離子氮化與QPQ工藝的比較

40Cr鋼變速箱副箱錐環(huán)支板（簡稱錐環(huán)支板）是變速箱中的重要精密零件，服役承載時(shí)承受較大的載荷和摩擦，需對(duì)錐環(huán)支板內(nèi)齒進(jìn)行強(qiáng)化，表面硬度要求≥50HRC，錐環(huán)支板的精度要求也較高，技術(shù)要求為：齒度變形≤0.08mm，平面變形≤0.1mm。

現(xiàn)生產(chǎn)過程中，某主機(jī)廠發(fā)現(xiàn)離子氮化后的錐環(huán)支板內(nèi)齒質(zhì)量合格，但錐環(huán)支板的平面變形度較大，實(shí)際測(cè)得變形均大于0.15mm，需要通過后續(xù)的精磨工序加以校平，額外增加了生產(chǎn)成本，且生產(chǎn)效率較低。

研究發(fā)現(xiàn)導(dǎo)致錐環(huán)支板變形較大的原因在于錐環(huán)支板在爐內(nèi)擺放方式不合理，錐環(huán)支板與氮化爐底面直接接觸，氮化爐底面因?yàn)殚L期使用發(fā)生變形或是爐內(nèi)有雜質(zhì)、坑洼等缺陷都會(huì)導(dǎo)致堆疊在爐內(nèi)的錐環(huán)支板處于一個(gè)非水平狀態(tài)，錐環(huán)支板的堆疊將會(huì)發(fā)生偏移而錯(cuò)亂，加熱過程中錐環(huán)支板因堆放錯(cuò)亂上下受力不均和加熱及冷卻不均而產(chǎn)生變形，因此，設(shè)計(jì)相應(yīng)的工裝改善錐環(huán)支板在氮化爐內(nèi)的擺放形式尤為必要。

文中主要介紹了改善后的離子氮化工藝以及QPQ熱處理工藝對(duì)錐環(huán)支板的熱處理效果，分析了這兩種工藝的經(jīng)濟(jì)成本。

1.試驗(yàn)工藝及參數(shù)

（1）離子氮化工藝

關(guān)于離子氮化的原理以及優(yōu)勢(shì)在之前論文中也有詳細(xì)介紹，在此不再贅述。工裝設(shè)計(jì)對(duì)改善錐環(huán)支板在氮化爐內(nèi)的擺放形式很有必要，圖1a所示為所設(shè)計(jì)的三腳架工裝的簡圖，工裝的上表面經(jīng)過機(jī)械精加工，平整度較高，三角支撐結(jié)構(gòu)十分穩(wěn)固，中間采用空心結(jié)構(gòu)保證爐內(nèi)的氮化氣氛更好地流通，從而使工裝上不同高度位置的錐環(huán)支板內(nèi)齒都能均勻氮化。圖1b所示為錐環(huán)支板在工裝上的擺放形式，水平整齊堆疊，避免錐環(huán)支板上下受擠壓力不均而變形，裝爐量根據(jù)爐子的容量大小而定。氮化加熱過程中控制電壓、電流大小，緩慢升溫至（500±20）℃，保溫4h，爐冷，以獲得理想的氮化層深和氮化組織，同時(shí)可以減小變形。

（2）QPQ工藝

QPQ工藝既鹽浴復(fù)合處理技術(shù)，“鹽浴復(fù)合”是指在氮化鹽浴和氧化鹽浴兩種鹽浴中處理工件，實(shí)現(xiàn)了滲氮工序和氧化工序的復(fù)合，QPQ熱處理工序?yàn)椋侯A(yù)熱→氮化→氧化→拋光→氧化。各工序的作用如下：

• 預(yù)熱：烘干工件表面的水分，以防工件帶水入爐引起鹽浴濺射以及冷件入爐引起鹽浴溫度下降太多。并且預(yù)熱一定程度上可以減少工件變形和使工件色澤均勻。
• 滲氮：QPQ熱處理的核心工序。滲氮過程中滲氮鹽內(nèi)的氰酸根分解產(chǎn)生活性氮原子滲入工件，在工件表面形成耐磨性和抗蝕性很高的化合物層和耐疲勞的擴(kuò)散層。
• 氧化：徹底分解工件從滲氮爐帶出的氰根（CN^-），避免污染；在工件表面形成黑色氧化膜，增加工件防腐能力，對(duì)提高耐磨性也有一定作用。
• 拋光再氧化：去除氮化層外面的疏松層，補(bǔ)充工件表面氧的含量，進(jìn)一步提高金屬表面的耐蝕性和耐磨性，同時(shí)可以達(dá)到美化外觀的目的。

綜上所述，QPQ的技術(shù)優(yōu)勢(shì)主要如下：QPQ處理后的工件擁有極高的耐磨性、良好的耐疲勞性、極好的抗蝕性、極小的變形，QPQ技術(shù)綠色環(huán)保、技術(shù)成本低，這也正是本次試驗(yàn)采用QPQ工藝的原因。本次試驗(yàn)的QPQ工藝參數(shù)為：預(yù)熱溫度350～400℃，時(shí)間15min；氮化溫度570℃，時(shí)間2.5h；氧化溫度400℃，時(shí)間15min。圖2a所示為QPQ處理所用設(shè)備，QPQ處理過程中，由于僅需內(nèi)齒強(qiáng)化，所以錐環(huán)支板采用螺栓連接在一起，以防整個(gè)支板平面被氮化處理，圖2b所示為QPQ處理后的錐環(huán)支板樣件，可以看出QPQ處理后的錐環(huán)支板內(nèi)齒十分美觀。

2.試驗(yàn)結(jié)果及分析

離子氮化處理后的錐環(huán)支板金相檢測(cè)結(jié)果如圖3所示。其氮化層是由表面白亮層和擴(kuò)散層組成，圖3a所示為低倍下表面白亮層和擴(kuò)散層的金相照片，可以看出表面白亮層的厚度是比較均勻的。測(cè)得硬化層的層深為0.28mm，白亮層深度為8μm，表面硬化層的硬度為530～540HV。其中表面氮化層的金相組織如圖3b所示，其組織由含氮的板條馬氏體+屈氏體團(tuán)+回火索氏體+少量鐵素體組成。采用專用量具測(cè)得內(nèi)齒的圓度變形為0.05～0.07mm，支板平面變形度均值為0.07mm，滿足變形技術(shù)要求。綜上述分析，改善后的離子氮化工藝獲得了質(zhì)量合格的錐環(huán)支板。

QPQ工藝處理后的錐環(huán)支板金相檢測(cè)結(jié)果如圖4所示。其氮化層由圖4a所示的表面氧化層和白亮層以及擴(kuò)散層組成，可以看出其氧化層和白亮層也是比較均勻的。測(cè)得硬化層層深為0.27mm，氧化層深度為6um，白亮層深度為10μm，表面硬化層硬度為520～530HV。圖4b所示為表面氮化層的組織，可以看出表面氮化層的組織由含氮的板條馬氏體+回火索氏體+少量鐵素體組成。采用專用量具測(cè)得內(nèi)齒的圓度變形為0.04～0.06mm，支板平面變形度均值為0.04mm，滿足變形技術(shù)要求，且變形度小于離子氮化處理的工件。綜上述分析，QPQ工藝處理的工件滿足質(zhì)量技術(shù)要求，且優(yōu)于離子氮化工藝處理的工件。

3.離子氮化以及PQP工藝成本對(duì)比

結(jié)合上述試驗(yàn)結(jié)果可得離子氮化和QPQ工藝均能獲得組織、硬度、變形量合格的錐環(huán)支板，這兩種技術(shù)也同屬綠色環(huán)保的熱處理強(qiáng)化技術(shù)。如何抉擇就需考慮工藝成本，經(jīng)測(cè)算，離子氮化的工藝成本為28元/件，QPQ處理的工藝成本為24元/件，以主機(jī)廠錐環(huán)支板年產(chǎn)量1.5萬件來算，QPQ處理節(jié)約成本6萬/年。

同時(shí)QPQ處理的生產(chǎn)周期約為3h/批，離子氮化的生產(chǎn)周期約為8h/批，單批處理量兩者相當(dāng)，QPQ工藝的生產(chǎn)效率更高，且QPQ處理的工件質(zhì)量更好。相比而言，優(yōu)先選擇成本更低、效率更高的QPQ熱處理工藝。

余金科、牛恩來、魯福來，東風(fēng)商用車技術(shù)中心