石油機械零件作QPQ處理

1、石油機械零件作QPQ處理可行性研究報告一、 QPQ處理介紹QPQ是一種新的金屬表面強化改性技術(shù)。“QPQ”是英文“QuenchP0lish-Quench”的縮寫。原意為淬火拋光淬火，從專業(yè)技術(shù)上來講，這種說法不夠確切，但在國際上已經(jīng)習(xí)慣地沿用至今，因此被廣泛采用。在國內(nèi)把它稱作QPQ鹽浴復(fù)合處理技術(shù)，在工藝上是指它是在氮化鹽浴和氧化鹽浴兩種鹽浴中處理工件，實現(xiàn)了滲碳工序和氧化工序的復(fù)合；滲層組織上是氮化物和氧化物的復(fù)合；性能上是耐磨性和耐蝕性的復(fù)合；技術(shù)上是熱處理技術(shù)和防腐技術(shù)的復(fù)合。二、 石油機械零件現(xiàn)狀石油機械屬于野外作業(yè)，耐蝕性和耐磨性都有較高要求。我國石油工業(yè)因設(shè)備腐蝕造成的損失十分嚴(yán)

2、重。石油行業(yè)的閥桿、閥座和閥心要求有較高的耐磨性和耐蝕性。采用碳鋼滲碳淬火，然后鍍硬鉻，耐蝕性很低；采用不銹鋼制造，耐蝕性好，但耐磨性不夠。螺桿泵襯套，主要用于石油化工行業(yè)的輸送泵，用鑄鐵制造，耐蝕性和防腐蝕達(dá)不到要求。石油儀表零件放大機構(gòu)總成齒輪軸、軸套用T10鋼進(jìn)行鍍硬鉻，以增加表面的耐蝕性。這些零件在海洋平臺上使用時容易發(fā)生鍍鉻層脫落的問題，同時由于鍍硬鉻耐蝕性不夠，很容易生銹，甚至嚴(yán)重到儀表不能轉(zhuǎn)動的程度。三、 QPQ處理特點QPQ處理由于是在金屬的表面滲入了N、C、O等元素，并在金屬表面形成和化合物層和擴散層，因而使金屬表面的耐磨性、耐蝕性和耐疲勞性都大為提高，這是單一的熱處理或單一

3、的耐蝕性技術(shù)所不能與之相比的。因為一般熱處理和表面硬化技術(shù)只能提高耐磨性，不能提高耐蝕性，而絕大多數(shù)耐蝕技術(shù)都不具備高的耐磨性，而QPQ處理則是兩者兼而有之。1. 耐磨性QPQ處理后在金屬表面形成的化合物層為Fe2.3N（Fe3N），是一種氮的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為6%以上的化合物，它與普通的熱處理形成的碳的過飽和的固溶體（淬火馬氏體）有本質(zhì)的區(qū)別，因此兩者不能以硬度的高低來比較耐磨性。2. 耐蝕性QPQ處理的化合物層經(jīng)過氧化后，有大量的O滲入到化合物層中間，使化合物層鈍化、耐蝕性得到了極大的提高，它的耐蝕性比普通滲氮或軟氮化的化合物層的耐蝕性要高很多倍。因此QPQ處理的耐蝕性是普通滲氮或軟氮化不能與之相

4、比的。3. 耐疲勞性QPQ處理后形成的擴散層，還會提高金屬表面的耐疲勞性能。4. 強度QPQ處理只是改變金屬表面的性能，對工件的整體強度影響不是很大，因此除尺寸較小的工件以外，尺寸較大的工件不能依靠QPQ處理來提高其整體強度。5. 工件尺寸形狀和表面粗糙度QPQ處理后的工件尺寸和形狀變化不大，因此它是一種產(chǎn)生變形極小的硬化技術(shù)，而且這種極小的變化量還可以通過預(yù)留機械加工余量來控制盒消除。因此，QPQ技術(shù)常常用來解決一些硬化技術(shù)無法解決的硬化變形問題。QPQ處理后工件的表面粗糙度值變化不大，必要時還可以采用拋光的方法來改善工件表面粗糙度值。四、 QPQ處理與其它處理比較1. 耐磨性比較QPQ處理

5、可以減小摩擦因數(shù)，圖一所示為同樣表明粗糙度的樣品作不同處理后摩擦因數(shù)的比較。經(jīng)鹽浴氮化及類似鹽浴工藝處理后，摩擦因數(shù)均比鍍鉻和表面硬化小。QPQ在潤滑條件下可以減小摩擦因數(shù)，特別是在有潤滑的情況下，采用QPQ處理的樣品的摩擦因數(shù)已經(jīng)變得很小。由于摩擦因數(shù)的減小，摩擦熱的產(chǎn)生也會大大減少，因此也就減少了產(chǎn)生膠合磨損的可能性。表1 QPQ處理工藝對摩擦因數(shù)的影響采用滾動磨損與滑動磨損兩種最常見的并且具有代表性的磨損試驗方法進(jìn)行較全面的試驗，試驗結(jié)果為這項技術(shù)替代一些原有的工藝方法提供了理論依據(jù)。(1).滾動磨損試驗對QPQ處理的45鋼試樣與45鋼淬火、高頻感應(yīng)淬火、鍍硬鉻及20滲碳淬火試樣比較試驗

6、。磨損試驗采用壓力為1960N，轉(zhuǎn)速為200r/min，試驗時間為5h，試樣尺寸50mmX10mm，試驗結(jié)果見表2.表2 滾動磨損試驗?zāi)p值比較在本試驗的條件下，45鋼（原材料）經(jīng)過QPQ處理后，滾動磨損試驗的耐磨性是20鋼滲碳淬火的9.6倍，是45鋼高頻淬火的16.2倍，是45鋼常規(guī)淬火的16.3倍。45鋼經(jīng)QPQ處理后的高耐磨性主要是依靠其表面形成的Fe23N化合物層。這種化合物層的耐磨性要比普通的含碳淬火馬氏體高得多。表中鍍硬鉻的磨損值是反常的，特別大。這是由于鍍硬鉻層的結(jié)合力不夠強，在滾動磨損時由于壓力較大，致使鍍硬鉻層剝落，失重量增加，這并非真正磨損值。因為通常鍍硬鉻層的耐磨性應(yīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)

7、高于普通淬火件。(2)滑動磨損試驗對QPQ處理的40Cr鋼樣品與40Cr鋼鍍硬鉻、離子滲碳、高頻感應(yīng)淬火、常規(guī)淬火及20鋼滲碳淬火樣品進(jìn)行耐磨性比較試驗。試驗條件經(jīng)預(yù)先試驗反復(fù)篩選以后確定，轉(zhuǎn)速為200r/min，壓力為19.6N，試驗時間為2h。試驗結(jié)果見表3，為5個試樣的平均值，試驗數(shù)據(jù)的分散度極小，各組數(shù)據(jù)之間完全沒有交叉，說明數(shù)據(jù)穩(wěn)定可信。表3 滑動磨損試驗?zāi)p值比較以上兩種試驗都是在一定的試驗條件下，在確定的磨損試驗內(nèi)測定磨損量的大小來進(jìn)行比較的，沒有采用作磨損曲線的辦法，因此也沒有達(dá)到急劇磨損的階段。這是由于考慮到采用QPQ處理的工件，一般都是在保持化合物層的條件下使用的，即不使化

8、合物層磨穿，基體不產(chǎn)生明顯磨損，所以這種方法有實際應(yīng)用意義。綜上所述，QPQ處理是提高金屬表面耐磨性能的有效手段。2. 耐蝕性比較耐蝕性高是QPQ技術(shù)的另一大特點。它的耐蝕性遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于鍍鉻、鍍鎳等表面防護(hù)技術(shù)水平，甚至比某些不銹鋼的耐蝕性還要高。這種高的耐蝕性主要依靠在金屬表面的Fe23N化合物層和致密的Fe3O4氧化膜，使得金屬件在大氣、鹽霧、弱酸、濃堿等條件下都具有很高的耐蝕性。采用可以用于現(xiàn)場快速檢查用的CuSO4溶液侵蝕法，與一般工件服役條件幾乎完全一致的避雨露天放置法和快速敏捷的鹽霧試驗法，對QPQ技術(shù)的耐蝕性和鍍硬鉻等技術(shù)進(jìn)行了比較，同時還和1Cr13、1Cr18Ni9Ti不銹鋼的耐

9、蝕性進(jìn)行了比較。(1). CuSO4溶液試驗采用質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10%CuSO4水溶液浸泡工件或滴在試件的表面上，以試件表面上開始有紅色的銅析出的時間為耐蝕時間。這是一種既簡單又容易掌握的方法，特別適合于在生產(chǎn)現(xiàn)場對產(chǎn)品的耐蝕性做快速檢驗。表4 耐CuSO4溶液腐蝕比較對幾種工藝方法的CuSO4耐蝕性試驗結(jié)果見表4。由表可見，發(fā)黑處理件僅0.02h（1.2min）就開始在工件表面析出銅，鍍硬鉻件在1h析出銅，鍍裝飾鉻件25h開始析出銅，而QPQ處理件出銅的時間長達(dá)140h。由此可見QPQ處理件的耐蝕性遠(yuǎn)高于發(fā)黑件和鍍鉻件。(2).露天放置試驗考慮到絕大多數(shù)零件是在大氣中使用的，因此在空氣中進(jìn)行長時間

10、放置試驗更接近于零件的服役條件。為此，采用了室外露天避雨放置，即在室外遮雨棚內(nèi)存放，每組為3個試樣，以試樣開始生銹的時間作為耐蝕時間，每組3個試樣幾乎同時開始生銹，試驗結(jié)果見表5。表5 露天放置耐蝕性比較由于試驗地區(qū)處于廣東深圳，雨天較多，氣候比較潮濕，所以室外放置的試驗條件比較苛刻。在這樣的試驗條件下，發(fā)黑、鍍硬鉻、鍍裝飾鉻件分別在5d、23d和55d開始生銹。1Cr13不銹鋼和1Cr18Ni9Ti奧氏體不銹鋼的生銹時間分別為14d和80d。然而QPQ處理件在同一處存放，在將近一年（364d）時間才開始生銹。由上述試驗可知，QPQ處理后，45鋼在大氣中的耐蝕性可以達(dá)到鍍硬鉻的16倍，1Cr1

11、3不銹鋼的26倍，1Cr18Ni9Ti不銹鋼的4.5倍。(3).鹽霧試驗為了進(jìn)一步證實QPQ技術(shù)在耐蝕方面的優(yōu)越性，我們進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)的鹽霧試驗。試驗條件質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%NaCl水溶液噴霧，相對濕度大于95%，試驗溫度為（35±2），試驗連續(xù)進(jìn)行24h不關(guān)機，直到所有試樣都開始生銹為止。每組樣品為3個，實驗過程中每組的3個試樣同時生銹。表6 鹽霧試驗?zāi)臀g性比較鹽霧試驗的結(jié)果見表6,45鋼發(fā)黑件0.5h就開始生銹，鍍硬鉻件2h開始生銹，鍍裝飾鉻件4h開始生銹，1Cr13不銹鋼件3.5h開始生銹，1Cr18Ni9Ti奧氏體不銹鋼件28h開始生銹，而QPQ處理的45鋼樣品直到140h才開始輕微生銹。由上述試驗可知，經(jīng)QPQ處理的45鋼抗鹽霧腐蝕能力為1Cr18Ni9Ti不銹鋼的5倍、鍍裝飾鉻的35倍、1Cr13不銹鋼的40倍、鍍硬鉻的70倍、發(fā)黑的280倍。綜合上述各項試驗結(jié)果，在上述試驗條件下，QPQ處理的45鋼的耐蝕性比發(fā)黑高幾十倍到幾百倍，比鍍鉻、鍍硬鉻高十幾倍到幾十倍，比1Cr18Ni9Ti奧氏體不銹鋼高4-5倍。五、 QPQ處理在石油機械零件的應(yīng)用石油行業(yè)的閥桿、閥座和閥心采用碳鋼制造，進(jìn)行QPQ技術(shù)表面強化，產(chǎn)品的耐磨性和耐蝕性都達(dá)到了國外同類產(chǎn)品的水平，已經(jīng)大量出口國外。螺桿泵襯套改用QPQ技術(shù)進(jìn)行表面強化后零件的表