现代工业中机械、航空、石化等行业用高品质不锈钢产品的应用，离不开表面工程技术的进步。众所周知，磨损和腐蚀均是发生于机件表面的材料流失过程，而且其他形式的机件失效大多数也是从表面开始。金属表面磨损和腐蚀的问题的解决首先与零部件表面的强化有关。过去数十年，表面工程技术已经深入到现代工业生产的方方面面，并形成了一个光彩夺目的新科技领域。其中，化学热处理作为一种常用的表面处理技术，在改变材料表面化学成分和组织，从而获得所需要性能方面发挥着重要作用。
而今天要介绍的QPQ工艺则是属于液体化学热处理（盐浴法）的一种方法，它具有同时大幅度提高金属表面的耐磨性、耐蚀性，而工件几乎不变形的优点。下面详细介绍不锈钢在QPQ处理方面的工艺应用，并对指出相应的注意问题。
一、QPQ处理工艺的概述
QPQ处理，它是Quench-Polish-Quench的缩写形式。是指将黑色金属零件放入两种性质不同的盐浴中，通过多种元素渗入金属表面形成复合渗层，然后对表面进行机械抛光或研磨，再经氧化盐浴表面氧化处理，从而达到使零件表面改性的目的。它没有经过淬火，但达到了表面淬火的效果，因此国内外称之为QPQ。
QPQ盐浴复合处理技术是近年来新发展起来的渗氮 氧化处理技术，实际上是一种盐浴复合处理技术，其主体技术是盐浴渗氮或盐浴氮碳共渗，然后再加上一道氧化工序。从QPQ处理的工艺过程来看，第一程序就是液体渗氮（或液体氮碳共渗），只不过是采用的冷却方式必须是氧化盐浴冷却。第二程序是渗层表面抛光（或研磨），工件经过盐浴处理后的表面不可避免地存在粗糙、多孔的显微层，经过机械抛光或研磨后，改善了表面的光洁度，这时的耐腐蚀性能可能略有下降。第三程序是抛光后的工件表面在氧化盐浴中受到氧化，这时的耐腐蚀性能显著提高。
因此，QPQ处理工艺主要是由于工件表面经氮化并在氧化盐浴中冷却后，可获得高的表面硬度、耐磨性能、耐疲劳性能和抛光后在氧化获得的高耐腐蚀性能。盐浴配方是QPQ技术核心内容之一，包括渗氮盐浴配方和氧化盐浴配方，其中，不锈钢的盐浴氮碳共渗的应用还不多，目前对其机理的深入研究得更少。
二、QPQ处理工艺过程
工件整个QPQ处理工艺过程为：去油清洗-装卡-预热-氮化-渗后冷却-工件表面抛光-氧化-去盐清洗-干燥-浸油。
各主要工序的基本作用如下所示：
1、预热：预热的主要作用是烘干工件表面的水分，使工件升温后再进入氮化炉，防止工件上附着的水分进入氮化炉后造成盐浴溅射伤害操作人员，并防止温度较低的工件入炉后使氮化炉温度降低太多。此外，预热对QPQ处理后的产品质量有一定的影响。温度和时间适当的预热可以减少工件变形，并获得色泽均匀的外观。通常，预热后的工件表面达到亮即可，不锈钢表面则为稻草黄色。
2、液体渗氮：氮化是QPQ盐浴复合处理技术的核心工序。由于氮化盐浴中的氰酸根分解可以产生活性氮原子，渗入金属表面，并在金属表面形成具有良好耐磨性和抗蚀性的化合物层和可以提高抗疲劳性能的扩散层。
早期的液体渗氮用盐主要是含有NaCN和KCN的氰盐。氰盐熔化后经过氧化产生氰酸盐，再由氰酸盐氧化或分解获取活性氮原子[N]和活性碳原子[C]。还有一种以尿素和碳酸盐为主要原料的混合盐，加热后产生化学反应生成氰酸盐，其配方为(NH2)2CO（尿素）：Na2CO3、KCl：KOH=45:35:10:10。目前比较常用的盐是由专业厂生产的产品盐，经加热熔化后直接使用。成品盐分两种，一种是基盐，主要成分为含40%左右的CNO-，17%左右的CO32-，其余为碱金属离子K 或Na 。基盐是用于第一次熔化或盐浴耗损后补充用的。另一种是调整盐，当CNO-降低至工艺要求后，来提高CNO-浓度的。
无论使用的是哪类盐，最终都是依靠氰酸盐的氧化、分解来获取活性氮原子和活性碳原子，即有如下的基本反应：
2CNO- O2 = CO32- 2[N] CO
2CO = CO2 [C]
4CNO- = CO32- 2[N] 2CN- CO
活性氮原子[N]和活性碳原子[C]被工件表面吸收并向内扩散，完成渗氮过程。
4、渗后冷却：渗后需用氧化盐浴冷却，氧化盐是一种强碱性盐，pH值为12～12.5，熔化后的盐浴具有强烈的氧化性。氧化盐的熔点不大于300℃，使用温度在350～400℃之间。工件在氧化盐浴中的保持时间，依据工件大小或多少控制在15～30min即可。
5、工件的表面抛光：采用机械的方法对表面进行抛光或研磨，将工件表面粗糙度提高至Ra0.09～0.15μm即可。
6、氧化：氧化的主要作用可使工件氮化后附着的氮化盐中的氰根（CN-）彻底分解，可以减少环境污染；同时在工件表面形成一层致密的Fe3O4膜，增加金属的表面抗蚀性。氧化盐浴与氮化冷却盐浴相同，保持温度在350～400℃，保持时间可短些，一般在5～15min。
要进行QPQ处理的工件，应有预先的热处理、渗氮前的表面清理、预热、处理后的清洗、烘干和浸油的程序。表1是归纳总结的QPQ处理中关键环节液体渗氮过程常见缺陷及预防措施。
表1 液体渗氮常见缺陷及防止措施
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缺陷种类 |
可能产生原因 |
预防措施 |
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表面硬度不足 |
共渗盐浴中CNO-不足 温度偏低 共渗时间偏短 表面层有疏松 |
调整成分，达到标准要求 校正温度，达到工艺要求 延长保温时间 查清产生疏松原因，予以解决 |
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渗层浅 |
共渗盐浴中CNO-不足 温度偏低 共渗时间偏短 |
调整成分，达到标准要求 校正温度，达到工艺要求 延长保温时间 |
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硬度不均 |
工件装卡不好，渗面挤压工件表面不干净，有污物盐浴渣子多，流动性不好 |
注意装卡，渗面之间要保持间隙，认真清洗工件表面，清理盐浴、捞渣保证盐浴洁净 |
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渗层表面疏松 |
盐浴不洁净，渣多，腐蚀工件表面 温度过高 时间过长 |
调整盐浴、捞渣，保持盐浴洁净 调整温度达工艺要求 调整保温时间达工艺要求 |
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变形大 |
工件装卡不当 冷却快 |
正确装卡 缓慢冷却 |
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在氧化盐浴中冷却，工件表面发红 |
氧化盐浴老化，有大量Fe2O3 从共渗炉出炉到氧化浴炉中停留时间长 |
清理、调整氧化盐浴 控制从共渗炉到氧化炉之间的时间 |
使用QPQ处理技术对不锈钢进行表面改性，以提高不锈钢表面硬度和耐磨性，可以大大低不锈钢零件在机器运行过程中的损耗，对于节约生产成本，延长设备使用寿命，具有重要的意义，也为不锈钢表面处理提供了一种新途径。
