周 祥,陳 剛, 2,趙玉濤, 2,張振亞, 2,徐進康
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活塞用鋁合金復合鑄造的界面及硬度
周 祥1,陳 剛1, 2,趙玉濤1, 2,張振亞1, 2,徐進康1
(1. 江蘇大學 材料科學與工程學院,鎮(zhèn)江 212013;2. 江蘇省高端結(jié)構(gòu)材料重點實驗室,鎮(zhèn)江 212013)
在ZL109合金表面電鍍Cu改善其潤濕性,并用重力鑄造成功制備ZL109-Al99.5和ZL109-ZL109復合鑄造件。利用掃描電鏡和能譜儀分析復合鑄造件的顯微結(jié)構(gòu)和元素組成,并測試其室溫硬度。結(jié)果表明:ZL109-Al99.5和ZL109-ZL109復合鑄造件均具有良好的冶金結(jié)合界面,界面結(jié)合為熔合結(jié)合與擴散結(jié)合作用;ZL109-Al99.5顯微硬度從Al99.5側(cè)的30HV左右向ZL109合金側(cè)逐步遞增至85HV,而ZL109-ZL109的硬度則在界面處出現(xiàn)波谷,硬度為64HV左右,界面組織主要表現(xiàn)為(Al)柱狀晶。
ZL109合金;電鍍Cu;復合鑄造;界面;顯微結(jié)構(gòu);硬度
活塞是汽車發(fā)動機的“心臟”,針對活塞零件整體不同的工況要求,尤其是頂部300~400 ℃的工作環(huán) 境[1],對活塞材料的設計和鑄造工藝的研究亟需新的發(fā)展。ZL109合金作為目前最常見的活塞鋁合金,是一種可熱處理強化的合金,具有低的膨脹系數(shù),優(yōu)良的耐腐蝕性能以及較高的強硬度等優(yōu)良特性。
復合鑄造作為一種液?固鑄造工藝,主要是將嵌入件預置在模具中,利用熔融金屬液澆注,形成固?液復合,這樣在兩種材料界面處形成一個連續(xù)的擴散層,使得兩種材料形成冶金結(jié)合[2]。由于復合鑄造設計的靈活性,在很大程度上提高了生產(chǎn)效率,降低了成本,目前已經(jīng)在Al-不銹鋼[3]、Mg-Al[4]、Al-Cu[5?6]等體系上得到了廣泛的應用。但在Al-Al體系中,因為Al合金在常溫下表面存在一層致密的Al2O3薄膜,這層薄膜的熱力學穩(wěn)定性非常好,在鑄造過程中很難融化并且阻止界面的形成,導致Al合金表面的潤濕性很差。PAPIS等[7]通過浸鋅處理的方式在鋁合金表面化學鍍上一層Zn來取代表面的Al2O3薄膜,從而達到改善鋁合金表面潤濕性的目的。由于化學鍍獲得的薄Zn層在復合鑄造的過程中易氧化和升華,RüBNER等[8]和LIU等[9]在化學鍍Zn的基礎之上,先在鋁合金表面浸鋅處理獲得300~500 nm的Zn層,之后再通過電鍍的方法獲得5~20 μm的Zn層,分別復合鑄造出了AlSi9Cu3-Al99.5和6101-6101[10]、6101-A356鋁合金連接件。在這些復合鑄造連接件中,均能看到一層明顯的連續(xù)擴散過渡層,界面結(jié)合均為冶金結(jié)合,其主要是依靠熔合結(jié)合與擴散結(jié)合共同作用形成的[11]。然而,在鑄造過程中,較高的澆注溫度和局部的過熱還是會使鍍Zn層氧化和剝落脫離的現(xiàn)象變得很嚴重,所以在鑄造的過程中對溫度的把控和鍍層厚度的處理就顯得尤為重要。
對ZL109合金而言,Zn元素是一種雜質(zhì)元素,Zn元素的添加會使得合金的性能有所降低。因合金富含約1%的Cu元素(質(zhì)量分數(shù)),且Cu在合金中能和基體形成Al2Cu增強相,起到析出強化的作用。李雨軒等[11]通過在Al-24Si合金表面電鍍Cu的工藝實現(xiàn)了Al-6Si合金和Al-24Si合金的復合鑄造,但是鍍Cu工藝后界面的組織和性能研究卻鮮見報道。本文作者主要通過電鍍Cu的方式改善ZL109合金表面的潤濕性,在此基礎之上研究以不同的材料Al99.5和ZL109合金復合鑄造的界面組織和界面性能,預期為活塞不同工況的使用條件下,材料的選擇和鑄造工藝的應用提供相關(guān)理論依據(jù)。
試驗所用合金為ZL109合金,所用純鋁為Al99.5,具體成分如表1所列。
表1 ZL109合金和Al99.5化學成分
復合鑄造嵌入件選用ZL109合金,合金經(jīng)線切割加工成15 mm×20 mm×25 mm,之后經(jīng)金相砂紙打磨至1000號,堿洗,酸浸,烘干等,再進行電鍍Cu。
試驗采用重力鑄造的方式,首先將ZL109(鍍銅)合金嵌入件預置在金屬模具中,模具和嵌入件同時預熱至200 ℃,之后分別將經(jīng)過C2Cl6精煉的Al99.5和ZL109合金在720 ℃澆注到模具中,從而鑄造出ZL109-Al99.5和ZL109-ZL109復合鑄造件,復合鑄造示意圖如圖1所示。
試驗所用金相試樣經(jīng)機械拋光加電解拋光(電解液成分為(HClO4):(C3H8O3):(C2H5OH)=1:1:8,電壓為20V)制備,利用德國Zeiss Observer.Z1m金相顯微鏡和帶有能譜儀(EDS)的JSM?7001F型掃描電子顯微鏡觀察界面的形貌、厚度和各合金元素的分布情況。
圖1 復合鑄造示意圖
復合鑄造件的顯微硬度是通過KB30S-FA全自動顯微硬度計進行測量,硬度試樣為機械拋光試樣,載荷為245 N,自動加載10 s后讀取示數(shù)值。
電鍍Cu層的微觀形貌如圖2(a)所示,從圖2(a)中可以發(fā)現(xiàn),電鍍的Cu層的厚度大約為20 μm。圖2(b)所示為ZL109-Al99.5復合鑄造件宏觀形貌圖,可以觀察到Al99.5緊緊“包裹”住ZL109合金,從圖2(c)可以看出,在ZL109-Al99.5復合鑄造件的界面結(jié)合處觀察到明顯的界面,這是因為當澆注溫度足夠高時,嵌入件金屬表面出現(xiàn)局部熔化,嵌入件中各元素隨之向Al熔體中擴散,形成明顯的界面。在局部熔融的嵌入件與金屬液相互混合的過程中,因混合部分各接觸點溫度分布不均,在金屬液與嵌入件之間形成的界面總是彎曲的。此外,圖2(d)所示為未鍍Cu的ZL109合金在相同條件下復合鑄造的界面形貌圖,界面處觀察到一道明顯的縫隙,和圖2(c)比較可以發(fā)現(xiàn),鍍Cu層確實有效地改善了ZL109合金表面的潤濕性。
圖2 電鍍Cu層對ZL109-Al99.5復合鑄造件界面的影響
圖3所示為ZL109-Al99.5復合鑄造件的不同元素的面掃描圖,由圖3(a)可以發(fā)現(xiàn),ZL109-Al99.5復合鑄造件的界面清晰,基本無鑄造缺陷,Al99.5側(cè)為典型的(Al)顯微結(jié)構(gòu),ZL109側(cè)為(Al)基體和共晶Si組織構(gòu)成,兩者呈良好的冶金結(jié)合。由于Si元素在ZL109中含量較高,而在圖3(c)中的Al99.5一側(cè)發(fā)現(xiàn)有Si相存在,且沿晶界分布,表明Si元素的擴散是沿著晶界進行的,根據(jù)Al-Si二元相圖,(Si)= 11.9%<12.6%,即Si元素合金中是以共晶存在的。從圖3(e)可以看出,Cu元素在原鍍層的位置處有富集,在Al99.5這一側(cè)呈均勻分布的趨勢,這就說明,ZL109表面的鍍Cu層固溶到Al基體中,由Al-Cu二元相圖可知,(Cu)=1.1%<5.6%,Cu是以(Al2Cu)相存在于合金中的。而Ni和Mg元素因為是ZL109所特有的元素,在圖3(d)和(f)中也發(fā)現(xiàn)在Al99.5側(cè)有均勻分布的趨勢。由Al-Ni二元相圖和Al-Si-Mg三元相圖可知,(Ni)=0.9%<6.1%,Ni是以(Al3Ni)相存在于合金中的,而Mg在合金則以Mg2Si相[12]存在,由于Mg、Cu和Ni含量較低,Mg2Si、Al2Cu和Al3Ni相析出量少,故在ZL109這一側(cè)元素的偏聚不明顯。通過對比圖3(a)和(c),在界面處存在著一層明顯的擴散過渡層,大致為100 μm,這是由于各元素的擴散能力不同所致。
圖3 ZL109-Al99.5復合鑄造件界面SEM像和元素面掃描圖
圖4所示為720 ℃澆注溫度條件下ZL109-ZL109復合鑄造件的顯微形貌圖和線掃分布表,可以從圖4(a)明顯看出在界面處存在明顯的冶金結(jié)合過渡層,通過SMile View軟件分析可知界面擴散層厚度約為70 μm。而ZL109鍍Cu層這一側(cè)出現(xiàn)許多樹枝狀突起,由圖4(b)選取的元素線掃分析顯示為Si相,表明鍍Cu層ZL109這一側(cè)表面出現(xiàn)熔化現(xiàn)象,而在界面擴散層處元素以Al元素為主,這也說明擴散層主要以(Al)組織為主。圖4(c)所示為Cu、Ni和Mg元素在所選線掃描的放大圖,可以觀察到在遠離界面兩側(cè)的ZL109合金中Cu、Ni和Mg元素都是在同一處富集,而在界面處的ZL109這一側(cè)也出現(xiàn)了Cu、Ni和Mg元素的數(shù)值峰,表明Cu、Ni和Mg元素在ZL109合金中的擴散取向是一致的。
表2 ZL109合金中各元素擴散系數(shù)
掃描基線掃過的位置出現(xiàn)峰值是因為各個元素在此位置偏聚,析出了Mg2Si、Al2Cu和Al3Ni相。Mg元素的峰值比Cu和Ni的峰值高是因為各析出相中Mg的原子數(shù)占比2/3,Cu的原子數(shù)占比1/3,Ni的原子數(shù)占比1/4,且Mg、Cu和Ni在合金中的質(zhì)量分數(shù)相近,由各自相對原子質(zhì)量的數(shù)值可以算出Mg的原子數(shù)約為是Cu和Ni原子數(shù)的2.5倍左右,與圖4(c)所示的Mg元素峰值大約是Cu和Ni峰值的3倍相符。
圖4 ZL109-ZL109復合鑄造件顯微結(jié)構(gòu)圖
文獻[14]研究表明,Cu在Al-1.5%Cu-0.4%Si合金中的擴散系數(shù)與在Al99.5的比較接近,而Cu在Al-1.5%Cu-12.5%Si的擴散系數(shù)要比前兩者的提高4~5倍,顯示出Si含量對Cu原子的擴散有顯著影響,這是由于合金中大量存在的針狀或粒狀Si相成為Cu原子快速擴散的通道,Cu原子都將優(yōu)先沿Si相或Si與α-Al相的相界面進行遷移,這也是在界面處未能見到如圖3(e)的Cu元素富集區(qū)域的原因。
復合鑄造件界面結(jié)合主要有熔合結(jié)合與擴散結(jié)合兩種[15?16],熔合結(jié)合界面形成過程為:1) 澆注液與嵌入件相接觸;2) 在液固界面處澆注液發(fā)生瞬時凝固;3) 由于在液態(tài)金屬中存在的能量起伏使得瞬時凝固層再次熔化;4) 再熔化的澆注液與未凝固的澆注液接觸混合;5) 嵌入件表層開始熔化,并與澆注液共混;6) 外層澆注液自外向內(nèi)發(fā)生凝固。擴散結(jié)合界面形成過程為:1) 澆注液與嵌入件相互接觸;2) 澆注液在結(jié)合處凝固;3) 凝固層中各元素因濃度梯度和各自擴散能力向嵌入件中擴散;4) 嵌入件結(jié)合處出現(xiàn)局部或全部熔化,形成界面;5)外層澆注液自外向內(nèi)形成凝固。
對于上述ZL109-Al99.5和ZL109-ZL109復合鑄造件而言,其界面結(jié)合結(jié)構(gòu)簡要示意圖如圖5所示。先是由于液態(tài)金屬澆注液與嵌入件表面接觸使得嵌入件表面出現(xiàn)局部熔融的狀態(tài),即出現(xiàn)熔合結(jié)合。在ZL109-Al99.5復合鑄造件中:
(a) Cu層溶解,與熔融金屬液混合;
(b) ZL109(Cu層)嵌入件冷卻,接觸面處(Al)相先析出;
(c) Si、Mg、Ni和Cu等元素因濃度梯度自ZL109合金側(cè)向Al99.5側(cè)擴散形成界面;
(d) Al99.5澆注液自外向內(nèi)凝固。
當溫度不夠高的時候,Cu元素的擴散則不夠充分,在界面處Cu元素含量較高。在ZL109-ZL109復合鑄造件中:
(a) Cu層溶解,與熔融金屬液混合;
(b) ZL109(Cu層)嵌入件冷卻,接觸面處(Al)相先析出;
(c) Si、Mg、Ni和Cu等元素自固相ZL109(Cu層)嵌入件側(cè)向液相ZL109澆注液側(cè)擴散,因溫度梯度的存在,元素也存在少部分自液相ZL109澆注液側(cè)向固相ZL109(Cu層)嵌入件側(cè)的擴散;
(d) ZL109澆注液自外向內(nèi)凝固。
由于Si含量的影響,使得Cu元素擴散得很完全,界面兩側(cè)Cu元素含量趨于一致。
圖5 界面結(jié)構(gòu)示意圖
熔合結(jié)合時,液固兩相相互接觸作用的時間相對較長,提高澆注溫度有利于熔合結(jié)合,而液固相相互接觸作用時間較短的是擴散結(jié)合,延長相互作用的時間則有利于擴散結(jié)合。對兩種結(jié)合機理來說,能夠使接觸界面出現(xiàn)局部熔融狀態(tài)顯得尤為重要,這就要求控制好澆注溫度。復合鑄造件界面結(jié)構(gòu)通常是由這兩種機理共同作用的結(jié)果,先是發(fā)生少量的熔合結(jié)合,接著就是以擴散結(jié)合來形成界面。
圖6(a)所示為顯微硬度計在ZL109-Al99.5復合鑄造件界面打點分布圖,以圖6(a)中白線為對稱軸。從圖6(b)中可以看出Al99.5的維氏硬度范圍為30~35HV,界面過渡擴散層的硬度范圍為45~75HV,ZL109的硬度范圍為80~85HV。ZL109硬度高是因為相比Al99.5而言,更多的溶質(zhì)原子占據(jù)晶格間的間隙,固溶到(Al)相中;界面過渡擴散層硬度比Al99.5的高卻比ZL109的低則是由于原子間的擴散作用,使得界面層出現(xiàn)元素的重新排列。從經(jīng)驗公式HV≈3y[17](y為屈服強度)來看:材料自身的顯微硬度約為自身屈服強度的3倍,而界面處的顯微硬度比Al99.5的要高,說明界面處的屈服強度顯然要比工業(yè)純鋁Al99.5的要高。
ZL109-ZL109復合鑄造件界面硬度打點分布圖如圖7(a)和圖7(b)所示,圖7中Ⅰ區(qū)域為界面擴散區(qū)域,由圖7(c)可以發(fā)現(xiàn),ZL109的硬度約85HV左右,而界面過渡擴散層的硬度范圍為60~75HV,其硬度低的原因是在界面形成了(Al)相,且界面結(jié)構(gòu)主要以(Al)柱狀晶為主。從圖7(d)元素線掃描圖不難發(fā)現(xiàn),在界面處的Al元素含量一直處于一個峰值狀態(tài),偶爾出現(xiàn)的Si元素波峰也表明了界面左側(cè)的硬度要較之右側(cè)的要高。ZL109-ZL109復合鑄造件界面(Al)相的冷卻速率影響到其是否形成等軸晶,通常來說,冷卻速度(CR=2×104SDAS?2.67)大于4 K/s時[18],能在復合鑄造界面處獲得較好的(Al)等軸晶,SDAS(second dendrite arm spacing)是二次枝晶壁之間的間距,由圖7(b)中的Ⅱ區(qū)域可知,SDAS約為24 μm,所以冷卻速度約為3.7K/s,是形成不了(Al)等軸晶的,即界面組織以(Al)柱狀晶為主。
圖6 ZL109-Al99.5復合鑄造件顯微硬度
圖7 ZL109-ZL109復合鑄造件顯微硬度
1) 通過在ZL109合金表面電鍍Cu的方式改善了ZL109合金和鋁合金間的潤濕性,并在此基礎上成功制備出具有良好冶金結(jié)合界面的ZL109-Al99.5和ZL109-ZL109復合鑄造件。
2) 界面結(jié)合主要是熔合結(jié)合和擴散結(jié)合綜合作用的結(jié)果,元素的擴散是因于濃度梯度的存在并受各自擴散能力的影響。
3) 720℃澆注得到的ZL109-Al99.5界面層顯微硬度從Al99.5側(cè)向ZL109合金逐步遞增,而ZL109-ZL109的硬度則在界面處出現(xiàn)波谷,界面組織主要為(Al)柱狀晶。
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Interface and hardness of piston aluminum alloy prepared by compound casting
ZHOU Xiang1, CHEN Gang1, 2, ZHAO Yu-tao1, 2, ZHANG Zhen-ya1, 2, XU Jin-kang1
(1. School of Materials Science and Engineering, Jiangsu University, Zhengjiang 212013, China;2. Jiangsu Province Key Laboratory of High-end Structure Materials, Zhengjiang 212013, China)
A copper layer was electroplated on the surface of ZL109 alloy to improve its wettability, and ZL109-Al99.5 and ZL109-ZL109 joints were successfully prepared by compound casting. The microstructure and composition of the compound casting joints were analyzed by scanning electron microscopy (SEM) and energy dispersive spectroscopy (EDS). The results show that ZL109-Al99.5 and ZL109-ZL109 compound casting joints have good metallurgical bonding interface and the interface is mainly in the form of diffusion bonding, assisting with fusion bonding. The microhardness of ZL109-Al99.5 interface layer increases from Al99.5 side to ZL109 side, while there appears a microhardness trough value at the interface of ZL109-ZL109 compound casting joint, because the interface mainly consists of(Al) columnar crystals.
ZL109 alloy; electroplating copper; compound casting; interface; microstructure; microhardness
Project(U16642541) supported by the National Natural Science Foundation of China; Project (BA2016159)supported for Transformation of Scientific and Technological Achievements in Jiangsu Province, China; Project(BE2015148) supported for Key Research and Development in Jiangsu Province, China; Project(BE2012135) supported by Jiangsu Science and Technology, China
2017-07-06;
2018-01-24
CHEN Gang; Tel: +86-13952860956; E-mail: gchen@ujs.edu.cn
10.19476/j.ysxb.1004.0609.2018.08.02
1004-0609(2018)-08-1499-08
TB331
A
國家自然科學基金重點項目(U16642541);江蘇省科技成果轉(zhuǎn)化專項資金項目(BA2016159);江蘇省重點研發(fā)計劃項目(BE2015148);江蘇省科技支撐計劃項目(BE2012135)
2017-07-06;
2018-01-24
陳 剛,教授,博士;電話:13952860956;E-mail: gchen@ujs.edu.cn
(編輯 王 超)