40Cr鋼是工程機械常用軸類零件用鋼，在使用過程中需要心部具有較好的韌性和抗扭轉、抗剪切強度，但容易發(fā)生摩擦磨損與腐蝕損傷等而影響使用壽命。在惡劣工況下，常規(guī)的防銹處理已經不能滿足使用要求，因此，有必要采取適當的表面處理技術對40Cr鋼零件表面進行強化。QPQ鹽浴復合處理由滲氮和氧化工序多次復合而成，主要工序為:鹽浴滲氮→鹽浴氧化→清洗拋光→鹽浴氧化。經兩種不同性質的滲氮鹽與氧化鹽處理，通過多種元素的滲入，使得金屬表面形成由多種化合物構成的復合滲層，達到提高表面硬度、耐磨性、耐蝕性等表面強化改性的目的。相比表面鍍鋅與表面鍍鉻處理，QPQ工藝具有加工溫度低、工件變形小、全過程無公害等優(yōu)勢，已被廣泛應用于汽車零部件、儀器儀表和工程機械等領域。本文采用QPQ技術處理40Cr鋼，通過對比不同滲氮溫度(580、600、620 和、640℃)下滲層組織、硬度與磨損性能的變化情況，以期獲得40Cr鋼QPQ處理的最佳工藝參數，對于提高40Cr鋼零部件使用壽命及制定實際生產中 QPQ處理工藝方案提供參考。
1 試驗材料和方法
試驗材料為正火態(tài)40Cr鋼，其主要化學成分(質量分數，% )為 0.374C、0.217Si、0.658Mn、0.949Cr,余量為Fe及不可避免的雜質。用線切割將試樣加工成尺寸為20mm×10mm×10mm的滲層檢測試樣,檢測面經砂紙逐級研磨，并拋光至鏡面后，然后分別用丙酮、酒精和超聲波清洗以徹底清除表面的油污與雜質，確保樣品檢測面具有相同的粗糙度和光潔度，最后進行QPQ處理。QPQ處理工藝為:用空氣加熱爐進行460℃保溫40min的預熱處理，然后直接放入滲氮爐分別進行 580、600、620和640℃保溫5h滲氮處理;隨后直接放入氧化爐進行410℃×35min氧化處理，空冷，最后用清水清洗隨爐帶出來的鹽液。
采用MMW-1型微機控制立式萬能摩擦磨損試驗機測試QPQ處理樣品滲氮層的磨損特性，對磨材料為Si3N4，試驗載荷100N，轉速120r/min，磨損時間2h。對磨損前后的樣品進行相同的超聲波無水乙醇清洗并烘干30min，采用TA5003N電子天平稱重并計算磨損量，重復3組試驗取平均值。采用電火花線切割機制取組織與性能測試樣品，顯微組織樣品取自試樣橫截面，并通過標樂金相鑲嵌機(Simplimet 3000)進行熱鑲嵌預處理，通過自動研磨拋光機(Ewmet 250pro) 進行水磨砂紙( 型號由粗到細) 研磨處理，并進行機械拋光。隨后經4%硝酸溶液腐蝕后，采用徠卡DMI 5000M光學顯微鏡觀察樣品顯微組織。采用FEI鎢燈絲掃描電鏡(Inspect S50)對銷盤磨損樣品進行磨損形貌觀察。采用KB30全自動顯微維氏硬度計測試試樣滲層的硬度梯度，加載載荷砝碼為1kg，保壓時間15s。
2 試驗結果和討論
2.1滲氮溫度對顯微組織的影響
        
圖1不同滲氮溫度下的40Cr鋼QPQ滲氮層的顯微組織
(a) 580 ℃ ; (b) 600 ℃ ; (c) 620 ℃ ; (d) 640 ℃

圖1為不同滲氮溫度下試樣截面QPQ滲層的顯微組織形貌?？梢钥闯?，遠離 QPQ滲層靠近心部的顯微組織形貌基本一致，基體為珠光體及少量鐵素體。這是作為試驗材料的40Cr鋼經一般正火處理的常規(guī)組織狀態(tài)。本文采用金相化學腐蝕方法制備顯微組織樣品，由于組織中不同的相耐腐蝕性能存在差異，在相同濃度腐蝕液與腐蝕時間下會表現出不同的腐蝕程度，在光學顯微鏡的視野內會呈現不同的襯度。這種從表層到心部的色差變化在圖1中均可看到，說明不同滲氮溫度下各試樣表層均存在與基體不同的相，這種滲氮層的存在實現了QPQ表面改性的目標。具體分析可以發(fā)現，隨著滲氮溫度的升高，相比基體更耐腐蝕的滲氮層厚度是發(fā)生變化的，從580℃升高至620℃，滲氮層厚度在逐漸增加，但升高到640℃后，滲氮層厚度開始減小。這主要是由于滲氮溫度的變化將影響氮原子的擴散速率，而當溫度過高時，會導致疏松加重，此時化合物生成速度小于疏松長大速度，反而使化合物有效厚度不升反降。
  另外，QPQ處理后形成的滲氮層由表及里依次為氧化膜層、化合物層與擴散層。氧化膜層通過鹽浴氧化處理形成，主要是為了完全分解吸附在滲層的氰酸根及氰根，從而轉變?yōu)樘妓猁}沉渣，同時致密氧化膜還可以改善滲氮層的表面質量。但致密氧化膜一般無法通過OM直接觀察到，在白亮層表面隱約可見的黑色薄層與QPQ處理后試樣黑色外觀可以認為是氧化膜存在的特征。在滲氮鹽浴爐內氰酸根分解的活性氮原子會不斷吸附在合金表面形成高氮勢，驅動氮原子不斷向合金內部進行擴散，氮原子固溶于 α-Fe中或與Fe形成固溶體，實現固溶強化。當氮原子濃度繼續(xù)升高時，其以細小碳化物或鉻化物為晶核形成氮化物。因而化合物層與擴散層本質上是氮原子濃度梯度在物相上的反映。因而氮的濃度及活性是決定滲氮層厚度與質量的關鍵因素，其受溫度的影響明顯。

2.2滲氮溫度對顯微硬度的影響
     

          
圖2不同滲氮溫度QPQ處理40Cr鋼的顯微硬度梯度曲線

     40Cr鋼經過不同滲氮溫度的QPQ工藝處理后表面硬度梯度變化如圖2所示?？梢钥闯?，不同滲氮溫度下硬度梯度的總體變化趨勢比較一致，說明各工藝下均有一定深度的滲層存在，這一點與上文顯微組織觀察結果(圖1)相吻合。總體來講,QPQ處理后樣品表面硬度均有明顯提升，但隨滲氮溫度的升高，樣品次表面的最高硬度與基體硬度均差別不大，主要區(qū)別在于硬度梯度的下降幅度。各滲氮溫度下(580、600、620、640℃)次表面硬度分別為 521、555、556、568 HV，相比未處理基體硬度平均值(262 HV)，增幅分別達99.9% 、111.8% 、111.8% 、116.8% 。
按照QPQ常規(guī)方法規(guī)定，QPQ滲層有效深度為表面硬度下降至超過基體硬度 30 HV 時的表面距離，計算4種滲氮溫度下樣品有效滲層深度分別為 0.14、0.20、0.29和0.26 mm。對比未處理試樣，QPQ處理樣品表面硬度均明顯提高，這是由于40Cr鋼含一定的氮化物形成元素鉻與鐵，而化合物層主要是鹽浴滲氮過程中形成的高硬Cr、Fe氮化物。其硬度與此類化合物在材料表面的構成比例密切相關，而此類氮化物的形成主要與氮元素的擴散速率相關。因此，滲氮溫度就是通過影響氮原子的擴散速率來影響氮化物的形成比例，進而影響QPQ處理樣品表面的硬度與耐磨性。因此，隨溫度升高，氮元素擴散速率增加，氮化物形成比例增加，導致硬度升高。但另一方面，表面硬度還與氮原子結合形成單個分子在表面聚集形成疏松有關。當滲氮溫度升高至640℃時，使得原本氮原子聚集與擴散的平衡遭到破壞，溫度升高使得氮元素聚集占主導后，會加速疏松層的產生，同時使得晶粒長大與粗化，使得硬度開始下降。
2.3滲氮溫度對耐磨性的影響

圖3不同滲氮溫度QPQ處理40Cr鋼的磨損量

圖3為經不同滲氮溫度QPQ工藝處理后40Cr鋼的磨損量情況，可以看出，隨滲氮溫度的升高，磨損量呈先減小后增大的趨勢，在620℃的滲氮溫度下達到最低值，說明4種滲氮溫度下，樣品耐磨性先升高后降低，這與圖2顯微硬度測試結果相一致。
   

                   
圖4不同滲氮溫度QPQ處理40Cr鋼的磨損形貌  
(a) 580 ℃ ; (b) 600 ℃ ; (c) 620 ℃ ; (d) 640 ℃

從圖4的磨損形貌可以看出，滲氮溫度為580℃時QPQ樣品表面磨損十分嚴重，存在大量犁溝狀磨痕，且互相平行的犁溝明顯被大面積的粘著態(tài)脫落坑分割，表現出典型的磨粒磨損與嚴重的粘著磨損。600℃時QPQ樣品表面磨損較嚴重，但平行犁溝變得清晰可見，粘著磨損程度減輕。620℃下QPQ樣品表面以淺劃痕占主導，并伴有少量結巴狀凹坑的粘著磨損。640℃時QPQ樣品表面情況與620℃的相似。由此可知，隨著滲氮溫度的升高，QPQ樣品的磨損程度呈逐漸減輕的趨勢。這主要是由于不同滲氮溫度下QPQ滲層的化合物層厚度及高硬氮化物的比例不同所致，滲氮層厚度越厚，硬度越高，則相對承載能力與抵抗塑性變形的能力更好，對磨過程中不易使對磨材料表面微凸體壓入樣品表面，從而表現出更淺的犁溝與更小的脫落坑。
3 結論
1、QPQ處理后形成的滲層由表及里依次為氧化膜層、化合物層和擴散層。隨滲氮溫度升高，滲層厚度呈先增后減的變化趨勢，620℃時滲層厚度最大。
2、經QPQ處理后，40Cr鋼表面硬度明顯高于基體硬度，580、600、620 和 640 ℃滲氮溫度下，次表面最高硬度分別為 521、555、556 和 568 HV，相比未處理基體硬度平均值(262 HV)，增幅分別達 99.9% 、111.8% 、111．8% 和116．8% ，有效滲氮層深度分別為 0.14、0.20、0.29 和 0.26mm。
3、隨著滲氮溫度的升高，磨損量呈先減小后增大的趨勢，620℃時達到最低值，同時磨損程度呈現逐漸減輕的趨勢。這主要是由于不同滲氮溫度下QPQ滲層的化合物層厚度及高硬氮化物的比例不同所致，滲層厚度越厚，硬度越高，則相對承載能力與抵抗塑性變形的能力更好，對磨過程中，表面不易被對磨材料表面微凸體壓入，從而表現出更淺的犁溝與更小的脫落坑。