一種過共晶與亞共晶鋁硅合金固?液雙金屬復(fù)合鑄造方法與流程

本發(fā)明涉及一種過共晶鋁硅合金與亞共晶鋁硅合金固-液雙金屬復(fù)合鑄造方法，屬于復(fù)合材料制備技術(shù)領(lǐng)域，該方法有助于更好的使鋁合金在固-液復(fù)合過程中達(dá)到冶金結(jié)合。

背景技術(shù)：

近年來，隨著能源危機和環(huán)保問題的日益嚴(yán)重，人們對節(jié)能減排產(chǎn)品的需求越來越高，輕量化及高性能已成為新材料發(fā)展的一個趨勢，采用過共晶鋁硅合金代替鑄鐵制造轎車發(fā)動機缸套逐漸成為人們關(guān)注的一個焦點。其具有如下優(yōu)點：1)減少發(fā)動機重量，減少油耗及溫室氣體的排放量；2)提高導(dǎo)熱率，提高發(fā)動機效率；3)減少活塞的磨損、潤滑油的消耗；4)減小活塞間隙，減小發(fā)動機噪聲。因此，采用高硅鋁合金代替鑄鐵制造發(fā)動機缸套所帶來的經(jīng)濟(jì)效益、社會效益和環(huán)保的意義十分重大。而目前汽車發(fā)動機高硅鋁合金缸套與鋁合金缸體的成形技術(shù)一般為擠壓裝配等方法，擠壓裝配是直接將高硅鋁合金缸套和鋁合金缸體之間機械總裝成型。這種方法不能使缸套和缸體之間達(dá)到冶金結(jié)合，僅僅為機械結(jié)合，而機械結(jié)合的雙金屬復(fù)合鑄件界面結(jié)合較差，強度較低，散熱性差，并不利于提高發(fā)動機的效率。

鋁/鋁液-固復(fù)合過程中的一個關(guān)鍵性的問題就是如何解決界面氧化問題，它直接關(guān)系到雙金屬界面結(jié)合的質(zhì)量好壞，液-固復(fù)合過程中，由于al2o3膜的存在，鋁液中的原子很難直接與固態(tài)的al原子接觸，因此盡管固態(tài)鋁合金表面經(jīng)過表面處理，但是在液-固復(fù)合鑄造時由于高溫作用也會產(chǎn)生氧化膜，從而嚴(yán)重阻礙不同種鋁/鋁之間的復(fù)合，使復(fù)合界面的性能嚴(yán)重降低。當(dāng)前，液固雙金屬復(fù)合主要采用兩種表面的處理方式，電鍍鋅與表面氟鹽涂覆的方法。采用電鍍鋅表面處理方法，鋅原子與鋁原子之間擴(kuò)散滲透的能力較差；表面氟鹽涂覆表面處理方法，雙金屬界面結(jié)合不夠穩(wěn)定。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是提供一種過共晶與亞共晶鋁硅合金固-液雙金屬復(fù)合鑄造方法，該方法能夠獲得高質(zhì)量的過共晶-亞共晶鋁硅合金冶金結(jié)合界面，雙金屬界面結(jié)合穩(wěn)定、強度高。

為了解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明的過共晶與亞共晶鋁硅合金固-液雙金屬復(fù)合鑄造方法包括下述步驟：

一、將固態(tài)鋁硅合金制作成預(yù)制塊并除去氧化膜；

二、對已除去氧化膜的預(yù)制塊進(jìn)行電鍍銅處理；

三、將經(jīng)過電鍍銅處理的預(yù)制塊放入砂型，然后澆鑄液態(tài)鋁硅合金，冷卻后得到鋁硅合金雙金屬復(fù)合鑄件。

本發(fā)明采用電鍍銅的方法，相比于電鍍鋅而言，銅原子與鋁原子之間有更好的擴(kuò)散滲透的能力；相比于表面氟鹽涂覆的方法，電鍍銅可以獲得更全面、更穩(wěn)定的界面結(jié)合。

所述固態(tài)鋁硅合金為過共晶鋁硅合金，液態(tài)鋁硅合金為亞共晶鋁硅合金。

進(jìn)一步，本發(fā)明所述步驟二中，電鍍銅處理工藝條件為電流密度為0.4～0.6a/dm²，電鍍時間為5～15min。

所述步驟二中，電鍍銅處理工藝條件為電流密度優(yōu)選0.5a/dm²，電鍍時間優(yōu)選15min。

所述步驟三中，將電鍍銅的預(yù)制塊預(yù)熱到200～300℃后再放入砂型。

所述步驟三中，預(yù)制塊預(yù)熱溫度優(yōu)選200℃。

所述砂型為40～100目樹脂自硬砂制造的砂型。

所述步驟三中，澆鑄的液體亞共晶鋁硅合金溫度為750～780℃。

所述步驟三中，澆鑄的液體亞共晶鋁硅合金溫度優(yōu)選為750℃。

本發(fā)明為發(fā)動機制造中的過共晶鋁硅合金缸套和亞共晶鋁硅合金缸體之間達(dá)到冶金結(jié)合提供了一種新方法，能夠獲得高質(zhì)量的過共晶-亞共晶鋁硅合金冶金結(jié)合界面。該方法以過共晶鋁硅合金為基體加工制備成預(yù)制塊，并對已除去氧化膜的預(yù)制塊表面電鍍銅、預(yù)熱處理，在砂型中澆鑄液態(tài)亞共晶鋁硅合金，最終獲得了具有高優(yōu)質(zhì)界面結(jié)合的鋁-鋁雙金屬復(fù)合件。

本發(fā)明可獲得冶金結(jié)合的鋁-鋁雙金屬復(fù)合材料，克服了鋁合金雙金屬復(fù)合鑄造材料生產(chǎn)和應(yīng)用的瓶頸，為實現(xiàn)全鋁發(fā)動機的制造提供了新方法，其工藝簡單、成本低廉、可用于大量生產(chǎn)，也有望在車輛、船舶、航空制造業(yè)中獲得廣泛的應(yīng)用。

附圖說明

下面結(jié)合附圖和具體實施方式對本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)說明。

圖1：鋁/鋁復(fù)合澆鑄宏觀切面圖。

圖2：對比例復(fù)合界面圖。

圖3：電流密度為0.3a/dm²條件下的鍍銅層微觀金相圖。

圖4：電流密度為0.5a/dm²條件下的鍍銅層微觀金相圖。

圖5：電流密度為0.7a/dm²條件下的鍍銅層微觀金相圖。

圖6：鍍銅層厚度圖。

圖7：本發(fā)明實施例的過共晶鋁硅合金與亞共晶鋁硅合金雙金屬復(fù)合鑄件復(fù)合界面圖。

圖8：鋁/鋁復(fù)合界面sem圖。

圖9：鋁/鋁復(fù)合界面的eds圖。

具體實施方式

對比例：鋁/鋁合金直接澆鑄復(fù)合工藝

具體步驟：

(1)將過共晶鋁硅合金al-27si進(jìn)行機械加工得到尺寸40mm×40mm×10mm的預(yù)制塊，去除其表面的油污及氧化物。

(2)采用40～100目樹脂自硬砂制造所需砂型。

(3)將過共晶鋁硅合金預(yù)制塊預(yù)熱，溫度在200～300℃范圍內(nèi)，然后將其放入砂型中，之后澆注液態(tài)亞共晶鋁硅合金al-6.5si，澆注溫度為750～780℃；冷卻后得到過共晶鋁硅合金al-27si與亞共晶鋁硅合金al-6.5si的復(fù)合鑄件。

如圖2所示，上述方法鑄造的過共晶鋁硅合金-亞共晶鋁硅合金固-液雙金屬，其過共晶鋁硅合金和亞共晶鋁硅合金結(jié)合界面有明顯的縫隙，界面結(jié)合較差。原因是過共晶鋁硅合金預(yù)制塊在空氣中極易氧化，預(yù)熱和澆鑄過程中也會發(fā)生二次氧化，形成al2o3氧化膜，氧化膜非常致密、高熔點且潤濕性較差的。由于這層氧化膜的存在，澆鑄的熔體溫度不足以使氧化膜熔化，致使氧化膜保留在預(yù)制塊與澆鑄金屬液之間，阻礙兩者之間的結(jié)合。

實施例：鋁/鋁合金電鍍銅復(fù)合工藝

具體步驟：

(1)將過共晶鋁硅合金al-27si進(jìn)行機械加工得到尺寸40mm×40mm×10mm的預(yù)制塊，對預(yù)制塊進(jìn)行化學(xué)清洗，去除表面的油污及氧化物。所述的化學(xué)清洗是指依次通過3％～5％的硝酸溶液、去離子水清洗，去除表面油污及氧化物。

(2)配置過飽和的硫酸銅溶液，其ph在6～6.5；對預(yù)制塊進(jìn)行電鍍：電流密度為0.4～0.6a/dm²，電鍍時間為5～15min，電鍍層厚度為6～10um。

(3)采用40～100目樹脂自硬砂制造所需砂型。

(4)固液復(fù)合澆鑄，將經(jīng)過電鍍銅處理的預(yù)制塊預(yù)熱到200～300℃后，放入砂型，然后澆鑄液態(tài)亞共晶鋁硅合金al-6.5si，澆鑄溫度為750～780℃；冷卻后得到鋁硅合金雙金屬復(fù)合鑄件。

如圖1所示，1為過共晶鋁硅合金al-27si預(yù)制件，2為液態(tài)亞共晶鋁硅合金al-6.5si，3為砂型，4為鍍銅層。

在電流密度為0.3a/dm²的條件下，在過共晶鋁硅合金al-27si預(yù)制件表面鍍銅，經(jīng)劃痕實驗可以明顯看出，其劃痕實驗結(jié)果良好。但從圖3可以看出其電鍍層不夠均勻，沒有對預(yù)制件基體覆蓋完全。

在電流密度為0.5a/dm²條件下，在過共晶鋁硅合金al-27si預(yù)制件表面鍍銅，經(jīng)劃痕實驗可以明顯看出，其劃痕實驗結(jié)果良好；從圖4可以看出其電鍍表面光滑，無毛刺，無氣泡。

在電流密度為0.7條件下，在過共晶鋁硅合金al-27si預(yù)制件表面鍍銅，經(jīng)劃痕實驗可以明顯看出，其劃痕實驗效果較差，已經(jīng)發(fā)生脫落，證明其電鍍層與預(yù)制件基體之間結(jié)合不都緊密。

因此，本發(fā)明采用在電流密度0.4～0.6a/dm²條件下對過共晶鋁硅合金al-27si預(yù)制件表面鍍銅，可以獲得良好優(yōu)質(zhì)的電鍍銅層。

本發(fā)明應(yīng)用于發(fā)動機缸套和缸體之間的冶金結(jié)合，發(fā)動機缸套和缸體鋁合金牌號及成分如下：

發(fā)動機缸套為過共晶鋁硅合金al-27si，其質(zhì)量分?jǐn)?shù)：si-27.09％，fe-0.19％，cu-0.01％，其他≤0.01％，其余為al。

發(fā)動機缸體為亞共晶鋁硅合金al-6.5si，其質(zhì)量分?jǐn)?shù)：si-6.45％，mg-0.42％，fe-0.15％，ti4-0.14％，cu-0.03％，其他≤0.01％，其余為al。

在實際生產(chǎn)中，首先將加工好的發(fā)動機缸套進(jìn)行鍍銅處理，然后預(yù)熱到200℃左右后放入砂型，再將液態(tài)亞共晶鋁硅合金澆鑄到砂型中，冷卻后即可得到發(fā)動機缸套與發(fā)動機缸體結(jié)合在一起的鑄件。實驗證明電鍍時間過長不利于工廠實際的生產(chǎn)，對其保存條件也相對苛刻。在較短的時間內(nèi)獲得較好的電鍍層，即可有利于界面結(jié)合、有利于生產(chǎn)。因此本發(fā)明優(yōu)選電流密度為0.5a/dm²，電鍍時間為15min。如圖6所示，為過共晶鋁硅合金預(yù)制塊表面電鍍銅鍍層厚度圖片，其電流密度為0.5a/dm²，電鍍時間為15min，厚度為10.24μm，電鍍層與預(yù)制塊基體界面結(jié)合良好，無縫隙。

在雙金屬固-液復(fù)合過程中，固態(tài)過共晶鋁硅合金預(yù)制塊預(yù)熱溫度直接影響液態(tài)金屬對預(yù)制塊表面的潤濕、異質(zhì)形核、結(jié)晶和界面反應(yīng)的進(jìn)行，對界面結(jié)合起著重要作用。當(dāng)固態(tài)預(yù)制塊不進(jìn)行預(yù)熱或預(yù)熱溫度過低時，其表面可能無法被液態(tài)金屬潤濕或會因表面原子活動能力弱而無法形成良好結(jié)合。由于過共晶鋁硅合金預(yù)制塊表面為電鍍銅層，銅相對而言是一種不活潑的金屬，但是其溫度在高于300℃后變會發(fā)生劇烈氧化，形成氧化銅薄膜，其存在也不利于固液雙金屬之間的復(fù)合。因此，本發(fā)明優(yōu)選200℃的預(yù)熱溫度，有助于實現(xiàn)過共晶鋁硅合金與亞共晶鋁硅合金的冶金結(jié)合。

實踐證明，合適的澆鑄溫度會使過共晶鋁硅合金預(yù)制件表面處于熔融狀態(tài)，并持續(xù)一定時間，為預(yù)制件和液體亞共晶鋁硅合金中原子相互擴(kuò)散形成冶金結(jié)合提供了條件，過低和過高的澆鑄溫度都會導(dǎo)致澆鑄失敗。在發(fā)動機缸體和缸套一體化澆鑄的實際生產(chǎn)中，如果澆鑄溫度過高，會使得過共晶鋁硅合金缸套表面軟化變形，而且過高的澆鑄溫度比較浪費資源，因為其無助于界面的結(jié)合。本發(fā)明在澆鑄溫度不同條件下的進(jìn)行了固液雙金屬復(fù)合，從實驗結(jié)果看，在720℃條件下界面結(jié)合一般，其界面結(jié)合強度較低，而在750℃和780℃條件下，界面結(jié)合較好。為了節(jié)約能源，有利于生產(chǎn)，在750℃下即可獲得較好的結(jié)合界面。因此本發(fā)明優(yōu)選澆鑄溫度為750℃，預(yù)制件預(yù)熱溫度為200℃。

如圖7所示，在澆鑄溫度為750℃，預(yù)制件預(yù)熱溫度為200℃，電流密度為0.5a/dm²，電鍍時間為15min的條件下，得到的過共晶鋁硅合金與亞共晶鋁硅合金雙金屬復(fù)合界面無縫隙存在，可以獲得良好優(yōu)質(zhì)的冶金結(jié)合界面。

如圖8、9所示，為過共晶-亞共晶鋁硅合金雙金屬復(fù)合界面的sem圖及其對應(yīng)的eds-cu面掃圖，圖中白色代表銅元素，可以明顯發(fā)現(xiàn)銅原子在過共晶鋁硅合金與亞共晶鋁硅合金中都發(fā)生了擴(kuò)散和聚集，而不是全部存在于雙金屬復(fù)合界面處。其原因是由于在鋁硅合金中，硅相的存在可以顯著增強銅原子的擴(kuò)散速度，其增加的幅度與硅相的形貌和分布有關(guān)，硅相本身以及硅相與基體的界面為銅原子在合金中的擴(kuò)散提供了快速通道，使得銅相在合金中溶解與析出。澆鑄后放的余熱進(jìn)一步促使si原子團(tuán)聚，si聚集后釋放較多的空位，促進(jìn)cu的進(jìn)一步偏聚，并會出現(xiàn)較為明顯的cu-cu團(tuán)聚。由于本發(fā)明為過共晶鋁硅合金表面電鍍銅，電鍍的實質(zhì)是原子的堆積形成的一層電鍍層，因而在澆鑄的過程更容易發(fā)生擴(kuò)散，因此銅原子并沒有在中間過渡區(qū)域聚集或者均勻的分散在亞共晶鋁硅合金和過共晶鋁硅合金兩側(cè)。

固液雙金屬復(fù)合的結(jié)合機理有兩類：熔合結(jié)合和擴(kuò)散結(jié)合。實際固液復(fù)合過程中，受工藝條件限制，金屬液與固態(tài)預(yù)制塊接觸后各個位置的溫度分布不可能完全均勻，這就導(dǎo)致雙金屬復(fù)合材料界面結(jié)合通常是以上兩種機理綜合作用的結(jié)果。電鍍銅后有助于提高鋁硅合金的潤濕性，又能防止鋁硅合金氧化和澆鑄過程的二次氧化，銅元素在鋁硅合金中能夠發(fā)生擴(kuò)散，都有助于界面的結(jié)合。

上述實施例僅為本發(fā)明的優(yōu)選實施例。本領(lǐng)域技術(shù)人員可以合理預(yù)見，將亞共晶鋁硅合金制作成預(yù)制塊并電鍍銅處理，然后澆鑄液態(tài)過共晶鋁硅合金，也可以獲得良好優(yōu)質(zhì)的冶金結(jié)合界面。