QPQ处理对27SiMn合金钢堆焊镍铝青铜合金涂层组织与性能的影响

doi:10.12141/j.issn.1000-565X.240239

摘要/Abstract

摘要：

针对淬火-抛光-淬火（QPQ）处理对27SiMn合金钢堆焊的镍铝青铜合金涂层性能影响不明确的问题，该文开展了铜合金涂层的几何特征、组织变化、耐蚀性能和硬度检测等的研究，探讨QPQ处理工艺对铜合金涂层组织与性能的影响，以验证该复合防腐工艺的合理性和可行性。结果表明：碳/氮化与氧化两道工序后，铜合金涂层形成了一种双层结构的渗层，其中金属碳化物跨越双层结构分布，铜的氧化物只在近表层分布，起防腐作用；QPQ处理前后的堆焊铜合金组织均有基体相α、亚稳定相β'，以及分散于α相中的多种κ相；高、中温回火作用，致使β'相大量析出α相，基体相融合增大，整体硬度下降；铜合金堆焊层试样表面的耐蚀性保护评级为9级，铜合金堆焊层QPQ处理试样表面的耐蚀性保护评级为10级，QPQ处理后的铜合金表面的耐蚀性并未降低，反而超过了未经处理前的情况。该复合防腐技术在提升缸筒内壁耐蚀性的同时，又兼顾接头孔等其他部位及缸体外表面的耐蚀性，可应用于此类缸筒零部件的维修再制造。

关键词: 淬火-抛光-淬火处理, 表面熔铜, 复合涂层, 立柱油缸, 防腐

Abstract:

To address the unclear effects of quenching-polishing-quenching (QPQ) treatment on the performance of nickel-aluminum bronze alloy coatings welded onto 27SiMn alloy steel, this study investigated the geometric characteristics, microstructural changes, corrosion resistance, and hardness of the copper alloy coating. The influence of the QPQ treatment process on the coating’s microstructure and properties was analyzed to verify the rationality and feasibility of this composite anti-corrosion technology. The results indicate that after undergoing the two processes of carbonization/nitriding and oxidation, the copper alloy coating forms a dual-layer infiltration structure, with metal carbides distributed across both layers and copper oxides concentrated near the surface, providing corrosion protection. Before and after QPQ treatment, the microstructure of the copper alloy coatings primarily consists of the matrix phase α, the metastable phase, and various κ phases dispersed within the α phase. High-and medium-temperature tempering leads to the precipitation of a large amount of β' phase into the α phase, causing the matrix phase to coalesce and expand while reducing overall hardness. According to the protection rating representation method based on the proportion of substrate area affected by corrosion, the protection rating of the surface of the copper alloy coatings layer samples is 9, while the copper alloy samples after QPQ treatment is 10. The corrosion resistance of the copper alloy surface after QPQ treatment is not only maintained but also exceeds that of the untreated one. In light of this, the composite anti-corrosion technology can be applied to the maintenance and remanufacturing of hydraulic bracket cylinder barrel parts, which can enhance the corrosion resistance of the inner wall of the cylinder barrel as a whole, while also considering the corrosion resistance of other parts such as the joint holes and the outer surface of the cylinder body.

Key words: QPQ processing, surface copper, composite coating, column cylinder, corrosion protection

中图分类号:

TG178

宿友亮, 崔昊, 郜雪楠, 郑浩博. QPQ处理对27SiMn合金钢堆焊镍铝青铜合金涂层组织与性能的影响[J]. 华南理工大学学报(自然科学版), 2025, 53(3): 105-115.

SU Youliang, CUI Hao, GAO Xuenan, ZHENG Haobo. Effect of QPQ Treatment on the Microstructure and Properties of Nickel-Aluminum-Bronze Alloy Coating of 27SiMn Alloy Steel[J]. Journal of South China University of Technology(Natural Science Edition), 2025, 53(3): 105-115.

图/表 14

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参考文献 21

1	郭辰光，孙瑜，吕宁，等．液压支架缸体内壁面再制造粉流场影响规律分析［J］．表面技术，2022，51（3）：304-314.
	GUO Chen-guang， SUN Yu， Ning LÜ，et al ．Analysis of the influence law of the remanufactured powder flow field on the inner wall of hydraulic support［J］．Surface Technology，2022，51（3）：304-314.
2	史学琦．煤矿井下液压支架油缸泄漏故障及维修探析［J］．现代工业经济和信息化，2017（18）：57-58，68．
	SHI Xueqi ．Leakage failure and maintenance of cylinder of hydraulic support in coal mine［J］．Modern Industrial Economy and Informatization，2017（18）：57-58，68.
3	魏传君．液压支架立柱缸筒维修与再制造技术分析［J］．冶金管理，2019（17）：77，79.
	WEI Chuanjun ．Analysis of repair and remanufactu-ring technology of hydraulic support column cylinder barrel［J］．Metallurgical Management，2019（17）：77，79.
4	刘翔宇．液压支架立柱的维修及再造技术分析［J］．机电工程技术，2019，48（12）：236-238.
	LIU Xiangyu ．Analysis of repair and reconstruction technology of hydraulic support column［J］．Mechanical and Electrical Engineering Technology，2019，48（12）：236-238.
5	高锋，万滋雄，黄昭明．激光熔覆液压支架立柱工艺特点分析［J］．矿山机械，2013，41（6）：125-126.
	GAO Feng， WAN Zixiong， HUANG Zhaoming ．Chara-cterization of laser cladding process for hydraulic su-pport column［J］．Mining Machinery，2013，41（6）：125-126.
6	王瑞．矿用掩护式液压支架立柱维修技术研究［J］．机械管理开发，2019（2）：255-256，259.
	WANG Rui ．Research on maintenance technology of mine cover hydraulic support column［J］．Mechanical Management and Development，2019（2）：255-256，259.
7	黄杰，贺定勇，杜开平，等．FeCrNiMo激光熔覆层组织与电化学腐蚀行为研究［J］．表面技术，2020，49（12）：228-234.
	HUANG Jie， HE Ding-yong， DU Kai-ping，et al ．Microstructure and electrochemical corrosion behavior of FeCrNiMo layer fabricated by laser cladding ［J］．Surface Technology，2020，49（12）：228-234.
8	杨毅．矿用液压支架维修关键技术分析［J］．矿业装备，2021（4）：240-241.
	YANG Yi ．Analysis of key technology of mining hydraulic support maintenance［J］．Mining Equipment，2021（4）：240-241.
9	潘岳军．矿用液压支架立柱外缸和中缸内表面损伤的修复工艺：CN107671488A［P］．2018-02-09.
10	韩启勇，朱征宇，张磊，等．采用中间层的高强钢表面CMT堆焊耐腐蚀铜合金研究［J］．江苏科技大学学报（自然科学版），2019，33（4）：13-17.
	HAN Qiyong， ZHU Zhengyu， ZHANG Lei，et al ．CMT surfacing of corrosion-resistant copper alloy on the high strength steel with an interlayer［J］．Journal of Jiangsu University of Science and Technology（Natural Science Edition），2019，33（4）：13-17.
11	罗德福．QPQ技术在我国的发展［J］．金属热处理，2022，47（7）：227-233.
	LUO Defu ．Development of QPQ technology in China［J］．Metal Heat Treatment，2022，47（7）：227-233.
12	张占辉，薛家祥．熔滴冲击方向对焊缝质量的影响［J］．华南理工大学学报（自然科学版），2019，47（4）：138-144.
	ZHANG Zhanhui， XUE Jiaxiang ．Effect of the direction of droplet impingement on the bead quality［J］．Journal of South China University of Technology （Natural Science Edition），2019，47（4）：138-144.
13	马莉．液压支架立柱维修与再制造技术的应用研究［J］．当代化工研究，2019（14）：65-66.
	MA Li ．Application research on maintenance and remanufacturing of hydraulic support column［J］．Mo-dern Chemical Research，2019（14）：65-66.
14	李炯辉．金属材料金相图谱［M］．北京：机械工业出版社，2009.
15	吕维洁，王立强．镍铝青铜合金组织结构优化及腐蚀疲劳性能［M］．北京：科学出版社，2018.
16	WHARTON J A， STOKES K R ．The influence of nickel-aluminium bronze microstructure and crevice solution on the initiation of crevice corrosion［J］．Electrochim Acta，2008，53：2463-2473.
17	SABBAGHZADEH B， PARVIZI R， DAVOODI A，et al ．Corrosion evaluation of multi-pass welded nickel-aluminum bronze alloy in 3.5% sodium chloride solution：a restorative application of gas tungsten arc welding process［J］．Materials & Design，2014，58：346-356.
18	宋德军，胡光远，卢海，等．镍铝青铜合金的应用与研究现状［J］．材料导报，2007，21（专辑Ⅸ）：450-452，459.
	SONG Dejun， HU Guangyuan， LU Hai，et al ．Survey of progress on the research and practice of nickel-aluminum braze［J］．Materials Reports，2007，21（Special Ⅸ）：450-452，459.
19	秦真波．镍铝青铜合金的腐蚀行为及其表面改性研究［D］．上海：上海交通大学，2018.
20	都春燕．镍铝青铜合金的耐蚀性及表面处理的研究［D］．镇江：江苏科技大学，2014.
21	孙梦龙，谢春生．热处理对新型铝镍青铜组织与性能的影响［J］．金属热处理，2016，41（1）：97-100.
	SUN Menglong， XIE Chunsheng ．Effect of heat treatment on microstructure and properties of new aluminum-nickel bronze alloy［J］．Heat Treatment of Metals，2016，41（1）：97-100.

试样	表面形貌		腐蚀情况	保护评级
试样	盐雾试验前	盐雾试验后	腐蚀情况	保护评级
基材试样			第1天开始出现腐蚀，96 h后表面全部腐蚀	0
基材QPQ处理试样			第1天开始出现腐蚀，96 h后表面大面积腐蚀	2
铜合金堆焊层试样			经168 h盐雾实验后，试样表面稍有变色	9
铜合金堆焊层 QPQ处理试样			经168 h盐雾实验后，试样表面未腐蚀，但铜合金QPQ渗层颜色变浅	10

试样名称	试样编号	10次测量的硬度/HV										平均硬度/HV
试样名称	试样编号	1	2	3	4	5	6	7	8	9	10	平均硬度/HV
铜合金	1	203.2	178.2	188.8	164.4	198.4	195.7	206.0	191.3	171.1	165.8	186.3
	2	176.9	177.2	170.6	180.5	188.2	163.9	198.4	185.3	167.1	205.4	181.4
	3	188.2	171.6	214.4	214.5	215.9	194.5	189.7	185.2	190.1	215.3	197.9
铜合金 QPQ处理	4	178.2	162.5	190.6	163.9	175.0	151.6	159.1	163.4	167.9	155.7	166.8
	5	186.9	184.0	133.9	141.6	199.7	175.5	185.7	200.8	175.3	164.9	174.8
	6	159.6	195.7	172.9	167.9	179.9	157.1	165.9	148.6	169.1	177.6	169.4

[1]	蒋翔, 田蒙蒙, 雷瑜, 等. 铜基超疏水表面的制备及防腐蚀特性 [J]. 华南理工大学学报（自然科学版）, 2020, 48(4): 87-94.
[2]	余其俊费飞龙韦江雄胡捷艾志勇. 阳离子型咪唑啉阻锈剂的合成及防腐蚀性能[J]. 华南理工大学学报(自然科学版), 2012, 40(10): 134-141.
[3]	李妍高建华宁正祥. 反丁烯二酸单糠醇酯钠的合成及抗菌活性[J]. 华南理工大学学报（自然科学版）, 2005, 33(12): 33-36.