一种稀土氧化物改性QPQ技术及其在水压传动元件上的应用

摘要

本发明属于金属表面改性技术领域，具体涉及一种QPQ技术提高金属表面性能的方法；本发明还涉及该方法在水压传动元件上的应用。该方法主要包括以下步骤：1）对工件表面清洗，去除工件表面油污和杂质；2）在氮化盐基盐内加入稀土氧化物CeO2，升温到一定温度后保温，待彻底熔化后继续升温到所需温度；3）将工件浸入氮化盐进行氮化处理；4）将工件浸入熔化后的氧化盐内进行氧化处理。采用该工艺处理的工件可以获得比常规QPQ复合处理工艺更厚的化合物层，通过该方法处理的45钢水压传动元件，可大幅度延长使用寿命，降低生产成本。

说明书

技术领域

本发明属于金属表面改性技术领域，具体涉及一种添加稀土氧化物提 高金属表面性能的QPQ技术；本发明还涉及该技术在水压传动元件上的 应用。

背景技术

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。QPQ复合处理技术是由盐浴渗氮技术演 变而来。QPQ盐浴复合处理技术是一种可以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新的金属表面强化改性技术。

在以水为工作介质的液压传动中，需要液压元件同时具备较高的耐磨 性和耐蚀性。目前常用的水压元件的材料有：耐蚀合金、工程塑料、 陶瓷及其涂层材料等，这些材料多存在着价格昂贵、加工工艺复杂或 者工作条件要求较高的问题，因此需要寻求一种价格低廉的材料来代 替传统的水压传动元件材料。45钢是所有钢材中价格相对便宜的钢材 ，但其耐磨性、耐蚀性都不能满足水压传动元件的工作需求，需要对 其进行表面改性。目前，表面改性方法较多，如离子氮化、表面喷涂 和QPQ盐浴复合处理技术等，这些表面改性方法各有优缺点，离子氮化 虽然具有较厚的渗层，但离子渗氮处理成本高，因此价格比较贵；不 同形状、尺寸和材料的零件混合装炉进行渗氮处理时，很难使工件温 度均匀一致；对形状不规则而难以放置的零件、深孔件及某些不需要 渗氮的部位需要设计专用夹具和保护装置。

QPQ盐浴复合处理技术则具有变形小、处理时间短，节能效果显著的优 点。但传统的QPQ处理技术具有渗层较薄，不能满足即承受摩擦磨损又 需要具有良好耐蚀性的工件的需求。尽管提高渗氮温度和保温时间能 在一定程度上增加渗层厚度，但却会使渗层变得疏松，反而不利于提 高其耐磨、耐蚀性。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术存在的缺陷，提供一种具有渗速快、渗 层深的金属表面改性方法和该方法在水压传动元件上的应用，从而得 到一种价格低廉，性能优异的水压传动元件。本发明的工艺流程为： 工件表面预处理→稀土盐浴氮化→盐浴氧化。

实现本发明目的的技术方案是：一种提高金属构件表面性能的方法； 该方法包括以下步骤：

（1）将工件表面依次用320#~1200#的SiC砂纸磨平，再用Cr₂O抛光粉 抛光至镜面；

（2）用无水乙醇或丙酮对工件进行5min以上的超声波清洗，去除工件 表面油污和杂质；

（3）将工件放入电阻炉内进行预氧化；

（4）在氮化盐内加入1~5%的稀土氧化物；

（5）将氮化炉升温至一定温度进行保温，待氮化炉内氮化盐充分熔化 后，升温至氮化所需温度；

（6）将工件浸入氮化炉内，氮化温度达到规定温度后开始计时，保温 至规定时间后取出；

（7）浸入氧化炉进行表面盐浴氧化处理；

（8）氧化结束后，将工件取出后水冷。

上述技术方案，所述的预氧化温度为350℃，预氧化时间为30~40min。

上述技术方案，在氮化盐内加入的稀土氧化物为CeO₂。

上述技术方案，盐浴渗氮温度为540~580℃，渗氮时间为1~4h。

上述技术方案，所述的渗氮温度为560℃，渗氮时间为2.5h。

上述技术方案，盐浴氧化温度为400~450℃，氧化时间为20~60min。

上述技术方案，所述的盐浴氧化温度为430℃，氧化时间为40min。

本发明还提供一种上述方法在水压传动元件上的应用，所述传动元件 由45钢材料制成，并通过如权利要求1~7任一项权利要求所述的方法进 行了表面处理。

上述技术方案，所述传动元件表面具有一定厚度的渗层，所述渗层由 位于最表面的氧化层和位于次表面的化合物层组成。

上述技术方案，所述氧化层厚度为3~5μm，所述化合物层厚度为12~1 5μm。

采用上述技术方案后，本发明具有以下积极的效果：

（1）本发明工艺将工件抛光至镜面，可使渗氮后表面渗层更均匀，与 基体结合更牢固，不易脱落，提高渗层质量；

（2）工件盐浴渗氮前先进行预氧化，预氧化能使工件表面产生轻度氧 化表面形成微孔，人为的增加了表面缺陷，使工件表面形成更多的悬 键，位错露头，台阶等，从而产生更多的活化中心，增加活性氮原子 的吸附机率和吸附量，进一步加快渗氮过程，同样渗氮时间下增加渗 层厚度；

（3）本发明工艺在氮化盐内加入1%~5%的稀土氧化物CeO₂。活性稀土 原子增大了渗剂反应速度，可以使氮化盐产生更多的氮原子和碳原子 ，使表面扩散渗入的氮原子和碳原子通量增大；其次，大尺寸稀土原 子渗入时，会造成晶格畸变，利于氮原子和碳原子的跃迁，并优先在 这些畸变区聚集，从而提高了渗层的碳、氮原子浓度；高的碳、氮原 子浓度梯度的出现，促进了碳、氮原子的扩散，从而提高了渗速，减 少QPQ盐浴复合处理时间，达到节能环保的目的；

（4）本发明渗氮时，工件完全浸在液体盐中，可对工件进行全方位渗 氮，且渗层均匀；

（5）本发明水压传动元件采用45钢材料制成，表面通过本发明的QPQ 盐浴复合处理技术进行处理，各项使用性能即可达到服役要求，可替 代不锈钢等耐蚀、难加工材料，大大节约生产成本。

附图说明

为了使本发明的内容更容易被清楚地理解，下面根据具体实施例并结 合附图，对本发明作进一步详细的说明，其中

图1为经过QPQ稀土催渗处理的45钢表面形貌；

图2为传统QPQ处理后的45钢表面形貌；

图3为经过不同处理后的45钢截面硬度曲线图；

图4为经过不同处理后的45钢表面磨损失重；

图5为经过不同处理后的45钢在热水中出现锈斑的时间。

图中1、氧化层；2、化合物层。

具体实施方式

（实施例1）

实现本发明目的的技术方案是：一种QPQ技术提高金属表面性能的方法 ；该方法包括以下步骤：

（1）将工件表面依次用320#~1200#的SiC砂纸磨平，再用Cr₂O抛光粉 抛光至镜面；

（2）用无水乙醇或丙酮对工件进行5min以上的超声波清洗，去除工件 表面油污和杂质；

（3）将工件放入电阻炉内进行预氧化；

（4）在氮化盐内加入1~5%的CeO₂稀土氧化物；

（5）将氮化炉升温至一定温度进行保温，待氮化炉内氮化盐充分熔化 后，升温至氮化所需温度，一般渗氮温度为540~580℃；

（6）将工件浸入氮化炉内，氮化温度达到规定温度后开始计时，保温 至规定时间后取出，渗氮时间可为1~4h；

（7）浸入氧化炉进行表面盐浴氧化处理，盐浴氧化温度为400~450℃ ，氧化时间为20~60min。

（8）氧化结束后，将工件取出后水冷。

优选地，所述的预氧化温度为350℃，预氧化时间为30~40min，温度太 低，预氧化效果明显，温度太高，形成的氧化膜过厚，反而会阻碍活 性氮原子的渗入。

优选地，当渗氮温度为560℃，渗氮时间为2.5h时，可得到致密、均 匀的渗氮层。渗氮温度过高或时间过长，渗氮层则变的疏松，耐磨性 和耐蚀性反而会下降；同样，氧化温度过高，氧化时间过长也都不利 于耐蚀、耐磨性的提高，当氧化温度为430℃，氧化时间为40min时， 效果最佳。

本发明还提供一种上述方法在在水压传动元件上的应用，该传动元件 由45钢材料制成，并经上述方法进行了QPQ盐浴复合处理。经处理后的 传动元件表面具有一定厚度的渗层，渗层由位于最表面的氧化层1和位 于次表面的化合物层2组成，氧化层1厚度为3~5μm，化合物层2厚度为 12~15μm。该方法处理后的45钢水压传动元件在热水中具有良好的耐 蚀性。

本发明在优选的工艺参数下加稀土催渗QPQ处理和传统未加稀土催渗Q PQ处理后的45钢水压传动元件进行了金相组织分析，见图1和图2，图 1为经过加稀土催渗QPQ处理后的表面形貌，图2为经过传统QPQ处理后 的表面形貌。比较图1和图2可以发现，经过处理后的元件表面后产生 了一层致密的化合物层2（白亮层），且在化合物层2外表面还有一层 厚度约几微米的氧化层1。其中，经过稀土催渗QPQ处理后45钢传动元 件表面渗层厚度明显高于未经稀土催渗QPQ处理后的渗层。这说明，稀 土的加入对QPQ处理起到了良好的催渗作用。

图3是经过不同处理后的45钢截面硬度曲线图。从图中可以看出，经过 处理后的试样，表面硬度明显提高，比原始试样的表面硬度提高3倍以 上，且硬度曲线比较平缓。比较QPQ和QPQ稀土催渗试样截面硬度曲线 的差别可以得出，经过QPQ稀土催渗处理后的45钢传动元件表面硬度明 显高于经过QPQ处理后的表面硬度，而且经过QPQ催渗处理后的45钢传 动元件的硬度梯度更为平缓，这可以使45钢传动元件表面渗层和基体 结合更紧密，并提高其表面耐磨性。

图4是为处理后的水压传动元件制成的试样磨损失重图，从图中可以看 出，未经处理的试样磨损失重最多。经过QPQ稀土催渗处理后的45钢试 样表面失重最小。其中，经过QPQ稀土催渗处理后45钢表面耐磨性比未 经处理的45钢表面耐磨性提高10倍左右，比经过常规QPQ处理后的45钢 表面耐磨性提高2倍左右。

图5是经不同处理后的45钢试样在在90℃热水中生锈的时间。从图中可 以看出，未经处理的45钢在热水中浸泡10min左右就开始生锈，以至于 在图中无法看清，经过QPQ处理后的45钢在水中开始生锈的时间则远高 于未经处理的45钢试样。而经过QPQ稀土催渗的45钢试样在热水中开始 生锈的时间进一步增加，与304不锈钢在热水中开始生锈的时间相当。 这说明稀土的加入对45钢表面耐蚀性也发挥着积极的作用。

通过以上实验数据说明，经稀土催渗的QPQ处理在相同渗氮时间内可大 大提高渗层厚度，渗层均匀、无疏松，具有优异的耐磨性和耐蚀性， 由此可选用价廉的45钢制造水压传动元件，并通过稀土催渗的QPQ处理 技术对其进行表面处理，从而得到较厚的渗层，满足其所需的耐磨性 和耐蚀性要求，从而显著降低水压传动元件成本。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行 了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施 例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做 的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内 。