攪拌摩擦加工對活塞用鑄鋁微觀組織的影響

李敬勇， 卓 炎

(江蘇科技大學 先進焊接技術(shù)省級重點實驗室，江蘇 鎮(zhèn)江212003)

1999年，自美國密蘇里大學的R S MISHIRA 將攪拌摩擦焊應用于7075 鋁合金攪拌摩擦超塑性處理實驗［1］，并由此提出了攪拌摩擦加工(Friction Stir Processing，簡稱FSP)的新型材料改性與制備新技術(shù)［2］。

攪拌摩擦加工技術(shù)是一種基于攪拌摩擦焊思想的熱機械處理技術(shù)，其通過攪拌頭高速旋轉(zhuǎn)，與加工區(qū)材料摩擦產(chǎn)生摩擦熱，使其達到熱塑化軟化狀態(tài)，同時，在軸肩和攪拌針的聯(lián)合機械作用下，加工區(qū)材料產(chǎn)生劇烈的塑性變形、流動轉(zhuǎn)移和機械破碎等［3］，實現(xiàn)微觀結(jié)構(gòu)的致密化、均勻化和細化，從而提高合金的力學性能和延展性，甚至取得超塑性［4］。

攪拌摩擦表面改性技術(shù)繼承攪拌摩擦焊優(yōu)異的特性和獨特的優(yōu)點，已成為攪拌摩擦技術(shù)和表面工程技術(shù)新的發(fā)展方向之一［5，6］。攪拌摩擦表面改性技術(shù)可以顯著細化材料表層組織，形成具有梯度結(jié)構(gòu)和無界面的表面改性層和顆粒增強復合表層(通過塑性流動嵌入陶瓷顆粒等)，進而顯著提高鋁、鎂、鈦輕合金和鋼表面的硬度和耐磨性以及材料的整體強度和塑、韌性。攪拌摩擦加工技術(shù)獨特而顯著的優(yōu)勢使得其在表面晶粒細化［2］、塊狀材料晶粒細化［7］、耐磨表面復合材料制備［8］、消除鋁鑄件內(nèi)部缺陷［9］、材料結(jié)構(gòu)改性［10～12］、細晶超塑性材料制備［8，13～15］和金屬基復合材料制備［16，17］等方面具有廣闊的應用前景。

活塞位于發(fā)動機的心臟，其工作質(zhì)量的優(yōu)劣直接影響發(fā)動機的性能。隨著內(nèi)燃發(fā)動機生產(chǎn)向高速度、低能耗方向發(fā)展，采用密度較小的鋁合金，可以大大降低活塞的重量及往復運動的慣性力，因此，中、小缸徑的中、高速內(nèi)燃機已逐漸采用鑄鋁活塞。作為往復運動摩擦副之一的活塞，降低其磨損是提高效率、延長壽命的重要途徑。作者試圖應用攪拌摩擦加工技術(shù)對鑄鋁活塞進行表面改性處理，以提高其表面硬度和耐磨性。本工作重點探索了攪拌摩擦加工技術(shù)對鑄鋁微觀組織的影響。

1 實驗過程與方法

1.1 實驗材料

實驗采用共晶型Al-Si-Cu-Mg 系鑄造鋁合金ZL109。該合金為常用的鋁合金活塞材料，主要用于鑄造汽車、拖拉機發(fā)動機活塞和其他在250℃以下工作的零件。ZL109 線膨脹系數(shù)低，耐熱性好，可熱處理強化，具有較高的室溫和高溫力學性能，鑄造工藝性能優(yōu)良，無熱裂傾向，氣密性高，線收縮小，但有較大的吸氣傾向，切削加工性較差、且需變質(zhì)處理。ZL109 合金化學成分如表1 所示。試件是從直徑分別為φ129mm 和φ88mm 圓柱形活塞鑄件上切割的圓形試板，試板厚度為6.5mm。

1.2 實驗過程

攪拌摩擦加工試驗在FSW2-4CX-006 攪拌摩擦焊機上進行。攪拌頭材料為H13 熱作模具鋼。采用的攪拌頭主要有兩種形式:(1)攪拌頭1:軸肩摩擦面為雙圓環(huán)，軸肩直徑φ12mm，攪拌針形狀為帶螺紋的圓臺型，攪拌針直徑φ3 ～6mm，長度5.2mm;(2)攪拌頭2:軸肩形式為漸開線，軸肩直徑φ12mm，無攪拌針。

實驗前，對工件表面進行機械清理，然后，將工件用壓板緊壓于工作臺上，以防止工件在加工過程中移動，并保持工件與攪拌頭軸線呈垂直狀態(tài)。表2 列出所采用的實驗工藝參數(shù)。加工處理后，對攪拌摩擦加工區(qū)域進行X 射線無損檢測，未發(fā)現(xiàn)加工缺陷。

表2 攪拌摩擦處理試驗工藝參數(shù)Table 2 Parameters of fraction stir processing

沿加工區(qū)域橫斷面截取金相試樣，金相試樣拋光后采用氫氟酸水溶液腐蝕后，在HAL 1000 型金相顯微鏡下觀察各區(qū)域顯微組織，用MH-5 型數(shù)顯顯微維氏硬度計定點測定試樣截面組織的顯微硬度，對比分析攪拌摩擦表面加工對鑄鋁硬度、顯微組織等的影響。

2 實驗結(jié)果分析

2.1 宏觀組織形貌

圖1 所示為ZL109 攪拌摩擦加工后的宏觀組織示意圖。攪拌摩擦加工區(qū)分為受攪拌頭軸肩擠壓和摩擦作用的軸肩下壓區(qū)、受攪拌針機械攪拌作用的攪拌摩擦區(qū)受金屬機械流動和溫度場熱聯(lián)合作用的熱機械影響區(qū)和未受加工影響的母材區(qū)等4個區(qū)域，本實驗未發(fā)現(xiàn)明顯的熱影響區(qū)。

圖1 攪拌摩擦加工區(qū)域宏觀示意圖Fig.1 The schematic diagram of friction stir processing

2.2 微觀組織分析

2.2.1 攪拌區(qū)域微觀組織分布

ZL109 合金的母材是由Al 基體和Si 離異共晶組織組成的鑄態(tài)組織，Al 基體為典型的樹枝晶，組織粗大，Si 組織呈塊狀分布于Al 基體枝晶間，如圖2a 所示。

圖2b 所示為軸肩下壓區(qū)和攪拌摩擦區(qū)組織。上部為軸肩下壓區(qū)，晶粒相對細小，下部為攪拌摩擦區(qū)，晶粒相對粗大。這是因為軸肩下壓區(qū)位于攪拌頭軸肩的正下方，在軸肩旋轉(zhuǎn)摩擦和移動摩擦的作用下，鋁合金表層的粗大晶粒被劇烈破碎，組織變得非常細小。在攪拌摩擦加工過程中，處于攪拌摩擦區(qū)的組織在攪拌頭摩擦熱和機械攪拌的作用下，發(fā)生劇烈的塑性變形，產(chǎn)生了細小等軸狀的動態(tài)再結(jié)晶組織。圖2c 所示為攪拌摩擦區(qū)和熱機械影響區(qū)組織。熱機械影響區(qū)在攪拌摩擦加工過程中經(jīng)受攪拌頭旋轉(zhuǎn)摩擦所產(chǎn)生的剪切變形，部分晶粒發(fā)生回復和再結(jié)晶，基體被顯著破碎，Si 顆粒彌散分布在基體上。由于熱機械影響區(qū)的變形程度較攪拌摩擦區(qū)要小，晶粒比攪拌摩擦區(qū)粗大。同時，受溫度梯度和應變速率的作用，晶粒被拉長，組織呈流線型分布。

圖3a，b 為常規(guī)金相顯微鏡拍攝的1#和3#試樣攪拌區(qū)組織，圖3c，d 為超景深顯微鏡拍攝的1#和3#試樣熱機械影響區(qū)組織?？梢钥闯?，攪拌區(qū)硅顆粒更加細小，在基體上的分布也更加均勻。而無論是攪拌區(qū)還是熱機械影響區(qū)，1#試樣的晶粒均比3#試樣稍大，這是因為1#試樣攪拌頭轉(zhuǎn)速較大，而焊接速率較小，因此，在加工區(qū)產(chǎn)生的摩擦熱更多，攪拌區(qū)和熱機械影響區(qū)的溫度也更高，從而，使其攪拌區(qū)和熱機械影響區(qū)的晶粒更加易于長大。因此，在確保攪拌摩擦加工過程順利進行的前提下宜適當減小焊接參數(shù)。

圖 攪拌摩擦加工各區(qū)域組織（a）木材區(qū)組織；（b）軸肩下壓區(qū)和攪拌摩擦去組織；（c）攪拌摩擦區(qū)和熱機械影響區(qū)組織Fig.2 The microstructure of ESP regional organizations （a）base metal；（b）shoulder press zone and stir zone；（c）stir zone and heat-mechanical influence zone

圖3 1#和3#試樣攪拌摩擦加工區(qū)組織 （a）1#試樣攪拌區(qū)；（b）3#試樣攪拌區(qū)；（c）1#試樣熱機械影響區(qū)；（d）3#試樣熱機械影響區(qū)Fig.3 Microstructure of fraction stir processed zones of sample 1# and 3# （b）stir zone of sample 1#；（b）stir zone of sample 3#；（d）heat-mechanical affected zone of sample 1#；（d）heat-mechanical affected zaone of sample 3#

圖4 5#和6#試樣加工去組織（a）5#試樣；（b）6#試樣Fig.4 Microstructure of processing zone （a）sample 5#；（b）sample 6#

2.2.2 工藝參數(shù)對顯微組織的影響

圖4 所示為有針攪拌加工的5#試樣和無針攪拌加工的6#試樣加工區(qū)的微區(qū)組織。從圖4 可以看出，6#試樣加工區(qū)域明顯比5#試樣加工區(qū)域窄，未出現(xiàn)攪拌摩擦區(qū)以及熱機械影響區(qū)，僅有軸肩下壓區(qū)。因為試樣在平軸肩無針摩擦加工時，只有軸肩的摩擦而缺少攪拌針的機械攪拌和產(chǎn)熱作用，所以加工區(qū)域窄，加工效果差。

圖5a，b 分別為常規(guī)金相顯微鏡拍攝的2#和5#試樣攪拌區(qū)組織，圖5c，d 分別為超景深顯微鏡拍攝的2#和5#試樣熱機械影響區(qū)組織。比較發(fā)現(xiàn)，隨著攪拌頭前進速度的增大，攪拌摩擦區(qū)組織晶粒略有增大，而熱機械影響區(qū)晶粒則減小。因為攪拌頭前進速率增大，攪拌針的機械攪拌作用減小，造成攪拌摩擦區(qū)組織晶粒的增大;而于攪拌頭前進速率增大，攪拌摩擦輸入熱量減少，因此，熱機械影響區(qū)組織晶粒減小。

圖5 2#和5#試樣攪拌摩擦加工區(qū)組織 (a)2#試樣攪拌區(qū);(b)5#試樣攪拌區(qū);(c)2#試樣熱機械影響區(qū);(d)5#試樣熱機械影響區(qū)Fig.5 Microstructure of fraction stir processed zones of sample 2# and 5# (a)stir zone of sample 2#;(b)stir zone of sample 5#;(c)heat-mechanical affected zone of sample 2#;(d)heat-mechanical affected zone of sample 5#

2.3 組織顯微硬度測試

采用網(wǎng)格式取點法測定攪拌摩擦加工各區(qū)域顯微硬度，如圖6 所示。表3 為1#和3#試樣攪拌摩擦加工區(qū)顯微硬度測量位置及測量值。結(jié)果顯示，攪拌摩擦加工區(qū)的硬度值以加工區(qū)中心兩側(cè)基本對稱，硬度分布較為均勻，變化幅度較小，但明顯高于母材鋁基體的硬度值，而攪拌區(qū)前進側(cè)的顯微硬度略高于后退側(cè)。

圖6 攪拌摩擦加工試樣顯微硬度測定結(jié)果 (a)1#試樣;(b)3#試樣Fig.6 The microhardness of samples fraction-stir-processed (a)sample 1#;(b)sample 3#

母材區(qū)組織主要由粗大的樹枝α 相和鋁硅共晶結(jié)構(gòu)組成，強化質(zhì)點分布極不均勻，鋁基體硬度值很低，而硅晶粒硬度值則很高。在攪拌區(qū)，樹枝狀鋁基體和硅顆粒均被破碎，細小的硅顆粒均勻分布于鋁基體上，硬度分布較均勻，變化幅度也比較小。熱機械影響區(qū)因受到熱和力的雙重作用，晶粒被拉長或扭曲，生成了許多細小的等軸晶粒，且不同部位的晶粒受到攪拌頭的熱、力作用不同，晶粒尺寸差異大，變形不均勻，因此，硬度值較為分散，但與攪拌區(qū)相比，總體表現(xiàn)為硬度值下降。可見，共晶硅顆粒在基體中的分布對ZL109 鑄造鋁合金攪拌摩擦加工區(qū)域硬度的分布有很大的影響。

表3 攪拌摩擦加工試樣顯微硬度測定結(jié)果Table 3 Micro-hardness of samples fraction stir processed(HV)

3 結(jié)論

(1)攪拌摩擦加工過程中，在攪拌頭機械攪拌作用下，加工區(qū)發(fā)生劇烈的塑性變形，粗大的樹枝狀母材基體組織被顯著破碎，受摩擦熱影響，攪拌區(qū)形成為均勻細小的等軸晶，破碎的硅顆粒均勻地分布于鋁基體上。

(2)攪拌頭旋轉(zhuǎn)速率過大，前進速率過小，會導致攪拌摩擦區(qū)和熱機械影響區(qū)的晶粒增大;攪拌頭前進速率增加，攪拌摩擦區(qū)晶粒略有增大，而熱機械影響區(qū)晶粒則減小;有針攪拌較無針攪拌加工效果更好。

(3)攪拌摩擦加工區(qū)的平均顯微硬度值顯著高于鑄態(tài)ZL109 鋁合金母材基體的平均顯微硬度值，且硬度分布較為均勻。

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