El proceso tecnológico del tratamiento QPQ es:
Desengrase y limpieza → precalentamiento → nitruración en baño de sales → oxidación en baño de sales → desalación y limpieza → secado (pulido → oxidación en baño de sales → desalinización y limpieza → secado) → inmersión en aceite.
La tecnología QPQ (Quench-Polish-Quench) es una combinación de procesos de nitruración y oxidación. Es un tratamiento en baño de sales que aumenta la resistencia al desgaste y a la corrosión de la superficie del sustrato combinando nitrógeno y oxidación.
Esta tecnología se utiliza a menudo como alternativa a la cementación y el templado, la nitruración iónica y el cromado. Mejora la resistencia al desgaste y la corrosión de los productos al tiempo que reduce el riesgo de deformación por endurecimiento.
La tecnología QPQ tiene una amplia gama de aplicaciones en áreas como maquinaria de ingeniería, instrumentación e industria química ligera. En este estudio, se evaluó la resistencia al desgaste y a la corrosión del acero 40Cr después de someterse a un tratamiento QPQ y se comparó con las de nitruración por plasma brillante, oxidación y galvanoplastia con cromo.
1. Materiales y métodos de prueba.
(1) Materiales y procesos de prueba.
El material de prueba utilizado en este estudio fue acero 40Cr con una dureza de aproximadamente 274HV después de ser templado y revenido. Las muestras metalográficas se prepararon mediante corte de alambre y tenían dimensiones de φ30 mm × 10 mm para pruebas de desgaste y φ10 mm × 100 mm para pruebas de resistencia a la corrosión. A las muestras se les asignaron números separados, como se muestra en la Tabla 1.
Antes de someterse al tratamiento térmico, la superficie de las muestras se lijó hasta alcanzar un valor de rugosidad de 1,6 μm y se limpió con acetona anhidra, se enjuagó con agua limpia y se secó. Los parámetros del proceso para cada tratamiento térmico se muestran en la Tabla 2.
Después del tratamiento QPQ y la oxidación, la superficie de las muestras se volvió negra, mientras que después del cromado se volvió plateada y brillante, y después de la nitruración iónica se volvió gris plateada.
Tabla 1 Muestra No. de diferentes tratamientos térmicos
| Categoría de muestra | Procesamiento QPQ | Oxidación | cromado | nitruración de iones |
| muestra metalográfica | todo | – | – | dl |
| Muestra de prueba de desgaste | a2 | b2 | c2 | d2 |
| Muestra de prueba de resistencia a la corrosión | a3 | b3 | c3 | d3 |
Tabla 2 Parámetros del proceso de tratamiento térmico para acero 40Cr
| Muestra | Mano de obra | Parámetros del proceso de tratamiento térmico. |
| al,a2,a3 | Procesamiento QPQ | Precalentamiento (360 ℃ × 30 min)+nitruración (630 ℃ × 120 min)+oxidación (380 ℃ × 30 min） |
| b2,b3 | oxidación | Solución de tanque (NaOH: NaNO2=2:1), oxidación (140C × 20min） |
| c2,c3 | cromado | Solución de baño (CrO 3 : 250 g/L+H 2 SO 4 : 3 g/L), cromado (55 C × 50 A/dm 2 ） |
| d1,d2,d3 | nitruración de iones | Nitruración por plasma brillante (520 ℃ × 20 h） |
(2) Prueba de microdureza
Lijar con papel de lija fino las muestras metalográficas (a1, d1) que hayan sufrido varios procesos de tratamiento térmico hasta que queden brillantes. Esto se hace para inspección metalográfica y medición de dureza.
Después de la incrustación metalográfica, mida el gradiente de dureza desde la superficie de la capa infiltrada hasta la matriz.
El probador de microdureza utilizado en la prueba tiene una fuerza de prueba de 0,098 N (10 gf) y un tiempo de retención de 10 segundos.
Grabe la muestra metalográfica preparada con una solución de ácido nítrico al 4% y alcohol. Una vez seca la muestra, observe su estructura utilizando un microscopio metalográfico 4XB.
(3) Prueba de abrasión
El probador de desgaste de bloques de anillos M-2000A se utiliza para realizar pruebas de desgaste por deslizamiento en muestras de desgaste (a2, b2, c2, d2) que han sido sometidas a varios procesos de tratamiento térmico.
El par de fricción es un anillo de prueba de acero GCr15 con una dureza de 57 HRC. El anillo tiene un diámetro exterior de 40 mm, velocidad de rotación de 200 r/min, carga de 100 N y tiempo total de desgaste de 30 minutos.
Para preparar la muestra desgastada, limpie repetidamente el frente y la parte posterior de la muestra con acetona y luego séquela. Mida la pérdida de peso de la muestra utilizando una balanza analítica electroóptica con una precisión de 0,1 mg.
(4) Prueba de resistencia a la corrosión
Versión Revisada:
Realice una prueba de niebla salina neutra en muestras (a3, b3, c3, d3) con diferentes procesos de tratamiento térmico utilizando el probador de niebla salina KD60 de acuerdo con GB/T10125.
El medio de corrosión utilizado para la prueba es una solución salina con un 5% de NaCl y un valor de pH de 6,7.
La temperatura dentro de la cámara de prueba se fija en 35°C, la presión de la boquilla es de 83 kPa y el período de observación es de 24 horas.
El tiempo de pulverización intermitente es de 8 horas y el tiempo de parada es de 16 horas.
2. Resultados y análisis de las pruebas.
(1) Dureza de la capa carburizada
La Tabla 3 muestra la distribución de dureza del acero 40Cr después de diferentes procesos.
Como se muestra en la Tabla 3, después de someterse a QPQ, nitruración iónica y cromado, la dureza de la superficie alcanza 711 HV, 525 HV y 703 HV, respectivamente. El gradiente de dureza disminuye gradualmente desde la superficie hasta el sustrato.
No es posible medir la dureza de la muestra después del tratamiento de oxidación porque la película de oxidación es demasiado delgada. No hay película de óxido presente en la superficie de la muestra después de haber sido pulida con papel de lija fino.
Tabla 3 Resultados de la prueba de microdureza
| Distancia desde la superficie/um | 0 | 100 | 200 | 300 | 400 | 500 |
| Dureza superficial de la nitruración iónica HV | 525 | 462 | 375 | 310 | 274 | 274 |
| Dureza superficial QPQ HV | 711 | 303 | 300 | 274 | 273 | 270 |
| Dureza de la superficie cromada HV | 703 | 274 | 274 | 273 | 274 | 273 |
| Dureza superficial de oxidación HV | – | 274 | 274 | 274 | 273 | 274 |
(2) Estructura metalográfica de la capa de infiltración.
Las figuras 1a y 1b muestran las fotografías metalográficas del acero 40Cr después del tratamiento con nitruración iónica y QPQ, respectivamente.
No es necesario examinar la metalografía de la muestra después del cromado y el tratamiento de oxidación. La estructura del recubrimiento de la muestra después del cromado es cromo puro, y la superficie después de la oxidación es una película negra muy delgada de óxido Fe 3 Ó 4 .
Fig.1 Estructura metalográfica del 40Cr tratada mediante diferentes procesos
Como se ve en la Figura 1, la capa de nitruración de los tratamientos QPQ y de nitruración iónica está compuesta por una capa compuesta y una capa de difusión, y la banda blanca en la figura representa la capa compuesta.
En el caso del tratamiento QPQ, la cantidad de capa de óxido en la superficie es demasiado grande para observarla con un microscopio metalográfico.
Aunque el tiempo del tratamiento de nitruración iónica es siete veces mayor que el del tratamiento QPQ, el espesor de la capa compuesta formada es aproximadamente la mitad que la de la capa compuesta del tratamiento QPQ.
En términos de homogeneidad de la capa compuesta, la Figura 1 muestra que la estructura de la capa nitrurada después del tratamiento QPQ es más uniforme, mientras que la estructura de la muestra después de la nitruración iónica es menos uniforme.
(3) Resultados de la prueba de desgaste por deslizamiento
La Tabla 4 compara los valores de desgaste de muestras tratadas mediante diferentes procesos bajo las condiciones de prueba de desgaste descritas.
Como se ve en la Tabla 4, el valor de desgaste de la muestra tratada con QPQ en la prueba de 30 minutos es de al menos 1,9 mg.
La resistencia al desgaste de la muestra tratada con QPQ es 1,45 veces la de la muestra cromada, 4,32 veces la de la muestra nitrurada con iones y 7,9 veces la de la muestra oxidada.
Está claro que la resistencia al desgaste de las muestras tratadas con QPQ mejoró significativamente.
Tabla 4 Comparación de los valores de desgaste de la prueba de desgaste por deslizamiento
| Numero de serie | Método de procesamiento | dureza alta | Valor de desgaste/mg | Relación de desgaste relativo |
| 1 | Procesamiento QPQ | 711 | 1.9 | 1 |
| dos | cromado | 703 | 2,75 | 1,45 |
| 3 | nitruración de iones | 525 | 8.2 | 4.32 |
| 4 | Oxidación | – | 15 | 7.9 |
(4) Resultados del rendimiento contra la corrosión de la capa de permeación
La Tabla 5 muestra los resultados de la prueba de niebla salina neutra en muestras tratadas mediante diferentes procesos bajo las condiciones de prueba de resistencia a la corrosión descritas.
Como se ve en la Tabla 5, la resistencia a la corrosión por niebla salina de la muestra de acero 40Cr tratada con QPQ es 3,2 veces mayor que la de la muestra cromada, 8 veces mayor que la de la muestra nitrurada con iones y 32 veces mayor que la de la muestra nitrurada con iones. . el de la muestra con nitruración iónica. muestra oxidada.
Esto demuestra que la resistencia a la corrosión de las piezas de acero después del tratamiento QPQ ha mejorado significativamente.
Tabla 5 Comparación de la resistencia a la corrosión de la prueba de niebla salina neutra
| Numero de serie | Método de procesamiento | Tiempo de inicio de oxidación/h | Comparación de la resistencia relativa a la corrosión. |
| 1 | Procesamiento QPQ | 256 | 1 |
| dos | cromado | 80 | 0,31 |
| 3 | nitruración de iones | 32 | 0,13 |
| 4 | Oxidación | 8 | 0,03 |
(5) Análisis de resultados
En el proceso de tratamiento QPQ, la superficie del acero 40Cr forma una capa de nitruro de Fe2~3N de alta concentración y una película densa de óxido Fe3O4. Este tipo de capa compuesta tiene alta dureza y resistencia al desgaste, pero la fuerza de unión de la capa de cromo no es lo suficientemente fuerte.
Durante la prueba de desgaste por deslizamiento, la capa de cromo tiende a desprenderse, lo que resulta en una menor resistencia al desgaste en comparación con el tratamiento QPQ. Sin embargo, la resistencia al desgaste del cromado es mejor que la estructura de aleación con bajo contenido de nitrógeno en la superficie después de la nitruración iónica.
La superficie después de la oxidación tiene solo una fina película de óxido Fe3O4, que tiene baja dureza y solo proporciona propiedades anticorrosión.
La alta resistencia a la corrosión de la muestra después del tratamiento QPQ se debe principalmente a la capa compuesta de Fe2 ~ 3N de alta resistencia a la corrosión y a la densa película de óxido en la superficie. El oxígeno puede penetrar la capa más profunda del compuesto, pasivandolo aún más y proporcionando una mayor resistencia a la corrosión de la superficie.
Conclusión
El tratamiento QPQ del acero 40Cr da como resultado la formación de una alta concentración de nitruro de Fe2～3N y una densa película de óxido de Fe3O4 en su superficie, lo que mejora en gran medida su microdureza superficial, resistencia al desgaste y resistencia a la corrosión.
La resistencia al desgaste superficial y a la corrosión del acero 40Cr disminuye en el orden de QPQ, cromado, nitruración iónica y tratamiento de oxidación.
