超深层QPQ处理的渗层组织和性能

　　QPQ技术在国内已经普遍大量应用，但由于它的化合物层太浅只能达到15～20μm，在应用方面有相当大的局限性，为了扩大应用范围，成都工具研究所有限公司成功开发了深层QPQ技术，使化合物层的深度达到35～40μm[1-5]。但随着高速机械、重载机械和石油、矿山、化工、农业等野外作业机械的零件对耐磨性和防腐性能要求的进一步提高，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70～80μm、中间层厚度达到20μm以上，中性盐雾试验抗蚀性达到1200h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。

　　1 试验材料和方法

　　试验材料为45钢、40Cr钢和20钢; 试验采用的处理工艺有两种: 退火45钢深层QPQ处理和超深层QPQ处理。金相试样用4%硝酸酒精溶液侵蚀，然后用光学显微镜观察并采集图像。采用S-3400N型扫描电镜研究超深层QPQ处理渗层的微观结构和氧元素浓度分布; 利用DX-2500型X射线衍射仪进行相分析; 采用PQ1-6型纯弯曲疲劳试验机，测试纯弯曲疲劳S-N曲线。采用M-2000A型磨损试验机测试纯滚动磨损曲线。

　　2 试验结果和分析

　　2.1 金相分析

　　图1中(a)、(b)、(c)分别为45钢、40Cr钢和20钢超深层QPQ处理的金相图片，从图1中可以看出，3种钢经超深层QPQ处理后化合物层的平均厚度达到75μm以上，中间层厚度达到20μm以上; 其中45钢经超深层QPQ处理后化合物层的最厚达到85.56μm，中间层厚度达到31.49μm。

　　2.2 扫描电镜显微组织

　　图2中(a)、(b)、(c)分别为45钢、40Cr钢和20钢超深层QPQ处理后在扫描电镜下观察到的渗层显微组织，最外层为氧化膜，向内为疏松层、化合物层、中间层和扩散层。从图2片可以看出，图2与图1基本吻合，整个渗层主要由1～2μm氧化膜，厚度约为70～80μm的化合物层、厚度约为25～30μm的中间层以及扩散层组成。

　　2.3 疏松层氧元素浓度分布

　　通过对经超深层QPQ处理后45钢的疏松层进行线扫描，进一步分析疏松层的显微组织和氧元素的浓度分布，其结果分别如图3所示。

　　从图3 中可以看出45钢经超深层QPQ处理后在渗层表面都会形成5～10μm疏松层，而疏松层主要是由无数的柱状的疏松孔组成，而在每个柱状疏松孔的孔壁上又会生成0.5～1μm的Fe3O4氧化膜。从图3还可以看出，45钢经超深层QPQ处理后渗层最表面的氧元素含量最高，然后逐渐下降，在距表面约10μm处趋于平缓。氧元素的峰值与疏松层的部位大体对应。氧元素主要分布在渗层表面的氧化膜和化合物层外层的疏松层中。氧元素的含量又大大增加，出现了巨大的氧元素的峰值。从而说明柱状疏松孔是由于氮原子形成氮分子，从表面逸出，氮元素减少导致形成孔洞即形成了垂直于渗层表面的柱状疏松孔洞[6]。由于氮原子形成氮分子从表面逸出后，在柱状疏松孔的孔壁就会有α相生成，在以后的氧化工序时氧就很容易沿着柱状疏松孔向内扩散，因而在柱状疏松孔内壁形成了高的含氧量。