螺紋緊固件QPQ處理常見(jiàn)表面缺陷研究

高杰文

摘 要：本文闡述了螺紋緊固件在QPQ鹽浴復(fù)合處理過(guò)程中常見(jiàn)的表面缺陷的原因，并著重地提出了相應(yīng)的糾正措施和預(yù)防措施。

關(guān)鍵詞：QPQ處理；螺紋緊固件；表面不良缺陷；改善

中圖分類號(hào)：TG161 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-3791（2015）05（c）-0000-00

QPQ（Quench-Polish-Quench）即淬火-拋光-淬火，其工藝實(shí)質(zhì)低溫鹽浴滲氮+鹽浴氧化或者低溫氮碳共滲+鹽浴氧化[1]。近年來(lái)，這種新工藝新技術(shù)因優(yōu)異的綜合性能：高耐磨性和超強(qiáng)抗腐蝕性能，以及微變形，環(huán)保無(wú)污染的特性等，在工業(yè)領(lǐng)域得到了極其廣泛的應(yīng)用。

從抗腐蝕性能來(lái)看，QPQ鹽浴較之類似的工藝如高溫堿煮和余溫發(fā)黑有著不可比擬的優(yōu)勢(shì)；但生產(chǎn)實(shí)踐同時(shí)也表明，螺紋緊固件在QPQ處理過(guò)程經(jīng)常出現(xiàn)外觀顏色發(fā)紅、發(fā)黃、發(fā)花，變白，污垢多，雜質(zhì)多等諸多不良表面缺陷。在螺紋斜面或牙谷底處容易吸污納垢[2]，也不容易進(jìn)行前處理（去油、除銹、清洗等）。在氮碳共滲過(guò)程中，螺紋結(jié)構(gòu)也通常流動(dòng)性不太好，容易導(dǎo)致化合物層較薄，表面諸多不良缺陷。吳清江 張永順也發(fā)現(xiàn)，在生產(chǎn)中當(dāng)材料含Si量多時(shí)（如27SiMn、30CrMnSi等材料），工件外表發(fā)花、發(fā)紅現(xiàn)象極多。雖然此現(xiàn)象不影響工件的耐磨和抗蝕性，但影響工件的美觀[3]。

同時(shí)，緊固件螺紋需要有穩(wěn)定公差尺寸，才能保證螺紋良好的配合性和互換性。QPQ處理時(shí)，再次加熱和冷卻，必將會(huì)應(yīng)力發(fā)生變化，從而導(dǎo)致螺紋精度的不穩(wěn)定性。

鑒于此，有必要對(duì)螺紋結(jié)構(gòu)外觀不良表面缺陷進(jìn)行系統(tǒng)地分析和研究，建立其相應(yīng)的失效模式，并采取對(duì)針對(duì)性的措施和對(duì)策，有效地避免類似問(wèn)題的再次發(fā)生。

1實(shí)驗(yàn)材料：

本文試驗(yàn)材料（易切削鋼Y40Mn[5]）為汽車零部件雙頭連接件螺紋緊固件。其化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%）、0.42C，1.41Mn，0.25Si，0.017P，0.05Cr，0.05N。同樣地，Y40Mn的Si量高達(dá)1.41，與上述27SiMn、30CrMnSi 的Si含量相當(dāng)，屬于高Si產(chǎn)品。另外，其尺寸大小為M24*1.5*11.0-M27*2*21.3-6g，螺距分別為1.5mm和2.0mm在標(biāo)準(zhǔn)公制螺紋中是均屬于細(xì)螺紋[4]，，其公差帶分別為236μm和280μm。

2 實(shí)驗(yàn)基本工作原理：

2.1 原來(lái)QPQ處理工藝主要流程為：去油 除銹 漂洗 預(yù)熱 氮化

氧化 拋光 氧化 水清洗 自然干燥 浸油。

經(jīng)過(guò)多次小批QPQ處理試驗(yàn)，確定了符合本產(chǎn)品的工藝流程和技術(shù)參數(shù)：

2.2 優(yōu)化后QPQ處理工藝主要流程為：去油 除銹 漂洗 預(yù)熱 氮化 氧化 拋光 氧化 超聲波清洗 強(qiáng)制干燥 浸油。

2.3 優(yōu)化后QPQ處理工藝主要技術(shù)參數(shù)：預(yù)熱（空氣爐）：350-400℃，30-40 min。氮化（鹽溶爐）：520-580℃，2-3h。氧化（鹽溶爐）：360-400℃，15-20min。

2.4 優(yōu)化后QPQ處理工藝曲線為：the optimized QPQ treatment process graph

2.5 QPQ處理各主要工序的基本作用：

除油：采用有機(jī)溶劑型清洗劑除去表面的油污，同時(shí)也去掉零件表面的雜質(zhì)。

除銹：需采用酸洗或噴砂法除盡表面已產(chǎn)生的氧化皮和氧化物，使氮化層易吸附在基材表面。否則已經(jīng)滲透到金屬內(nèi)部的氧原子，在氮化過(guò)程中會(huì)阻止?jié)B氮的速度，影響滲氮的效果[2]。同時(shí)，氧化皮和氧化物還會(huì)污染鹽浴成分，導(dǎo)致溶液雜質(zhì)偏多使氮化層易吸附在基材表面。

預(yù)熱：其目的烘干工件表面的水分，以防工件帶水入氮化爐引起鹽浴濺射。使冷工件升溫后再入氮化爐，便于加快滲氮擴(kuò)散速度，提高滲氮效果。

氮碳共滲：氮化是QPQ鹽浴的最關(guān)鍵工序。氮化鹽中氰酸根的分解而產(chǎn)生的活性氮原子滲入工件，在工件表面形成高耐磨性和抗蝕性強(qiáng)的化合物層和耐疲勞的

擴(kuò)散層。其反應(yīng)方程式[1]如下：

2CNO-+ O2=CO32-+CO+N2

4CNO- =CO32-+2CN-+CO+N2

在QPQ處理的氮化溫度（520-570℃）下，工件表面的高濃度N、C原子向內(nèi)部擴(kuò)形成擴(kuò)散層。其反應(yīng)方程式[1]如下：

（2-3）Fe+[N]=Fe2-3N

3Fe+[C]=Fe3C

一次氧化：主要氧化工序的作用一是徹底分解工件從氮化爐帶出來(lái)的氰根，達(dá)到環(huán)保要求。在工件表面形成黑色氧化膜，增加防腐能力，并提高耐磨性。其反應(yīng)方程式[1]如下：

2Fe+O2=2FeO

4Fe+3O2=2Fe2O3

FeO+Fe2O3=Fe3O4

拋光：鑒于螺紋結(jié)構(gòu)件的特殊性，本案曾經(jīng)采用噴砂處理的方式，雖可以成功地除去工件表面的疏松結(jié)構(gòu)。但細(xì)小的（金剛砂粒徑為0.2-0.3毫米）卻殘留螺紋齒間，極其難以清除干凈，也污染了后續(xù)的氧化溶液，反而導(dǎo)致表面氧化效果更糟。經(jīng)過(guò)多次實(shí)驗(yàn)，匹配到了合適的磨料粒子，粒徑大小約1.3毫米。且仍然通過(guò)振動(dòng)磨料拋光的方式，可較好地除去了氮化過(guò)程中殘留物，為后續(xù)的氧化生成致密的氧化膜打下了良好的基礎(chǔ)。

二次氧化：工件在拋光后，使工件表面恢復(fù)成色澤一致外觀，并提高工件的耐腐蝕性。

因此，QPQ處理后的工件組織由三層構(gòu)成，如右圖所示：外表為氧化層；該層主其主要組成為Fe3O4。它的多孔狀態(tài)結(jié)構(gòu)可以儲(chǔ)油，這既具有良好的抗蝕性，也可以提高耐磨性，同時(shí)還有美化外觀的作用。中間為化合物層（白亮層），其主要組成為Fe2-3N。它具有超強(qiáng)的耐磨性，也有良好的抗蝕性。 最里層為擴(kuò)散層，主要組成物為氮化物，主要作用是提高工件的疲勞強(qiáng)度。

2.6、螺紋緊固件QPQ鹽浴復(fù)合處理常見(jiàn)表面問(wèn)題處理對(duì)策[1] ：

3 結(jié)果

3.1 目視法：

檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)：按相關(guān)規(guī)定[1]為：在500LX的照度下，距燈300mm肉眼觀察，外表面顏色應(yīng)比較均勻一致，不得有明顯的花斑、銹跡、發(fā)紅、露底，內(nèi)孔清潔無(wú)臟污。整改后的產(chǎn)品多批次的結(jié)果表明完全滿足客戶外觀要求。

3.2通止規(guī)測(cè)試：

QPQ處理采取了專用筒式裝卡[1]的方式，避免了零件間在全過(guò)程中相互碰撞而造成表面露底和螺紋損傷的問(wèn)題。

對(duì)M24和M27的螺紋6g公差帶，按國(guó)家通止規(guī)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行檢測(cè)，完全符合要求。

3.3 CuSO4測(cè)試：

根據(jù)李惠友等推薦的檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)[1]：用10%CuSO4溶液滴試工件非棱角處，30分鐘不析出銅，即表示有完整滲層，防銹能力滿足要求。

優(yōu)化工藝的每批次產(chǎn)品實(shí)際上結(jié)果是：即便是使用16%CuSO4溶液進(jìn)行浸泡，至少90分鐘才有紅色的銅析出。

同時(shí)，這也遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于GB/T 15519-2002對(duì)鋼鐵黑色氧化膜對(duì)孔隙率的要求，用3%CuSO4溶液滴試或浸泡30秒中不析出銅[6]。

3.4鹽霧試驗(yàn)時(shí)間：

按照ISO 9227中性鹽霧試驗(yàn)表明，紅色銹蝕往往首先出現(xiàn)出現(xiàn)在尖銳的棱和角處，時(shí)間一般為在40h左右。

3.5一次合格率：

據(jù)統(tǒng)計(jì)，整改前一次合格率為僅僅75%左右；進(jìn)過(guò)系統(tǒng)整改后，目前一次合格率為100%。

4結(jié)論

通過(guò)對(duì)螺紋件QPQ處理外觀常見(jiàn)問(wèn)題全面地分析，全過(guò)程整改，不但提高了螺紋件零件的外觀產(chǎn)品質(zhì)量，還節(jié)約了返工的費(fèi)用和時(shí)間，也提高了客戶的滿意度。同時(shí)，只有對(duì)實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程認(rèn)真觀察，深入現(xiàn)場(chǎng)分析研究，按照PDCA質(zhì)量管理的方法，才可找到發(fā)生問(wèn)題的真實(shí)原因；再經(jīng)過(guò)反復(fù)試驗(yàn)，才能制定出最佳糾正整改措施，然后才能將相關(guān)要點(diǎn)固化在相關(guān)作業(yè)文件中（作業(yè)指導(dǎo)書(shū)和PPAP文件等），才能持續(xù)不斷地提升產(chǎn)品質(zhì)量。

參考文獻(xiàn)：

[1] 李惠友，羅德福，吳少旭 QPQ技術(shù)的原理與應(yīng)用 機(jī)械工業(yè)出版社 2008年7月第1版

[2] 李遠(yuǎn)輝，王靜，丁義超等 QPQ技術(shù)與中性鹽霧試驗(yàn) 熱處理技術(shù)與裝備 2012年1月

[3] 吳清江，張永順QPQ處理的質(zhì)量控制 [C]中國(guó)兵工學(xué)會(huì)維修專業(yè)委員會(huì) 2004年

[4] GB/ T 193 -2003 普通螺紋直徑與螺距系列

[5] 周鼎華QPQ技術(shù)的鹽浴調(diào)整和維護(hù) 熱處理 2010年 第25卷第6期