深层QPQ技术的渗层组织由氧化膜、疏松层、化合物层、奥氏体层、扩散层构成。
一、氧化膜
最外层的氧化膜和常规QPQ处理时形成的氧化膜性质相同,是铁的氧化物,即Fe3O4,具备很高的耐蚀性,与化合物层相配合显著提升产品的抗蚀性。同时对提高金属表面的耐磨性和降低摩擦系数也有一定的作用。下图是采用深层QPQ工艺处理的轴套类零件。
二、化合物层
在显微镜下观察到的深层QPQ处理的化合物层与常规温度处理形成的化合物层在本质上基本相同,都是贴的氮化物,经X射线衍射试验证明主要为ε相,化合物层中氮的质量分数为6%~7%。化合物层的表面显微硬度可达870HV,靠近奥氏体边界降为600HV。化合物层深度可以达到30~50μm。化合物层是QPQ技术最重要的渗层组织,是深层QPQ技术提高金属表面耐磨性和耐蚀性的关键所在。因此形成足够深度的致密的化合物层是深层QPQ的基本要求。通过XRD图谱分析化合物层主要有Fe3N组成,其中含有一定数量的Fe4N。这与常规QPQ处理的化合物层组织几乎完全相同。这说明深层QPQ处理与普通QPQ处理的化合物层在本质上是相同的。下图是深层QPQ处理的XRD衍射图谱。
三、奥氏体层
奥氏体层是在化合物层与扩散层中间的一层组织,是氮在帖中的固溶体,由于氮的含量低不足以形成化合物层,仅能够形成含氮的固溶体,故也有将这一层组织称为中间层。根据Fe-N相图,在温度超过590℃时,这种组织就会形成含氮的奥氏体,所以将其称之为奥氏体层。下面金相图谱中奥氏体层为9.76μm,疏松层为7.81μm,化合物层为34μm。
处理温度是奥氏体层形成的必要条件,当氮化温度在590℃以上时才会出现奥氏体层,当冷却到室温时,由于冷却速度不同,它会转变层不同的产物:当冷却速度大于临界速度时形成马氏体+残留奥氏体组织;在水冷的情况下形成淬火马氏体(未回火)+残留奥氏体,在金相显微镜下因不易腐蚀而呈白色组织;当冷却速度小于临界速度时形成一种混合物组织;在等温分界时形成贝氏体。 对采用深层QPQ技术处理的工件经氮化后在380℃~400℃的氧化盐浴中冷却,处在贝氏体转变区,因此会有贝氏体转变发生,但由于等温冷却时间较短,只有少量的贝氏体形成,相变的产物是种混合物组织,奥氏体层呈现暗黑色。
四、扩散层
深层QPQ技术的扩散层是指在奥氏体层以内至心部的这一区域,它是氮在铁中的固溶体,但其含量低不足以形成奥氏体层,由奥氏体层边缘至基体的心部由于含氮量的逐渐降低,其硬度也缓慢降低,最后与心部硬度一致。与常规QPQ技术形成的扩散层一样,对提升渗层的耐磨性和耐蚀性帮助不大,但对提高金属的疲劳强度有很大的作用。此外,深层QPQ的扩散层硬度下降较陡,这主要是由于处理温度高,氮化时间不宜过长的缘故导致的。下图是采用硒酸腐蚀观察到的扩散层组织。
五、疏松层
渗层QPQ技术的渗层中,化合物层外侧依然存在疏松层,而且疏松层的深度比常规QPQ的疏松层深得多。常规QPQ的疏松层通常在10μm以下,但深层QPQ的疏松层在10μm是常见现象,有时还会更深。在深层QPQ技术中,如何通过控制盐浴成分和工艺参数,使化合物层的疏松层达到合适的比例是深层QPQ技术的关键所在,也是深层QPQ技术能否稳定用于生产的技术难题。
国机集团成都工具研究所独立研发的第二代QPQ技术开发成熟,曾主持开展的《深层QPQ奥氏体氮碳共渗与氧化工艺的研究与开发》项目荣获成都市科学技术进步奖,所研发的第二代QPQ专用盐具有在高温下盐浴挥发速度慢,成分稳定,氰酸根分解速度适中等优良特性,深得客户青睐。
