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——文献学习体会

文献概况与研究背景

本文发表于《华南理工大学学报（自然科学版）》2025年第53卷第3期，由宁夏大学机械工程学院与化学化工学院联合完成，受宁夏回族自治区重点研发计划项目资助。研究针对27SiMn合金钢基体堆焊镍铝青铜合金涂层后，经淬火-抛光-淬火（QPQ）处理对涂层组织与性能的影响进行了系统研究。

QPQ处理是一种表面复合改性技术，结合了碳/氮化、抛光和氧化三道工序，在工件表面形成具有防腐和耐磨功能的复合层。将QPQ处理与堆焊技术结合，形成"堆焊+QPQ"复合防腐工艺，是提升关键零部件耐蚀性的创新思路。本文的研究对象——立柱油缸（缸筒），是工程机械中的关键部件，其内壁承受高压油液冲刷和磨损，对耐蚀性和耐磨性要求极高。

QPQ处理工艺原理与流程

QPQ处理三道工序

QPQ处理的核心在于碳/氮化和氧化两道工序的协同作用。碳/氮化在表层引入碳和氮元素，形成金属碳化物和氮化物，显著提高硬度；氧化处理则在表面形成致密的氧化膜，阻隔腐蚀介质的侵入。抛光工序介于两者之间，去除碳/氮化后表面疏松的渗碳层，为后续氧化处理提供致密的基面。

堆焊镍铝青铜合金涂层的组织特征

本文研究发现，QPQ处理前后的堆焊铜合金组织均包含以下相组成：

• 基体相α：铜镍固溶体，具有良好的塑性和耐蚀性
• 亚稳定相β'：铜镍铝固溶体，硬度较高但稳定性较差
• κ相：分散于α相中的金属间化合物，包括κ1（CuAl2）、κ2（Cu9Al4）等，对硬度和耐磨性有重要贡献

镍铝青铜合金（如Cu-Ni-Al系）因其优异的耐海水腐蚀性能，广泛应用于海洋工程、船舶和液压系统等领域。在27SiMn合金钢基体上堆焊镍铝青铜合金涂层，可以兼顾基体的强度要求和涂层的耐蚀性要求，是一种有效的异种材料复合工艺。

QPQ处理对堆焊层组织的影响

双层渗层结构

本文最重要的发现之一是：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。

这一双层结构的形成机制为：碳/氮化处理首先在内层形成金属碳化物和氮化物，抛光工序去除表面疏松层后，氧化处理在外层形成致密的铜氧化物膜。金属碳化物跨越双层结构分布，说明碳/氮化渗层深度足够，即使经过抛光和氧化，内层的碳化物仍然保留。

回火对组织的影响

本文还研究了高、中温回火对QPQ处理后堆焊层组织的影响。回火过程中，亚稳定相β'大量析出α相，基体相融合增大，整体硬度下降。这一现象符合铜合金相变的规律：β'相在加热过程中不稳定，会分解为α相和富铝相（如κ相），导致硬度降低。

回火温度对组织的影响可归纳为：

• 低温回火：β'相基本稳定，硬度变化不大
• 中温回火：β'相开始分解，硬度略有下降
• 高温回火：β'相大量分解，硬度显著下降

对于立柱油缸内壁而言，回火温度的选择需要在硬度和耐蚀性之间取得平衡。过高的回火温度虽然提高了耐蚀性（β'相分解后α相比例增加，耐蚀性更好），但会降低耐磨性。

耐蚀性能评价

耐蚀性测试结果

本文采用耐蚀性保护评级（Corrosion Protection Rating）对堆焊层和QPQ处理后的堆焊层进行了评价：

耐蚀性保护评级为10级，意味着在标准腐蚀试验条件下，试样表面几乎没有腐蚀痕迹。这一结果表明，QPQ处理不仅没有降低铜合金堆焊层的耐蚀性，反而进一步提升了其耐蚀性能。

耐蚀性提升的机制分析

QPQ处理后耐蚀性提升的机制可从以下方面理解：

1. 氧化膜屏障效应：QPQ处理在表面形成的致密氧化膜（Cu2O/CuO）有效阻隔了腐蚀介质（如水分、氧气、氯离子）与基体的接触。
2. 碳化物层的保护：内层的金属碳化物层（Cu3N等）硬度高、致密性好，进一步增强了表面的抗腐蚀能力。
3. 表面钝化：QPQ处理改变了表面电化学特性，使表面电位正移，降低了腐蚀倾向。

值得注意的是，镍铝青铜合金本身具有良好的耐海水腐蚀性能，QPQ处理在此基础上进一步提升了耐蚀性，实现了"1+1>2"的协同效果。

工程应用价值与工艺优化

立柱油缸修复再制造

本文明确指出，该复合防腐技术可应用于立柱油缸零部件的维修再制造。立柱油缸是工程机械（如挖掘机、起重机）中的关键部件，其内壁在长期高压油液冲刷下容易出现磨损和腐蚀。传统的修复方法包括更换缸筒、镀铬修复等，但成本高、周期长。

"堆焊镍铝青铜合金+QPQ处理"复合工艺的优势在于：

• 耐蚀性优异：耐蚀性保护评级达到10级，满足高压油液环境要求
• 耐磨性好：QPQ处理提高了表面硬度，增强了抗磨损能力
• 修复效率高：堆焊工艺快速，QPQ处理可在工厂批量完成
• 成本低：相比整体更换缸筒，修复再制造成本显著降低
• 环境友好：减少废旧零部件的报废量，符合绿色制造理念

工艺优化建议

基于本文研究结果，对"堆焊+QPQ"复合工艺提出以下优化建议：

1. 堆焊层厚度控制：堆焊层过薄则QPQ处理可能穿透至基体，影响结合强度；过厚则浪费材料且增加变形风险。建议堆焊层厚度控制在0.5~1.5 mm。
2. QPQ处理温度优化：碳/氮化温度不宜过高，避免β'相过度分解导致硬度大幅下降。建议碳/氮化温度控制在850~900°C。
3. 抛光工序控制：抛光深度需精确控制，既要去除疏松渗碳层，又不能过度去除碳化物层。建议抛光量控制在0.05~0.15 mm。
4. 氧化处理气氛控制：氧化气氛的组成和温度直接影响氧化膜的致密性和成分。建议采用含少量水蒸气的空气进行氧化处理，促进致密Cu2O层的形成。

学习心得与工程启示

本文的研究将堆焊技术与QPQ表面处理技术有机结合，为关键零部件的修复再制造提供了新的技术路径。从工程实践角度，我有以下几点体会：

第一，复合表面改性技术是提升零部件服役性能的有效手段。单一的表面处理往往难以同时满足耐磨、耐蚀、抗疲劳等多重性能要求，而"堆焊+QPQ"的复合工艺通过不同处理工序的协同作用，实现了性能的综合提升。

第二，QPQ处理对堆焊层的组织影响需要深入理解。本文揭示了QPQ处理在铜合金堆焊层上形成双层渗层结构的机制，这一发现对于优化QPQ工艺参数具有重要指导意义。在实际生产中，需要根据具体的性能要求（硬度、耐蚀性、耐磨性）调整QPQ处理参数，实现性能的最优匹配。

第三，修复再制造是制造业可持续发展的重要方向。通过堆焊修复和表面改性，使废旧零部件恢复甚至超越原有性能，不仅降低了制造成本，还减少了资源消耗和环境污染。"堆焊+QPQ"复合工艺在立柱油缸等关键部件的修复再制造中具有广阔的应用前景。

第四，基础研究对工程应用具有重要支撑作用。本文对QPQ处理前后堆焊层组织演变的系统研究，为工艺优化提供了理论基础。在工程实践中，应重视基础研究的积累，通过金相分析、电化学测试等手段深入理解材料行为，指导工艺改进。

总体而言，本文的研究成果在学术上具有创新性，在工程上具有实用性，为钢管、管件及液压零部件的表面修复再制造提供了有价值的技术参考。随着制造业对高端修复技术需求的不断增长，"堆焊+表面处理"复合工艺的研究和应用将具有更加广阔的发展空间。