鑄造鋁合金活塞的不同重熔處理強(qiáng)化方法

張國棟，鄭 飛，龔 卓，張建強(qiáng)，溫志高，彭明誠，薛光輝

（1.武漢大學(xué) 動(dòng)力與機(jī)械學(xué)院，湖北 武漢430072；2.成都銀河動(dòng)力有限公司，四川 成都610505；3.廣州韋特電子技術(shù)有限公司，廣東 廣州 511290）

0 前言

鋁合金具有比強(qiáng)度高、耐蝕性好、密度低的優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于汽車工業(yè)中。鑄造鋁硅合金是主要的車用活塞材料，有利于實(shí)現(xiàn)活塞的輕量化，符合節(jié)能減排的性能要求，且成本較低[1-2]。然而鋁硅合金鑄造而成的活塞在使用過程中其內(nèi)部較大的初晶硅與鋁合金基體的熱膨脹系數(shù)不同，導(dǎo)致在發(fā)動(dòng)機(jī)工作中受到高周熱循環(huán)產(chǎn)生裂紋源，并在強(qiáng)度較低的鋁基體中迅速擴(kuò)展，最終造成整個(gè)活塞件失效。而活塞作為發(fā)動(dòng)機(jī)中的重要零件，其使用壽命與服役性能在很大程度上決定發(fā)動(dòng)機(jī)的性能，因此提高活塞的性能非常重要[3-5]。喉口是活塞在使用過程中應(yīng)力最為集中的部位，而基于焊接技術(shù)原理，借助鋁合金較高的導(dǎo)熱能力，利用熱源直接融化喉口表面后迅速凝固，以提高其性能是一種簡便有效的方法，適合大規(guī)模生產(chǎn)[6]。

氬弧重熔是目前比較成熟的方案之一，德國輝門公司的durabowl技術(shù)，通過喉口部位的兩道重熔將活塞使用壽命延長4～8倍[3-4]；潘璋、黃齊文[7-8]等人對(duì)鋁合金表面進(jìn)行等離子重熔研究，結(jié)果表明等離子具有功率密度高、效率快、能耗小、不容易產(chǎn)生氣孔及夾鎢的優(yōu)點(diǎn)；而VPTIG目前主要以焊接為主，從保強(qiáng)[9-10]等人研究了其電弧特性，結(jié)果表明VPTIG具有收弧效應(yīng)和清理作用好等優(yōu)點(diǎn)，但未深入研究重熔方面。本研究利用傳統(tǒng)TIG、VPTIG（Variable Polarity TIG）及等離子3種方法對(duì)活塞用鑄造鋁合金表面進(jìn)行重熔處理，使得表面快速融化后凝固，并獲得一定厚度的重熔層，其晶粒細(xì)化明顯，硬度值也明顯提高。

1 試驗(yàn)材料和方法

試驗(yàn)用鑄造鋁合金（鋁硅合金）化學(xué)成分如表1所示，鋁合金試塊尺寸為100mm×40mm×40mm，共3個(gè)，分別進(jìn)行傳統(tǒng)TIG、VPTIG和等離子重熔處理。重熔過程為單道的一次性重熔處理，部位選擇在100mm×40mm面的正中位置，方向沿長邊平行，重熔長度約為9 cm，無填絲。

表1 母材化學(xué)成分 %

處理前先用砂紙打磨去除氧化層，并利用丙酮清洗表層油污。為降低重熔后快速冷卻造成的內(nèi)部應(yīng)力，減小重熔處理后裂紋產(chǎn)生傾向并干燥表面，先進(jìn)行預(yù)熱處理，預(yù)熱溫度150℃，保溫30min，出爐后立刻進(jìn)行重熔處理。

各實(shí)驗(yàn)組的實(shí)驗(yàn)參數(shù)如下：①傳統(tǒng)TIG重熔處理，采用150A工頻交流電流，保護(hù)氣體為純Ar，流量12 L/min，電弧長度3mm，焊接速度200mm/min。②VPTIG處理，采用1kHz脈沖電流，有效電流180A，其他參數(shù)同傳統(tǒng)TIG。③等離子重熔處理。90A直流電，輔弧電流30A。本次實(shí)驗(yàn)過程中VPTIG與傳統(tǒng)TIG的主要區(qū)別是電流，VPTIG采用高頻脈沖電流而不是常規(guī)的交流電流，等離子重熔處理采用直流電流。

鑄造鋁合金基體金相圖如圖1所示，淺色區(qū)域?yàn)棣?Al基體相，顏色較深的為塊狀初晶硅，其尺寸普遍大于30μm，聚集在邊界處樹枝狀的共晶硅以及各種金屬化合物相。α-Al作為基體相強(qiáng)度較低，而初晶硅硬度大，且這兩種材料的熱膨脹系數(shù)不同，在發(fā)動(dòng)機(jī)熱循環(huán)過程中會(huì)不斷膨脹收縮產(chǎn)生裂紋最終導(dǎo)致失效[3-5]，因此利用重熔技術(shù)細(xì)化晶粒、增加晶界密度、縮小初晶硅尺寸，可防止裂紋的快速擴(kuò)展。

圖1 鑄造鋁硅合金基體金相圖片

重熔結(jié)束后，試樣空冷至正常室溫，然后切截面制樣。利用體式顯微鏡測量重熔區(qū)的深度，利用蔡司光學(xué)顯微鏡（OM）觀察試樣截面金相，保存照片并測量初晶硅平均尺寸，利用HXS-1000A維氏硬度顯微鏡從表面到內(nèi)部依次測量硬度值并了解其變化情況。

2 試驗(yàn)結(jié)果和分析

2.1 傳統(tǒng)TIG重熔處理

氬弧的能量密度不大，但是其成本低、技術(shù)成熟、易于操作，可以根據(jù)不同需要選擇不同參數(shù)以獲得不同的熔深。氬弧焊的設(shè)備非常普遍，進(jìn)行多層多道重熔處理的過程可以與焊接過程相類比。鑒于此，氬弧重熔具有較好的使用價(jià)值[11]。

傳統(tǒng)TIG重熔處理后的金相照片如圖2所示。重熔區(qū)晶粒和基體部分晶粒對(duì)比明顯（見圖2a），重熔區(qū)晶粒明顯細(xì)小，存在厚度約200μm的熱影響區(qū)，該區(qū)域內(nèi)樹枝晶呈現(xiàn)出較為明顯的方向性，且在細(xì)晶內(nèi)部存在較大的初晶硅顆粒，但熱影響區(qū)的晶粒仍然明顯小于基體部分，不存在明顯的粗晶區(qū)。圖2b和圖2c為重熔區(qū)不同放大比率的圖片，可見晶粒明顯細(xì)小且較為均勻，初晶硅顆粒以等軸晶為主，與基體相比顯得更加圓滑，使得裂紋源的產(chǎn)生變得困難，此外晶界密度的增大也使得裂紋的擴(kuò)展變得困難，有利于延長材料使用壽命。經(jīng)測量，重熔區(qū)的晶粒尺寸為4.22μm，與鋁硅合金基體30μm以上的初晶硅尺寸相比有數(shù)量級(jí)上的差別。此外，重熔區(qū)的初晶硅顆粒分布更加均勻，這是因?yàn)樵诩訜徇^程中溫度升高，較大的初晶硅顆粒融化并擴(kuò)散，而在快速冷卻的非平衡凝固過程中保持較高的固溶度，使得其不易產(chǎn)生偏聚。

圖2 傳統(tǒng)TIG重熔處理后的金相照片

試驗(yàn)中獲得2.87mm厚的重熔區(qū)域，其維氏硬度為182.5HV。

試樣硬度隨重熔區(qū)域深度變化的分布如圖3所示。在重熔區(qū)內(nèi)，硬度始終保持在一個(gè)較高水平，而離開細(xì)化區(qū)后，硬度迅速下降到基體水平，較薄的熱影響區(qū)未表現(xiàn)出異常的低硬度，可見重熔處理后的試樣重熔區(qū)即使表層因加工或者磨損導(dǎo)致表層細(xì)化層失效，但深處的組織依然能夠保持較高的硬度以保持其使用性能。由于鋁合金導(dǎo)熱性好，氬弧處理的熱輸入較低，熱影響區(qū)（圖3中3.0mm處的點(diǎn)）未出現(xiàn)出硬度低于基體的現(xiàn)象，熱影響區(qū)（見圖2a）未出現(xiàn)明顯的粗大晶粒，重熔層與基體的連接很平緩，使得失效不會(huì)從常規(guī)焊接過程的熱影響區(qū)展開，保證了試樣強(qiáng)度。

圖3 傳統(tǒng)TIG重熔處理硬度隨深度變化趨勢(shì)

2.2 VPTIG重熔處理

VPTIG過程采用高頻變極性TIG重熔處理，該工藝中電弧在較高的電流頻率和不同的波形作用下發(fā)生收縮，增加能量密度，并且在高頻VPTIG中無需增加穩(wěn)弧措施就能使電弧穩(wěn)定燃燒，不產(chǎn)生熄弧和斷弧，且收縮效應(yīng)使電弧具有較好的氧化膜清理效果。本次試驗(yàn)將其焊接原理直接運(yùn)用于表面重熔，并研究其重熔效果。

180 A電流下VPTIG試樣邊界區(qū)和重熔區(qū)的金相照片如圖4所示，其中邊界密集的深色部位為細(xì)化區(qū)。測得該試樣重熔層（即細(xì)化區(qū)邊界到表面距離）深度為3.84mm，重熔區(qū)維氏硬度值為150.5HV。

由圖4可知，經(jīng)過VPTIG方法處理后的試樣較基體有明顯的晶粒細(xì)化，其中初晶硅的尺寸為5.14μm，但是整體的晶粒細(xì)化程度不及傳統(tǒng)TIG，邊界處樹枝狀的共晶硅和金屬間化合物開始增多，這是由于較大的熱輸入造成了熱循環(huán)中峰值溫度的增加以及冷卻速度的下降，使得冷卻結(jié)晶過程未出現(xiàn)太大程度的過冷。但是共晶硅與金屬間化合物的形貌明顯好于基體組織，因此能起到減小應(yīng)力集中，降低裂紋源產(chǎn)生傾向的作用。

圖4 VPTIG重熔處理后的金相照片

2.3 等離子重熔處理

等離子具有高的熱輸入和高熱輸入密度，有利于獲得大熔深。對(duì)于汽車活塞毛坯件而言，大熔深意味著可允許較高的加工余量，且在同等條件下可以抵抗更長時(shí)間的磨損。此外，等離子設(shè)備相比氬弧設(shè)備更易實(shí)現(xiàn)大規(guī)模的自動(dòng)化操作，且工作環(huán)境更好。等離子焊接是目前研究的重點(diǎn)，而等離子也是重熔處理的一種新的熱源選擇。

等離子重熔試樣的邊界、細(xì)化區(qū)、細(xì)化區(qū)高倍放大的金相圖片如圖5所示。此外，采用體式顯微鏡和維氏硬度測試儀分別測得重熔區(qū)深度為6.10mm。

由圖5可知，等離子重熔后的試樣存在明顯的熱影響區(qū)，細(xì)化區(qū)表現(xiàn)出侵蝕性，熱影響區(qū)內(nèi)部的初晶硅變大，而重熔區(qū)內(nèi)靠近熱影響區(qū)部分也存在一些較大的初晶硅顆粒，而在重熔區(qū)中心區(qū)域初晶硅比較細(xì)小，無明顯大顆粒產(chǎn)生，且基本上保持等軸晶狀態(tài)，經(jīng)測量重熔區(qū)內(nèi)部的初晶硅尺寸均值為5.15μm，較基體而言仍然非常細(xì)小。值得注意的是，等離子試樣重熔區(qū)域金相圖片基本上相當(dāng)于基體金相圖片的放大版，但邊界處的共晶硅顯得更加順滑，其他金屬相的偏聚明顯減少，初步分析是較高的峰值溫度使得部分金屬間化合物溶于基體。

圖5 等離子重熔處理后的金相照片

等離子試樣維氏硬度值的測量結(jié)果為：細(xì)化區(qū)的平均維氏硬度值為137.1HV，區(qū)域內(nèi)硬度值基本保持穩(wěn)定。較薄的熱影響區(qū)硬度值為110.4 HV，未出現(xiàn)明顯的軟化現(xiàn)象，平均硬度值沒有TIG方法高的原因是等離子重熔熱輸入密度大，峰值溫度過高，晶粒長大明顯且在超高溫度范圍內(nèi)停留時(shí)間較長，但是由于鋁合金散熱較快，熱影響區(qū)未充分軟化，所以仍然保持了較好的性能。

3 結(jié)論

分別利用傳統(tǒng)TIG、VPTIG以及等離子3種方法對(duì)鑄造鋁合金試樣進(jìn)行表面重熔處理，其結(jié)果如表2所示。

表2 部分不同處理方式的結(jié)果

結(jié)果表明，采用傳統(tǒng)TIG方式利于獲得較高硬度，且重熔區(qū)初晶硅及鋁基體形貌良好，平均初晶硅尺寸最小；采用熱輸入密度最高的等離子重熔方式則有利于獲得較大熔深，即使在相對(duì)較小電流下也能獲得比傳統(tǒng)TIG和VPTIG大得多的重熔層深度；采用VPTIG方式所得結(jié)果大多介于二者之間。

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