一種過共晶與亞共晶鋁硅合金固?液雙金屬復合鑄造方法與流程

本發明涉及一種過共晶鋁硅合金與亞共晶鋁硅合金固-液雙金屬復合鑄造方法，屬于復合材料制備技術領域，該方法有助于更好的使鋁合金在固-液復合過程中達到冶金結合。

背景技術：

近年來，隨著能源危機和環保問題的日益嚴重，人們對節能減排產品的需求越來越高，輕量化及高性能已成為新材料發展的一個趨勢，采用過共晶鋁硅合金代替鑄鐵制造轎車發動機缸套逐漸成為人們關注的一個焦點。其具有如下優點：1)減少發動機重量，減少油耗及溫室氣體的排放量；2)提高導熱率，提高發動機效率；3)減少活塞的磨損、潤滑油的消耗；4)減小活塞間隙，減小發動機噪聲。因此，采用高硅鋁合金代替鑄鐵制造發動機缸套所帶來的經濟效益、社會效益和環保的意義十分重大。而目前汽車發動機高硅鋁合金缸套與鋁合金缸體的成形技術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到冶金結合，僅僅為機械結合，而機械結合的雙金屬復合鑄件界面結合較差，強度較低，散熱性差，并不利于提高發動機的效率。

鋁/鋁液-固復合過程中的一個關鍵性的問題就是如何解決界面氧化問題，它直接關系到雙金屬界面結合的質量好壞，液-固復合過程中，由于al2o3膜的存在，鋁液中的原子很難直接與固態的al原子接觸，因此盡管固態鋁合金表面經過表面處理，但是在液-固復合鑄造時由于高溫作用也會產生氧化膜，從而嚴重阻礙不同種鋁/鋁之間的復合，使復合界面的性能嚴重降低。當前，液固雙金屬復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，雙金屬界面結合不夠穩定。

技術實現要素：

本發明要解決的技術問題是提供一種過共晶與亞共晶鋁硅合金固-液雙金屬復合鑄造方法，該方法能夠獲得高質量的過共晶-亞共晶鋁硅合金冶金結合界面，雙金屬界面結合穩定、強度高。

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

一、將固態鋁硅合金制作成預制塊并除去氧化膜；

二、對已除去氧化膜的預制塊進行電鍍銅處理；

三、將經過電鍍銅處理的預制塊放入砂型，然后澆鑄液態鋁硅合金，冷卻后得到鋁硅合金雙金屬復合鑄件。

本發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、更穩定的界面結合。

所述固態鋁硅合金為過共晶鋁硅合金，液態鋁硅合金為亞共晶鋁硅合金。

進一步，本發明所述步驟二中，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選0.5a/dm²，電鍍時間優選15min。

所述步驟三中，將電鍍銅的預制塊預熱到200～300℃后再放入砂型。

所述步驟三中，預制塊預熱溫度優選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選為750℃。

本發明為發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到冶金結合提供了一種新方法，能夠獲得高質量的過共晶-亞共晶鋁硅合金冶金結合界面。該方法以過共晶鋁硅合金為基體加工制備成預制塊，并對已除去氧化膜的預制塊表面電鍍銅、預熱處理，在砂型中澆鑄液態亞共晶鋁硅合金，最終獲得了具有高優質界面結合的鋁-鋁雙金屬復合件。

本發明可獲得冶金結合的鋁-鋁雙金屬復合材料，克服了鋁合金雙金屬復合鑄造材料生產和應用的瓶頸，為實現全鋁發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，也有望在車輛、船舶、航空制造業中獲得廣泛的應用。

附圖說明

下面結合附圖和具體實施方式對本發明作進一步詳細說明。

圖1：鋁/鋁復合澆鑄宏觀切面圖。

圖2：對比例復合界面圖。

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：本發明實施例的過共晶鋁硅合金與亞共晶鋁硅合金雙金屬復合鑄件復合界面圖。

圖8：鋁/鋁復合界面sem圖。

圖9：鋁/鋁復合界面的eds圖。

具體實施方式

對比例：鋁/鋁合金直接澆鑄復合工藝

具體步驟：

(1)將過共晶鋁硅合金al-27si進行機械加工得到尺寸40mm×40mm×10mm的預制塊，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制塊預熱，溫度在200～300℃范圍內，然后將其放入砂型中，之后澆注液態亞共晶鋁硅合金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合界面有明顯的縫隙，界面結合較差。原因是過共晶鋁硅合金預制塊在空氣中極易氧化，預熱和澆鑄過程中也會發生二次氧化，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制塊與澆鑄金屬液之間，阻礙兩者之間的結合。

實施例：鋁/鋁合金電鍍銅復合工藝

具體步驟：

(1)將過共晶鋁硅合金al-27si進行機械加工得到尺寸40mm×40mm×10mm的預制塊，對預制塊進行化學清洗，去除表面的油污及氧化物。所述的化學清洗是指依次通過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；對預制塊進行電鍍：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)固液復合澆鑄，將經過電鍍銅處理的預制塊預熱到200～300℃后，放入砂型，然后澆鑄液態亞共晶鋁硅合金al-6.5si，澆鑄溫度為750～780℃；冷卻后得到鋁硅合金雙金屬復合鑄件。

如圖1所示，1為過共晶鋁硅合金al-27si預制件，2為液態亞共晶鋁硅合金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預制件表面鍍銅，經劃痕實驗可以明顯看出，其劃痕實驗結果良好。但從圖3可以看出其電鍍層不夠均勻，沒有對預制件基體覆蓋完全。

在電流密度為0.5a/dm²條件下，在過共晶鋁硅合金al-27si預制件表面鍍銅，經劃痕實驗可以明顯看出，其劃痕實驗結果良好；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預制件表面鍍銅，經劃痕實驗可以明顯看出，其劃痕實驗效果較差，已經發生脫落，證明其電鍍層與預制件基體之間結合不都緊密。

因此，本發明采用在電流密度0.4～0.6a/dm²條件下對過共晶鋁硅合金al-27si預制件表面鍍銅，可以獲得良好優質的電鍍銅層。

本發明應用于發動機缸套和缸體之間的冶金結合，發動機缸套和缸體鋁合金牌號及成分如下：

發動機缸套為過共晶鋁硅合金al-27si，其質量分數：si-27.09％，fe-0.19％，cu-0.01％，其他≤0.01％，其余為al。

發動機缸體為亞共晶鋁硅合金al-6.5si，其質量分數：si-6.45％，mg-0.42％，fe-0.15％，ti4-0.14％，cu-0.03％，其他≤0.01％，其余為al。

在實際生產中，首先將加工好的發動機缸套進行鍍銅處理，然后預熱到200℃左右后放入砂型，再將液態亞共晶鋁硅合金澆鑄到砂型中，冷卻后即可得到發動機缸套與發動機缸體結合在一起的鑄件。實驗證明電鍍時間過長不利于工廠實際的生產，對其保存條件也相對苛刻。在較短的時間內獲得較好的電鍍層，即可有利于界面結合、有利于生產。因此本發明優選電流密度為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，電鍍層與預制塊基體界面結合良好，無縫隙。

在雙金屬固-液復合過程中，固態過共晶鋁硅合金預制塊預熱溫度直接影響液態金屬對預制塊表面的潤濕、異質形核、結晶和界面反應的進行，對界面結合起著重要作用。當固態預制塊不進行預熱或預熱溫度過低時，其表面可能無法被液態金屬潤濕或會因表面原子活動能力弱而無法形成良好結合。由于過共晶鋁硅合金預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合。因此，本發明優選200℃的預熱溫度，有助于實現過共晶鋁硅合金與亞共晶鋁硅合金的冶金結合。

實踐證明，合適的澆鑄溫度會使過共晶鋁硅合金預制件表面處于熔融狀態，并持續一定時間，為預制件和液體亞共晶鋁硅合金中原子相互擴散形成冶金結合提供了條件，過低和過高的澆鑄溫度都會導致澆鑄失敗。在發動機缸體和缸套一體化澆鑄的實際生產中，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合。本發明在澆鑄溫度不同條件下的進行了固液雙金屬復合，從實驗結果看，在720℃條件下界面結合一般，其界面結合強度較低，而在750℃和780℃條件下，界面結合較好。為了節約能源，有利于生產，在750℃下即可獲得較好的結合界面。因此本發明優選澆鑄溫度為750℃，預制件預熱溫度為200℃。

如圖7所示，在澆鑄溫度為750℃，預制件預熱溫度為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合界面無縫隙存在，可以獲得良好優質的冶金結合界面。

如圖8、9所示，為過共晶-亞共晶鋁硅合金雙金屬復合界面的sem圖及其對應的eds-cu面掃圖，圖中白色代表銅元素，可以明顯發現銅原子在過共晶鋁硅合金與亞共晶鋁硅合金中都發生了擴散和聚集，而不是全部存在于雙金屬復合界面處。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散速度，其增加的幅度與硅相的形貌和分布有關，硅相本身以及硅相與基體的界面為銅原子在合金中的擴散提供了快速通道，使得銅相在合金中溶解與析出。澆鑄后放的余熱進一步促使si原子團聚，si聚集后釋放較多的空位，促進cu的進一步偏聚，并會出現較為明顯的cu-cu團聚。由于本發明為過共晶鋁硅合金表面電鍍銅，電鍍的實質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生擴散，因此銅原子并沒有在中間過渡區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。

固液雙金屬復合的結合機理有兩類：熔合結合和擴散結合。實際固液復合過程中，受工藝條件限制，金屬液與固態預制塊接觸后各個位置的溫度分布不可能完全均勻，這就導致雙金屬復合材料界面結合通常是以上兩種機理綜合作用的結果。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生擴散，都有助于界面的結合。

上述實施例僅為本發明的優選實施例。本領域技術人員可以合理預見，將亞共晶鋁硅合金制作成預制塊并電鍍銅處理，然后澆鑄液態過共晶鋁硅合金，也可以獲得良好優質的冶金結合界面。