Untersuchung der Auswirkungen der QPQ-Behandlung auf die Mikrostruktur von 40Cr-Stahl

Der technologische Prozess der QPQ-Behandlung ist:

Entfetten und Reinigen → Vorwärmen → Salzbadnitrieren → Salzbadoxidation → Entsalzen und Reinigen → Trocknen (Polieren → Salzbadoxidation → Entsalzen und Reinigen → Trocknen) → Öltauchen.

Die QPQ-Technologie (Quench-Polish-Quench) ist eine Kombination aus Nitrier- und Oxidationsverfahren. Es handelt sich um eine Salzbadbehandlung, die die Verschleiß- und Korrosionsbeständigkeit der Substratoberfläche durch die Kombination von Stickstoff und Oxidation verbessert.

Diese Technologie wird häufig als Alternative zum Aufkohlen und Abschrecken, Ionennitrieren und Verchromen. Es verbessert die Verschleiß- und Korrosionsbeständigkeit der Produkte und verringert gleichzeitig das Risiko von Härteverformungen.

Die QPQ-Technologie hat ein breites Anwendungsspektrum in Bereichen wie dem Maschinenbau, der Instrumentierung und der chemischen Leichtindustrie. In dieser Studie wird die Verschleiß- und Korrosionsbeständigkeit von 40Cr-Stahl wurden nach der QPQ-Behandlung bewertet und mit denen des Glühplasmanitrierens, der Oxidation und der galvanischen Verchromung verglichen.

1. Testmaterialien und -methoden

(1) Testmaterialien und -verfahren

Das in dieser Studie verwendete Testmaterial war 40Cr-Stahl mit einer Härte von ca. 274HV nach dem Vergüten und Anlassen. Die metallografischen Proben wurden durch Drahtschneiden hergestellt und hatten die Abmessungen von φ30mm × 10mm für die Verschleißprüfung und φ10mm × 100mm für die Korrosionsbeständigkeitsprüfung. Den Proben wurden separate Nummern zugewiesen, wie in Tabelle 1 dargestellt.

Vor der Wärmebehandlung wurde die Oberfläche der Proben geschliffen, um einen Rauigkeitswert von 1,6 μm zu erreichen, und mit wasserfreiem Aceton gereinigt, mit klarem Wasser gespült und getrocknet. Die Prozessparameter für jede Wärmebehandlung sind in Tabelle 2 aufgeführt.

Nach der QPQ-Behandlung und der Oxidation erschien die Oberfläche der Proben schwarz, während sie nach der Verchromung silbern und glänzend war, und nach der Ionenbeschichtung nitrieren Es war silbergrau.

Tabelle 1 Anzahl der Proben für verschiedene Wärmebehandlungen

Tabelle 2 Prozessparameter der Wärmebehandlung für 40Cr-Stahl

(2) Mikrohärteprüfung

Schleifen Sie die metallografischen Proben (a1, d1), die verschiedenen Wärmebehandlungsverfahren unterzogen wurden, mit feinem Schleifpapier, bis sie glänzen. Dies dient der metallografischen Prüfung und der Härtemessung.

Nach der metallografischen Einlage messen Sie den Härtegradienten von der Oberfläche der infiltrierten Schicht zur Matrix.

Das für die Prüfung verwendete Mikrohärteprüfgerät hat eine Prüfkraft von 0,098 N (10 gf) und eine Haltezeit von 10 Sekunden.

Die vorbereitete metallografische Probe mit einer 4%-Lösung aus Salpetersäure und Alkohol korrodieren. Nach dem Trocknen der Probe wird ihre Struktur mit einem metallographischen Mikroskop 4XB untersucht.

(3) Abnutzungsprüfung

Das Ringblock-Verschleißprüfgerät M-2000A wird zur Durchführung von Gleitverschleißtests an Verschleißproben (a2, b2, c2, d2) verwendet, die verschiedenen Wärmebehandlungsverfahren unterzogen wurden.

Die Reibpaarung besteht aus einem GCr15-Stahlprüfring mit einer Härte von 57 HRC. Der Ring hat einen Außendurchmesser von 40 mm, eine Drehgeschwindigkeit von 200 U/min, eine Belastung von 100 N und eine Gesamtverschleißzeit von 30 Minuten.

Um die abgenutzte Probe vorzubereiten, reinigen Sie die Vorder- und Rückseite der Probe wiederholt mit Aceton und trocknen Sie sie anschließend. Messen Sie den Gewichtsverlust der Probe mit einer elektro-optischen Analysenwaage, die eine Genauigkeit von 0,1 mg aufweist.

(4) Prüfung der Korrosionsbeständigkeit

Überarbeitete Fassung:

Durchführung eines neutralen Salzsprühnebeltests an Proben (a3, b3, c3, d3) mit unterschiedlichen Wärmebehandlungsverfahren mit dem Salzsprühnebelprüfgerät KD60 gemäß GB/T10125.

Das für den Test verwendete Korrosionsmedium ist eine Kochsalzlösung mit 5% NaCl und einem pH-Wert von 6,7.

Die Temperatur in der Prüfkammer ist auf 35 °C eingestellt, der Düsendruck beträgt 83 kPa, und die Beobachtungszeit beträgt 24 Stunden.

Die intermittierende Sprühzeit beträgt 8 Stunden und die Stoppzeit 16 Stunden.

2. Testergebnisse und Analyse

(1) Härte der aufgekohlten Schicht

Tabelle 3 zeigt die Härteverteilung von 40Cr-Stahl nach verschiedenen Verfahren.

Wie aus Tabelle 3 hervorgeht, erreicht die Oberflächenhärte nach QPQ, Ionennitrierung und Verchromung 711 HV, 525 HV bzw. 703 HV. Der Härtegradient nimmt von der Oberfläche zum Substrat hin allmählich ab.

Es ist nicht möglich, die Härte der Probe nach der Oxidationsbehandlung zu messen, da die Oxidationsschicht sehr dünn ist. Nach dem Polieren mit feinem Schleifpapier ist auf der Oberfläche der Probe keine Oxidschicht mehr vorhanden.

Tabelle 3 Ergebnisse der Mikrohärteprüfung

(2) Metallographische Struktur der Infiltrationsschicht

Abbildung 1a und 1b zeigen die metallografischen Aufnahmen von 40Cr-Stahl nach dem Ionennitrieren bzw. der QPQ-Behandlung.

Eine metallographische Untersuchung der Probe nach der Verchromung und der Oxidationsbehandlung ist nicht erforderlich. Die Beschichtungsstruktur der Probe nach dem Verchromen ist reines Chrom, und die Oberfläche nach der Oxidation ist eine sehr dünne schwarze Fe₃O₄ Oxidfilm.

Abb. 1 Metallografisches Gefüge von 40Cr, das mit verschiedenen Verfahren behandelt wurde

Wie in Abbildung 1 zu sehen ist, besteht die Nitrierschicht sowohl bei der QPQ- als auch bei der Ionen-Nitrierbehandlung aus einer Verbindungsschicht und einer Diffusionsschicht, wobei der weiße Streifen in der Abbildung die Verbindungsschicht darstellt.

Im Falle der QPQ-Behandlung ist die Menge der Oxidschicht auf der Oberfläche zu groß, um unter dem metallographischen Mikroskop beobachtet werden zu können.

Obwohl die Behandlungszeit beim Ionennitrieren siebenmal länger ist als bei der QPQ-Behandlung, ist die Dicke der gebildeten Verbindungsschicht etwa halb so groß wie die der Verbindungsschicht bei der QPQ-Behandlung.

Was die Homogenität der Verbindungsschicht angeht, so zeigt Abbildung 1, dass die Struktur der Nitrierschicht nach der QPQ-Behandlung gleichmäßiger ist, während die Struktur der Probe nach dem Ionennitrieren weniger gleichmäßig ist.

(3) Ergebnisse der Gleitverschleißprüfung

Tabelle 4 vergleicht die Verschleißwerte der mit verschiedenen Verfahren behandelten Proben unter den beschriebenen Verschleißtestbedingungen.

Wie aus Tabelle 4 hervorgeht, liegt der Verschleißwert der mit QPQ behandelten Probe im 30-Minuten-Test bei mindestens 1,9 mg.

Die Verschleißfestigkeit der QPQ-behandelten Probe ist 1,45-mal größer als die der verchromten Probe, 4,32-mal größer als die der ionennitrierten Probe und 7,9-mal größer als die der oxidierten Probe.

Es ist klar, dass sich die Verschleißfestigkeit der mit QPQ behandelten Proben deutlich verbessert hat.

Tabelle 4 Vergleich der Abnutzungswerte der Gleitverschleißprüfung

(4) Ergebnisse der Korrosionsleistung der Permeationsschicht

Tabelle 5 zeigt die Ergebnisse des neutralen Salzsprühnebeltests an Proben, die mit verschiedenen Verfahren unter den beschriebenen Korrosionsbeständigkeitsprüfbedingungen behandelt wurden.

Wie aus Tabelle 5 ersichtlich, ist die Salzsprühnebel-Korrosionsbeständigkeit der mit QPQ behandelten 40Cr-Stahlprobe 3,2-mal größer als die der verchromten Probe, 8-mal größer als die der ionennitrierten Probe und 32-mal größer als die der oxidierten Probe.

Dies zeigt, dass sich die Korrosionsbeständigkeit von Stahlteilen nach der QPQ-Behandlung deutlich verbessert hat.

Tabelle 5 Vergleich der Korrosionsbeständigkeit im neutralen Salzsprühtest

(5) Ergebnisanalyse

Bei der QPQ-Behandlung bildet die Oberfläche von 40Cr-Stahl eine hohe Konzentration von Fe2~3N-Nitridschichten und eine dichte Fe3O4-Oxidschicht. Diese Art von Verbundschicht hat eine hohe Härte und Verschleißfestigkeit, aber die Bindungsstärke der Verchromungsschicht ist nicht stark genug.

Während des Gleitverschleißtests neigt die Verchromungsschicht zum Abblättern, was zu einer geringeren Verschleißfestigkeit im Vergleich zur QPQ-Behandlung führt. Die Verschleißfestigkeit der Verchromung ist jedoch besser als die Struktur der stickstoffarmen Legierung auf der Oberfläche nach dem Ionennitrieren.

Die Oberfläche weist nach der Oxidation nur eine dünne Fe3O4-Oxidschicht auf, die eine geringe Härte aufweist und lediglich Korrosionsschutzeigenschaften bietet.

Die hohe Korrosionsbeständigkeit der Probe nach der QPQ-Behandlung ist hauptsächlich auf die hoch korrosionsbeständige Fe2~3N-Verbindungsschicht und den dichten Oxidfilm auf der Oberfläche zurückzuführen. Der Sauerstoff kann in die tiefere Verbindungsschicht eindringen, sie weiter passivieren und der Oberfläche eine höhere Korrosionsbeständigkeit verleihen.

3. Schlussfolgerung

(1) Die QPQ-Behandlung von 40Cr-Stahl führt zur Bildung einer hohen Konzentration von Fe2 ～ 3N-Nitrid und eines dichten Fe₃O₄ Oxidschicht auf der Oberfläche, was die Mikrohärte der Oberfläche, die Verschleißfestigkeit und die Korrosionsbeständigkeit erheblich verbessert.

(2) Die Verschleißfestigkeit und Korrosionsbeständigkeit der 40Cr-Stahloberfläche nimmt in der Reihenfolge QPQ, Verchromen, Ionennitrieren und Oxidationsbehandlung ab.