羅德福

(西華大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院， 四川 成都 610039)

QPQ技術(shù)是一種融合熱處理技術(shù)和防腐蝕技術(shù)的復(fù)合表面改性技術(shù)，國際上把這項(xiàng)技術(shù)稱之為“冶金學(xué)領(lǐng)域內(nèi)革命性新技術(shù)”[1]。其核心工序由鹽浴滲氮和鹽浴氧化組成。鹽浴滲氮經(jīng)歷了以氰化物為原料的鹽浴滲氮向不以氰化物為原料的鹽浴滲氮的巨大創(chuàng)新轉(zhuǎn)變，鹽浴氧化解決了零部件從鹽浴滲氮中帶出來的少量氰根。由于QPQ技術(shù)可賦予零部件極高的耐磨性、極好的抗蝕性、良好的耐疲勞性能、微變形，可同時(shí)替代多道熱處理和防腐蝕工序，且是對(duì)環(huán)境友好的工藝技術(shù)，因此20世紀(jì)80年代中期當(dāng)QPQ技術(shù)在德國問世以來，就有歐美、日本和中國等40多個(gè)國家和地區(qū)引進(jìn)了該項(xiàng)技術(shù)[2]。并且至今，歐美、日本和中國一直在持續(xù)開展QPQ技術(shù)機(jī)理、工藝材料、工藝方法、滲層物相性能、綠色制造和智能制造等方面的研究[3-6]。

1 我國QPQ技術(shù)的崛起

我國QPQ技術(shù)自20世紀(jì)80年代起開始獨(dú)立自主研發(fā)，至90年代開始取得成果。以李惠友和羅德福為核心的團(tuán)隊(duì)獨(dú)立開發(fā)出了QPQ技術(shù)，打破了德國獨(dú)家國際壟斷，成功代替進(jìn)口，獲得了四川省科技進(jìn)步一等獎(jiǎng)和國家科技進(jìn)步二等獎(jiǎng)。自此我國未再成套引進(jìn)QPQ技術(shù)，開啟了我國QPQ技術(shù)自主發(fā)展之路。

1.1 初期理念

我國研發(fā)QPQ技術(shù)初期的核心目標(biāo)是解決有無問題，并且不僅僅是停留在理論、滲層性能和檢測(cè)方法等機(jī)理和基礎(chǔ)研究，更是在工藝材料、工藝參數(shù)和工藝裝備中進(jìn)行大量研究和驗(yàn)證，才實(shí)現(xiàn)了QPQ技術(shù)國產(chǎn)化的成功。我國第一條自主研發(fā)的QPQ技術(shù)生產(chǎn)線于1990年在成都裝配成功并實(shí)現(xiàn)工業(yè)應(yīng)用，主要處理高速鋼刀具、可轉(zhuǎn)位刀具刀桿和紡織機(jī)羅拉產(chǎn)品；之后于1991年完成第一套QPQ技術(shù)生產(chǎn)線的全套技術(shù)轉(zhuǎn)讓，用于德國機(jī)床電器鐵芯國產(chǎn)化。

我國QPQ技術(shù)在20世紀(jì)80～90年代初創(chuàng)期間，鑒于我國當(dāng)時(shí)的整體工業(yè)技術(shù)水平和認(rèn)知，在綠色環(huán)保方面并未提出更新更高的要求，主要沿用德國提出的不含氰化物原料的概念，在自主研發(fā)過程中重點(diǎn)解決無氰化物污染的問題，并取得了成功。當(dāng)時(shí)我國工業(yè)發(fā)展并未系統(tǒng)性提出綠色環(huán)保的概念，因此我國QPQ技術(shù)發(fā)展初期在綠色化方面做的工作，可以總結(jié)為接受國外理念與國際接軌。

1.2 誤解

現(xiàn)在講到的鹽浴滲氮和鹽浴氧化的核心機(jī)理是將工藝材料加熱至熔融狀態(tài)，利用工藝材料分解出的氮碳氧原子，與材料發(fā)生界面反應(yīng)，在材料表面形成由氧化層、化合物和擴(kuò)散層為主要組成的滲層，賦予材料好的耐磨性、耐蝕性和抗疲勞性，更精確的定義是屬于一種液體滲氮和液體滲氧。從工藝操作角度看，它和傳統(tǒng)的鹽浴熱處理比較接近，因此在初期技術(shù)創(chuàng)立時(shí)就將本技術(shù)定義成無公害鹽浴復(fù)合處理，并參考國外商品技術(shù)的通用做法，定名為QPQ鹽浴復(fù)合處理技術(shù)及成套設(shè)備，簡(jiǎn)稱QPQ技術(shù)。并且國內(nèi)學(xué)者在研究QPQ技術(shù)時(shí)，較少介紹全工藝過程，而對(duì)鹽浴滲氮工序研究較集中，為此QPQ技術(shù)在我國大部分工程技術(shù)人員認(rèn)知中開始成為鹽浴滲氮的代名詞。

但是QPQ技術(shù)的實(shí)質(zhì)和鹽浴熱處理技術(shù)有本質(zhì)區(qū)別，由于術(shù)語的相似，導(dǎo)致我國QPQ技術(shù)推廣和應(yīng)用在一些地區(qū)遇到了阻力。早期鹽浴熱處理采用氰鹽、鋇鹽等高污染材料，對(duì)生態(tài)環(huán)境造成巨大壓力，我國在21世紀(jì)初就開始有步驟地進(jìn)行關(guān)停和替代，盡管我國的鹽浴熱處理也在大力向綠色化發(fā)展，但目前我國工業(yè)發(fā)展規(guī)劃中，已明確將鹽浴列為限制和淘汰類技術(shù)。由于兩種技術(shù)都有“鹽浴”兩字，至今仍有很多并非從事QPQ的人士，甚至政府職能部門人員將兩者混淆，談“鹽浴”色變。實(shí)際情況是，我國QPQ技術(shù)在攻關(guān)初期，工藝材料中就不含有害物質(zhì)，更不含氰鹽和鋇鹽等高污染原料，即使在鹽浴滲氮工序中產(chǎn)生的少量氰根，也會(huì)在隨后鹽浴氧化工序中徹底分解。

1.3 管理短板

盡管我國QPQ技術(shù)的初期發(fā)展已經(jīng)接軌世界水平，并有了綠色化發(fā)展的萌芽，但受限于當(dāng)時(shí)整體工業(yè)技術(shù)水平不高、現(xiàn)場(chǎng)管理觀念缺失和產(chǎn)業(yè)化推廣的不規(guī)范，導(dǎo)致QPQ技術(shù)存在如下2個(gè)問題。

1) 三廢處理問題。首先是廢渣的保存和管理，鹽浴滲氮工序的動(dòng)態(tài)過程中，中間產(chǎn)物會(huì)出現(xiàn)含量極低的氰化物，隨著工藝材料的添加，經(jīng)過逆反應(yīng)重新氧化成無害的氰酸鹽，最終整個(gè)滲氮過程安全可靠。但在生產(chǎn)中產(chǎn)生的廢渣會(huì)含有微量氰化物，通常這類危險(xiǎn)廢物采用密封封存的方式，但存在保存不當(dāng)導(dǎo)致泄漏的風(fēng)險(xiǎn)，德國曾發(fā)生過危廢保存期間泄漏的事故而被處罰的事件。我國當(dāng)時(shí)也采用類似方式進(jìn)行處理，但限于危廢管理手段和意識(shí)不到位的情況，真實(shí)的危廢處理情況并無明確統(tǒng)計(jì)和匯總，因QPQ技術(shù)自身危廢產(chǎn)生量不高，除了少數(shù)國有企業(yè)和軍工企業(yè)是按照要求進(jìn)行處理，其他生產(chǎn)企業(yè)多數(shù)危廢估計(jì)是按照當(dāng)時(shí)的普通工業(yè)廢物進(jìn)行處理；其次是廢氣的收集和處理，QPQ技術(shù)在工藝生產(chǎn)過程中會(huì)間歇性產(chǎn)生氨氣和安全含量范圍內(nèi)的氰化氫(按GB 16297—1996《大氣污染物綜合排放標(biāo)準(zhǔn)》)，絕大多數(shù)生產(chǎn)企業(yè)處于生產(chǎn)線建設(shè)成本壓力的關(guān)系，同時(shí)無國家相關(guān)強(qiáng)制法律法規(guī)進(jìn)行約束，因此廢氣收集和處理設(shè)備配置嚴(yán)重不到位，引起生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境變差；最后是廢水的處理和排放，相比于其他含重金屬廢水(如電鍍類)，QPQ技術(shù)的廢水并無危險(xiǎn)污染物，因此具體排放無明確要求，基本按照當(dāng)時(shí)工業(yè)廢水排放的思路進(jìn)行處理，不對(duì)廢水進(jìn)行處理直接排放到工業(yè)廢水管網(wǎng)中，由市政污水處理站統(tǒng)一處理。

2) 行業(yè)規(guī)范差。2000年以后，隨著QPQ技術(shù)的優(yōu)勢(shì)被更多行業(yè)認(rèn)可，國內(nèi)QPQ技術(shù)如雨后春筍般引入到國防軍工、軌道交通、汽車制造、工程機(jī)械、石油裝備、日用炊具和工模具等行業(yè)。法國和日本很多公司也相繼進(jìn)入我國建立生產(chǎn)線。國內(nèi)行業(yè)的規(guī)范制定速度落后于QPQ技術(shù)擴(kuò)張速度，國內(nèi)真正意義上的行業(yè)規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)JB/T 13023—2017《氮碳氧復(fù)合處理(QPQ)技術(shù)要求》在2017年才由國家工信部第一次發(fā)布，此時(shí)距我國第一條QPQ生產(chǎn)線誕生已間隔27年。國內(nèi)設(shè)備的簡(jiǎn)易操作性和QPQ技術(shù)的簡(jiǎn)潔工藝過程大大降低了行業(yè)門檻，許多不具備生產(chǎn)素質(zhì)的從業(yè)人員進(jìn)入該行業(yè)，導(dǎo)致實(shí)際工藝生產(chǎn)操作中存在諸多不規(guī)范；同時(shí)在當(dāng)時(shí)“經(jīng)濟(jì)效益為主”的主導(dǎo)思想下，很多管理人員也并無很強(qiáng)的環(huán)保意識(shí)，對(duì)QPQ技術(shù)生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)也采用多數(shù)熱處理車間相同的粗放現(xiàn)場(chǎng)管理模式。綜上所述，現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境臟亂差，環(huán)境和安全隱患多，這也是許多行業(yè)外人士乃至政府部門對(duì)我國QPQ技術(shù)行業(yè)印象差的主要原因之一。

2 我國QPQ技術(shù)的現(xiàn)狀

隨著我國發(fā)展戰(zhàn)略的調(diào)整和制造業(yè)創(chuàng)新發(fā)展對(duì)關(guān)鍵零部件性能的要求越來越高以及我國綠色制造的發(fā)展要求，對(duì)綠色QPQ技術(shù)的需求將持續(xù)增加。目前，開展QPQ技術(shù)深度研究和推廣應(yīng)用的單位已擴(kuò)大到央企、高校和民營(yíng)企業(yè)，在技術(shù)水平、關(guān)鍵零部件國產(chǎn)化、取代鍍硬鉻、工藝裝備和綠色化方面取得了顯著成果。

2.1 技術(shù)水平

QPQ技術(shù)的核心工序是鹽浴滲氮和鹽浴氧化，其中鹽浴滲氮工序，根據(jù)Fe-N二元系相圖，在590 ℃以上滲氮會(huì)形成新的相，即含氮奧氏體；因此國際上把590 ℃以下的滲氮稱為鐵素體滲氮，590 ℃以上的滲氮稱為奧氏體滲氮。

2.1.1 低溫鹽浴鐵素體滲氮

低溫鹽浴鐵素體滲氮作為常規(guī)鹽浴鐵素體滲氮的重要改進(jìn)，逐漸獲得國內(nèi)外研究者的重視，Kiyoshi Funatani教授[7]提出低溫鹽浴鐵素體滲氮工藝是一種極有前途的新型低溫表面處理技術(shù)；我國材料熱處理著名專家樊東黎研究員也曾撰文呼吁：在節(jié)能減排的國策下應(yīng)重視低溫鹽浴鐵素體滲氮技術(shù)的發(fā)展[8]。

1)國外水平

日本開發(fā)的低溫鹽浴鐵素體滲氮技術(shù),在430～480 ℃處理擠壓模具和工具，可控制滲氮層物相結(jié)構(gòu)；處理S23C與YAG鋼，可控制滲氮層硬度梯度；在445 ℃對(duì)SUS 304奧氏體不銹鋼進(jìn)行低溫鹽浴鐵素體滲氮處理，可得到單相擴(kuò)展奧氏體結(jié)構(gòu)滲層10.5 μm[7,9]。

在歐美，鋁型材擠壓模具采用低溫鹽浴鐵素體滲氮獲得了廣泛應(yīng)用；汽車曲軸采用低溫鹽浴鐵素體滲氮技術(shù)，其疲勞失效也大大減少[10]；低溫鹽浴鐵素體滲氮形成的擴(kuò)展奧氏體層可以顯著阻止氫對(duì)奧氏體不銹鋼的滲透[11-12]，可提高核電水堆奧氏體不銹鋼高溫腐蝕性能。

2)國內(nèi)水平

國內(nèi)武漢材料保護(hù)研究所[13]、西安交通大學(xué)[14]、四川大學(xué)[15-16]、西華大學(xué)[17]在420～450 ℃下進(jìn)行低溫鹽浴鐵素體滲氮研究，處理奧氏體不銹鋼，可得到單相擴(kuò)展奧氏體結(jié)構(gòu)滲層11～20 μm，硬度達(dá)到1000 HV0.2 左右，材料的摩擦因數(shù)降低，在5%HCl溶液浸泡 24 h后，材料的抗腐蝕性能與未處理的奧氏體不銹鋼材料相當(dāng)；處理35CrMo鋼，可控制滲氮層物相結(jié)構(gòu)和硬度梯度。目前，在420～450 ℃下鹽浴鐵素體滲氮和鹽浴氧化構(gòu)成的新型QPQ技術(shù)已在軍工領(lǐng)域工業(yè)化應(yīng)用，打破了國外對(duì)中國的技術(shù)封鎖。

2.1.2 鹽浴奧氏體滲氮

1)國外水平

Hoffmann等[18-19]對(duì)700 ℃以下的鹽浴奧氏體滲氮進(jìn)行了全面的試驗(yàn)和總結(jié)，認(rèn)為在650 ℃時(shí)具有最大的化合物層形成速度，繼續(xù)提高滲氮溫度，化合物層的形成速度會(huì)下降。當(dāng)滲氮溫度超過680 ℃時(shí)，就很難形成致密的化合物層。在德國，鹽浴奧氏體滲氮已大量用于氣門、活塞銷、注射泵凸輪等零部件。

Bell等[20]對(duì)奧氏體滲氮的物理冶金現(xiàn)狀也進(jìn)行了較為詳細(xì)的總結(jié)。認(rèn)為奧氏體滲氮的目的就是克服鐵素體滲氮的缺點(diǎn)，即普通的零件在化合物層以下不具備明顯的硬化層，限制了它的應(yīng)用范圍。在英國，奧氏體滲氮技術(shù)在汽車、航空、航天等機(jī)械制造方面得到了大量應(yīng)用。

2)國內(nèi)水平

在國內(nèi)，成都工具研究所以石油管材料為研究對(duì)象，對(duì)鹽浴奧氏體滲氮進(jìn)行了工藝參數(shù)、滲層組織、滲層性能系統(tǒng)研究。西華大學(xué)完成的國家自然基金項(xiàng)目中以合金結(jié)構(gòu)鋼和不銹鋼為研究對(duì)象，對(duì)鹽浴奧氏體滲氮進(jìn)行了機(jī)理研究。探明了在590～700 ℃鹽浴奧氏體滲氮鹽浴配方的化學(xué)機(jī)理和熱動(dòng)平衡理論、基體組織對(duì)590～700 ℃之間鹽浴奧氏體滲氮氮碳原子擴(kuò)散的作用機(jī)制和鹽浴奧氏體滲氮滲層物相高抗蝕性能的機(jī)理，并驗(yàn)證了滲層組織本質(zhì)和形成規(guī)律以及滲層組織磨損規(guī)律和高耐磨性機(jī)理[21-23]。目前，鹽浴奧氏體滲氮和鹽浴氧化構(gòu)成的新型QPQ技術(shù)已在軍工、軸承和炊具行業(yè)工業(yè)化應(yīng)用。

2.2 關(guān)鍵零部件國產(chǎn)化

我國QPQ技術(shù)產(chǎn)業(yè)化以來，伴隨制造業(yè)進(jìn)口裝備中關(guān)鍵零部件QPQ技術(shù)處理的技術(shù)要求，初期在機(jī)床電器、汽車、摩托車、紡織機(jī)械和核電裝備等領(lǐng)域關(guān)鍵零部件上實(shí)現(xiàn)了國產(chǎn)化；近5年在軌道交通、風(fēng)力發(fā)電、工程機(jī)械、石油裝備和軸承等領(lǐng)域關(guān)鍵零部件上實(shí)現(xiàn)了國產(chǎn)化[24-26]。不過，進(jìn)口裝備中關(guān)鍵零部件QPQ技術(shù)處理的技術(shù)要求發(fā)生了明顯變化：①滲層中化合物層厚度要求從下限，變化為上下限要求；②除了表面硬度要求，增加了滲層中某一厚度處的硬度要求;③滲層疏松層的判定，變化為放大1000倍評(píng)價(jià)；④零部件中性鹽霧試驗(yàn)要求提高，變化為≥480 h；⑤特殊材料如鎳基合金、沉淀硬化不銹鋼采用QPQ技術(shù)處理。

正是基于這一深刻的歷史轉(zhuǎn)型和發(fā)展，黨的十九大報(bào)告指出，中國特色社會(huì)主義進(jìn)入了新時(shí)代。新時(shí)代是中華民族迎來了從站起來、富起來到強(qiáng)起來的偉大飛躍，奮力實(shí)現(xiàn)民族復(fù)興的偉大時(shí)代；新時(shí)代是科學(xué)社會(huì)主義進(jìn)一步煥發(fā)活力，中國道路、中國實(shí)踐進(jìn)一步成功的時(shí)代；新時(shí)代是中國為人類社會(huì)做出更大貢獻(xiàn)，奉獻(xiàn)“中國智慧”和“中國方案”的時(shí)代。在新時(shí)代，我國社會(huì)的主要矛盾已經(jīng)轉(zhuǎn)化成為人民日益增長(zhǎng)的美好生活需要和不平衡不充分發(fā)展之間的矛盾。由于歷史遺留問題的影響以及市場(chǎng)經(jīng)濟(jì)條件下城鄉(xiāng)經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展失衡的加劇。毫無疑問，相對(duì)于城市，中國的農(nóng)業(yè)農(nóng)村發(fā)展不平衡與不充分，成為了當(dāng)前全面建成小康社會(huì)、實(shí)現(xiàn)社會(huì)主義現(xiàn)代化的一塊短板。

2.3 取代鍍硬鉻

鍍硬鉻在航空航天、武器裝備、軌道交通、工程機(jī)械以及石化等許多重要工業(yè)領(lǐng)域廣泛應(yīng)用。但是，鍍硬鉻過程中產(chǎn)生的重金屬鉻污染物具有致癌和誘發(fā)基因突變的危險(xiǎn)。2017年9月,歐盟立法制定的消除電機(jī)電子產(chǎn)品中包括重金屬鉻在內(nèi)的一項(xiàng)強(qiáng)制性RoHS指令，其目的是禁止使用包含重金屬鉻在內(nèi)的有害物質(zhì)。美國電鍍行業(yè)Cr6+用量由1995年的173 t減少到2012年的0.5 t，并于2016年6月22日，實(shí)施了新化學(xué)品安全法，將未來Cr6+用量控制在150磅以內(nèi)。國際行業(yè)組織在2016年行業(yè)大會(huì)上，倡導(dǎo)在全球范圍從2021年起限制重金屬鉻的使用。正如我國為了應(yīng)對(duì)氣候變化提出了碳達(dá)峰目標(biāo)和碳中和愿景，為今后幾十年中國的經(jīng)濟(jì)高質(zhì)量發(fā)展和生態(tài)環(huán)境高水平保護(hù)明確了目標(biāo)和方向。同樣為了保護(hù)好土壤和水源，對(duì)重金屬的使用限制，在全球達(dá)成共識(shí)的時(shí)間一定不會(huì)太遠(yuǎn)。

在相同零部件上分別鍍硬鉻和QPQ處理，然后對(duì)其進(jìn)行耐磨性能和耐腐蝕性能測(cè)試、裝機(jī)使用評(píng)價(jià)、大規(guī)模應(yīng)用等對(duì)比，結(jié)果表明[27-29]，QPQ技術(shù)不僅能滿足鍍硬鉻的性能要求，而且能解決鍍硬鉻達(dá)不到的技術(shù)難題。目前采用QPQ技術(shù)取代鍍硬鉻已在國防軍工、航空航天、工程機(jī)械、煤礦機(jī)械、石油裝備、汽車、軌道交通、農(nóng)用機(jī)械和物流裝備等領(lǐng)域應(yīng)用。

2.4 工藝裝備

隨著QPQ技術(shù)的推廣，其工藝裝備逐步向易操作、無煙、綠色節(jié)能和高效智能化方向發(fā)展。國外設(shè)備在這的起步較早、發(fā)展較快，國內(nèi)外較為新穎的生產(chǎn)線如圖1所示，國內(nèi)主要采用“T”型和“O”型布局，在生產(chǎn)線外圍使用封閉護(hù)欄，保證安全的同時(shí)，更加整潔。

圖1 國內(nèi)QPQ設(shè)備照片(a)“T”型生產(chǎn)線；(b)“O”型生產(chǎn)線；(c)地面式生產(chǎn)線；(d)環(huán)保裝置Fig.1 Photos of domestic QPQ equipment(a) “T”type production line； (b) “O”type production line； (c) surface type production line； (d) environmental protection facilities

2.5 綠色化

2.5.1 節(jié)能

QPQ技術(shù)工藝設(shè)備加熱以純電阻電路為主，用于工藝材料的加熱和保溫，是生產(chǎn)線最主要的能耗源，功率占比超過80%。目前行業(yè)的加熱元件部分已普遍采用高電阻電熱合金帶+高溫耐火陶釘?shù)慕M合取代最初的電阻絲，熱效率提高2倍以上，壽命大幅提高；保溫材料采用全纖維壓縮爐襯模塊，絕熱性比傳統(tǒng)的耐火棉+耐火磚的組合提高20%以上，目前設(shè)備外殼溫度做到低于40 ℃；溫控設(shè)備的智能和集成化，初期設(shè)備采用溫控儀+交流接觸繼電器進(jìn)行控制，溫度波動(dòng)大，控溫不精確，無功功率高，無用能耗大?，F(xiàn)在直接采用可控硅調(diào)功器控制，PID自動(dòng)調(diào)壓，爐溫穩(wěn)定不沖溫，電器不過流不過載。調(diào)功器直連智能控溫系統(tǒng)，減少設(shè)備無用功系數(shù)，提高電能利用率，冷啟動(dòng)可實(shí)現(xiàn)降耗30%。近幾年的智能化和集成化已經(jīng)發(fā)展到PLC+專用軟件的模式，設(shè)備操作直接由觸摸屏進(jìn)行控制，指針儀表大量淘汰，溫控儀直接集成到調(diào)功器中，調(diào)溫響應(yīng)更快更可靠。

2.5.2 減排

原料成分無害化研究方面，早期QPQ技術(shù)的原料不使用氰化物是一個(gè)巨大的進(jìn)步，隨后國內(nèi)外團(tuán)隊(duì)在原料無害化成分的替代研究一直沒有停止。國外采用無毒鹽浴滲氮的清潔生產(chǎn)方法，其效果較傳統(tǒng)工藝的結(jié)果相似，其優(yōu)點(diǎn)是不使用氰化物或氰酸鹽，對(duì)環(huán)境的影響較小[3]。目前，國內(nèi)最優(yōu)的工藝材料為原料成分均不含有害成分的工業(yè)常用鹽，以稀土催滲材料為輔，工藝過程中產(chǎn)生的廢氣量大幅減少，氨氣產(chǎn)生量減少50%以上，有效成分利用率提高。

三廢處理設(shè)備逐漸成熟。國內(nèi)QPQ技術(shù)的三廢處理設(shè)備經(jīng)歷了從無到有和從簡(jiǎn)到精的兩個(gè)階段，目前國內(nèi)新上的生產(chǎn)線都匹配了廢水廢氣處理設(shè)備，舊的生產(chǎn)線也在逐步升級(jí)和加裝廢水廢氣處理設(shè)備。

廢氣的收集和處理已從最初的單一噴淋塔進(jìn)入到現(xiàn)在的整體廢氣處理系統(tǒng)階段，處理后的廢氣符合國家大氣污染物綜合二級(jí)排放要求。廢水的收集和處理也從“處理 → 排放”模式過渡到“處理 → 回用 → 處理”的循環(huán)模式階段，目前最先進(jìn)的廢水處理系統(tǒng)已做到針對(duì)各生產(chǎn)工序產(chǎn)生的廢水進(jìn)行針對(duì)性處理，大幅提高水處理效率和效果，國內(nèi)部分生產(chǎn)線的水循環(huán)自用效率已超過50%，外排水質(zhì)可達(dá)到漁業(yè)養(yǎng)殖標(biāo)準(zhǔn)。

廢渣進(jìn)行無害化處理，利用特殊的設(shè)備結(jié)構(gòu)和綜合劑，將廢渣中的微量氰化物分解，緩解危廢管理難度，確保廢渣交給第三方采用填埋方式進(jìn)行自然降解處理，目前該方式逐步在業(yè)內(nèi)進(jìn)行推廣。

3 我國QPQ技術(shù)發(fā)展展望

我國QPQ技術(shù)起步比德國晚，但發(fā)展勢(shì)頭強(qiáng)勁，據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，截止到2020年末，全國QPQ技術(shù)年產(chǎn)能超過100萬噸，涉及行業(yè)超過20個(gè)。QPQ技術(shù)的持續(xù)研究發(fā)展并不落后，從現(xiàn)有公開研究報(bào)告和實(shí)際產(chǎn)業(yè)應(yīng)用對(duì)比，我國QPQ技術(shù)整體水平和國外先進(jìn)水平差距不大，部分技術(shù)指標(biāo)甚至超過國外同期水平。

3.1 不可或缺

QPQ技術(shù)具有溫度均勻、易控制、滲速快、質(zhì)量穩(wěn)定和賦予零部件更高的耐磨和耐蝕性能等優(yōu)點(diǎn)，其缺點(diǎn)是工藝過程中產(chǎn)生的廢水、廢氣、廢渣需要采取相應(yīng)的環(huán)保措施。20世紀(jì)初，全球就有許多學(xué)者一直在開展采用氣體滲氮、離子滲氮、真空滲氮+后氧化或工藝過程中直接氧化代替QPQ技術(shù)的研究工作，取得了一定的成果，但就其高的綜合性能和一些零部件的技術(shù)要求仍然是其他滲氮方法+氧化的方式無法達(dá)到的。可見，作為一種共性技術(shù)，QPQ技術(shù)的深化應(yīng)用對(duì)于我國制造業(yè)的創(chuàng)新發(fā)展將發(fā)揮重要作用。

3.1.1 發(fā)動(dòng)機(jī)氣門

發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)排氣門工作時(shí)承受熱蝕、熱疲勞和磨損，其表面處理早期基本采用鍍硬鉻。我國最早采用QPQ技術(shù)取代氣門的鍍硬鉻是進(jìn)口斯太爾汽車制造技術(shù)中氣門QPQ技術(shù)處理的國產(chǎn)化。目前國內(nèi)外汽車進(jìn)排氣門大部分都采用QPQ技術(shù)處理。至今，采用其他滲氮方法+氧化的方式代替氣門QPQ技術(shù)處理，無一成功。

3.1.2 新一代步槍關(guān)鍵鋼鐵零部件

槍械零部件具有小、薄和運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)復(fù)雜等特征，新一代步槍技戰(zhàn)術(shù)設(shè)計(jì)指標(biāo)為高壽命和滿足全域環(huán)境使用。攻關(guān)時(shí)在新步槍鋼鐵零部件上選用含新型QPQ技術(shù)和滲氮+氧化等在內(nèi)的5種表面改性技術(shù)進(jìn)行壽命和環(huán)境(高溫、低溫、淋雨、揚(yáng)塵、浸河水和鹽霧試驗(yàn))對(duì)比試驗(yàn)。實(shí)彈驗(yàn)證測(cè)試結(jié)果為：壽命對(duì)比試驗(yàn)時(shí)，裝配其它4種工藝處理零部件的樣機(jī)，均有零部件發(fā)生斷裂的情況，而裝配新型QPQ技術(shù)處理零部件的樣機(jī)順利通過壽命試驗(yàn)，并且零部件無斷和裂現(xiàn)象發(fā)生。環(huán)境對(duì)比試驗(yàn)時(shí)，僅裝配新型QPQ技術(shù)處理零部件的樣機(jī)通過全部環(huán)境試驗(yàn)。目前，新型QPQ技術(shù)已成為新一代步槍關(guān)鍵鋼鐵零部件表面處理設(shè)計(jì)定型工藝，并成功實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用。

3.1.3 在限制重金屬鉻使用中發(fā)揮重要作用

1)性能對(duì)比

大量的應(yīng)用工程技術(shù)研究證明(如圖2和圖3所示)，QPQ技術(shù)較鍍硬鉻大幅度提高鋼鐵材料的耐磨性能和耐蝕性能，不僅能滿足鍍硬鉻的性能要求，而且能解決鍍硬鉻達(dá)不到的技術(shù)難題[29]。

圖2 調(diào)質(zhì)45鋼經(jīng)不同表面處理后在常溫下的磨損對(duì)比曲線[29]Fig.2 Wear contrast curves of the quenched and tempered 45 steel after different surface treatments at room temperature[29]

圖3 調(diào)質(zhì)40Cr鋼經(jīng)不同表面處理后在3.5%NaCl溶液中的動(dòng)電位曲線[29]Fig.3 Potentiodynamic curves of the quenched and tempered 40Cr steel in 3.5% NaCl solution after different surface treatments[29]

2)環(huán)境影響對(duì)比

鍍硬鉻生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的重金屬Cr6+是不可逆的，并且鍍硬鉻零部件在使用過程中由于磨損鍍硬鉻層會(huì)剝落導(dǎo)致土壤污染。美國法律規(guī)定，農(nóng)用機(jī)械和城市環(huán)衛(wèi)機(jī)械都禁止使用鍍重金屬的零部件。而QPQ技術(shù)生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的少量氰根是可逆的，可分解為無害物質(zhì)，并且QPQ零部件在使用過程中不會(huì)造成二次污染。在降低能耗方面，經(jīng)實(shí)測(cè)與電鍍行業(yè)產(chǎn)品相比，每平方米綜合功耗電鍍鉻為3.2 kW·h，新型QPQ為2.6 kW·h，QPQ綜合能耗降低18%；在減排方面，經(jīng)實(shí)測(cè)與電鍍工藝相比(以10萬平方米電鍍量計(jì)算)，每平方米產(chǎn)品取水量電鍍鉻需要40 kg，QPQ僅需12.5 kg。每平方米產(chǎn)品污染物產(chǎn)量電鍍鉻4 mg，QPQ ≤0.01 mg。用QPQ技術(shù)替代電鍍工藝，每年可減少固廢污染物排放0.4 t，減少含重金屬液廢水排放2750 t(電鍍行業(yè)電耗、水耗量均由JB/T 50174—1999《電鍍工序能耗分等》所得，污染物消耗量根據(jù)GB 21900—2008《電鍍污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》所得，QPQ處理按實(shí)際生產(chǎn)測(cè)量數(shù)據(jù)所得)。

3.2 QPQ技術(shù)的智能化

截止到2022年6月，國內(nèi)在建和規(guī)劃中的QPQ技術(shù)自動(dòng)化生產(chǎn)線不少于10條，在這方面國外走在了前列，很多生產(chǎn)線已實(shí)現(xiàn)自動(dòng)操作，工藝過程控制精確，無人化程度高，封閉式生產(chǎn)線造就良好的生產(chǎn)環(huán)境。而我國在近6年的時(shí)間內(nèi)，逐步在提出這個(gè)概念，并且少數(shù)企業(yè)獨(dú)立進(jìn)行了嘗試和建設(shè)。我國QPQ技術(shù)要在表面處理行業(yè)保持優(yōu)勢(shì)，除了在技術(shù)上持續(xù)進(jìn)步外，更要在智能化建設(shè)上下功夫，因此全智能一體化布局生產(chǎn)線是今后我國QPQ技術(shù)的必經(jīng)之路。目前，QPQ技術(shù)在電氣控制、廢水處理、廢氣處理和機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)中已可實(shí)現(xiàn)獨(dú)立的自動(dòng)操作，現(xiàn)在需要一個(gè)完整合理的綜合設(shè)備布局和智能工藝程控平臺(tái)進(jìn)行綜合管控(如圖4 所示)，把現(xiàn)有的各綠色化技術(shù)發(fā)揮到最大化。

圖4 QPQ智能控制流程Fig.4 QPQ intelligent control flow

3.3 三廢循環(huán)利用

將QPQ技術(shù)作為一個(gè)整體看待，前面提到的節(jié)能、降耗和減排是減少資源的輸入和對(duì)環(huán)境的輸出，整體提高資源的利用效率來實(shí)現(xiàn)綠色經(jīng)濟(jì)。資源的輸入主要體現(xiàn)在能源消耗和工藝材料使用，對(duì)環(huán)境的輸出主要體現(xiàn)在三廢排放。因此對(duì)三廢進(jìn)行循環(huán)利用是QPQ技術(shù)未來實(shí)現(xiàn)完全綠色低碳循環(huán)的核心突破口。

三廢排放中，目前的技術(shù)可以做到對(duì)廢氣進(jìn)行高效吸收和達(dá)標(biāo)排放，吸收過程產(chǎn)生的廢水進(jìn)入廢水處理裝置；廢水處理系統(tǒng)已可以做到對(duì)各環(huán)節(jié)廢水進(jìn)行針對(duì)性處理后重新循環(huán)使用或達(dá)標(biāo)排放，循環(huán)使用率目前已超過50%，并在逐步提高。廢水處理產(chǎn)生的污泥以廢渣形式存儲(chǔ)；廢渣無害化處理設(shè)備目前可以對(duì)含氰廢渣進(jìn)行無害處理，但按現(xiàn)有技術(shù)能力和政策要求，最終所有QPQ技術(shù)產(chǎn)生的各類廢渣都會(huì)以危廢形式進(jìn)行專業(yè)填埋或焚燒處理，這是QPQ技術(shù)中對(duì)環(huán)境最大的輸出源。

目前少見有關(guān)QPQ技術(shù)廢渣二次利用的公開學(xué)術(shù)報(bào)告和企業(yè)宣傳，國內(nèi)外在該領(lǐng)域也處于空白階段。隨著對(duì)QPQ技術(shù)工藝材料和滲入過程機(jī)理的深入研究，對(duì)廢渣產(chǎn)生的來源和產(chǎn)生過程認(rèn)識(shí)更加清晰，使得廢渣二次利用有了可能性。筆者預(yù)計(jì)可按如下的技術(shù)思路進(jìn)行研究：①分析對(duì)比廢渣成分比例，利用化學(xué)手段對(duì)廢渣進(jìn)行成分分離，將符合工藝原料的部分重新投入到工藝循環(huán)中，最大限度重新利用廢渣中的碳酸鹽、硝酸鹽等物質(zhì)；②直接以廢渣原料為基礎(chǔ)，研究新的工藝原料配方，用于特種材料的處理；③利用化學(xué)和物理手段進(jìn)行成分分離，用于其他化工行業(yè)，達(dá)到資源二次利用的目的。

3.4 政策導(dǎo)向

國家在綠色環(huán)保方面的政策指導(dǎo)和國家發(fā)展戰(zhàn)略越來越清晰，《環(huán)境保護(hù)法》、《水污染防治法》、《大氣污染防治法》、《環(huán)境噪聲污染防治法》、《放射性污染防治法》、《環(huán)境影響評(píng)價(jià)法》等相繼進(jìn)行了修訂，2020年最新修訂和發(fā)布的《中華人民共和國固體廢物污染環(huán)境防治法》，體現(xiàn)了我國在狠抓環(huán)境保護(hù)和綠色循環(huán)經(jīng)濟(jì)上的巨大決心。

筆者在此提出4點(diǎn)呼吁:①行業(yè)內(nèi)大力推行跨學(xué)科跨專業(yè)的交流，鼓勵(lì)各企業(yè)積極采用最新技術(shù)投入到綠色環(huán)保當(dāng)中；②修訂行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《氮碳氧復(fù)合處理(QPQ)技術(shù)要求》，將目前已趨于成熟的綠色環(huán)保技術(shù)手段和要求列入標(biāo)準(zhǔn)當(dāng)中，并在行業(yè)內(nèi)進(jìn)行強(qiáng)制推廣；③積極響應(yīng)國家最新出臺(tái)的政策法規(guī)，尤其大力推廣的排污許可證制度和自行監(jiān)測(cè)制度，由行業(yè)協(xié)會(huì)給出合理指導(dǎo)意見，保障企業(yè)能健康有序地合規(guī)生產(chǎn)；④將 低溫鹽浴鐵素體滲氮和鹽浴奧氏體滲氮與鹽浴氧化結(jié)合形成的新型QPQ技術(shù)作為低碳節(jié)能示范項(xiàng)目，在行業(yè)內(nèi)給予全面支持和重點(diǎn)推廣。

4 結(jié)語

綜上所述，正是由于QPQ技術(shù)賦予材料極限性能和關(guān)鍵零部件極限服役性能的優(yōu)勢(shì)，并且在綠色制造有方法和措施可尋，只要全行業(yè)全力響應(yīng)國家“建立健全綠色低碳循環(huán)發(fā)展經(jīng)濟(jì)體系”的號(hào)召，筆者相信，隨著QPQ技術(shù)的創(chuàng)新發(fā)展，QPQ技術(shù)將在制造強(qiáng)國和材料強(qiáng)國中發(fā)揮重要作用。