PAGEII機械微珩磨對高硅鋁合金缸套的磨損性能影響研究摘要隨著氣候問題越來越被重視，碳中和在日常生活中得到了越來越多的關(guān)注，汽車也逐漸向高功率、輕量化、低能耗的方向發(fā)展，而發(fā)動機作為汽車的關(guān)鍵組成，其更是朝著節(jié)能，輕量化，高效的方向發(fā)展，在發(fā)動機工作過程中，汽油在高溫中揮發(fā)出的氣體會與缸套和活塞環(huán)接觸，使得缸套產(chǎn)生嚴重的磨損，由于鑄鐵的耐磨性能十分優(yōu)異，所以鑄鐵缸套廣泛的應(yīng)用于傳統(tǒng)汽車的發(fā)動機中。隨著工業(yè)水平的發(fā)展，高硅鋁合金慢慢的走近了人們的視野，高硅鋁合金缸套的重量是鑄鐵缸套的三分之一，并且它所能達到的裝配精度很高，具有很好的工藝性，但其耐磨性能比較差，這是因為高硅鋁合金中硅顆粒被鋁所覆蓋沒有露出起到受載的作用，而且容易造成零件表面的黏著磨損，導(dǎo)致磨損加劇。本文采用了機械珩磨整形方法，可使硅顆粒表面凸出承載，結(jié)果表明：（1）硅顆粒凸出高度隨著機械珩磨整形的時間增加而增加，同時缸套的磨損量隨著整形時間的增加呈現(xiàn)先降低后增高的趨勢。（2）機械珩磨整形可以降低高硅鋁合金缸套的磨損量，并改善其磨損性能，避免黏著磨損的發(fā)生，同時在過程中還起到了促進潤滑的效果。（3）機械珩磨整形的時間需要嚴格控制。當整形時間過長，硅顆粒凸出過大，與基體結(jié)合不好，則易在過程中出現(xiàn)脫落的情況，形成磨粒并且產(chǎn)生出嚴重的磨粒磨損，導(dǎo)致磨損量較大；若整形時間適中，則高硅鋁合金缸套的磨損性能較好。關(guān)鍵詞：高硅鋁合金；缸套；磨損；機械微珩磨PAGE3ABSTRACTAsclimateissuesarebecomingmoreandmoreimportant,carbonneutralityhasgarneredincreasingattentionindailylife.Automobilesaregraduallydevelopingtowardshighpower,lightweight,andlowenergyconsumption.Asakeycomponentofautomobiles,enginesaremovingtowardsenergy-saving,lightweight,andefficientdirections.Duringengineoperation,thegasesevaporatedbygasolineathightemperaturescomeintocontactwithcylinderlinersandpistonrings,causingsevereweartothecylinderliners.Duetotheirexcellentwearresistance,castironcylinderlinersarewidelyusedintraditionalautomotiveengines.Withtheadvancementofindustriallevels,high-siliconaluminumalloyshavegraduallyattractedattention.Theyhavetheadvantagesoflightweight(one-thirdofcastironcylinderliners)andhighassemblyprecision.However,high-siliconaluminumalloyshavepoorwearresistance.Thisisbecausethesiliconparticlesdonotprotrudefromthesurfacetobeartheload,whicheasilyleadstoadhesivewear,resultinginincreasedcylinderlinerwearandthusreducingitswearresistance.Thisarticleadoptsamechanicalhoningandshapingmethodtomakethesiliconparticlesprotrudeandbeartheloadonthesurface.Theresultsshowthat:(1)Asthetimeofmechanicalhoningandshapingincreases,theprotrusionheightofthesiliconparticlesalsoincreasesapproximatelylinearly,andthewearamountofthecylinderlinerfirstdecreasesandthenincreases.(2)Mechanicalhoningandshapingcaneffectivelyreducewearvolume,improvethewearresistanceofhigh-siliconaluminumalloys，andreduceadhesivewear.Itpromoteslubricationduringthefrictionprocess.(3)

The

time

for

mechanical

honing

and

shaping

needs

to

be

strictly

controlled.

Wh-en

the

mechanical

honing

and

shaping

time

is

too

long,

the

silicon

particles

protrude

to

a

significant

height

and

do

not

bond

well

with

the

aluminum

matrix.

This

can

easily

cause

the

silicon

particles

to

detach

during

friction,

forming

abrasive

particles.

These

particles

reciprocate

and

scrape

the

friction

pair

surface,

leading

to

severe

abrasive

wear

andincreased

wear

volume.

When

the

mechanical

honing

and

shaping

time

is

appropriate，the

wear

resistance

of

high-silicon

aluminum

alloy

cylinder

liners

is

better.Keywords:high-siliconaluminumalloy;cylinderliners;Wearandtear;Mechanicalmicro-honing1緒論1.1課題的研究背景以及意義據(jù)研究報道：每當汽車的重量減少10%，可降低6%~8%的汽油消耗，同時有害氣體的排放量也減少了5%~6%。而汽油消耗每減少1L，CO2放量減少2.45kg[1]。所以，減輕汽車零部件的重量是一舉多得的有效措施，鋁合金不僅密度和質(zhì)量比鑄鐵要小要輕，而且其導(dǎo)熱因數(shù)高導(dǎo)熱性良好，力學性能較好，在成本方面也比其它的合金材料性價比高。因此，越來越受到制造行業(yè)的重視，同時汽車行業(yè)也對鋁合金這種材料投入較多研究和應(yīng)用[2]除此之外，高硅鋁合金缸套的導(dǎo)熱性也很強。由于活塞銷受到擠壓和拉伸而產(chǎn)生熱膨脹變形，使缸套的表面形成一層保護膜，起到隔絕熱量的作用。硅鋁合金缸套的導(dǎo)熱性能相對于鑄鐵缸套有所提高，導(dǎo)熱性能的優(yōu)異可以使得散熱條件得到顯著的提升，從而減小缸套與活塞環(huán)之間的磨損使得潤滑條件更好。除此之外高硅鋁合金材料的耐腐蝕性和抗氧化性也很好，是因為硅具有低密度、高硬度、高耐磨、導(dǎo)熱性及熱穩(wěn)定性好的優(yōu)點，是一種良好的自生鋁基復(fù)合材料增強體[3-4]。發(fā)動機缸套內(nèi)表面承受著高頻磨損，為了保證缸套的耐磨性，鋁合金缸套和缸體均采用高硅鋁合金材料，因硬質(zhì)硅顆粒均勻地分布在缸套表面，起到了耐磨的作用[5]，能夠符合當代發(fā)動機對現(xiàn)如今環(huán)境的高要求。該材料亦展現(xiàn)出優(yōu)秀的機械特性與鑄造加工性能，同時擁有較低的摩擦系數(shù)。另外，因為高硅鋁合金的可回收率高，所以使原材料與能源的消耗降低了。故高硅鋁合金缸套在在汽車的發(fā)動機行業(yè)越來越受重視，越來越多汽車企業(yè)愿意使用高硅鋁合金缸套作為發(fā)動機的缸套材料。是一種非常理想的新型節(jié)能環(huán)保型材料[6-7]。為了改善高硅鋁合金缸套的磨損性能，表面整形作為一種方法被廣泛運用，但仍存一些難以解決的問題，影響了磨損性能：其一是缸套加工過程中硅顆粒被其中的Al所覆蓋，使黏著磨損的發(fā)生概率提高了；其二是初期表面的潤滑效果較差；其三是凸出的硅顆粒邊角十分鋒利，容易對已加工表面造成損傷，且脫落后的硅顆粒成為磨粒，易造成磨粒磨損。對發(fā)動機的有效使用時間影響最大的是初期磨損階段，對整個過程也有著重要作用[8]。高硅鋁合金缸套承擔著高頻的承載工作，改善其在初期磨損階段性能具有重要意義，而這些問題的應(yīng)對方法之一為機械微珩磨。在工業(yè)制造中，缸套內(nèi)壁常通過小平臺珩磨法進行處理，處理后的表面會有珩磨紋，有利于儲存潤滑油。但鋁合金延展性的優(yōu)異導(dǎo)致機械珩磨難以徹底移除覆蓋在硅顆粒上的鋁層，從而硅顆粒不能有效突出表面以承擔載荷；同時硅顆粒在珩磨過程中易損壞，削弱其承載能力。進一步采用機械微珩磨技術(shù)，可以有效克服這些問題。因此，探究機械微珩磨對改善高硅鋁合金缸套的磨損特性顯得尤為關(guān)鍵，這對汽車產(chǎn)業(yè)具有顯著的實際意義。1.2國內(nèi)外有關(guān)本選題研究的現(xiàn)狀珩磨加工起源于20世紀初期,最先由美國的Barnes公司和Micromatic公司發(fā)明,然后被當時工業(yè)發(fā)達國家如德國、英國、日本等紛紛采用,并將其應(yīng)用于汽車機內(nèi)燃機汽缸的加工中,收到了很好的效果[9]。在20世紀80年代中后期，日本開始采用先進的快速凝固粉末冶金技術(shù)來生產(chǎn)汽車發(fā)動機的缸套，這項技術(shù)使得合金成分的設(shè)計具有了更大的靈活性。通過引入Al2O3兩家位于德國的噴射沉積公司，即知名品牌PEAK公司，共建立了三條專用生產(chǎn)線。自1997年起，該公司開始大量生產(chǎn)直徑為300毫米、長度為2500毫米的高硅鋁合金錠坯，單錠坯的重量約為500公斤；到了1999年，其產(chǎn)量達到了3500噸，2000年更上升至6000噸。作為一家專注于生產(chǎn)高硅鋁合金缸套的跨國企業(yè)，該公司已成功生產(chǎn)直徑介于40毫米至110毫米的缸套產(chǎn)品。在2006年，月均產(chǎn)量達到了50萬件，且產(chǎn)量呈現(xiàn)逐年增長的趨勢，產(chǎn)品不僅滿足德國市場，還銷往其他國家的多家重要企業(yè)[11-12]。PEAK公司同德國的幾家知名汽車制造商有著緊密的合作關(guān)系，共同研發(fā)了柴油及汽油發(fā)動機的缸套技術(shù)。這項技術(shù)運用了鋁合金、鎂合金的鑲鑄或圍鑄成形方法，以及壓入或嵌入式的裝配技術(shù)，最終成功生產(chǎn)出了含有較高硅含量的鋁合金缸套發(fā)動機。自2001年起，包括美國福特和韓國大宇在內(nèi)的汽車制造企業(yè)也開始了這類高硅鋁合金缸套的工業(yè)化生產(chǎn)[13-14]。隨著研磨技術(shù)的高速進步，有關(guān)研磨的理論探討正變得更加深入。Schmid團隊的研究指出，珩磨痕理的傾斜角度及其深度對于缸套表面的摩擦與磨損特性具有顯著影響[15]。由蘇州精密機械有限公司和蘇州科技大學合作開發(fā)了一款擁有獨立自主知識產(chǎn)權(quán)的高精度珩磨機床及珩磨工藝技術(shù)。這一成果通過實際應(yīng)用促進了國6標準發(fā)動機缸體珩磨技術(shù)以及航空航天高精密動密封件平臺網(wǎng)紋加工技術(shù)的普及和產(chǎn)業(yè)化。該項目的實施成功突破了平臺網(wǎng)紋珩磨加工的關(guān)鍵技術(shù)，打破了國際技術(shù)的壟斷，并推動了國內(nèi)機械珩磨技術(shù)的創(chuàng)新與發(fā)展，并改善了高硅鋁合金缸套的磨損性能[16]。周波[17]對高硅鋁合金缸套的表面珩磨技術(shù)進行了研究，對缸套進行粗珩、半精珩、精珩、硅開放四道工序，網(wǎng)紋角度設(shè)定為45°，也改善了高硅鋁合金缸套的摩擦學性能。本課題研究機械微珩磨對高硅鋁合金缸套的磨損性能，旨在改善高硅鋁合金缸套的磨損性能，為汽車行業(yè)做出貢獻。通過機械方法對硅顆粒進行表面處理，能夠優(yōu)化高硅鋁合金缸套的抗磨性能。然而，傳統(tǒng)的化學腐蝕工藝雖能提升性能，但不免產(chǎn)生環(huán)境污染，并存在腐蝕時間難以精確控制等問題。此外，腐蝕后的清洗以及操作過程中的注意力集中也對工藝的工業(yè)應(yīng)用造成了限制。為了克服這些缺陷，本研究探索了一種新型的無污染、易控制的表面整形技術(shù)。該技術(shù)利用精確控制的機械手段，對硅顆粒的突出邊緣進行微觀圓化處理，旨在實現(xiàn)對高硅鋁合金缸套表面形態(tài)的優(yōu)化。因此，本文采用了一種專門設(shè)計的機械珩磨設(shè)備，通過對硅顆粒表面的精細磨削，實現(xiàn)了硅顆粒邊角的圓滑處理，從而有效提升了缸套的耐磨特性。1.3研究內(nèi)容本文采用機械珩磨表面整形技術(shù)來整形高硅鋁合金氣缸套，以提高初期磨損階段的耐磨性。實驗中使用的所有氣缸套試樣都是從表面整形后的高硅鋁合金氣缸套上切割下來的。對高硅鋁合金缸套表面進行了機械珩磨，以研究其磨損機理，并為高硅鋁合金缸套的應(yīng)用提供指導(dǎo)和理論及技術(shù)依據(jù)。高硅鋁合金缸套表面經(jīng)過機械珩磨。使用不同的機械珩磨時間來觀察硅顆粒突出的高度。搭配鉻基陶瓷復(fù)合鍍層活塞環(huán)（CKS活塞環(huán)）進行磨損試驗，分析磨損量。根據(jù)變化規(guī)律，可以獲得較好的機械珩磨成形參數(shù)。本論文的流程如圖1.1。本論文的主要內(nèi)容如下：高硅鋁合金缸套表面機械珩磨整形。通過控制機械珩磨時間的不同，測出硅顆粒凸出的高度，并與鉻基陶瓷復(fù)合鍍層活塞環(huán)(CKS活塞環(huán))配對進行磨損試驗。觀察不同整形時間下的表面磨損形貌，得到磨損量的變化規(guī)律，得出較好的機械珩磨整形參數(shù)。圖1.1論文的主要框架

2實驗材料和方法2.1實驗材料2.1.1缸套試樣實驗采用內(nèi)徑為110毫米，壁厚為7毫米的高硅鋁合金缸套。將該缸套用切割機沿軸向切割成九等分，并分成四十等分。然后將缸套切割成尺寸為四十二毫米的等長段。圖2-1是缸套切割示意圖。圖2.1缸套切割示意圖圖2.2顯示的是從含硅量較高的鋁合金氣缸套上切割下來的樣品。切割后的樣品必須用汽油和酒精進行二十分鐘的超聲波清洗，然后才能用作測試的樣品。在電火花線切割過程中，樣品表面會殘留冷卻液和一些金屬磨料。超聲波清洗可以去除這些雜質(zhì)。圖2.2高硅鋁合金缸套經(jīng)切割后的試驗試樣圖2.3為高硅鋁合金缸套的表面形貌?？梢钥闯?，缸套的工作面上遍布著整齊的機械珩磨紋。在高倍鏡下能看到，珩磨紋邊緣有塑性變形痕跡，表面觀察不到明顯的Si顆粒。a)低倍b)高倍圖2.3高硅鋁合金缸套表面珩磨紋形貌（SEM）圖2.4是高硅鋁合金缸套表面能譜分析圖。將高硅鋁合金缸套樣品進行研磨拋光，在5%NaOH溶液中浸泡蝕刻，然后進行超聲波清洗。在SEM掃描電鏡下可觀察到明顯的團塊，經(jīng)檢測該團塊為純硅。硅顆粒大小不一，有的粘在一起，凹基體表面的主要成分是鋁。圖2.4高硅鋁合金缸套的拋光表面形貌（OM）圖2.5是高硅鋁合金缸套的截面形貌。Si顆粒的形狀和分布與圖2.4的表面形貌相似，表明高硅鋁合金缸套中的組成均勻，并且有較多的數(shù)量。Si顆粒在表面和橫截面上分布均勻，不會出現(xiàn)大面積無硅顆?；蚬桀w粒明顯較少的情況，從而保證了承載的穩(wěn)定性。在高性能放大鏡下可以觀察到約40微米的大硅顆粒，這與表面形態(tài)中的硅顆粒大小相符。(a)200X(b)500X圖2.5高硅鋁合金缸套截面形貌（OM）表2.1顯示了高硅鋁合金缸套的主要化學成分，而表2.2則提供了其機械功能的詳細信息。表2.1高硅鋁合金缸套的化學成分元素AlSiFeCuMgZn含量/%7120.10.950.61.0表2.2高硅鋁合金缸套的主要機械功能機械性能抗拉強度屈服強度延伸率硬度線膨脹系數(shù)致密性硅結(jié)晶點數(shù)值298MPa251MPa1.2%135HBS160.030.032.1.2活塞環(huán)試樣活塞環(huán)為鉻基陶瓷復(fù)合鍍活塞環(huán)，CKS環(huán)在鍍鉻時的鍍液中加入硬質(zhì)陶瓷顆粒Al2CKS活塞環(huán)是一種特殊的復(fù)合材料，它的尺寸是110毫米，70毫米，采用了對稱桶狀結(jié)構(gòu)，其沿軸方向的長度達到了3毫米，可以適用于不同的工作場合。使用電火花線切割機，將CKS環(huán)分為二十等份，并將其固定在正確的位置，如圖2.6示。圖2.6活塞環(huán)試樣切割示意圖CKS活塞環(huán)的外觀特征如圖2.7所示，活塞環(huán)表面有幾條細小的裂紋，裂紋中混雜著深灰色的顆粒，我們通過光譜測定這些顆粒是Al2Oa)表面形貌b)截面形貌 c)硬質(zhì)顆粒成分圖2.7為CKS活塞環(huán)的表面結(jié)構(gòu)、截面形態(tài)和硬質(zhì)顆粒組成2.1.3潤滑油試驗采用的潤滑介質(zhì)為RP-4652D潤滑油（15W-40CF-4）。表2.3為RP-4652D潤滑油的一般理化指標。從表中可以看出，該潤滑油理化指標的實際測定值均在質(zhì)量指標給定范圍內(nèi)，為標準產(chǎn)品。表2.3RP-4652D潤滑油的一般理化指標分析項目質(zhì)量指標實測值試驗方法運動粘度100℃/mm2·s-113.0~16.314.75GB/T265低溫動力黏度-25℃/MPa·s不大于70005480GB/T6538低溫泵送黏度-30℃/MPa·s在無屈服應(yīng)力時不大于60000240SH/T0562傾點/℃不高于-30-36GB/T3535閃點（開口）/℃不低于205230GB/T3536水分（質(zhì)量分數(shù)）/%不大于痕跡痕跡GB/T260機械雜質(zhì)（質(zhì)量分數(shù)）/%不大于0.01＜0.01GB/T511高溫高剪切黏度（150℃，106s-1）/MPa·s不小于2.94.0SH/T06182.2實驗設(shè)備圖2.8是高硅鋁合金缸套表面機械珩磨整形設(shè)備的整體結(jié)構(gòu)。在主視角下，試樣的缸套與橡膠圈接觸完全，加載力度可以精細調(diào)節(jié)（見圖2.8(a)）；從上方視角可見，調(diào)控往復(fù)及旋轉(zhuǎn)運動的電機均勻分布在平臺兩端，通過一系列傳動組件如皮帶輪、軸承和連桿來實現(xiàn)橡膠圈的直線往復(fù)與旋轉(zhuǎn)運動（見圖2.8(b)）。兩臺電機均配備有開關(guān)與控制器，可以獨立執(zhí)行往復(fù)或旋轉(zhuǎn)運動，或二者同時進行；控制器還能精確設(shè)定電機速度，從而實現(xiàn)對往復(fù)或旋轉(zhuǎn)運動速度的精細控制。本研究提出的機械珩磨整形技術(shù)要求設(shè)備同時進行這兩種運動。(a)主視圖(b)俯視圖圖2.8高硅鋁合金缸套表面機械珩磨整形設(shè)備的整體結(jié)構(gòu)實驗中使用了一臺30毫米對角線往復(fù)運動摩擦試驗機。它采用相對方式設(shè)計，以實現(xiàn)動態(tài)平衡并減少振動對實驗裝置的影響?；钊h(huán)試樣保持靜止，而缸套試樣則做往復(fù)運動。所得到的結(jié)果用LabVIEW分析，并對LabVIEW的結(jié)果整理成圖表的形式加以分析。在圖2.9中示出了缸套-活塞環(huán)試樣的移動方式和接觸情況。 圖2.9缸套-活塞環(huán)試樣的移動形態(tài)和接觸狀況示意圖2.3試驗方案表2.4是機械珩磨和整形的試驗計劃。從表中可以看出，往復(fù)電機轉(zhuǎn)速為30r/min，旋轉(zhuǎn)電機轉(zhuǎn)速為100r/min，負載為2N，采用不同的機械珩磨整形次數(shù)來控制程度的表面成型。時間參數(shù)分別為1分鐘、2分鐘、3分鐘、4分鐘。表2.4機械珩磨整形試驗方案控制變量參數(shù)往復(fù)運動電機轉(zhuǎn)速(r/min)30旋轉(zhuǎn)運動電機轉(zhuǎn)速(r/min)100壓力(N)2時間(min)1、2、3、4表2.5是磨損試驗方案。由表可見，試驗溫度為150，對置偏心軸轉(zhuǎn)速為200r/min，試驗機往復(fù)頻率為3.3Hz，磨合時載荷為5MPa試驗時間為1小時，1小時后將負載增加至10MPa，試驗時間為3小時后停機。磨損量信號通過傳感器傳輸至采集計算機，經(jīng)LABVIEW軟件處理，采集整個磨損測試過程中的摩擦力。表2.5摩擦磨損試驗方案參數(shù)溫度(℃)速度(r/min)往復(fù)頻率(Hz)載荷(MPa)時間(h)磨合期1502003.351穩(wěn)定期1502003.3103每一組磨損試驗進行至少4次，以避免實驗中的偶然性。并選取正常磨損階段的2500個以上的數(shù)值，計算多個摩擦的最大摩擦力的平均值，然后除以相應(yīng)的載荷即可得到摩擦系數(shù)。我們使用OLYMPUS和LEXTOLS4000激光共焦顯微鏡（LSM）來觀察氣缸套在磨損前后的外觀，并對硅顆粒的突出高度進行了測量，其測量精度達到了0.001Hm；我們使用PhilipsXL-30TMP掃描電子顯微鏡（SEM）來檢查缸套的截面外觀；用MettlerAL204-IC型電子天平稱出磨損前、后試樣質(zhì)量的差異，并對磨損量進行了表征。

3機械珩磨整形及其對磨損性能的影響3.1機械珩磨整形方法高硅鋁合金氣缸套的表面涂有鋁涂層，因此重力無法作用于硅顆粒。機械珩磨和整形裝置的概念是，Si顆粒不僅從表面突出，而且還以機械方式倒角。Al被從表面去除，突出的Si顆粒被微細磨圓。機械珩磨和整形設(shè)備中使用的磨料必須具有柔韌性。為了去除氣缸套表面的鋁，可以加入小的硬磨粒，在不磨損硅的情況下去除氣缸套表面的Al，并將突出的Si顆粒邊緣磨圓。經(jīng)過上述分析，在機械珩磨和整形方法中，使用相對便宜的橡膠和金剛石顆粒作為磨料和研磨材料。為了將磨料粘附在圓柱形桶樣品表面，橡膠被加工成外徑110毫米的圓形，與圓柱形桶的內(nèi)徑大小相同。為了便于將橡膠固定在儀器上，橡膠被加工成內(nèi)徑80毫米、厚度5毫米的圓形。圖3.1顯示了高硅鋁合金缸套樣品的機械珩磨和整形過程。橡膠具有良好的彈性，而金剛石顆粒則較硬?？梢杂^察到，當用滾筒表面的金剛石顆粒研磨橡膠圈時，表面的Al會被磨掉。在研磨Si顆粒時，由于Si顆粒的硬度較高，因此僅研磨硅顆粒是不夠的。只對邊角進行磨削，以便對斜面進行微磨。因此，在機械研磨過程中，Si顆粒會倒角部并凸出。圖3.1機械珩磨整形過程3.2機械珩磨整形表面形貌分析從側(cè)面切割機械珩磨整形處理前后的兩個樣品，利用場發(fā)射掃描電子顯微鏡對高硅鋁合金缸套進行截面形貌觀察。圖3.2展示了機械珩磨整形處理前后的缸套斷面形貌及元素分布。結(jié)果顯示，整形前的樣品表面比較平滑，但是看不見Si顆粒的凸出。同時通過倍鏡能觀察到表面覆蓋有一層Al（參見圖3.2（a））。通過能譜檢測，我們可以清晰地看到Si顆粒被Al所覆蓋（參見圖3.2（c）），從Si元素分布圖中可以觀察到Si顆粒的形狀（參見圖3.2（e））。而處理后樣品表面變得粗糙，硅顆粒突出，邊角被磨圓（參見圖3.2（b））。Al元素分布圖表明Si顆粒未被Al覆蓋（參見圖3.2（d）），Si顆粒輪廓顯示其凸起部分已被磨圓（參見圖3.2（f））。(a)機械珩磨整形處理前(b)機械珩磨整形處理后(c)機械珩磨整形處理前，Al元素分布(d)機械珩磨整形處理后，Al元素分布(e)機械珩磨整形處理前，Si元素分布(f)機械珩磨整形處理后，Si元素分布圖3.2高硅鋁合金缸套機械珩磨整形處理前后剖面形貌(SEM)以及Al、Si元素分布(EDS)圖3.3不同機械珩磨整形次數(shù)下Si顆粒的突出高度。能夠得到，加工和珩磨時間越長，Si顆粒的弧度和圓角越強。當加工和整形時間為0分鐘時，還沒有經(jīng)過整形的缸套表面Si顆粒突起量為0微米（見圖3.3（a））；當加工和整形1分鐘后，Si顆粒的突出量約為0.5微米（見圖3.3（b））；當加工和整形2分鐘后，Si顆粒的凸出量約為1.2微米（見圖3.3（c））；當加工和整形3分鐘后，Si顆粒的凸出量約為2.5微米（圖3.3（d））；當加工和整形4分鐘后，Si顆粒的突出量約為3.3微米（見圖3.3（e））。圖3.4為Si粒突出高度與整形時間的關(guān)系曲線。可以看出，隨著整形時間的增加，Si顆粒的突出量的增加類似于線性增加。（a）0min（b）1min（c）2min（d）3min（e）4min圖3.3不同機械珩磨整形時間下的硅顆粒凸出量圖3.4硅顆粒凸出量隨機械珩磨整形時間變化曲線圖

4機械珩磨整形參數(shù)對磨損量的影響規(guī)律4.1磨損量圖4.1給出了不同機械珩磨整形次數(shù)下缸套的磨損量。機械珩磨整形未開始時缸套的磨損量約為0.7毫克。當機械珩磨和整形進行1分鐘、2分鐘、3分鐘和4分鐘時，磨損量分別約為0.6mg和0.2mg、0.2毫克、0.3毫克。隨著機械珩磨和加工時間的增加，磨損量先降低后升高。當機械珩磨和整形時間分別為2分鐘和3分鐘時，磨損率最低，突出的硅晶粒高度為1.2微米至2.5微米，比未加工時的磨損量低71.4%。在未經(jīng)研磨和機械加工的高硅鋁合金缸套表面，有一層Al，在此過程中會發(fā)生黏著磨損。部分Al附著在CKS環(huán)上。經(jīng)機械研磨和整形的高硅鋁合金缸套表面上的硅Si粒很突出，可減少Al的磨損。在1至3分鐘內(nèi)消除粘附現(xiàn)象，磨圓棱角，減少應(yīng)力集中，削弱剪切力對缸套Si顆粒表面的破壞，減少磨損量。在4分鐘的珩磨和整形加工中，突出的Si顆粒高度增加，與基體的附著力減弱。Si顆粒脫落后形成的磨料會劃傷加工表面，進一步增加磨損量。從以上分析可以看出，機械珩磨成形2分鐘時，Si顆粒的突出高度為1.2微米，磨損量處于較小范圍。圖4.1不同機械珩磨整形時間的缸套磨損量4.2磨損形貌4.2.1缸套磨損形貌圖4.2所示為不同機械珩磨整形次數(shù)下氣缸套磨損前的表面形貌。在仔細審視圖4.2（a）所示的初始階段缸套表面時，可以觀察到一種細致而有規(guī)則的網(wǎng)狀珩磨花紋。當我們把觀察的目光集中在晶粒邊緣時，可以發(fā)現(xiàn)有輕微的塑性延伸跡象，這是由于珩磨過程中產(chǎn)生的高溫和壓力使得晶粒發(fā)生了一定的變形。這一塑性延伸跡象的出現(xiàn)，為后續(xù)的珩磨整形過程提供了可塑性基礎(chǔ)，有利于進一步的加工和塑造。在圖4.2（b）中，我們可以清晰地看到，盡管晶粒邊緣發(fā)生了塑性延伸，但表面并未觀察到明顯的Si顆粒突出。這是因為表面形成了一層致密的Al層，有效地阻止了Si顆粒的突出。這層Al層不僅保護了Si顆粒，也使得珩磨過程更加順暢，提高了加工質(zhì)量。在珩磨整形時間達到1分鐘時，如圖4.2（c）所示，我們可以明顯地看到表面出現(xiàn)了Si顆粒的存在。這是由于珩磨過程的進行，使得覆蓋在表面的Al層逐漸被去除，暴露出了Si顆粒。進一步觀察圖4.2（d），我們可以發(fā)現(xiàn)在高倍照片中，部分Si顆粒仍然被鋁覆蓋，這說明了雖然Si顆粒已經(jīng)暴露出來，但Al基體并未完全被去除。這種部分覆蓋的情況，可能會對后續(xù)的珩磨整形過程產(chǎn)生一定的影響，需要進一步的分析和研究。在珩磨整形時間為2分鐘時，如圖4.2（e）所示，我們可以明顯地看到突出的Si顆粒面積有了明顯的增加。這是由于隨著珩磨時間的延長，覆蓋在表面的Al層逐漸被去除，暴露出了更多的Si顆粒。這種Si顆粒面積的增加，是珩磨效果逐漸顯現(xiàn)的表現(xiàn)，也是加工質(zhì)量提高的標志。在放大觀察下，Si粒表面無Al覆蓋并呈現(xiàn)不規(guī)則損傷，這表明在機械拋光過程中，Si粒受到了一定的沖擊和摩擦，從而導(dǎo)致了微小倒角的形成。這些微小的倒角不僅使得Si粒表面變得更加光滑，還增加了Si粒與其它材料接觸的面積，從而提高了材料的粘結(jié)強度。圖4.2(f)清晰地展示了這一現(xiàn)象。隨著整形時間的增加至3分鐘，我們發(fā)現(xiàn)在氣缸套表面，Si粒突出，觀察到了明顯的倒角。這主要是因為，在拋光過程中，Si粒與缸套表面發(fā)生了更加劇烈的摩擦，使得Si粒表面產(chǎn)生了更大的損傷和倒角。圖4.2(g)和(h)生動地展示了這一過程。進一步增加至4分鐘的整形時間后，我們發(fā)現(xiàn)表面粗糙度增加了。這是因為在長時間的拋光過程中，硅粒與缸套表面的摩擦更加劇烈，從而導(dǎo)致了表面粗糙度的增加。在細致觀察下，我們可以發(fā)現(xiàn)Si粒角部呈現(xiàn)出了倒角特征，這進一步證實了整形過程中Si粒受到了沖擊和摩擦。圖4.2(i)為我們展示了這一現(xiàn)象。總的來說，整形時間對Si粒表面損傷和倒角形成有重要影響。在實際應(yīng)用中，我們需要根據(jù)具體情況選擇合適的拋光時間，以實現(xiàn)Si粒表面的理想狀態(tài)?？梢郧宄乜吹絊i顆粒是凸出的，邊角是圓角的（見圖4.2(j))。40μm200μm40μm200μm（a）0min（214X）（b）0min（1070X）（c）1min（214X）（d）1min（1070X）（e）2min（214X）（f）2min（1070X）（g）3min（214X）（h）3min（1070X）（i）4min（214X）（j）4min（1070X）圖4.2不同機械珩磨整形時間的缸套磨損前表面形貌圖4.3展示了經(jīng)過不同時間機械珩磨整形處理的高硅鋁合金缸套的磨損后表面形貌。在高硅鋁合金缸套因機械磨損而開始磨損時，我們可以在表面觀察到明顯的磨損痕跡，即有珩磨紋路出現(xiàn)，而且表面變得更加光滑（見圖4.3(a)）。這種光滑表面是由于磨損過程中產(chǎn)生的微觀研磨作用，使得表面原子受到撞擊并重新排列，從而使表面更加平整。然而，在高等倍數(shù)的顯微鏡下觀察，卻沒有發(fā)現(xiàn)明顯的Si顆粒存在（見圖4.3(b)）。這可能是因為在磨損初期，Si顆粒被Al層所覆蓋，或者Si顆粒的尺寸遠小于顯微鏡的分辨率，因此無法觀察到。正如上文所述，該位置的表面覆蓋著一層Al，即使在連續(xù)珩磨過程中，Al也會繼續(xù)覆蓋磨損表面，從而形成了黏著磨損。這種現(xiàn)象可能與Al的物理和化學性質(zhì)有關(guān)，Al具有較好的韌性和塑性，可以在磨損過程中流動并覆蓋在磨損表面，從而減緩了磨損的速度。當機械珩磨整形時間為1分鐘時，缸套磨損表面出現(xiàn)少量Si顆粒，大部分區(qū)域仍然被Al所覆蓋（見圖4.3（c））。這些Si顆粒可能是由于磨損過程中，Si從硅鋁合金中脫落并嵌入到磨損表面，從而形成了Si顆粒的分布。在高倍鏡下（見圖4.3（d））可以看到部分Si顆粒已露出表面，但凸起不大；這可能是由于Si顆粒較硬，但在珩磨時間較短的情況下，尚未形成明顯的犁溝狀劃痕。當珩磨時間為2分鐘時，磨損表面Si顆粒數(shù)量明顯增多（見圖4.3(e)）。這可能是由于隨著珩磨時間的延長，更多的Si顆粒被磨損并暴露在表面。在高倍鏡下（見圖4.3(f)）Si顆粒與基體的結(jié)合狀態(tài)仍然穩(wěn)固，表面未見明顯犁溝狀劃痕。這表明在長時間的珩磨過程中，Si顆粒能夠在表面形成一層較為穩(wěn)固的覆蓋層，從而保護了基體材料，避免了進一步的磨損。這種現(xiàn)象可能與Si顆粒的硬度和耐磨性有關(guān)，同時也可能與珩磨過程中的摩擦和磨損機制有關(guān)；當機械整形和加工時間為3分鐘時，缸套的磨損表面出現(xiàn)平行于滑動方向的犁狀劃痕（見圖4.3(g)），在高倍放大鏡下，Si顆粒的邊緣出現(xiàn)裂紋（見圖4.3(h)）；當珩磨時間為4分鐘時，磨損表面出現(xiàn)大量平行于滑動方向的犁狀劃痕，磨損狀態(tài)得到改善（見圖4.3(i)），高倍放大鏡下可見Si顆粒松動并形成孔洞（見圖4.3(j))可以看到Si顆粒松動并形成孔洞，在此階段Si顆粒的脫落會導(dǎo)致嚴重磨損。研究發(fā)現(xiàn)，如果機械珩磨整形加工時間超過4分鐘，Si顆粒松動的可能性會更大，因此建議加工時間不要超過4分鐘。40μm200μm40μm200μm（a）0min（214X）（b）0min（1070X）（c）1min（214X）（d）1min（1070X）（e）2min（214X）（f）2min（1070X）（g）3min（214X）（h）3min（1070X）（i）4min（214X）（j）4min（1070X）圖4.3不同機械珩磨整形時間的缸套磨損后表面形貌4.2.2活塞環(huán)磨損形貌圖4.4展示了CKS活塞環(huán)在使用前后表面的微觀形態(tài)。觀察可見，初始狀態(tài)下，活塞環(huán)表面的鉻層網(wǎng)紋中嵌入有黑色陶瓷顆粒；而其上的垂直條紋則是由于CKS環(huán)在制造過程中產(chǎn)生的原始加工痕跡（參見圖4.4(a)）。與未經(jīng)機械珩磨整形的缸套摩擦后，CKS環(huán)表面附著了一層Al，覆蓋了部分陶瓷顆粒。未經(jīng)過機械珩磨整形的表面也覆蓋著Al，而且Al在機械珩磨整形過程中出現(xiàn)移動，形成塑性流動層，最終附著在CKS環(huán)上，造成嚴重的黏著磨損（見圖4.4（b））。當CKS環(huán)與被機械珩磨整形的缸套摩擦時，出現(xiàn)誤差復(fù)映的現(xiàn)象并能觀察到未加工時的表面加工痕跡。這是因為通過珩磨作用缸套的Si顆粒邊緣變得更加圓滑，從而減少了摩擦時接觸應(yīng)力的集中，因此CKS環(huán)的磨損并不嚴重。但CKS環(huán)表面仍有一些斷裂，主要是Si顆粒表面的機械加工磨損損傷造成的毛刺損傷（見圖4.4(c)。（a）磨損前（b）與未整形缸套對磨（c）與機械珩磨整形缸套對磨圖4.4CKS活塞環(huán)磨損前后的表面形貌(SEM)4.3磨損機理圖4.5是不同機械珩磨整形時間下的磨損狀態(tài)。我們研究了機械研磨和成型循環(huán)對高硅鋁合金缸套磨損情況的不同影響。研究表明，在一定條件下，采用機械研磨和成形工藝可以有效地降低氣缸套材料的磨損量和提高其耐磨性。在沒有經(jīng)過機械打磨和成型處理的氣缸套的表面，Si顆粒被鋁層所覆蓋，這意味著Si顆粒不會被暴露出來（參見圖4.5（a））。在研磨的過程當中，Al與CKS環(huán)發(fā)生接觸。由于Al的出色的伸展性，Al層在活塞的往復(fù)動作中經(jīng)常受到擠壓，這使得Al層很容易附著在CKS環(huán)上，從而在摩擦過程中產(chǎn)生高度的粘附磨損和高磨損系數(shù)。為了防止這種情況發(fā)生，必須采用適當時間的機械加工來獲得均勻致密的磨粒堆積結(jié)構(gòu)。在經(jīng)過中等時長的機械打磨過程制成的氣缸套里，Si粒子在其表面顯著地凸顯出來。為了提高耐磨性，需要將Si顆粒進行預(yù)先熱處理或化學氣相沉積等方法。Si粒子的高度不僅具有承重能力，還能與基礎(chǔ)材料緊密結(jié)合，確保其不易剝落。潤滑油的存儲空間由硅顆粒周圍的凹槽提供，有效提升了潤滑性能。Si顆粒在珩磨過程中經(jīng)過其邊角被磨成圓弧狀（參見圖4.5（b）），這一處理降低了高硅鋁合金缸套中的凸出的Si顆粒的應(yīng)力集中，從而降低了摩擦力并減少磨損，使得高硅鋁合金缸套的磨損并不嚴重。然而，若機械珩磨整形和加工時間過長，則Si顆?？赡芡怀鲞^多導(dǎo)致Si顆粒在基體中的位置并不穩(wěn)定，容易在過程中脫落，形成磨粒