O processo tecnológico do tratamento QPQ é:
Desengorduramento e limpeza → pré-aquecimento → nitretação em banho de sal → oxidação em banho de sal → dessalinização e limpeza → secagem (polimento → oxidação em banho de sal → dessalinização e limpeza → secagem) → imersão em óleo.
A tecnologia QPQ (Quench-Polish-Quench) é uma combinação de processos de nitretação e oxidação. É um tratamento de banho de sal que aumenta a resistência ao desgaste e à corrosão da superfície do substrato, combinando nitrogênio e oxidação.
Essa tecnologia é frequentemente usada como alternativa à cementação e têmpera, nitretação iônica e cromagem. Melhora a resistência ao desgaste e à corrosão dos produtos, ao mesmo tempo que reduz o risco de deformação por endurecimento.
A tecnologia QPQ tem uma ampla gama de aplicações em áreas como máquinas de engenharia, instrumentação e indústria química leve. Neste estudo, a resistência ao desgaste e à corrosão do aço 40Cr foi avaliada após passar pelo tratamento QPQ e comparada com as da nitretação por plasma brilhante, oxidação e galvanoplastia com cromo.
1. Materiais e métodos de teste
(1) Materiais e processos de teste
O material de teste utilizado neste estudo foi o aço 40Cr com dureza de aproximadamente 274HV após sofrer têmpera e revenido. As amostras metalográficas foram preparadas através de corte com fio e possuíam dimensões de φ30mm × 10mm para teste de desgaste e φ10mm × 100mm para teste de resistência à corrosão. As amostras receberam números separados, conforme mostrado na Tabela 1.
Antes de passar pelo tratamento térmico, a superfície das amostras foi lixada até atingir um valor de rugosidade de 1,6μm e limpa com acetona anidra, enxaguada com água limpa e seca. Os parâmetros do processo para cada tratamento térmico são mostrados na Tabela 2.
Após passar pelo tratamento QPQ e oxidação, a superfície das amostras ficou preta, enquanto após a cromagem ficou prateada e brilhante, e após a nitretação iônica ficou cinza prateado.
Tabela 1 Nº de amostra de diferentes tratamentos térmicos
| Categoria de amostra | Processamento QPQ | Oxidação | Cromagem | Nitretação de íons |
| Espécime metalográfico | tudo | – | – | dl |
| Amostra de teste de desgaste | a2 | b2 | c2 | d2 |
| Amostra de teste de resistência à corrosão | a3 | b3 | c3 | d3 |
Tabela 2 Parâmetros do Processo de Tratamento Térmico para Aço 40Cr
| Amostra | Mão de obra | Parâmetros do processo de tratamento térmico |
| al,a2,a3 | Processamento QPQ | Pré-aquecimento (360 ℃ × 30min)+nitretação (630 ℃ × 120min)+oxidação (380 ℃ × 30min） |
| b2,b3 | oxidação | Solução do tanque (NaOH: NaNO2=2:1), oxidação (140C × 20min） |
| c2,c3 | Cromagem | Solução de banho (CrO3: 250g/L+H2ENTÃO4: 3g/L), cromagem (55C × 50A/dm2） |
| d1,d2,d3 | Nitretação de íons | Nitretação por plasma brilhante (520 ℃ × 20h） |
(2) Teste de microdureza
Lixe as amostras metalográficas (a1, d1) que passaram por diversos processos de tratamento térmico com lixa fina até ficarem brilhantes. Isso é feito para inspeção metalográfica e medição de dureza.
Após o embutimento metalográfico, meça o gradiente de dureza da superfície da camada infiltrada até a matriz.
O testador de microdureza utilizado no teste possui uma força de teste de 0,098 N (10 gf) e um tempo de retenção de 10 segundos.
Corroa a amostra metalográfica preparada com uma solução de ácido nítrico a 4% e álcool. Após a amostra ter sido seca, observe sua estrutura utilizando um microscópio metalográfico 4XB.
(3) Teste de abrasão
O testador de desgaste de bloco anelar M-2000A é usado para realizar testes de desgaste deslizante em amostras de desgaste (a2, b2, c2, d2) que foram submetidas a vários processos de tratamento térmico.
O par de fricção é um anel de teste de aço GCr15 com dureza de 57 HRC. O anel tem diâmetro externo de 40 mm, velocidade de rotação de 200 r/min, carga de 100 N e tempo total de desgaste de 30 minutos.
Para preparar a amostra desgastada, limpe repetidamente a parte frontal e traseira da amostra com acetona e depois seque-a. Meça a perda de peso da amostra usando uma balança analítica eletro-óptica com precisão de 0,1 mg.
(4) Teste de resistência à corrosão
Versão revisada:
Realize um teste de névoa salina neutra em amostras (a3, b3, c3, d3) com diferentes processos de tratamento térmico usando o testador de névoa salina KD60, de acordo com GB/T10125.
O meio de corrosão utilizado para o teste é uma solução salina com 5% de NaCl e valor de pH de 6,7.
A temperatura dentro da câmara de teste é ajustada para 35°C, a pressão do bico é de 83 kPa e o período de observação é de 24 horas.
O tempo de pulverização intermitente é de 8 horas e o tempo de parada é de 16 horas.
2. Resultados e análises de testes
(1) Dureza da camada carburizada
A Tabela 3 mostra a distribuição de dureza do aço 40Cr após diferentes processos.
Conforme mostrado na Tabela 3, após passar por QPQ, nitretação iônica e cromagem, a dureza superficial atinge 711 HV, 525 HV e 703 HV, respectivamente. O gradiente de dureza diminui gradualmente da superfície para o substrato.
Não é possível medir a dureza da amostra após o tratamento de oxidação porque o filme de oxidação é muito fino. Não há película de óxido presente na superfície da amostra após ela ter sido polida com lixa fina.
Tabela 3 Resultados do Teste de Microdureza
| Distância da superfície/um | 0 | 100 | 200 | 300 | 400 | 500 |
| Dureza superficial da nitretação iônica HV | 525 | 462 | 375 | 310 | 274 | 274 |
| Dureza superficial QPQ HV | 711 | 303 | 300 | 274 | 273 | 270 |
| Dureza superficial cromada HV | 703 | 274 | 274 | 273 | 274 | 273 |
| Dureza superficial de oxidação HV | – | 274 | 274 | 274 | 273 | 274 |
(2) Estrutura metalográfica da camada de infiltração
As Figuras 1a e 1b mostram as fotos metalográficas do aço 40Cr após nitretação iônica e tratamento QPQ, respectivamente.
Não há necessidade de examinar a metalografia da amostra após cromagem e tratamento de oxidação. A estrutura do revestimento da amostra após o cromagem é cromo puro, e a superfície após a oxidação é um Fe preto muito fino3Ó4 filme de óxido.
Fig. 1 Estrutura Metalográfica do 40Cr Tratado por Diferentes Processos
Conforme visto na Figura 1, a camada de nitretação dos tratamentos QPQ e de nitretação iônica é composta por uma camada composta e uma camada de difusão, com a faixa branca na figura representando a camada composta.
No caso do tratamento QPQ, a quantidade de camada de óxido na superfície é muito grande para ser observada ao microscópio metalográfico.
Apesar do tempo de tratamento de nitretação iônica ser sete vezes maior que o do tratamento QPQ, a espessura da camada composta formada é aproximadamente metade da camada composta do tratamento QPQ.
Em termos de homogeneidade da camada composta, a Figura 1 mostra que a estrutura da camada nitretada após o tratamento QPQ é mais uniforme, enquanto a estrutura da amostra após a nitretação iônica é menos uniforme.
(3) Resultados do teste de desgaste deslizante
A Tabela 4 compara os valores de desgaste das amostras tratadas por diferentes processos nas condições de teste de desgaste descritas.
Conforme visto na Tabela 4, o valor de desgaste da amostra tratada por QPQ no teste de 30 minutos é de pelo menos 1,9 mg.
A resistência ao desgaste da amostra tratada com QPQ é 1,45 vezes maior que a da amostra cromada, 4,32 vezes maior que a da amostra nitretada com íons e 7,9 vezes maior que a da amostra oxidada.
É claro que a resistência ao desgaste das amostras tratadas com QPQ melhorou significativamente.
Tabela 4 Comparação dos Valores de Desgaste do Teste de Desgaste por Deslizamento
| Número de série | Método de processamento | Dureza HV | Valor de desgaste/mg | Razão de desgaste relativo |
| 1 | Processamento QPQ | 711 | 1,9 | 1 |
| 2 | Cromagem | 703 | 2,75 | 1,45 |
| 3 | Nitretação de íons | 525 | 8.2 | 4.32 |
| 4 | Oxidação | – | 15 | 7,9 |
(4) Resultados de desempenho de corrosão da camada de permeação
A Tabela 5 mostra os resultados do teste de névoa salina neutra em amostras tratadas por diferentes processos sob as condições de teste de resistência à corrosão descritas.
Como visto na Tabela 5, a resistência à corrosão por névoa salina da amostra de aço 40Cr tratada por QPQ é 3,2 vezes maior que a da amostra cromada, 8 vezes maior que a da amostra nitretada com íons e 32 vezes maior que a da amostra com nitretação iônica. amostra oxidada.
Isto demonstra que a resistência à corrosão das peças de aço após o tratamento QPQ melhorou significativamente.
Tabela 5 Comparação da resistência à corrosão do teste de névoa salina neutra
| Número de série | método de processamento | Hora de início da ferrugem/h | Comparação da resistência relativa à corrosão |
| 1 | Processamento QPQ | 256 | 1 |
| 2 | Cromagem | 80 | 0,31 |
| 3 | Nitretação de íons | 32 | 0,13 |
| 4 | Oxidação | 8 | 0,03 |
(5) Análise de resultados
No processo de tratamento QPQ, a superfície do aço 40Cr forma uma alta concentração de camada de nitreto Fe2 ~ 3N e um denso filme de óxido Fe3O4. Este tipo de camada composta tem alta dureza e resistência ao desgaste, mas a força de ligação da camada de cromo não é forte o suficiente.
Durante o teste de desgaste por deslizamento, a camada de cromo é propensa a descascar, resultando em menor resistência ao desgaste em comparação com o tratamento QPQ. No entanto, a resistência ao desgaste do revestimento de cromo é melhor do que a estrutura da liga com baixo teor de nitrogênio na superfície após a nitretação iônica.
A superfície após a oxidação possui apenas uma fina película de óxido Fe3O4, que possui baixa dureza e fornece apenas propriedades anticorrosivas.
A alta resistência à corrosão da amostra após o tratamento QPQ se deve principalmente à alta camada de composto Fe2 ~ 3N resistente à corrosão e ao denso filme de óxido na superfície. O oxigênio pode penetrar na camada mais profunda do composto, passivando-a ainda mais e proporcionando maior resistência à corrosão à superfície.
Conclusão
O tratamento QPQ do aço 40Cr resulta na formação de uma alta concentração de nitreto de Fe2 ～ 3N e um Fe denso3Ó4 filme de óxido em sua superfície, o que melhora muito sua microdureza superficial, resistência ao desgaste e resistência à corrosão.
A resistência ao desgaste e à corrosão da superfície do aço 40Cr diminui na ordem de QPQ, cromagem, nitretação iônica e tratamento de oxidação.
