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QPQ技术的未来发展方向
2018/8/17 21:28:54

        

    近年国内外 QPQ 工艺的盐浴配方技术有   以适应工业  H E F    2012  3 月申请了钢制机械 件盐浴渗氮的 21盐浴与过去不同点 增加了氯化 特点可以形成更加致密的化合物 隙率5% ~ 10% ,钢件表面粗糙度值增加非常小,虽然粗糙度值增加与渗氮时间成正比,但即使盐浴渗氮 3 h,表面粗糙度值变动也很小。因此,耐盐雾试验 的时间也比原来处理的更长。盐浴成分含量( 质量 分数) 如下: 碱金属氯化物 25% ~ 60% ; 碱金属碳酸 盐 10% ~ 40% ; 碱金属氰酸盐 20% ~ 50% ; 氰根 < 3% (   渗氮盐浴使用过程中形成) 。以上总含量为100% 。推荐的盐浴成分含量如下: 氰酸钠 25% ~30% ; 碳酸钠和碳酸锂 25% ~ 30% ; 氯化钾 40% ~50% ; 氰根 < 3% ( 渗氮盐浴使用过程中形成) 。以 上总含量为 100% 。

有一个实施例的盐浴成分如下: NaCNO 28% ; Na2 CO3 22% ; KCl 45% ; Li2 CO3 5% 用这种盐浴 行渗氮处理的材料表面化合物层致密C45 钢经 590 ℃ 2 h 的氮碳共渗处理然后在含有碳酸盐 氧化物和碱金属硝酸盐浴氧化耐蚀性(ISO 9227) 中性盐雾试验时间在 310  650 h

    由于通过调整盐浴成分和工艺参数可以控制表 面层的组织和性能因而法国 H E F 集团近年来 Sursulf / Arco 归入可控液体离子渗氮技术( Controlled Liquid Ionic Nitriding) 简称 CLINH E F 集团 和高校合作研究盐渣回用技术。氧化盐浴的配方也有了新的改进,特点是盐浴 中有了锂阳离子 Li + 。氧化盐浴中包括硝酸根阴离 子、钠阳离子以及适当的碱金属钾阳离子,还包括替 代钠或钾阳离子的锂阳离子,其质量分数相当于盐 浴量的 0. 1% ~ 5% 。以这个比例的锂来替代钠和 可能的钾,在这样的盐浴中处理,黑色金属零件表面 会形成均匀的 Fe3 O4 层,处理过的零件的腐蚀电位通常至少为 1000 mV / ECS,耐中性盐雾试验的时间在 400 h 以上。我们认为较小原子半径的锂可能起 着决定性的作用。由于锂具有较小的原子半径,所 以它能渗入 Fe3 O4 的晶格,从而形成具有清楚限定 的和恒定晶格参数的结晶 Li2 Fe3 O4 。因此,锂阳离子可能稳定了 Fe3 O4 的晶格。优选锂的浓度在0. 5% ~ 1. 75% 重量之间,在该浓度范围的耐腐蚀性是最 可 靠 和 最 可 再 现 的。 在 含 有 NO - 、OH - 和=CO3阴离子的氧化盐浴中有锂的话,将减少碳酸盐沉淀形成的淤渣。由于锂的浓度已经确定,以形成 有序的结晶 Fe3 O4 层,因此碳酸根或硝酸根阴离子 的浓度和钾阳离子的浓度相对于锂的浓度具有如下 关系:对于碳酸盐易熔体9 × Li +  < CO=  < 11 × Li + 

2.7 × Li +  < K +  < 3. 2 × Li +

对于硝酸盐易熔体

30 × Li +  < NO   < 36 × Li +

10 × Li +  < K +  < 12. 5 × Li +

    QPQ 技术在国内已经广泛应用但由于化合物 层太浅只能达到 15 ~ 20 μm有一定的局限性现 在开发成功了深层 QPQ 渗氮温度提高到 630  680 ℃ 使化合物层的深度达到了 35 

40 μm这实际上是奥氏体氮碳共渗奥 氏 氮碳共渗的温度范围是在 Fe-N-C 三元共析温度 上和 Fe-C 系共析温度以下常 用的温度为 600  700 ℃ 共渗温度的提高使渗入速度加快但热 理畸变也有所增加奥氏体氮碳共渗除表面形成化 合物层还得到 0 01  0 15 mm( 视温度时间 定) 的奥氏体淬火层有效硬化层深度为铁素体氮 碳共渗的几倍至几十倍近年来的研究发现 固溶时效奥氏体氮碳共渗化合物层硬度可提高到 1100 HV 以上并且奥氏体层的残留奥氏体分解使 硬度有明显提高从而扩大了奥氏体氮碳共渗的应 用范

深层 QPQ 工艺的盐浴配方设计需考虑: ( 1 ) 通 常的渗氮盐浴的熔点低使用温度在 580 ℃ 以下当 使用温度超过 600 ℃ 时盐浴的挥发增加很难保持 氰酸根的稳定; ( 2 ) 盐浴设计的氰酸根含量如果与 普通渗氮盐浴氰酸根的含量一样由于使用温度的 提高在 600 ℃ 以上长期使用很 难保持稳定而 且化合物层会出现严重疏松因此必须降低氰酸 根含量

深层 QPQ 氮碳共渗盐浴的主要成 分 是 CO( NH2 ) 2 、Na2 CO3 、K2 CO3 、Li2 CO3 。 试 验 表 明,[Na + ]/[K + ]比值以 4 ∶ 6 为佳,CNO - 为 20% 时, 45 钢经过 650 ℃ 、2 h 的氮碳共渗可以获得最佳效 果;  CNO -  为 30% 时,35CrMo 化合物层最厚为54. 4 μm,疏松层最小为 9 μm。成都工具研究所有限公司在现有第二代 QPQ 技术———深层 QPQ 技术基础上,通过开发新的盐浴配方,试验新的催化剂等 方法加快渗层的形成速度,不仅大大加深了渗层的 深度,而且改善了渗层质量,从而研究开发出一种化 合物层深度可达到 70 ~ 80 μm、中间层厚度达到 20 μm 以上,中性盐雾试验抗蚀性达到 1200 h 以上,应 用范围更广、性能更优的超深层 QPQ 技术———第三 代 QPQ 技术。

盐浴渗氮处于大多数钢的高温回火区间对于淬火、回火的高合金钢而言,渗氮处理会降低其心部 硬度,而不锈钢渗氮处理后耐蚀性能显著降低。因 此,对于既要求良好的耐蚀性能又要求较好摩擦性 能的零件,常规的渗氮处理难以满足要求,制约了其 在不锈钢上的应用。为了解决该矛盾,近 20 年来, 国内外竞相开发处理温度低于 500 ℃ 的 渗 氮 技 术,并已获 得成功。表 1 是开发的几种低温渗氮 技术

1 几种低温渗氮技术

Table 1    Several low temperature nitriding processes

 

序号

研究或使用单位

过程名称

渗入元素

处理温度 / 

工艺方法

1

英国伯明翰大学

LTPN

N

450

离子法

2

Degussa 公司

Melonite

N + C

480  520

盐浴法

3

 Nitruvid

Nivox2

N

400

离子法

4

 Nihon Parkerizing

Palsonite

N + C

450  490

氰化盐浴法

5

 Airwater Ltd

NV 超级渗氮

N

300  400

气体 + 

6

武汉材料保护研究所

低温盐浴氮碳共渗

N + C

480  520

盐浴法

7

大连理工大学

低温渗氮

N

520

离子法

8

青岛科技大学

低温离子氮碳共渗

N + C

450

离子法

9

西安交通大学

低温盐浴氮碳共渗

N + C

450

盐浴法


    传统的盐氮碳共渗的盐浴熔点 420 ℃  汉材料保护研究所的低温盐浴氮碳共渗的盐浴熔点  360 ℃ 盐的成分是碱金属碳酸盐和添加剂组 相对密 1 71027西安交通大学采用自制的 奥氏体不锈钢专用渗剂进行低温盐浴氮碳共     M2 CO3 (  M   KNaLi )    尿  以及其它微量组分。盐浴渗剂中 CNO -的浓度控制在约 38% 。由于渗剂中 CNO - 有强的还原性,不需要去除不锈钢表面钝化膜的前处理工序。 不锈钢试样在 450 ℃ 的盐浴中氮碳共渗处理 4 h, 304 不锈钢经过低温盐浴氮碳共渗处理后,表面较 为平滑,表层主要由含氮的 S 相组成,硬度达到约 780 HV,耐磨性也大为提高。其抗均匀腐蚀性能较 差,但其抗点蚀能力优于抛光不锈钢试样。

    QPQ 工艺的盐浴配方技术基于熔融盐理论和 应用要了解熔融盐的物理化学性质就要熟悉熔融 盐相图29浴配方用到的熔融碱金属碳酸盐的 特性和优点归结起来主要有: ( 1) 化学性能稳定不易燃操作压力低安全; ( 2) 具有相对的热稳 定( 只有 Li2 CO3 在 1270 ℃ 分解成 Li2 O 和 CO2  它的难分解)  及卓越的蓄热和热传输能力黏度流动性较好; ( 3) 规模可大可小价格便宜 性强对熔融碳酸盐进行相图热力学研究与分析是 设计熔融盐反应体系的前提条通过相图热力学学习和了解国内外 QPQ 工艺的盐浴配方技术 对于开阔眼界、改进工艺、扩大应用范围和提高处理 零件的质量有着重要意义。笔者不赞成未经研究就 自行配盐用于生产,建议购买正规的专业热处理材 料公司按标准生产的合格 QPQ 技术用商品盐。从 前面介绍可知,由于使用的材料种类和成分不同,其 成本也不同,所以不能贪图便宜,而是要讲究质量。 专业热处理材料公司要生产出与国外 QPQ 用盐相 媲美的商品用盐,要向多品种方向发展以满足多种 需要。显然,专业公司与大专院校、研究所的合作研 究就显得更加重要。

    QPQ 工艺的盐浴配方技术应该朝着更加环保 的方向发展注意研究盐渣回用技术和减少废气排 放技术低温和高温( 奥氏体) QPQ 处理技术的盐 浴配方的优化还有许多工作要做渗氮盐浴与氧 化盐浴的良好匹配是提高工件耐蚀性的重点




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