘干时间为10-15min;在步骤S20中,预热时间为15-30min;在步骤S30中,氮化时间为30min-90min,温度范围为550~630℃;在步骤S40中,氧化时间为15min-45min,温度范围为410~430℃;
所述盐浴渗氮装置为密闭结构,在步骤S30中,还包括向所述盐浴渗氮装置中通入气体,使得所述盐浴渗氮装置中的压强为1-5atm;所述盐浴渗氮装置包括内腔、外腔、气流系统、抽真空装置和测温装置,所述气流系统和所述抽真空装置控制所述盐浴渗氮装置中的压强;所述盐浴位于所述内腔中,所述气流系统向所述内腔中通入氮气,并向所述外腔中通入氩气;所述盐浴渗氮装置中压强大于1atm的持续时间短于所述氮化时间且长于所述氮化时间的一半。
2.根据权利要求1所述的一种强韧性的QPQ处理工艺,其特征在于:在步骤S60中,重复次数为至少3次。
3.根据权利要求1所述的一种强韧性的QPQ处理工艺,其特征在于:在步骤S60完成后,还包括干燥和浸油,且干燥温度为120~150℃,干燥时间为30~60min,浸油时间为60min~120min。
4.根据权利要求1所述的一种强韧性的QPQ处理工艺,其特征在于:在步骤S30中,所述氮化盐的浓度为28%-32%,所述氮化盐由高氰酸根与碳酸盐组成。
5.根据权利要求1所述的一种强韧性的QPQ处理工艺,其特征在于:在步骤S40中,氧化处理为在氧化盐的作用下进行氧化反应,所述氧化盐包括含氧的亚硝酸盐。
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