基盐和工艺对珠光体球墨铸铁深层QPQ渗层组织及性能的影响

摘要

珠光体球墨铸铁因其良好的综合力学性能被广泛应用于承受重载、耐磨零件的制造，恶劣的使用环境对其耐磨和耐蚀性能要求较高。一般的表面强化处理只能单方面提高其耐磨性或耐蚀性，QPQ（盐浴复合处理）工艺可以实现耐磨性和耐蚀性的结合，但一般的QPQ工艺对工件的耐磨性能和耐腐蚀性能增强稍显不足，难以满足其在高速重载条件下的使用要求。因此，本试验采用深层 QPQ稀土催渗工艺，以实现高速重载环境下的高耐磨性和高耐蚀性。 本文采用金相组织观察、SEM 扫描及能谱分析、X 射线衍射分析、显微硬度测试、摩擦磨损试验和电化学腐蚀试验等手段，研究了不同基盐配方和氮化参数对珠光体球墨铸铁渗层组织、元素分布、显微硬度、耐磨性能及耐腐蚀性能的影响。 基盐成分对渗层组织的影响研究结果表明，基盐中[CNO-]=30%、[K+]/[Na+]=1.4时渗层中白亮层厚度较大，同时出现一定厚度的黑色扩散层组织；稀土含量越低，白亮层厚度越大；随锂盐含量增加，白亮层、扩散层的厚度及致密度逐渐增加。基盐中含有1.5%稀土和10.5%锂盐时，白亮层厚度达18μm，扩散层达20μm。 基盐成分对渗层硬度的影响研究结果表明，基盐中[CNO-]=30%、[K+]/[Na+]=1.4时渗层硬度较高；稀土含量越低，渗层硬度越高；基盐含1.5%稀土时，渗层硬度随锂盐含量的增加先增大后减小，含 7.5%锂盐时白亮层硬度达1100.8HV。 在 600～660℃，60～150min 条件下的QPQ 试验结果表明，随着氮化温度的升高，试样渗层的厚度及硬度先增大后减小。600～620℃时几乎观察不到扩散层组织；640℃时出现白亮层和扩散层的混合组织。随着氮化时间的延长，试样渗层的厚度及硬度逐渐增大，且有一定的协同性，扩散层中白色高氮化合物比重稍有增加。 QPQ 处理后，试样渗层由外向内包括氧化物层、极薄疏松层、致密化合物层及扩散层组织。O 主要集中在氧化物层；N 主要集中在化合物层和扩散层组织；C主要集中在氧化层；S集中分布于化合物层的外表面；Ce渗入极少，主要分布化合物层。氧化层物相主要是Fe3O4和Li2Fe3O4；氮化层的物相主要是Fe3N和Fe4N。 QPQ 试样和基材的干摩擦磨损试验结果表明，珠光体球铁的耐磨性随氮化温度升高先增大后减小，随保温时间的延长持续增大。640℃氮化150min时试样的磨损失重最小，低至2.0mg，其磨损失重仅为未处理试样的2.9%。试样的主要磨损机制为氧化磨损、黏着磨损及轻微的磨粒磨损。 QPQ试样和基材的电化学腐蚀测试结果表明，QPQ处理后珠光体球铁的耐腐蚀性能得到极大提升。在640℃氮化90min时耐腐蚀性能相对较好，相对基材腐蚀电位提高0.2888V，腐蚀电流密度提高两个数量级。 综上所述，分析优化得到的珠光体球铁深层QPQ基盐配方为：39%CO(NH2)2、13%Na2CO3、23%K2CO3、1%Na2SO3、2%K2SO3、6%NaCl、10%KCl、7%Li2CO3、1%Ce2(CO3)2·xH2O。获得高耐磨性、耐腐蚀性的热处理工艺参数为 640℃氮化120min，360℃氧化40min+20min，可获得18μm白亮层、20μm扩散层，白亮层硬度达1057.8HV。

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