氮碳氧复合处理(QPQ)特殊过程确认

陈远宁,朱学彪,刘 捷,徐一宁

(1.武汉科技大学 机械自动化学院,湖北 武汉 430000;2.九江七所精密机电科技有限公司,江西 九江 332000)

1 氮碳氧盐浴复合处理简介

1.1 氮碳氧盐浴复合处理简介

氮碳氧盐浴复合处理技术因其高效性和相对经济性被越来越多的企业应用于实际生产中,如车辆制造、精密零件制造等。氮碳氧盐浴复合处理是一种高效的金属表面热处理技术[1],在业内也被称为QPQ复合处理,QPQ也代表着此项技术的淬火抛光再淬火的大体工艺流程同时也揭示了氮碳氧盐浴复合处理的大致过程和目的。氮碳氧复合处理技术的出现在一定程度上优化了加工工序,缩短了生产周期,降低了生产成本,经此处理后的金属材料可同时具有高耐磨性和高抗腐蚀性[2]。

1.2 QPQ盐浴复合处理技术工艺原理

QPQ工艺流程:清洗→预热→氮碳共渗→氧化→冷却清洗→抛光→二次氧化→清洗→脱水干燥浸油[1]。

其中清洗是为了去除工件表面的污渍和锈蚀,避免工件在完成QPQ复合处理后渗层发红和性能不达标;预热是为了去除工件表面的水分,使工件干燥的进入氮碳共渗炉中,提高工件表面质量,在氮碳共渗炉盐浴之后,样品表面已经形成了氮化层,对此时的样本进行氧化抛光,然后再对产品进行二次氧化处理,最后清洗工件表面并去除水分[3]。

2 氮碳氧盐浴复合处理特殊过程确认内容

2.1 特殊过程确认的意义

直观不易发现、不易测量或不能经济地测量的产品内在质量特性的形成过程称之为特殊过程[2]。过程确认是通过提供客观证据对过程能力满足规定要求的鉴定或合格评定。特殊过程确认就是通过大量的、与产品生产相关的、客观的证据来认定此特殊过程形成产品的质量特性符合要求[3]。在QPQ复合处理中,产品不同区域的性能不尽相同(包括力学性能和化学性能),因此在检验时抽检的单一样本的性能无法代表整个材料的性能[4-6]。

金属材料、浴盐材料以及后续的时间、温度等因素综合作用着整个金属材料的最终性能,只有将以上各要素控制在规定范围之内,处理完成后产品的盐浴质量及其特性才能最大限度的保持一致,最终抽检样本及其质量特性才能代表同批产品的整体特性。

2.2 特殊过程确认内容

保证QPQ复合处理的产品质量特性的波动在一定的范围内,就必须保证盐浴复合处理的过程因素被控制在相应的范围内。在产品交付使用前需要证明抽检产品的特性满足QPQ复合处理的过程要求,并且保证此样本特性能够代表其他产品的质量特性,这就需要在特殊过程处理前将所有的过程因素控制在一定的范围之中,这个范围可由供需双方共同制定(具体不应脱离行业标准)。

QPQ盐浴复合处理特殊过程确认具体确认事项如下:

(1)QPQ复合处理质量特性确认;

(2)产品隐含的关联特性确认;

(3)QPQ复合处理缺陷防止效果确认;

(4)QPQ复合处理过程形成因素及测控方式方法及产品代表性确认。

2.2.1 QPQ复合处理质量特性确认

通常在QPQ复合处理完成后只检测所取试样的性能和显微组织,性能包括力学性能、耐磨性、耐蚀性。在特殊过程确认时所选取的试样大小一般为20 mm×10 mm×10 mm,表面粗糙度Ra≤0.32 μm,并且试样材料和原始状态应与产品一致且符合QPQ工艺要求。进行特殊过程确认时会根据不同工件的技术要求从外观、硬度、金相组织、畸变量来确认QPQ过程的质量特性[7-8]。

2.2.2 产品隐含关联特性确认

QPQ复合处理特殊过程确认时需要增加关联指标的检测,通过金属材料各种指标之间的相关性来确认复合处理过程中的质量特性。例如,部分产品检测项目只注明抗拉强度,但是热处理中的长时间高温会对金属材料韧性产生影响,所以需要增加韧性检测。

2.2.3 QPQ复合处理缺陷防止效果确认

在QPQ复合处理中过程因素控制不当易产生缺陷。金属原材料在预热时未达到指定温度导致进入氮碳共渗炉后炉内温度下降超过20 ℃,此种情况则需相应延长盐浴时间,避免因热处理温度不够而导致材料质量特性不达标。氮碳共渗时对浴盐进行脱氧处理,在使用过程中会带入空气,在浴盐中累计氧元素,使产品氧化脱碳。应在工艺设计时采取相应措施来减少或避免缺陷的产生。碳钢件在盐浴氧化结束后可直接冷水清洗,但对于变形要求严格的工件,如焊接件和高合金钢件等,应在空气中冷却至100 ℃以下后再进行清洗[9-11]。

2.2.4 QPQ复合处理过程形成因素及测控方式方法及产品代表性确认

在进行过程因素及测控方式确认时,必须将产品特性控制在要求范围内,并以此为核心辨别出全部过程因素[4]。在QPQ处理过程中,由于操作人员需要避免工件在空气中过度氧化的同时尽量使工件表面的盐浴滴干,操作工件从氮碳共渗炉中出来进入氧化炉时的间隔时间的操作人员是过程因素。出厂时盐浴中的氰酸根含量应在28%～39%,具体由供需双方商定控制,氰酸根含量则为过程因素。添加再生盐后,需要使再生盐反应充分后再进行生产,反应持续时间最少应为1 h,再生盐反应时间是过程因素。表面污染、锈蚀的工件盐浴会使工件表面发红、渗氮不完全从而影响工件的整体性能,盐浴时工件的表面状态为过程因素。除此之外QPQ复合处理的过程因素好包括各项温度和时间以及加热过程中温度的稳定程度。

当同一批次产品在QPQ复合处理中全部过程因素被控制在一定范围内时,产品质量特性的控制范围也得到了保证[12]。

3 QPQ盐浴复合处理特殊过程确认方式

QPQ复合处理特殊过程确认是对QPQ复合处理的具体工艺,进行QPQ复合处理的各项设备以及复合处理结束后对成品的质量控制与检验项目的确认。注意氮碳共渗的温度和时间直接决定了成品质量须重点确认。

3.1 QPQ盐浴复合处理工艺规程

QPQ复合处理工艺规程应覆盖QPQ复合处理的工艺全流程,包括QPQ复合处理过程中的全部过程因素及其允许的误差和偏差范围,成品的最终检测与控制,进行QPQ复合处理各项操作的操作要求和操作步骤,以及操作所需的注意事项等;控制盐浴过程中材料变形的要求;所使用的工艺材料和金属材料的要求、盐浴设备,盐浴原始材料表面清理工艺及要求、盐浴前预热处理、盐浴及氧化环境、氮碳共渗炉与氧化炉的受热方式与加热方法、盐浴氮碳与盐浴氧化共渗温度及共渗时间等具体参数;盐浴复合处理工艺顺序,盐浴氧化后处理;对盐浴操作人员的技术考核与基本技能要求。

3.2 盐浴设备性能确认

盐浴设备对盐浴项目工艺规程中所需要求的满足程度,包括复合盐浴处理工艺规程涉及到的重点设备的检定周期和日常维护要求,并且在每次检查和维护之后做出具体的量化性记录[13]。表1为本公司QPQ过程设备状态检查表。

表1 设备状态确认表

3.3 检测项目确认

QPQ复合处理的检测项目确认是在整套QPQ工艺过程确认完成后对最终产品性能特性检测方法和评价准则的确认[14-15],确认内容包括:特殊过程确认时增加的检测项目、碳氮氧复合处理产品性能直接检测项目、盐浴氧化缺陷检查、抽检产品性能的代表性、确认过程完成后盐浴氧化过程的检测项目。已处理完成的样本质量的检验需通过外观、硬度、高温、低温、湿热、盐雾、中性盐雾等试验以及一系列常规热处理检验办法来确认其工艺措施的有效性和正确性(必要时还需检测产品的机械性能)。表2为本公司试验项目表。

表2 QPQ过程确认试验项目表

3.4 氮碳共渗温度和时间的重点确认

不同材料盐浴时的温度和时间不同,盐浴氮碳共渗温度和时间直接影响工件的最终性能,对工件氮碳共渗时的温度和时间需要重点确认。表3为常用典型工件氮碳共渗的温度和时间。

表3 典型工件盐浴温度和时间表

3.5 氮碳氧盐浴复合处理的再确认

盐浴复合处理过程因素的测控发生了更改、产品的检测项目发生了更改,设备更换或大修,氮碳氧盐浴复合处理过程需要再确认。

4 结 语

QPQ盐浴复合处理特殊过程确认的核心内容是甄别出具体处理过程中的全部过程因素[3],除了普通热处理中的各种工艺参数还包括QPQ复合处理中特有的工件转移时间、操作人员、氰酸根含量等特有因素。通过对QPQ复合处理中特殊过程的确认,进一步完善了金属热加工行业的特殊过程确认体系,提升了技术人员和管理人员的专业素质,让操作人员在具体操作时有据可依,在一定程度上节约了人力、物力和检测资源,为供需双方节省了项目预选。同时保证了工艺中各个环节的准确性,大大提高了最终产品的合格率。