氮碳氧復合處理(QPQ)特殊過程確認

陳遠寧,朱學彪,劉 捷,徐一寧

(1.武漢科技大學 機械自動化學院,湖北 武漢 430000;2.九江七所精密機電科技有限公司,江西 九江 332000)

1 氮碳氧鹽浴復合處理簡介

1.1 氮碳氧鹽浴復合處理簡介

氮碳氧鹽浴復合處理技術因其高效性和相對經濟性被越來越多的企業(yè)應用于實際生產中,如車輛制造、精密零件制造等。氮碳氧鹽浴復合處理是一種高效的金屬表面熱處理技術[1],在業(yè)內也被稱為QPQ復合處理,QPQ也代表著此項技術的淬火拋光再淬火的大體工藝流程同時也揭示了氮碳氧鹽浴復合處理的大致過程和目的。氮碳氧復合處理技術的出現(xiàn)在一定程度上優(yōu)化了加工工序,縮短了生產周期,降低了生產成本,經此處理后的金屬材料可同時具有高耐磨性和高抗腐蝕性[2]。

1.2 QPQ鹽浴復合處理技術工藝原理

QPQ工藝流程:清洗→預熱→氮碳共滲→氧化→冷卻清洗→拋光→二次氧化→清洗→脫水干燥浸油[1]。

其中清洗是為了去除工件表面的污漬和銹蝕,避免工件在完成QPQ復合處理后滲層發(fā)紅和性能不達標;預熱是為了去除工件表面的水分,使工件干燥的進入氮碳共滲爐中,提高工件表面質量,在氮碳共滲爐鹽浴之后,樣品表面已經形成了氮化層,對此時的樣本進行氧化拋光,然后再對產品進行二次氧化處理,最后清洗工件表面并去除水分[3]。

2 氮碳氧鹽浴復合處理特殊過程確認內容

2.1 特殊過程確認的意義

直觀不易發(fā)現(xiàn)、不易測量或不能經濟地測量的產品內在質量特性的形成過程稱之為特殊過程[2]。過程確認是通過提供客觀證據對過程能力滿足規(guī)定要求的鑒定或合格評定。特殊過程確認就是通過大量的、與產品生產相關的、客觀的證據來認定此特殊過程形成產品的質量特性符合要求[3]。在QPQ復合處理中,產品不同區(qū)域的性能不盡相同(包括力學性能和化學性能),因此在檢驗時抽檢的單一樣本的性能無法代表整個材料的性能[4-6]。

金屬材料、浴鹽材料以及后續(xù)的時間、溫度等因素綜合作用著整個金屬材料的最終性能,只有將以上各要素控制在規(guī)定范圍之內,處理完成后產品的鹽浴質量及其特性才能最大限度的保持一致,最終抽檢樣本及其質量特性才能代表同批產品的整體特性。

2.2 特殊過程確認內容

保證QPQ復合處理的產品質量特性的波動在一定的范圍內,就必須保證鹽浴復合處理的過程因素被控制在相應的范圍內。在產品交付使用前需要證明抽檢產品的特性滿足QPQ復合處理的過程要求,并且保證此樣本特性能夠代表其他產品的質量特性,這就需要在特殊過程處理前將所有的過程因素控制在一定的范圍之中,這個范圍可由供需雙方共同制定(具體不應脫離行業(yè)標準)。

QPQ鹽浴復合處理特殊過程確認具體確認事項如下:

(1)QPQ復合處理質量特性確認;

(2)產品隱含的關聯(lián)特性確認;

(3)QPQ復合處理缺陷防止效果確認;

(4)QPQ復合處理過程形成因素及測控方式方法及產品代表性確認。

2.2.1 QPQ復合處理質量特性確認

通常在QPQ復合處理完成后只檢測所取試樣的性能和顯微組織,性能包括力學性能、耐磨性、耐蝕性。在特殊過程確認時所選取的試樣大小一般為20 mm×10 mm×10 mm,表面粗糙度Ra≤0.32 μm,并且試樣材料和原始狀態(tài)應與產品一致且符合QPQ工藝要求。進行特殊過程確認時會根據不同工件的技術要求從外觀、硬度、金相組織、畸變量來確認QPQ過程的質量特性[7-8]。

2.2.2 產品隱含關聯(lián)特性確認

QPQ復合處理特殊過程確認時需要增加關聯(lián)指標的檢測,通過金屬材料各種指標之間的相關性來確認復合處理過程中的質量特性。例如,部分產品檢測項目只注明抗拉強度,但是熱處理中的長時間高溫會對金屬材料韌性產生影響,所以需要增加韌性檢測。

2.2.3 QPQ復合處理缺陷防止效果確認

在QPQ復合處理中過程因素控制不當易產生缺陷。金屬原材料在預熱時未達到指定溫度導致進入氮碳共滲爐后爐內溫度下降超過20 ℃,此種情況則需相應延長鹽浴時間,避免因熱處理溫度不夠而導致材料質量特性不達標。氮碳共滲時對浴鹽進行脫氧處理,在使用過程中會帶入空氣,在浴鹽中累計氧元素,使產品氧化脫碳。應在工藝設計時采取相應措施來減少或避免缺陷的產生。碳鋼件在鹽浴氧化結束后可直接冷水清洗,但對于變形要求嚴格的工件,如焊接件和高合金鋼件等,應在空氣中冷卻至100 ℃以下后再進行清洗[9-11]。

2.2.4 QPQ復合處理過程形成因素及測控方式方法及產品代表性確認

在進行過程因素及測控方式確認時,必須將產品特性控制在要求范圍內,并以此為核心辨別出全部過程因素[4]。在QPQ處理過程中,由于操作人員需要避免工件在空氣中過度氧化的同時盡量使工件表面的鹽浴滴干,操作工件從氮碳共滲爐中出來進入氧化爐時的間隔時間的操作人員是過程因素。出廠時鹽浴中的氰酸根含量應在28%～39%,具體由供需雙方商定控制,氰酸根含量則為過程因素。添加再生鹽后,需要使再生鹽反應充分后再進行生產,反應持續(xù)時間最少應為1 h,再生鹽反應時間是過程因素。表面污染、銹蝕的工件鹽浴會使工件表面發(fā)紅、滲氮不完全從而影響工件的整體性能,鹽浴時工件的表面狀態(tài)為過程因素。除此之外QPQ復合處理的過程因素好包括各項溫度和時間以及加熱過程中溫度的穩(wěn)定程度。

當同一批次產品在QPQ復合處理中全部過程因素被控制在一定范圍內時,產品質量特性的控制范圍也得到了保證[12]。

3 QPQ鹽浴復合處理特殊過程確認方式

QPQ復合處理特殊過程確認是對QPQ復合處理的具體工藝,進行QPQ復合處理的各項設備以及復合處理結束后對成品的質量控制與檢驗項目的確認。注意氮碳共滲的溫度和時間直接決定了成品質量須重點確認。

3.1 QPQ鹽浴復合處理工藝規(guī)程

QPQ復合處理工藝規(guī)程應覆蓋QPQ復合處理的工藝全流程,包括QPQ復合處理過程中的全部過程因素及其允許的誤差和偏差范圍,成品的最終檢測與控制,進行QPQ復合處理各項操作的操作要求和操作步驟,以及操作所需的注意事項等;控制鹽浴過程中材料變形的要求;所使用的工藝材料和金屬材料的要求、鹽浴設備,鹽浴原始材料表面清理工藝及要求、鹽浴前預熱處理、鹽浴及氧化環(huán)境、氮碳共滲爐與氧化爐的受熱方式與加熱方法、鹽浴氮碳與鹽浴氧化共滲溫度及共滲時間等具體參數(shù);鹽浴復合處理工藝順序,鹽浴氧化后處理;對鹽浴操作人員的技術考核與基本技能要求。

3.2 鹽浴設備性能確認

鹽浴設備對鹽浴項目工藝規(guī)程中所需要求的滿足程度,包括復合鹽浴處理工藝規(guī)程涉及到的重點設備的檢定周期和日常維護要求,并且在每次檢查和維護之后做出具體的量化性記錄[13]。表1為本公司QPQ過程設備狀態(tài)檢查表。

表1 設備狀態(tài)確認表

3.3 檢測項目確認

QPQ復合處理的檢測項目確認是在整套QPQ工藝過程確認完成后對最終產品性能特性檢測方法和評價準則的確認[14-15],確認內容包括:特殊過程確認時增加的檢測項目、碳氮氧復合處理產品性能直接檢測項目、鹽浴氧化缺陷檢查、抽檢產品性能的代表性、確認過程完成后鹽浴氧化過程的檢測項目。已處理完成的樣本質量的檢驗需通過外觀、硬度、高溫、低溫、濕熱、鹽霧、中性鹽霧等試驗以及一系列常規(guī)熱處理檢驗辦法來確認其工藝措施的有效性和正確性(必要時還需檢測產品的機械性能)。表2為本公司試驗項目表。

表2 QPQ過程確認試驗項目表

3.4 氮碳共滲溫度和時間的重點確認

不同材料鹽浴時的溫度和時間不同,鹽浴氮碳共滲溫度和時間直接影響工件的最終性能,對工件氮碳共滲時的溫度和時間需要重點確認。表3為常用典型工件氮碳共滲的溫度和時間。

表3 典型工件鹽浴溫度和時間表

3.5 氮碳氧鹽浴復合處理的再確認

鹽浴復合處理過程因素的測控發(fā)生了更改、產品的檢測項目發(fā)生了更改,設備更換或大修,氮碳氧鹽浴復合處理過程需要再確認。

4 結 語

QPQ鹽浴復合處理特殊過程確認的核心內容是甄別出具體處理過程中的全部過程因素[3],除了普通熱處理中的各種工藝參數(shù)還包括QPQ復合處理中特有的工件轉移時間、操作人員、氰酸根含量等特有因素。通過對QPQ復合處理中特殊過程的確認,進一步完善了金屬熱加工行業(yè)的特殊過程確認體系,提升了技術人員和管理人員的專業(yè)素質,讓操作人員在具體操作時有據可依,在一定程度上節(jié)約了人力、物力和檢測資源,為供需雙方節(jié)省了項目預選。同時保證了工藝中各個環(huán)節(jié)的準確性,大大提高了最終產品的合格率。