摘 要：為解決某柴油機凸輪軸襯套AlSn6CuNi合金層表面出現(xiàn)的大量白斑，利用白光干涉儀、X射線衍射儀、X射線熒光光譜儀、掃描電子顯微鏡和能譜儀，分析合金層表面三維形貌、表面物相、合金成分、微觀組織形態(tài)和元素成分強度，確定白斑形成原因。結(jié)果表明：白斑附著在合金層表面，主要成分為Si；對比無白斑合金，白斑合金層中Sn質(zhì)量分數(shù)減小，Al質(zhì)量分數(shù)增大，白斑合金層表面、微觀組織致密性較差，有明顯的坑洞，白斑區(qū)域外表面有一定的Si、Ca、Na等元素，確定白斑產(chǎn)生的原因為熱處理退火溫度較高造成部分Sn熔化流出，合金層表面形成坑洞缺陷，引發(fā)表面微裂紋，使浸泡過程中清洗劑中的硅酸鈉黏附在合金層表面。為獲得良好的合金層組織性能，應(yīng)嚴格按照生產(chǎn)工藝控制合金層退火溫度。

關(guān)鍵詞：凸輪軸襯套；AlSn6CuNi合金層；白斑；熱處理退火溫度

中圖分類號：TK427文獻標志碼：A文章編號：1673-6397（2024）04-0101-06

引用格式：王恒，李楊，胡志芹，等.發(fā)動機凸輪軸襯套合金層表面白斑成因分析［J］.內(nèi)燃機與動力裝置，2024，41（4）：101-106.

WANG Heng，LI Yang，HU Zhiqin，et al.Analysis of the causes of white spots on the surface of alloy layer of engine camshaft bearing［J］.Internal Combustion Engine amp; Powerplant， 2024，41（4）：101-106.

0 引言

凸輪軸襯套壓裝在缸體凸輪軸孔內(nèi)，其材質(zhì)主要有巴氏合金、銅基合金、鋁基合金等［1-4］，由于凸輪軸承受周期性沖擊載荷，要求凸輪軸襯套工作面應(yīng)有較高的尺寸精度、較小的表面粗糙度、足夠的剛度和較高的耐磨性［5-6］。

軸承材料鋁錫合金的耐摩擦、磨損性能非常重要，為了提高發(fā)動機凸輪軸襯套使用壽命，現(xiàn)有研究大多集中在改善材料表面性能、提高工件加工精度、優(yōu)化制造及裝配工藝等：文獻［7］采用單因素法分析了微造型間距、位錯、深徑比對鋁錫合金摩擦、磨損性能的影響，發(fā)現(xiàn)在邊界潤滑和完全潤滑狀態(tài)下，平均摩擦系數(shù)和磨損量隨凹坑間距、位錯、深徑比的增大先減小后增大；文獻［8］通過模型分析轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的運動軌跡，并對軸承的折合動特性進行分析，對比軸承線性軌跡及非線性軌跡，分析了軸承轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的運動及振動，提高了軸承加工精度；文獻［9］通過分析V型發(fā)動機箱體的結(jié)構(gòu)及襯套的裝配要求，結(jié)合主要部件三維模型構(gòu)建和有限元分析，設(shè)計了凸輪軸襯套壓裝專用設(shè)備，降低了工作人員的勞動強度，提高了襯套裝配精度和裝配效率。

凸輪軸襯套與凸輪軸孔過盈配合較大、預(yù)緊力或應(yīng)力集中導(dǎo)致凸輪軸襯套內(nèi)表面金相組織的薄弱部位（晶界）出現(xiàn)開裂現(xiàn)象［10-11］。除了襯套開裂外，合金層表面異常如白斑、合金層不均勻等也影響襯套表面粗糙度和精度，降低襯套使用壽命［12-13］。

本文中針對某柴油發(fā)動機部分凸輪軸襯套合金層內(nèi)表面出現(xiàn)白斑的現(xiàn)象，進行宏觀、微觀分析，確定白斑產(chǎn)生原因，有效解決白斑問題。

1 試驗方法

某柴油發(fā)動機凸輪軸襯套外表面為鋼背，內(nèi)表面為AlSn6CuNi低錫鋁合金層，采用2 000目的砂紙打磨內(nèi)表面后，在45 ℃的清洗劑中浸泡25 min，部分襯套合金層內(nèi)表面出現(xiàn)大量白斑，浸泡使用的清洗劑成分含有單乙醇胺、三元酸、三乙醇胺、硅酸鈉、聚丙烯酸鈉等，有、無白斑合金層表面如圖1所示。

結(jié)合白斑形成機理，從凸輪軸襯套表面形貌、成分、組織、硬度等方面進行分析，確定白斑產(chǎn)生位置、主要成分及形成原因。將有、無白斑襯套表面保護處理后進行線切割取樣，利用型號ZYGONexView的三維白光干涉表面形貌儀分析合金層表面三維形貌；利用型號為D/max-2500/PC的X射線衍射儀（X-Ray diffractometer，XRD）分析合金層表面物相；利用型號為S1 TITAN 600的手持式熒光光譜儀分析合金層表面元素成分；利用型號為TESCAN LYRA3的聚焦離子束掃描電子顯微鏡（scanning electron microscope，SEM）分析合金層表面、截面的微觀組織，利用能譜分析儀（energy dispersive spectrometer，EDS）分析有、無白斑合金層部分區(qū)域的成分強度。

2 合金層表面白斑成分

2.1 三維形貌

為確定白斑在合金層表面的附著狀態(tài)，利用三維白光干涉表面形貌儀分析有、無白斑合金層表面三維形貌，結(jié)果如圖2所示。

由圖2可知：對比有、無白斑合金層表面三維形貌，白斑在合金層表面為浮凸，白斑附著高度大約為30 μm，表明白斑附著在合金層表面。

2.2 物相分析

利用XRD對有白斑、無白斑、白斑打磨后3種試樣進行分析，確定白斑物相組分，3種試樣XRD測試結(jié)果如圖3所示，圖中的紅、黑三角形分別為α-Al和β-Sn相。

由圖3可知：3種試樣合金層均主要由α-Al相和β-Sn相組成，未檢測到其他物相。分析原因為合金層試樣表面不平整、帶有一定弧度，可能導(dǎo)致物相測試結(jié)果不準確，應(yīng)采用其他方法確定物相成分。

2.3 元素分析

熒光光譜儀精度高、穩(wěn)定性好，采用熒光光譜儀測試合金層表面宏觀區(qū)域元素成分，取有白斑、無白斑、白斑打磨后3種試樣（分別定義為樣品1、2、3），每個試樣上隨機選取3點，測試每點對應(yīng)的合金元素質(zhì)量分數(shù)w，并以3點平均合金元素質(zhì)量分數(shù)作為樣品合金元素質(zhì)量分數(shù)，測試3種試樣合金層表面宏觀區(qū)域元素質(zhì)量分數(shù)如表1所示。

由表1可知：有白斑試樣合金層中除含有與無白斑試樣一致的Al、Sn、Cu、Ni、Fe等元素外，還有一定量的非合金層元素Si；將有白斑試樣表面的白斑打磨干凈后，未發(fā)現(xiàn)元素Si，證實了白斑的主要成分為Si；對比無白斑試樣，白斑打磨后試樣合金層中w（Sn）減小，w（Al）增大。

3 合金層表面白斑成因

3.1 微觀組織分析

為了分析合金層表面成分差異產(chǎn)生的原因，利用SEM分別對有、無白斑試樣合金層表面微觀組織放大150倍、2 000倍，并對有、無白斑試樣合金層截面微觀組織局部放大，分析有、無白斑合金層表面、截面微觀組織，結(jié)果如圖4、5所示。

由圖4可知：有、無白斑合金層表面微觀組織均為黑色基體中分布著一定方向的呈條狀和島狀的淺灰色和亮白色相，分布方向可能與合金層軋制方向有關(guān)；有白斑合金層表面微觀組織致密性較差，有更明顯的坑洞。

由圖5可知：有、無白斑合金層截面微觀組織中均為黑色基體中分布著呈條狀和島狀的淺灰色和亮白色相，與圖4基本一致，但截面組織相均勻分布；有白斑合金層截面組織也存在較明顯的坑洞，無白斑合金層組織致密、組織相分布相對密集。

3.2 成分分析

采用EDS，在有、無白斑合金層截面微觀組織的黑色、亮白色、淺灰色、外表面分別取區(qū)域1、2、3、4，取樣示意如圖6所示，有、無白斑合金層截面各區(qū)域能譜分析結(jié)果如圖7所示。

由圖6可知：有白斑合金層靠近外表面的區(qū)域有微裂紋和孔洞，無白斑合金層靠近外表面區(qū)域未發(fā)現(xiàn)微裂紋和孔洞。由圖7可知：有、無白斑合金層區(qū)域1主要元素為Al，區(qū)域2主要元素為Sn、Al，區(qū)域3主要元素為Al、Ni，主要元素的種類一致；有白斑區(qū)域2、3均有少量Si元素，無白斑區(qū)域2有極微量的Si元素；有白斑區(qū)域4除C、O、Al元素外，還有一定的Si、Ca、Na等元素，無白斑區(qū)域4主要元素為Al、C、O，未發(fā)現(xiàn)Si、Ca、Na等元素。

經(jīng)以上分析，白斑合金層靠近外表面區(qū)域出現(xiàn)微裂紋和孔洞，導(dǎo)致浸泡過程中清洗劑中的硅酸鈉浸入，使合金層外表面形成白斑，合金層靠近外表面區(qū)域的微裂紋和孔洞是形成白斑的直接原因。

3.3 白斑形成原因

鋁基軸瓦合金材料組織為硬基體上均勻分布著軟質(zhì)點，其顯微組織由連續(xù)分布的金屬基體和彌散分布的錫相組成，合金材料內(nèi)部的微觀缺陷如空位、孔洞、位錯、晶界等導(dǎo)致性能降低［14］。優(yōu)化合金材料成分，可提高合金硬度，增強Sn相均勻分布，提高合金耐磨性能，但造成成分偏析、耐蝕性降低等［15］。熱處理工藝可使合金組織均勻化，形成細晶組織，起到彌散強化的作用，提高合金硬度，增強合金耐摩擦磨損性能。

研究表明鋁錫合金軸瓦制造中，瓦帶白點缺陷是在生產(chǎn)時再結(jié)晶退火過程中出現(xiàn)的，形成原因與最終退火溫度有關(guān)，退火溫度越高，β-Sn相分布越均勻，平均晶粒尺寸增大，若退火溫度大于Sn熔點，會出現(xiàn)錫汗現(xiàn)象［16］。本文中同一批次合金襯套部分有白斑，且白斑合金襯套w（Sn）減小、w（Al）增大，分析原因可能為Sn熔點較低，為231 ℃，Al熔點較高，為660 ℃，合金層軋制完熱處理退火溫度較高，部分Sn熔化流出，β-Sn相重熔在α-Al晶粒周圍，Sn熔化流出使合金層外表面形成坑洞缺陷，引發(fā)表面微裂紋，使清洗劑附著在合金層表面，形成白斑。應(yīng)嚴格按照生產(chǎn)工藝控制合金層退火溫度，以獲得良好的合金層組織性能。

4 結(jié)論

1）對凸輪軸襯套AlSn6CuNi合金層有、無白斑表面進行三維形貌、表面物相、合金成分、微觀組織形態(tài)和區(qū)域成分等對比分析，發(fā)現(xiàn)白斑主要附著在合金層外表面或近外表面，附著物含有一定的Si元素，分析原因為浸泡過程中，清洗劑中的硅酸鈉黏附在合金層表面，形成白斑。

2）白斑合金層中Sn元素質(zhì)量分數(shù)降低、Al元素質(zhì)量分數(shù)增加，分析原因為軋制完熱處理時退火溫度較高，部分Sn熔化流出，在表面形成坑洞缺陷，該缺陷引發(fā)表面微裂紋，使清洗劑附著在合金層表面。

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Analysis of the causes of white spots on the surface of

alloy layer of engine camshaft bearing

WANG Heng1， LI Yang1， HU Zhiqin1， WU Yun2， ZHAO Yabin3， ZHOU Cong1

1.Milestone Metal （Changzhou） Co.， Ltd.， Changzhou 213399， China;

2.Erzhong （Deyang） Heavy Equipment Co.， Ltd.， Deyang 618000， China;

3.Neway Valve（Suzhou） Co.， Ltd.， Suzhou 215004， China

Abstract：To address the issue of numerous white spots on the surface of the AlSn6CuNi alloy layer of a certain diesel engine camshaft bearing， a comprehensive analysis is conducted using white light interferometry， X-ray diffraction， X-ray fluorescence spectroscopy， scanning electron microscopy， and energy dispersive spectroscopy. The analysis focuses on the three-dimensional morphology， phase composition， alloy composition， microstructural characteristics， and elemental intensity of the alloy layer surface to determine the cause of the white spots. The results indicate" that the white spots adhered to the surface of the alloy layer is primarily consisting of Si. Compare to the alloy without white spots， the Sn mass fraction in the alloy layer with white spots decrease， while the Al mass fraction increase. The surface and microstructure of the white spot alloy layer exhibit poor density and significant pitting. The outer surface of the white spot area contains certain elements such as Si， Ca， and Na. It is determined that the formation of the white spots are due to the high annealing temperature during heat treatment， which cause partial melting and leakage of Sn， resulting in pitting defects on the alloy layer surface and leading to micro-cracks. This allows sodium silicate from the cleaning agent to adhere to the surface during the soaking process. To achieve good organizational performance of the alloy layer， it is essential to strictly control the annealing temperature according to the production process.

Keywords：camshaft bearing;AlSn6CuNi alloy layer; white spot;heat treatment annealing temperature

（責任編輯：胡曉燕）