基于深层QPQ技术的氧化工艺影响工件表面硬度的研究

　　普通QPQ技术由于其渗层太浅而使其应用受到一定的局限，深层QPQ技术是在保留了普通QPQ技术优点的基础上开发的新技术，其化合物层的深度能够达到30μm 以上，是普通QPQ技术的一倍多。深层QPQ技术主要包含以下工序: 610～650℃的盐浴氮化炉中氮化，370～400℃的氧化炉中氧化，处理后能够在工件表面形成化合物层、奥氏体层和扩散层。深层QPQ技术与普通QPQ技术的区别就在于氮化温度的不同。普通QPQ技术的氮化温度在520～580℃之间，由于温度的不同使得经普通QPQ技术处理后的工件表面只有化合物层和扩散层，缺少了奥氏体层[1]。近年来，有些学者研究了气体渗氮制备含氮奥氏体，再将含氮奥氏体经过中温回火，使其析出纳米级的析出物，从而在很大程度上提升了工件的表面硬度[2-5]。我们的液体渗氮同样也能够得到含氮奥氏体，对于这种含氮奥氏体是否也能够通过氧化工艺的改变而得到纳米级的析出物，从而提升其表面硬度，本文对此展开了研究。

　　1 实验方法

　　实验材料为42CrMo调质态，将材料加工成尺寸为5mm×15mm×25mm的试样28个。氮化盐由成都伍田机械有限公司提供的NS2氮化盐，试样处理工艺如表1所示。

　　试样处理后在室温下水冷。硬度测试是在HX-1000TM显微硬度计上进行，载荷为200g/20s。采用金相显微镜观察相变组织形貌，将试样表面黑色氧化物磨去磨至化合物层，利用X射线衍射仪(XRD)分析化合物层的相，再将化合物层磨去磨至奥氏体层，再利用XRD分析奥氏体中的相，就这样磨去一层做一次XRD直至磨到基体，分析各层相的变化。

　　2 实验结果与分析

　　42CrMo经过QPQ处理后的表面硬度如图1所示。

　　由图1可以看出试样在同一氧化温度时，在1～5h之间随着保温时间的延长表面硬度也随着提高，在5～7h之间随着保温时间的延长表面硬度略有下降。在相同保温时间的情况下，在250～420℃之间随着氧化温度的升高，表面硬度会随之下降，在225～250℃之间，表面硬度会随着氧化温度的升高而升高。而只是经过氮化处理(645℃×1.5h)未经过氧化工艺处理的试样的表面显微硬度为HV650，远远小于经过氧化处理的试样的表面硬度;所以，氧化温度控制在250℃左右保温3～5h，能够有效地提高材料的表面硬度。

　　分别对氧化温度为250℃和390℃都氧化5h的工件进行硬度梯度分析，硬度梯度的加载载荷为50g，加载10s。从白亮层开始向内打，每隔10μm打一个点，如图2所示。

　　图3是经过250℃和390℃氧化处理与未经过氧化处理的试样硬度梯度比较，深层QPQ处理的工件化合物深度达到25μm，奥氏体层厚度达到23μm。从图中可以看出未氧化处理的试样的化合物层和奥氏体层都只有较低的硬度值，但经过回火之后硬度都有所提升，而且都是出现一个硬度峰值，峰值过后硬度减小，硬度趋于平缓。在和奥氏体层交界处(距表面距离20μm)的化合物层是硬度最高的区域，此区域是化合物层中最不稳定的地方，即低氮区。化合物层由γ'-Fe4N相和ε-Fe2-3N相组成。由Fe-N相图可知，ε-Fe2-3N相在回火过程中将发生分解，低氮的ε相在低温时具有更大的过饱和度，时效后沉淀硬化效应更显著; 因此，化合物层在回火过程中，其硬度在低氮区要比高氮区高[6]。