工程機械多路閥閥芯表面鍍鉻的重大缺陷是燒焦、針孔、麻點、凹坑，在直角棱邊上呈鋸齒狀剝離。這些缺陷最大問題是產生毛刺和影響環保，美歐等發達國家已經禁止六價鉻使用。隨著工程機械對整體式多路閥的“可靠性”、“耐久性”要求的提高，迫切需要一種比鍍鉻更環保、更耐磨、更耐腐蝕的技術來取代閥芯傳統的鍍鉻工藝。該文簡要介紹了QPQ技術在多路閥閥芯表面改性強化上的應用。

　　引言

　　金屬材料表面改性強化技術是為摩擦副服務的。工業發達國家20 年前就提出“80 年代設計的機械產品，如果不考慮摩擦學設計就沒有競爭力。”最近美國軍方資料指出“適應高壓系統的柱塞式液壓泵、馬達，要求提高性能增加壽命，關鍵技術關是摩擦學。”工程機械整體式多路閥的閥芯與閥體配合就是一對摩擦副。用傳統的鍍鉻工藝已不能滿足目前工程機械對整體式多路閥摩擦副的可靠性、耐久性需要了。液壓閥的閥芯(閥桿)為了增加耐磨性能，普遍采用鍍鉻工藝。但鍍鉻的應力最大，容易剝落、燒焦，出現針孔、毛刺等缺陷。改成金屬表面改性強化工藝，耐磨性能比鍍硬鉻提高二倍、抗腐蝕性能比鍍硬鉻提高20倍，遠高于鍍鎳，沒有后顧之憂。

1、問題描述

　　工程機械多路閥閥芯為了提高耐磨性能，目前一般采用表面鍍鉻工藝，因為鍍鉻的耐磨性能是滲碳淬火、碳氮共滲熱處理的2倍。但鍍鉻產生的毛刺問題很難發現和解決，比切削毛刺危害更大。工程機械多路閥閥芯(也稱閥桿)軸向、徑向都有乍槽分布，而且軸向有許多缺口。這些槽子和缺口形成的直角棱邊是影響鍍鉻燒焦的重要原因。表面鍍鉻燒焦、針孔、麻點引起的最大問題是產生毛刺。

　　我們平時只會注意鉆削、車削、銑削、磨削的毛刺。鍍鉻只重視鍍層厚度、結合力。因鍍鉻引起的毛刺很難發現，也很少有人研究。經分析，毛刺多的原因是電鍍質量問題，表面粗看是燒焦、粗糙，鍍層疏松。鍍層疏松的缺陷主要體現在直角棱邊上，這是鍍鉻的老問題。經粗磨、半精磨加工后，由于砂輪的高速運轉和擠壓，金屬材料(毛刺)把針孔、麻點、凹坑、燒焦的缺口掩蓋了。這種毛刺危害更大，如果不做去毛刺、光整加工根本不會發現。去毛刺、光整加工后，這些毛刺和夾灰的顆粒就剝離了，棱邊的鋸齒狀缺口就暴露了。這種毛刺顆粒較大，黏連相對較牢固，往往是在液壓件工作數百小時后掉落，造成卡閥故障。我司從三包件拆下來的閥芯分析，鍍鉻剝離的閥芯占的比例比較大。圖1和圖2是三包件經過自由磨具光整后暴露缺陷的閥芯。

圖1 閥芯鍍鉻后平衡槽崩口情況

圖2 閥芯鍍鉻后缺口棱邊崩口情況

　　鍍鉻崩口的情況主要由以下情況造成的。燒焦：由于鍍鉻需要很高的電流密度，對閥芯的尖角及突出部分威脅很大，導致閥芯兩端、頭部、尖角等處容易燒焦，產生樹枝狀結晶、毛刺等缺陷。往往被人們忽視的引起燒焦的原因卻是極間距離太近或陽極太大、太長。當陽極過長時電流在閥芯的邊緣及尖角處會更大。

　　針孔：針孔是從鍍層表面至底層覆蓋層或基體金屬的微小孔道，大多是氫氣在閥芯鍍層表面停留造成的。也可能是基體金屬上的凹坑引起的，針孔產生的原因很復雜。

　　麻點：麻點是在電鍍和加工過程中，在金屬上形成的小坑，其上面雖有鍍層，但該缺陷不能被鍍平。鍍鉻缺陷形成的原因是多方面的。鍍前除銹、除污、清洗、光整、預熱十分重要。特別是拋光工序，把邊緣棱角倒園后，清角處就不會燒焦。但一般電鍍廠不具備這個條件，也沒有這方面的專業人才。鍍中電極大小，位置布局十分重要。電鍍行業有三分技術，七分掛具的說法。以前老式的可控硅電源，鍍的時間比較長，結合力致密。現在采用高頻電源，鍍的時間快，在邊緣棱角毛刺沒有去除、沒有倒圓的情況下，燒焦、針孔、麻點無法避免。鍍后除氫也十分重要。按照工藝規程，鍍鉻后必須除氫，就是加熱到200~240℃，保溫2~3h。24h以后，待鍍膜牢固后才能搬運。

　　鍍鉻缺陷和氣候條件有很大關系，特別是南方梅雨季節，是鍍鉻缺陷高發期。特別要做好加工、運輸、保管各個環節的細節工作。稍有不慎，質量難以保證。鍍鉻的另一個問題是影響環保。因為六價鉻對人體有害，美歐等發達國家早就禁止使用了。我國也在嘗試用三價鉻替代六價鉻，對人體危害可以少一點，但技術還不成熟。

　　鍍鉻的耐磨性雖然是熱處理的2倍，但是耐腐蝕性不是很好，我司有的同志去德國考察，看到人家發黑的不銹，我們鍍鉻的卻生銹了。

2、金屬材料表面改性強化技術

　　使用材料時，表面高硬度、強度、耐磨性與心部韌性、塑性之間常常存在著矛盾，二者處理不當，不是造成材料浪費，就是早期失效。使用整體材料，在許多情況下難于處理得恰當，有時甚至無法解決。而采用表面強化處理則很容易做到兩者兼顧，使材料的潛力得到充分發揮。

　　金屬材料表面改性技術是利用物理的、化學的、物理化學的以及機械的等工藝方法，使工件表面獲得所要求的成分、組織和性能，以提高摩擦副質量的工程。它是20 世紀80 年代世界10 項關鍵技術之一，是近10～20年發展最迅速的科學技術，正在成為一門新型的獨立學科。金屬材料表面改性強化技術不是簡單的熱處理和耐蝕防腐。主要是通過材料表面改性強化技術，提高表面強度、硬度、耐磨性為主，常稱為表面硬化(強化)技術。兩者有聯系，有交叉，又具有相對獨立性。近來，許多科學技術的新成就、新技術，如氣相沉積、激光技術、電子束技術等滲透到表面工程之后，拓寬了表面工程的應用范圍，是液壓件實現可靠性、耐久性的關鍵技術。

　　2.1、QPQ 金屬材料表面改性強化技術

　　“QPQ”是英文“Quench-Polish-Quench”的字頭縮寫。原意為淬火-拋光-淬火，從專業技術上來講，這種說法不夠確切，但在國際上已經習慣地沿用至今，因此仍被廣泛采用。

　　QPQ技術(見圖3、圖4)在國內也被稱作QPQ鹽浴復合處理技術，其中“復合”的含義有較為深入的內涵。在工藝上是指它是在氮化鹽浴和氧化鹽浴兩種浴鹽中處理工件，實現了滲氮工序和氧化工序的復合;滲層組織上是氮化物和氧化物的復合;性能上是耐磨性和耐蝕性的復合;技術上是熱處理技術和防腐技術的復合。

　　最早的鹽浴滲氮始于1929年，采用全氰化物的低溫鹽浴滲氮，也被稱之為鹽浴氰化，20世紀40年代在德國和前蘇聯大量用于處理高速鋼刀具。當時這種技術除了用于結構鋼的耐蝕性滲氮外，還不大適用于高速鋼以外的鋼種。同時新配制的氰化物鹽浴必須經過幾十小時的時效才能使用。

圖3 QPQ 新技術的工藝曲線

圖4 QPQ 處理后滲層中N、C、O 含量分布

　　為了縮短時效時間，德國迪高沙公司于1954年開發了向氰化物鹽浴通空氣的新的滲氮法，在德國被命名為“Tenifer”即活性鹽浴滲氮或鹽浴軟氮化(鹽浴氮碳共滲)。這項技術在1959年被美國引進后，稱之為“Tufftride”;1961年被日本引進后，稱之為“タワトライト”。它不僅使鹽浴的時效時間由幾十小時縮短到幾小時，還大大提高了鹽浴中氰酸根[CNO-]的含量，減少了滲層的脆性，因此也被稱作鹽浴軟氮化。新的鹽浴軟氮化法幾乎適用于所有的鋼種。于是，該技術在世界范圍內得到了迅速發展，被很多發達的工業國家普遍采用。

　　2.2、QPQ 技術的優點

　　(1)大幅提高表面硬度和耐磨性，降低摩擦系數。按40CR為例，表面硬度HV700。在相同試驗條件下，耐磨性比常規淬火(HRC58)高29 倍，比高頻淬火(HRC61)高23 倍，比20 號鋼滲碳淬火(HRC63)高14倍，比離子滲氮高2.8倍，比鍍硬鉻提高2倍以上，中碳

　　鋼的疲勞強度提高40%以上。

　　(2)大幅提高抗腐蝕性能。對幾種不同材料，不同工藝處理的樣品按同樣的試驗條件用美國ASTMB117標準進行連續噴霧試驗，試驗溫度35±2℃，相對濕度>95%，5%NaCL 水溶液噴霧比較相對抗銹蝕性能比1CR13不銹鋼高40倍，比1CR18NI9TI 不銹鋼高5倍，比鍍硬鉻高20倍，比鍍裝飾鉻(CU-CR)高35倍，比發黑高280倍。

　　(3)安全環保。從20世紀60年代初到20世紀70年代中期鹽浴軟氮化法的應用量迅速增加。到了20世紀70年代中期，由于環保方面對工業污染的限制，以氰化物為原料的鹽浴軟氮化法這一時期的應用量大幅度下降。為了徹底解決鹽浴軟氮化法的氰化物污染問題，20世紀70年代中期，德國迪高沙公司又開發了全新的無公害的鹽浴滲氮技術，因此20世紀70年代中期以后鹽浴滲氮法的應用量又迅速增加。

　　新的無公害的鹽浴滲氮法以不含氰化物的原料直接配制成氰酸根含量很高的鹽浴，不必采用長期時效的方法來升高氰酸根的含量。同時配制了一種能夠分解有毒氰化物的氧化鹽浴，用來分解工件從氮化浴鹽中帶出來的由氰酸根分解而產生的少量氰根[CN-]，因而工件清洗水不再含有有毒的氰根，這樣就實現了鹽浴的原料無毒和工件的清洗水無毒，從而徹底解決了公害問題。

　　新的無公害鹽浴滲氮法被美國引進后，得到了大量應用。美國科林公司(Kolene)是德國迪高沙公司的鹽浴滲氮技術的老用戶，它不僅很好地應用了新的鹽浴滲氮技術，而且進行革新和改進。該公司在工件進行了鹽浴滲氮和氧化以后，還對工件表面進行了光整，工件光整后再進行一次氧化處理。這樣經過上述處理后，不僅工件表面賞心悅目，而且耐蝕性大幅度提高，甚至超過了鍍鉻、鍍鎳等專門的表面耐蝕技術。

2.3、QPQ 技術在工程機械多路閥閥芯表面改性強化的應用(見圖5~圖7)

圖5 經過QPQ 處理的閥芯(該圖加工照相后更換)

圖6 電鏡掃描下觀察到的閥芯40CR 鋼的滲層組織

圖7 閥芯40CR 鋼滲層表面氧化元素掃描

　　粗磨-去毛刺、光整-半精磨、精磨-QPQ滲氮強化-光整-QPQ氧化-光整。

　　去毛刺、光整技術、材料表面強化技術、防銹技術，這三個技術是互相關聯的，具有鏈式作業特性。去毛刺、光整加工后，零件表面的各種缺陷都暴露出來了(裂紋、麻點等)，可以進一步篩選，找出原因，是材料問題還是加工問題，作相應的對策。去毛刺、光整以后做強化，強化后再做光整。閥芯表面烏黑油亮，看了有愛不釋手的感覺。加工后，表面硬化層0.3~0.4，硬度測試達到HV700。并做了耐磨試驗和鹽霧試驗，各項指標都達到了要求。徹底消除了鍍鉻閥芯崩口、毛刺掉落造成的卡閥故障。

　　工程機械多路閥閥芯表面改性強化技術是我司在全行業首先進行實踐、運用，變鍍為滲，不僅提高了閥芯的疲勞強度，可以有效解決卡閥故障，對于提升整個液壓件行業的可靠性、耐久性具有深遠的意義。用水做介質的液壓件是發展趨勢，QPQ技術解決了這一難題。這種技術對不銹鋼、碳鋼、合金鋼、鑄鐵、有色金屬都能處理，達到提高耐磨性能，永久防銹的目標。這種工藝成本較低，設備投入不到30萬元。外協加工點多的地方4~6元/公斤，低于鍍鉻和滲碳淬火。外協加工點少的地方6~8元/公斤(小件或大件價格另計)，略高于鍍鉻和滲碳淬火，大大低于陶瓷噴涂，可以取代鍍鉻和滲碳、滲氮淬火。