鄧德杰 胡卓 劉俊文

（中汽研汽車檢驗(yàn)中心（廣州）有限公司，廣州 511340）

1 前言

隨著世界各國(guó)對(duì)汽車的質(zhì)量和降低油耗要求越來越高，汽車輕量化成為了汽車制造商降低油耗的一個(gè)重要突破口。目前鋁合金已經(jīng)廣泛地應(yīng)用在汽車車身、發(fā)動(dòng)機(jī)缸蓋以及缸體等的制造，而發(fā)動(dòng)機(jī)重要零部件之一的缸套，由于它苛刻的使用條件，主要采用鑄鐵材料制成。其主要原因是鑄鐵和鋁合金2 種金屬之間的物理性質(zhì)差異，導(dǎo)致熱膨脹系數(shù)不同，鑄鐵缸套應(yīng)受應(yīng)力而發(fā)生變形，進(jìn)而造成缸套與缸體的局部傳熱不均勻，最終限制了發(fā)動(dòng)機(jī)的使用壽命[1-2]。近幾年，隨著人們對(duì)性能優(yōu)良的顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料更深入的研究，越來越多高耐磨性、導(dǎo)熱性好且膨脹系數(shù)低的顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料被廣泛地應(yīng)用于汽車實(shí)際制造生產(chǎn)中[3-6]。本文通過離心鑄造與固-液復(fù)合相結(jié)合的方法制備了鋁/鋁基復(fù)合材料雙層材料發(fā)動(dòng)機(jī)缸套，研究了不同的表面處理方法條件下獲得的復(fù)合界面組織及性能，這將對(duì)未來實(shí)現(xiàn)顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料缸套制備及應(yīng)用具有重要的意義。

2 試驗(yàn)材料與方法

2.1 試驗(yàn)材料

基體材料選用了流動(dòng)性好、線收縮性小且無熱裂傾向的鑄造鋁合金A356，鋁基復(fù)合材料的增強(qiáng)體則選用了膨脹系數(shù)小、耐磨性好、高彈性模量的SiC 顆粒。由于SiC 顆粒與鋁合金熔體之間不潤(rùn)濕，需要進(jìn)行表面改性處理，較為常用的措施有加入一些增益的化學(xué)元素、對(duì)顆粒表面進(jìn)行涂覆、對(duì)顆粒進(jìn)行表面氧化處理[7-8]等。本文采用對(duì)SiC 顆粒進(jìn)行高溫氧化處理，SiC 顆粒形貌如圖1 所示。表1 為SiC 顆粒表面氧化處理后的EDS（能譜儀）能譜分析結(jié)果。

圖1 SiC顆粒形貌

表1 EDS能譜分析結(jié)果

2.2 試驗(yàn)方法

顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料的熔體制備采用的是半固態(tài)攪拌制備的方法，其制備裝置原理如圖2 所示。利用該裝置可以進(jìn)行快速、有效的復(fù)合材料熔體的制備[9]。

圖2 顆粒增強(qiáng)復(fù)合材料攪拌制備裝置原理

鋁/鋁基復(fù)合材料雙層缸套的離心鑄造復(fù)合成形采用的是臥式離心機(jī)進(jìn)行，而離心鑄造采用的模具尺寸為長(zhǎng)190 mm，型腔內(nèi)徑為116 mm，型腔內(nèi)壁斜度為1∶100，采用法蘭連接方式與離心機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)軸進(jìn)行連接。圖3 所示為離心鑄造模具。

圖3 離心鑄造模具

2.3 表面處理工藝

通常情況下，A356 鋁合金材料的表面會(huì)因?yàn)樽匀谎趸纬梢粚又旅艿难趸X。這層氧化鋁薄膜是具有較好的惰性和熱力學(xué)穩(wěn)定性，它的熔點(diǎn)要高于復(fù)合材料熔體的澆注溫度，并且不易被金屬熔體潤(rùn)濕[10]。如果該層氧化鋁薄膜在復(fù)合鑄造過程中持續(xù)存在并且很難被融化，將會(huì)抑制“復(fù)合鑄造”中形成冶金結(jié)合。因此，如何去除鋁合金基體表面的氧化鋁薄膜是鋁/鋁基復(fù)合材料雙層缸套實(shí)現(xiàn)冶金結(jié)合的關(guān)鍵因素之一。本文采用了對(duì)外層A356 鋁合金缸套的內(nèi)表面分別進(jìn)行機(jī)械打磨、化學(xué)法和電鍍銅表面處理方法，改善外層A356鋁合金缸套內(nèi)表面性質(zhì)，提高其潤(rùn)濕性。

2.3.1 機(jī)械打磨表面處理

機(jī)械打磨表面處理主要流程如下。

a.依次采用400 目、600 目、800 目等不同目的打磨砂紙對(duì)缸套內(nèi)表面進(jìn)行打磨以去除表層的氧化物；

b.將打磨后的缸套在丙酮溶液中超聲清洗約8 min，清除打磨后殘留在的污垢，隨后用去離子水進(jìn)行沖洗并烘干；

c.烘干后的外層鋁合金缸套進(jìn)行密封。

2.3.2 化學(xué)法表面處理

化學(xué)法表面處理主要流程如下。

a.將機(jī)械打磨表面處理過的外層鋁合金缸套置于配置好的堿蝕溶液（35 g/L 的氫氧化鈉溶液和堿蝕添加劑）中，在55 ℃的溫度下浸泡5 min，用去離子水進(jìn)行沖洗；

b.步驟a 后，用5%的硝酸溶液清洗外層鋁合金缸套內(nèi)表面約30 s，目的是去除殘留的堿溶液及污垢，清洗后在用去離子水沖洗；

c.步驟b 后，將外層鋁合金缸套內(nèi)表面浸鍍一層鈍化膜，并密封備用。

2.3.3 電鍍銅表面處理

電鍍銅表面處理工藝流程如下。

a.將機(jī)械打磨表面處理過的外層鋁合金缸套用5%的硝酸溶液進(jìn)行內(nèi)表面清洗，去除殘留的氧化物，再用去離子水沖洗；

b.將步驟a 的外層鋁合金缸套置于電鍍液中，進(jìn)行電鍍Cu 處理，其中電流密度為0.4~0.5 A/m2，電鍍時(shí)間為15 min。

c.步驟b 后，用去離子水沖洗干凈，密封備用。

2.4 離心鑄造復(fù)合工藝

鋁/鋁基復(fù)合材料雙層缸套的制備主要是離心鑄造和固-液復(fù)合相結(jié)合的方法。在離心鑄造過程，轉(zhuǎn)速和溫度是主要考慮的技術(shù)參數(shù)。固-液復(fù)合過程的主要因素分別是預(yù)熱溫度、澆注溫度以及熔體與固態(tài)金屬的體積比。本文采用表2 中的工藝參數(shù)進(jìn)行離心復(fù)合鑄造。圖4則為工藝流程。

圖4 工藝流程

表2 離心鑄造復(fù)合工藝參數(shù)

3 結(jié)果與分析

3.1 機(jī)械打磨表面處理

圖5 所示為機(jī)械打磨表面處理的鋁/鋁基復(fù)合材料雙層缸套鑄件復(fù)合界面的微觀結(jié)構(gòu)及SiC 顆粒分布。如圖5a 所示，雙層缸套鑄件存在清晰的復(fù)合界面，左側(cè)為外層A356 鋁合金，右側(cè)為內(nèi)層SiC/A356 復(fù)合材料，圖中深灰色不規(guī)則狀的為SiC顆粒。通過圖5b 局部放大圖觀察到，復(fù)合界面處存在尺寸較大的間隙，界面結(jié)合差，結(jié)合效果不理想。機(jī)械打磨表面處理雖然能夠去除外層鋁合金缸套內(nèi)表面的氧化膜和雜質(zhì)，但是在離心鑄造過程中，由于與空氣接觸且溫度較高，內(nèi)表面出現(xiàn)再次氧化，形成氧化薄膜。這直接導(dǎo)致在進(jìn)行固-液復(fù)合鑄造時(shí)，內(nèi)表面的潤(rùn)濕性變差，液態(tài)的復(fù)合材料熔體無法直接與外層鋁合金基體直接接觸，復(fù)合界面無法形成冶金結(jié)合，界面結(jié)合失敗。

圖5 機(jī)械打磨復(fù)合界面的微觀組織及SiC顆粒分布

在復(fù)合材料一側(cè)，分別取距離界面0.5 mm、1.5 mm 和2.5 mm 的區(qū)域進(jìn)行SiC 顆粒分布及微觀組織觀察，如圖5c、圖5d 和圖5e 所示?？梢姡瑘D5c中的SiC 顆粒含量較少并出現(xiàn)團(tuán)聚現(xiàn)象；圖5d 中的SiC 顆粒含量明顯增加且分布較為均勻；圖5e 中的SiC 顆粒含量最多，分布更為均勻。利用Image-Pro Plus 6.0 圖像分析軟件分別對(duì)圖5c、圖5d 和圖5e 的SiC 顆粒顆粒體積分?jǐn)?shù)進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算結(jié)果如圖5f 所示。從中可以看出SiC 顆粒呈梯度分布，即靠近復(fù)合界面的區(qū)域顆粒較少，而遠(yuǎn)離復(fù)合界面的區(qū)域顆粒含量較多。這是由于離心力的作用，密度較大的SiC 顆粒在離心鑄造復(fù)合過程中會(huì)向復(fù)合界面處發(fā)生偏移。

3.2 化學(xué)法表面處理

如圖6a 所示，可以觀察到化學(xué)法表面處理獲得清晰可見的復(fù)合界面，對(duì)比機(jī)械打磨處理的界面，化學(xué)法的界面有了明顯的改善，無明顯的間隙或缺陷，具有較好的連續(xù)性，表現(xiàn)為良好的冶金結(jié)合。將圖6a 中區(qū)域A 的局部進(jìn)行放大，可以進(jìn)一步觀察到界面處存在一個(gè)明顯過渡區(qū)。過渡區(qū)的形成是由于鋁合金基體表層材料受熱發(fā)生重熔，并與復(fù)合材料熔體發(fā)生了混合。采用化學(xué)法表面處理后，外層鋁合金缸套內(nèi)表面的氧化膜得到了有效去除，同時(shí)對(duì)處理后的內(nèi)表面進(jìn)行浸鍍鈍化，使得內(nèi)表面獲得一層保護(hù)膜，能夠防止預(yù)熱時(shí)的二次氧化，并在離心鑄造過程中溶解和揮發(fā)。有效去除鋁合金表面的氧化膜后，復(fù)合材料金屬液能夠與基體內(nèi)表面直接接觸，大大提高了潤(rùn)濕性，為復(fù)合界面冶金結(jié)合的創(chuàng)造了良好的條件。

如圖6c、圖6d 和圖6e 所示，分別對(duì)距離界面0.5 mm、1.5 mm 和2.5 mm 的區(qū)域進(jìn)行SiC 顆粒分布及微觀組織觀察。通過圖6c 可以發(fā)現(xiàn)SiC 顆粒出現(xiàn)了團(tuán)聚且顆粒數(shù)量較少，圖6d 中的SiC 顆粒數(shù)量明顯增加，分布也趨于均勻，6e 中的SiC 顆粒數(shù)量最多，分布均勻性提高。結(jié)合6f 的結(jié)果得出，在顆粒聚集區(qū)中SiC 顆粒也表現(xiàn)為呈梯度分布。

圖6 化學(xué)法復(fù)合界面的微觀組織及SiC顆粒分布

本文采用掃描電鏡對(duì)復(fù)合界面進(jìn)行了SEM（電子掃描顯微鏡）和EDS 表征，進(jìn)一步了解化學(xué)法復(fù)合界面結(jié)合情況。通過SEM 結(jié)果可得，圖7a中深色塊狀的為SiC 顆粒，細(xì)小針狀且呈白色的為富鐵相，說明在化學(xué)法表面處理?xiàng)l件下得到的復(fù)合界面結(jié)合良好，界面為冶金結(jié)合。

由圖7b、圖7c、圖7d 所示的EDS 面掃描結(jié)果，從中可以看出界面過渡區(qū)的主要元素為Al 和Si，以及少量的Fe 元素，未發(fā)現(xiàn)氧化物及化學(xué)元素的殘留。這表明復(fù)合界面處無明顯的氧化物，即內(nèi)表面的氧化層得到了有效的去除。

圖7 化學(xué)法復(fù)合界面的SEM形貌及EDS結(jié)果

3.3 電鍍銅表面處理

圖8 所示為電鍍銅表面處理方法的復(fù)合界面微觀結(jié)構(gòu)及SiC 顆粒分布的微觀組織。如圖8a 所示，復(fù)合界面清晰可見，與機(jī)械打磨的界面相比，電鍍銅處理界面結(jié)合能夠得到良好的復(fù)合界面，界面處無明顯的間隙。在復(fù)合材料一側(cè)組織中出現(xiàn)了少量的氣孔。這些氣孔是吸附在SiC 顆粒表面上，離心鑄造過程中隨著顆粒一起運(yùn)動(dòng)，未逸出凝固形成的。將8a 中的區(qū)域A 進(jìn)行局部放大，從圖8b 中可見，復(fù)合界面處存在一個(gè)過渡區(qū)，并在過渡區(qū)局部發(fā)現(xiàn)少量的SiC 顆粒。由于基體內(nèi)表面局部材料發(fā)生了重熔，并與內(nèi)層復(fù)合材料熔體混合，在離心力的作用下使得少量的SiC 顆粒運(yùn)動(dòng)到過渡區(qū)內(nèi)。

圖8 電鍍銅復(fù)合界面的微觀組織及SiC顆粒分布

如圖8c、圖8d 和圖8e 所示，分別對(duì)距離界面0.5 mm、1.5 mm 和2.5 mm 的區(qū)域進(jìn)行SiC 顆粒分布及微觀組織觀察。由圖可見，不同區(qū)域的SiC 顆粒數(shù)量不一樣，距離界面較近的SiC 顆粒較少，易團(tuán)聚，較遠(yuǎn)的顆粒數(shù)量較多，分散均勻。通過圖8f 可以明顯的得出，在復(fù)合材料區(qū)，SiC 顆粒呈梯度分布，與前2 種表面處理方法的結(jié)果相同。

通過圖9a 所示的電鍍銅表面處理復(fù)合界面的SEM 結(jié)果可以看出，復(fù)合界面處無明顯間隙，結(jié)合情況較好，其中深色塊狀的為SiC 顆粒。圖9b、圖9c、圖9d 和圖9e 所示分別為Al、Si、Fe 和Cu 元素的EDS 面掃描結(jié)果?？梢钥闯鯢e 元素分布較為均勻，位于界面兩側(cè)。而電鍍銅的Cu 元素主要分布于復(fù)合界面過渡區(qū)內(nèi)，未出現(xiàn)明顯的聚集。

圖9 電鍍銅復(fù)合界面的SEM形貌及EDS結(jié)果

相比較機(jī)械打磨表面處理?xiàng)l件下，電鍍銅表面處理的鍍銅層取代了內(nèi)表面的氧化層，抑制二次氧化，從而改善界面間的潤(rùn)濕性，促進(jìn)了界面結(jié)合，因此獲得了完整性更好的冶金結(jié)合界面。圖9b、圖9c、圖9d 和圖9e 所示為Al、Si、Fe 和Cu 元素的EDS 面掃描，從中可以看出合金中固有的鐵元素均勻分布在復(fù)合界面處以及兩側(cè)。與此同時(shí)，電鍍的銅元素并沒有發(fā)現(xiàn)在復(fù)合界面處出現(xiàn)聚集的情況，而是發(fā)生了溶解和擴(kuò)散，其主要分布于復(fù)合界面過渡區(qū)內(nèi)。在復(fù)合鑄造過程中，電鍍的銅層由于高溫而發(fā)生溶解、擴(kuò)散，同時(shí)能夠與鋁發(fā)生反應(yīng)，并形成合金或中間相，促進(jìn)復(fù)合界面的相互結(jié)合。表3 為圖9a 中f 點(diǎn)的EDS 點(diǎn)分析結(jié)果。根據(jù)鋁銅的二元合金相圖可知，鋁與銅之間能夠形成Al2Cu、AlCu、Al2Cu3等金屬間化合物，結(jié)合EDS分析復(fù)合界面過渡區(qū)中含銅元素的金屬間化合物主要為Al2Cu，其余或存在于Al-Si 共晶組織之間。

表3 f點(diǎn)EDS分析結(jié)果

3.4 間隙率和硬度

本文對(duì)不同表面處理的試樣進(jìn)行滲透著色處理，通過計(jì)算出復(fù)合界面的間隙率來比較不同表面處理方法對(duì)復(fù)合界面結(jié)合的影響。結(jié)果如圖10所示?？梢钥闯觯捎没瘜W(xué)法和電鍍銅表面處理能夠獲得低于機(jī)械打磨表面處理的間隙率，其中化學(xué)法的界面間隙率最低，約為5.2%，電鍍銅次之，約為6.1%。通過比較可以清楚的看出化學(xué)法和電鍍銅表面處理能夠改善復(fù)合界面間的潤(rùn)濕性，有效促進(jìn)界面的冶金結(jié)合。

圖10 不同表面處理界面間隙率

圖11 所示為不同表面處理?xiàng)l件下的SiC 顆粒體積分?jǐn)?shù)的分布曲線?？梢钥闯?，不同表面處理得到顆粒聚集區(qū)內(nèi)，SiC 顆粒體積分?jǐn)?shù)均隨著到復(fù)合界面的距離增加而逐漸增大。其中距離復(fù)合界面0.5 mm 處的SiC 顆粒體積分?jǐn)?shù)約為12%~18%，而距離復(fù)合界面2.5 mm 處的SiC 顆粒體積分?jǐn)?shù)可達(dá)到36%~42%，甚至更高。

圖12 所示為不同表面處理?xiàng)l件下復(fù)合界面結(jié)合處的硬度分布曲線。結(jié)合圖11 和圖12 的結(jié)果可知，隨著SiC 顆粒體積分?jǐn)?shù)增大，硬度值也逐漸增大，均呈現(xiàn)逐漸增大的梯度變化。其次顆粒增強(qiáng)區(qū)的硬度值比無顆粒的區(qū)域的硬度要明顯高的多，這是由于SiC 顆粒具有增強(qiáng)作用。因此，通過離心復(fù)合鑄造，可以在復(fù)合界面處形成SiC 顆粒的偏聚進(jìn)而獲得一層顆粒強(qiáng)化區(qū)，使得該區(qū)域具有高硬度、高耐磨。

圖11 SiC顆粒體積分?jǐn)?shù)的分布曲線

圖12 不同表面處理界面處的硬度分布曲線

4 結(jié)論

本文對(duì)鋁/鋁基復(fù)合材料雙層發(fā)動(dòng)機(jī)缸套的成形及組織性能進(jìn)行了研究，得出以下結(jié)論。

a.機(jī)械打磨表面處理方法獲得的復(fù)合界面存在大量間隙，導(dǎo)致界面結(jié)合差；

b.化學(xué)法和電鍍銅表面處理方法均能防止內(nèi)表面鋁合金發(fā)生二次氧化，改善潤(rùn)濕性，復(fù)合界面無明顯的間隙，連續(xù)性較好，為良好冶金結(jié)合界面；

c.3 種不同表面處理方法對(duì)SiC 顆粒分布和硬度的影響基本一致：離心復(fù)合鑄造過程中，SiC 顆粒發(fā)生偏移，形成1 個(gè)顆粒增強(qiáng)區(qū)，且隨著到界面的距離增加，SiC 顆粒體積分?jǐn)?shù)和硬度值均逐漸增加，為梯度分布。

對(duì)顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料缸套的發(fā)展進(jìn)行展望：在輕量化、節(jié)能化的推動(dòng)下，為了進(jìn)一步減輕車身質(zhì)量，降低油耗，顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料缸套將向著性能更優(yōu)異、成形工藝更簡(jiǎn)單以及應(yīng)用更廣泛的方向發(fā)展。