机械微珩磨对高硅铝合金缸套的磨损性能影响研究

PAGEII机械微珩磨对高硅铝合金缸套的磨损性能影响研究摘要随着气候问题越来越被重视，碳中和在日常生活中得到了越来越多的关注，汽车也逐渐向高功率、轻量化、低能耗的方向发展，而发动机作为汽车的关键组成，其更是朝着节能，轻量化，高效的方向发展，在发动机工作过程中，汽油在高温中挥发出的气体会与缸套和活塞环接触，使得缸套产生严重的磨损，由于铸铁的耐磨性能十分优异，所以铸铁缸套广泛的应用于传统汽车的发动机中。随着工业水平的发展，高硅铝合金慢慢的走近了人们的视野，高硅铝合金缸套的重量是铸铁缸套的三分之一，并且它所能达到的装配精度很高，具有很好的工艺性，但其耐磨性能比较差，这是因为高硅铝合金中硅颗粒被铝所覆盖没有露出起到受载的作用，而且容易造成零件表面的黏着磨损，导致磨损加剧。本文采用了机械珩磨整形方法，可使硅颗粒表面凸出承载，结果表明：（1）硅颗粒凸出高度随着机械珩磨整形的时间增加而增加，同时缸套的磨损量随着整形时间的增加呈现先降低后增高的趋势。（2）机械珩磨整形可以降低高硅铝合金缸套的磨损量，并改善其磨损性能，避免黏着磨损的发生，同时在过程中还起到了促进润滑的效果。（3）机械珩磨整形的时间需要严格控制。当整形时间过长，硅颗粒凸出过大，与基体结合不好，则易在过程中出现脱落的情况，形成磨粒并且产生出严重的磨粒磨损，导致磨损量较大；若整形时间适中，则高硅铝合金缸套的磨损性能较好。关键词：高硅铝合金；缸套；磨损；机械微珩磨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绪论1.1课题的研究背景以及意义据研究报道：每当汽车的重量减少10%，可降低6%~8%的汽油消耗，同时有害气体的排放量也减少了5%~6%。而汽油消耗每减少1L，CO2放量减少2.45kg[1]。所以，减轻汽车零部件的重量是一举多得的有效措施，铝合金不仅密度和质量比铸铁要小要轻，而且其导热因数高导热性良好，力学性能较好，在成本方面也比其它的合金材料性价比高。因此，越来越受到制造行业的重视，同时汽车行业也对铝合金这种材料投入较多研究和应用[2]除此之外，高硅铝合金缸套的导热性也很强。由于活塞销受到挤压和拉伸而产生热膨胀变形，使缸套的表面形成一层保护膜，起到隔绝热量的作用。硅铝合金缸套的导热性能相对于铸铁缸套有所提高，导热性能的优异可以使得散热条件得到显著的提升，从而减小缸套与活塞环之间的磨损使得润滑条件更好。除此之外高硅铝合金材料的耐腐蚀性和抗氧化性也很好，是因为硅具有低密度、高硬度、高耐磨、导热性及热稳定性好的优点，是一种良好的自生铝基复合材料增强体[3-4]。发动机缸套内表面承受着高频磨损，为了保证缸套的耐磨性，铝合金缸套和缸体均采用高硅铝合金材料，因硬质硅颗粒均匀地分布在缸套表面，起到了耐磨的作用[5]，能够符合当代发动机对现如今环境的高要求。该材料亦展现出优秀的机械特性与铸造加工性能，同时拥有较低的摩擦系数。另外，因为高硅铝合金的可回收率高，所以使原材料与能源的消耗降低了。故高硅铝合金缸套在在汽车的发动机行业越来越受重视，越来越多汽车企业愿意使用高硅铝合金缸套作为发动机的缸套材料。是一种非常理想的新型节能环保型材料[6-7]。为了改善高硅铝合金缸套的磨损性能，表面整形作为一种方法被广泛运用，但仍存一些难以解决的问题，影响了磨损性能：其一是缸套加工过程中硅颗粒被其中的Al所覆盖，使黏着磨损的发生概率提高了；其二是初期表面的润滑效果较差；其三是凸出的硅颗粒边角十分锋利，容易对已加工表面造成损伤，且脱落后的硅颗粒成为磨粒，易造成磨粒磨损。对发动机的有效使用时间影响最大的是初期磨损阶段，对整个过程也有着重要作用[8]。高硅铝合金缸套承担着高频的承载工作，改善其在初期磨损阶段性能具有重要意义，而这些问题的应对方法之一为机械微珩磨。在工业制造中，缸套内壁常通过小平台珩磨法进行处理，处理后的表面会有珩磨纹，有利于储存润滑油。但铝合金延展性的优异导致机械珩磨难以彻底移除覆盖在硅颗粒上的铝层，从而硅颗粒不能有效突出表面以承担载荷；同时硅颗粒在珩磨过程中易损坏，削弱其承载能力。进一步采用机械微珩磨技术，可以有效克服这些问题。因此，探究机械微珩磨对改善高硅铝合金缸套的磨损特性显得尤为关键，这对汽车产业具有显著的实际意义。1.2国内外有关本选题研究的现状珩磨加工起源于20世纪初期,最先由美国的Barnes公司和Micromatic公司发明,然后被当时工业发达国家如德国、英国、日本等纷纷采用,并将其应用于汽车机内燃机汽缸的加工中,收到了很好的效果[9]。在20世纪80年代中后期，日本开始采用先进的快速凝固粉末冶金技术来生产汽车发动机的缸套，这项技术使得合金成分的设计具有了更大的灵活性。通过引入Al2O3两家位于德国的喷射沉积公司，即知名品牌PEAK公司，共建立了三条专用生产线。自1997年起，该公司开始大量生产直径为300毫米、长度为2500毫米的高硅铝合金锭坯，单锭坯的重量约为500公斤；到了1999年，其产量达到了3500吨，2000年更上升至6000吨。作为一家专注于生产高硅铝合金缸套的跨国企业，该公司已成功生产直径介于40毫米至110毫米的缸套产品。在2006年，月均产量达到了50万件，且产量呈现逐年增长的趋势，产品不仅满足德国市场，还销往其他国家的多家重要企业[11-12]。PEAK公司同德国的几家知名汽车制造商有着紧密的合作关系，共同研发了柴油及汽油发动机的缸套技术。这项技术运用了铝合金、镁合金的镶铸或围铸成形方法，以及压入或嵌入式的装配技术，最终成功生产出了含有较高硅含量的铝合金缸套发动机。自2001年起，包括美国福特和韩国大宇在内的汽车制造企业也开始了这类高硅铝合金缸套的工业化生产[13-14]。随着研磨技术的高速进步，有关研磨的理论探讨正变得更加深入。Schmid团队的研究指出，珩磨痕理的倾斜角度及其深度对于缸套表面的摩擦与磨损特性具有显著影响[15]。由苏州精密机械有限公司和苏州科技大学合作开发了一款拥有独立自主知识产权的高精度珩磨机床及珩磨工艺技术。这一成果通过实际应用促进了国6标准发动机缸体珩磨技术以及航空航天高精密动密封件平台网纹加工技术的普及和产业化。该项目的实施成功突破了平台网纹珩磨加工的关键技术，打破了国际技术的垄断，并推动了国内机械珩磨技术的创新与发展，并改善了高硅铝合金缸套的磨损性能[16]。周波[17]对高硅铝合金缸套的表面珩磨技术进行了研究，对缸套进行粗珩、半精珩、精珩、硅开放四道工序，网纹角度设定为45°，也改善了高硅铝合金缸套的摩擦学性能。本课题研究机械微珩磨对高硅铝合金缸套的磨损性能，旨在改善高硅铝合金缸套的磨损性能，为汽车行业做出贡献。通过机械方法对硅颗粒进行表面处理，能够优化高硅铝合金缸套的抗磨性能。然而，传统的化学腐蚀工艺虽能提升性能，但不免产生环境污染，并存在腐蚀时间难以精确控制等问题。此外，腐蚀后的清洗以及操作过程中的注意力集中也对工艺的工业应用造成了限制。为了克服这些缺陷，本研究探索了一种新型的无污染、易控制的表面整形技术。该技术利用精确控制的机械手段，对硅颗粒的突出边缘进行微观圆化处理，旨在实现对高硅铝合金缸套表面形态的优化。因此，本文采用了一种专门设计的机械珩磨设备，通过对硅颗粒表面的精细磨削，实现了硅颗粒边角的圆滑处理，从而有效提升了缸套的耐磨特性。1.3研究内容本文采用机械珩磨表面整形技术来整形高硅铝合金气缸套，以提高初期磨损阶段的耐磨性。实验中使用的所有气缸套试样都是从表面整形后的高硅铝合金气缸套上切割下来的。对高硅铝合金缸套表面进行了机械珩磨，以研究其磨损机理，并为高硅铝合金缸套的应用提供指导和理论及技术依据。高硅铝合金缸套表面经过机械珩磨。使用不同的机械珩磨时间来观察硅颗粒突出的高度。搭配铬基陶瓷复合镀层活塞环（CKS活塞环）进行磨损试验，分析磨损量。根据变化规律，可以获得较好的机械珩磨成形参数。本论文的流程如图1.1。本论文的主要内容如下：高硅铝合金缸套表面机械珩磨整形。通过控制机械珩磨时间的不同，测出硅颗粒凸出的高度，并与铬基陶瓷复合镀层活塞环(CKS活塞环)配对进行磨损试验。观察不同整形时间下的表面磨损形貌，得到磨损量的变化规律，得出较好的机械珩磨整形参数。图1.1论文的主要框架

2实验材料和方法2.1实验材料2.1.1缸套试样实验采用内径为110毫米，壁厚为7毫米的高硅铝合金缸套。将该缸套用切割机沿轴向切割成九等分，并分成四十等分。然后将缸套切割成尺寸为四十二毫米的等长段。图2-1是缸套切割示意图。图2.1缸套切割示意图图2.2显示的是从含硅量较高的铝合金气缸套上切割下来的样品。切割后的样品必须用汽油和酒精进行二十分钟的超声波清洗，然后才能用作测试的样品。在电火花线切割过程中，样品表面会残留冷却液和一些金属磨料。超声波清洗可以去除这些杂质。图2.2高硅铝合金缸套经切割后的试验试样图2.3为高硅铝合金缸套的表面形貌。可以看出，缸套的工作面上遍布着整齐的机械珩磨纹。在高倍镜下能看到，珩磨纹边缘有塑性变形痕迹，表面观察不到明显的Si颗粒。a)低倍b)高倍图2.3高硅铝合金缸套表面珩磨纹形貌（SEM）图2.4是高硅铝合金缸套表面能谱分析图。将高硅铝合金缸套样品进行研磨抛光，在5%NaOH溶液中浸泡蚀刻，然后进行超声波清洗。在SEM扫描电镜下可观察到明显的团块，经检测该团块为纯硅。硅颗粒大小不一，有的粘在一起，凹基体表面的主要成分是铝。图2.4高硅铝合金缸套的抛光表面形貌（OM）图2.5是高硅铝合金缸套的截面形貌。Si颗粒的形状和分布与图2.4的表面形貌相似，表明高硅铝合金缸套中的组成均匀，并且有较多的数量。Si颗粒在表面和横截面上分布均匀，不会出现大面积无硅颗粒或硅颗粒明显较少的情况，从而保证了承载的稳定性。在高性能放大镜下可以观察到约40微米的大硅颗粒，这与表面形态中的硅颗粒大小相符。(a)200X(b)500X图2.5高硅铝合金缸套截面形貌（OM）表2.1显示了高硅铝合金缸套的主要化学成分，而表2.2则提供了其机械功能的详细信息。表2.1高硅铝合金缸套的化学成分元素AlSiFeCuMgZn含量/%7120.10.950.61.0表2.2高硅铝合金缸套的主要机械功能机械性能抗拉强度屈服强度延伸率硬度线膨胀系数致密性硅结晶点数值298MPa251MPa1.2%135HBS160.030.032.1.2活塞环试样活塞环为铬基陶瓷复合镀活塞环，CKS环在镀铬时的镀液中加入硬质陶瓷颗粒Al2CKS活塞环是一种特殊的复合材料，它的尺寸是110毫米，70毫米，采用了对称桶状结构，其沿轴方向的长度达到了3毫米，可以适用于不同的工作场合。使用电火花线切割机，将CKS环分为二十等份，并将其固定在正确的位置，如图2.6示。图2.6活塞环试样切割示意图CKS活塞环的外观特征如图2.7所示，活塞环表面有几条细小的裂纹，裂纹中混杂着深灰色的颗粒，我们通过光谱测定这些颗粒是Al2Oa)表面形貌b)截面形貌 c)硬质颗粒成分图2.7为CKS活塞环的表面结构、截面形态和硬质颗粒组成2.1.3润滑油试验采用的润滑介质为RP-4652D润滑油（15W-40CF-4）。表2.3为RP-4652D润滑油的一般理化指标。从表中可以看出，该润滑油理化指标的实际测定值均在质量指标给定范围内，为标准产品。表2.3RP-4652D润滑油的一般理化指标分析项目质量指标实测值试验方法运动粘度100℃/mm2·s-113.0~16.314.75GB/T265低温动力黏度-25℃/MPa·s不大于70005480GB/T6538低温泵送黏度-30℃/MPa·s在无屈服应力时不大于60000240SH/T0562倾点/℃不高于-30-36GB/T3535闪点（开口）/℃不低于205230GB/T3536水分（质量分数）/%不大于痕迹痕迹GB/T260机械杂质（质量分数）/%不大于0.01＜0.01GB/T511高温高剪切黏度（150℃，106s-1）/MPa·s不小于2.94.0SH/T06182.2实验设备图2.8是高硅铝合金缸套表面机械珩磨整形设备的整体结构。在主视角下，试样的缸套与橡胶圈接触完全，加载力度可以精细调节（见图2.8(a)）；从上方视角可见，调控往复及旋转运动的电机均匀分布在平台两端，通过一系列传动组件如皮带轮、轴承和连杆来实现橡胶圈的直线往复与旋转运动（见图2.8(b)）。两台电机均配备有开关与控制器，可以独立执行往复或旋转运动，或二者同时进行；控制器还能精确设定电机速度，从而实现对往复或旋转运动速度的精细控制。本研究提出的机械珩磨整形技术要求设备同时进行这两种运动。(a)主视图(b)俯视图图2.8高硅铝合金缸套表面机械珩磨整形设备的整体结构实验中使用了一台30毫米对角线往复运动摩擦试验机。它采用相对方式设计，以实现动态平衡并减少振动对实验装置的影响。活塞环试样保持静止，而缸套试样则做往复运动。所得到的结果用LabVIEW分析，并对LabVIEW的结果整理成图表的形式加以分析。在图2.9中示出了缸套-活塞环试样的移动方式和接触情况。 图2.9缸套-活塞环试样的移动形态和接触状况示意图2.3试验方案表2.4是机械珩磨和整形的试验计划。从表中可以看出，往复电机转速为30r/min，旋转电机转速为100r/min，负载为2N，采用不同的机械珩磨整形次数来控制程度的表面成型。时间参数分别为1分钟、2分钟、3分钟、4分钟。表2.4机械珩磨整形试验方案控制变量参数往复运动电机转速(r/min)30旋转运动电机转速(r/min)100压力(N)2时间(min)1、2、3、4表2.5是磨损试验方案。由表可见，试验温度为150，对置偏心轴转速为200r/min，试验机往复频率为3.3Hz，磨合时载荷为5MPa试验时间为1小时，1小时后将负载增加至10MPa，试验时间为3小时后停机。磨损量信号通过传感器传输至采集计算机，经LABVIEW软件处理，采集整个磨损测试过程中的摩擦力。表2.5摩擦磨损试验方案参数温度(℃)速度(r/min)往复频率(Hz)载荷(MPa)时间(h)磨合期1502003.351稳定期1502003.3103每一组磨损试验进行至少4次，以避免实验中的偶然性。并选取正常磨损阶段的2500个以上的数值，计算多个摩擦的最大摩擦力的平均值，然后除以相应的载荷即可得到摩擦系数。我们使用OLYMPUS和LEXTOLS4000激光共焦显微镜（LSM）来观察气缸套在磨损前后的外观，并对硅颗粒的突出高度进行了测量，其测量精度达到了0.001Hm；我们使用PhilipsXL-30TMP扫描电子显微镜（SEM）来检查缸套的截面外观；用MettlerAL204-IC型电子天平称出磨损前、后试样质量的差异，并对磨损量进行了表征。

3机械珩磨整形及其对磨损性能的影响3.1机械珩磨整形方法高硅铝合金气缸套的表面涂有铝涂层，因此重力无法作用于硅颗粒。机械珩磨和整形装置的概念是，Si颗粒不仅从表面突出，而且还以机械方式倒角。Al被从表面去除，突出的Si颗粒被微细磨圆。机械珩磨和整形设备中使用的磨料必须具有柔韧性。为了去除气缸套表面的铝，可以加入小的硬磨粒，在不磨损硅的情况下去除气缸套表面的Al，并将突出的Si颗粒边缘磨圆。经过上述分析，在机械珩磨和整形方法中，使用相对便宜的橡胶和金刚石颗粒作为磨料和研磨材料。为了将磨料粘附在圆柱形桶样品表面，橡胶被加工成外径110毫米的圆形，与圆柱形桶的内径大小相同。为了便于将橡胶固定在仪器上，橡胶被加工成内径80毫米、厚度5毫米的圆形。图3.1显示了高硅铝合金缸套样品的机械珩磨和整形过程。橡胶具有良好的弹性，而金刚石颗粒则较硬。可以观察到，当用滚筒表面的金刚石颗粒研磨橡胶圈时，表面的Al会被磨掉。在研磨Si颗粒时，由于Si颗粒的硬度较高，因此仅研磨硅颗粒是不够的。只对边角进行磨削，以便对斜面进行微磨。因此，在机械研磨过程中，Si颗粒会倒角部并凸出。图3.1机械珩磨整形过程3.2机械珩磨整形表面形貌分析从侧面切割机械珩磨整形处理前后的两个样品，利用场发射扫描电子显微镜对高硅铝合金缸套进行截面形貌观察。图3.2展示了机械珩磨整形处理前后的缸套断面形貌及元素分布。结果显示，整形前的样品表面比较平滑，但是看不见Si颗粒的凸出。同时通过倍镜能观察到表面覆盖有一层Al（参见图3.2（a））。通过能谱检测，我们可以清晰地看到Si颗粒被Al所覆盖（参见图3.2（c）），从Si元素分布图中可以观察到Si颗粒的形状（参见图3.2（e））。而处理后样品表面变得粗糙，硅颗粒突出，边角被磨圆（参见图3.2（b））。Al元素分布图表明Si颗粒未被Al覆盖（参见图3.2（d）），Si颗粒轮廓显示其凸起部分已被磨圆（参见图3.2（f））。(a)机械珩磨整形处理前(b)机械珩磨整形处理后(c)机械珩磨整形处理前，Al元素分布(d)机械珩磨整形处理后，Al元素分布(e)机械珩磨整形处理前，Si元素分布(f)机械珩磨整形处理后，Si元素分布图3.2高硅铝合金缸套机械珩磨整形处理前后剖面形貌(SEM)以及Al、Si元素分布(EDS)图3.3不同机械珩磨整形次数下Si颗粒的突出高度。能够得到，加工和珩磨时间越长，Si颗粒的弧度和圆角越强。当加工和整形时间为0分钟时，还没有经过整形的缸套表面Si颗粒突起量为0微米（见图3.3（a））；当加工和整形1分钟后，Si颗粒的突出量约为0.5微米（见图3.3（b））；当加工和整形2分钟后，Si颗粒的凸出量约为1.2微米（见图3.3（c））；当加工和整形3分钟后，Si颗粒的凸出量约为2.5微米（图3.3（d））；当加工和整形4分钟后，Si颗粒的突出量约为3.3微米（见图3.3（e））。图3.4为Si粒突出高度与整形时间的关系曲线。可以看出，随着整形时间的增加，Si颗粒的突出量的增加类似于线性增加。（a）0min（b）1min（c）2min（d）3min（e）4min图3.3不同机械珩磨整形时间下的硅颗粒凸出量图3.4硅颗粒凸出量随机械珩磨整形时间变化曲线图

4机械珩磨整形参数对磨损量的影响规律4.1磨损量图4.1给出了不同机械珩磨整形次数下缸套的磨损量。机械珩磨整形未开始时缸套的磨损量约为0.7毫克。当机械珩磨和整形进行1分钟、2分钟、3分钟和4分钟时，磨损量分别约为0.6mg和0.2mg、0.2毫克、0.3毫克。随着机械珩磨和加工时间的增加，磨损量先降低后升高。当机械珩磨和整形时间分别为2分钟和3分钟时，磨损率最低，突出的硅晶粒高度为1.2微米至2.5微米，比未加工时的磨损量低71.4%。在未经研磨和机械加工的高硅铝合金缸套表面，有一层Al，在此过程中会发生黏着磨损。部分Al附着在CKS环上。经机械研磨和整形的高硅铝合金缸套表面上的硅Si粒很突出，可减少Al的磨损。在1至3分钟内消除粘附现象，磨圆棱角，减少应力集中，削弱剪切力对缸套Si颗粒表面的破坏，减少磨损量。在4分钟的珩磨和整形加工中，突出的Si颗粒高度增加，与基体的附着力减弱。Si颗粒脱落后形成的磨料会划伤加工表面，进一步增加磨损量。从以上分析可以看出，机械珩磨成形2分钟时，Si颗粒的突出高度为1.2微米，磨损量处于较小范围。图4.1不同机械珩磨整形时间的缸套磨损量4.2磨损形貌4.2.1缸套磨损形貌图4.2所示为不同机械珩磨整形次数下气缸套磨损前的表面形貌。在仔细审视图4.2（a）所示的初始阶段缸套表面时，可以观察到一种细致而有规则的网状珩磨花纹。当我们把观察的目光集中在晶粒边缘时，可以发现有轻微的塑性延伸迹象，这是由于珩磨过程中产生的高温和压力使得晶粒发生了一定的变形。这一塑性延伸迹象的出现，为后续的珩磨整形过程提供了可塑性基础，有利于进一步的加工和塑造。在图4.2（b）中，我们可以清晰地看到，尽管晶粒边缘发生了塑性延伸，但表面并未观察到明显的Si颗粒突出。这是因为表面形成了一层致密的Al层，有效地阻止了Si颗粒的突出。这层Al层不仅保护了Si颗粒，也使得珩磨过程更加顺畅，提高了加工质量。在珩磨整形时间达到1分钟时，如图4.2（c）所示，我们可以明显地看到表面出现了Si颗粒的存在。这是由于珩磨过程的进行，使得覆盖在表面的Al层逐渐被去除，暴露出了Si颗粒。进一步观察图4.2（d），我们可以发现在高倍照片中，部分Si颗粒仍然被铝覆盖，这说明了虽然Si颗粒已经暴露出来，但Al基体并未完全被去除。这种部分覆盖的情况，可能会对后续的珩磨整形过程产生一定的影响，需要进一步的分析和研究。在珩磨整形时间为2分钟时，如图4.2（e）所示，我们可以明显地看到突出的Si颗粒面积有了明显的增加。这是由于随着珩磨时间的延长，覆盖在表面的Al层逐渐被去除，暴露出了更多的Si颗粒。这种Si颗粒面积的增加，是珩磨效果逐渐显现的表现，也是加工质量提高的标志。在放大观察下，Si粒表面无Al覆盖并呈现不规则损伤，这表明在机械抛光过程中，Si粒受到了一定的冲击和摩擦，从而导致了微小倒角的形成。这些微小的倒角不仅使得Si粒表面变得更加光滑，还增加了Si粒与其它材料接触的面积，从而提高了材料的粘结强度。图4.2(f)清晰地展示了这一现象。随着整形时间的增加至3分钟，我们发现在气缸套表面，Si粒突出，观察到了明显的倒角。这主要是因为，在抛光过程中，Si粒与缸套表面发生了更加剧烈的摩擦，使得Si粒表面产生了更大的损伤和倒角。图4.2(g)和(h)生动地展示了这一过程。进一步增加至4分钟的整形时间后，我们发现表面粗糙度增加了。这是因为在长时间的抛光过程中，硅粒与缸套表面的摩擦更加剧烈，从而导致了表面粗糙度的增加。在细致观察下，我们可以发现Si粒角部呈现出了倒角特征，这进一步证实了整形过程中Si粒受到了冲击和摩擦。图4.2(i)为我们展示了这一现象。总的来说，整形时间对Si粒表面损伤和倒角形成有重要影响。在实际应用中，我们需要根据具体情况选择合适的抛光时间，以实现Si粒表面的理想状态。可以清楚地看到Si颗粒是凸出的，边角是圆角的（见图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）图4.2不同机械珩磨整形时间的缸套磨损前表面形貌图4.3展示了经过不同时间机械珩磨整形处理的高硅铝合金缸套的磨损后表面形貌。在高硅铝合金缸套因机械磨损而开始磨损时，我们可以在表面观察到明显的磨损痕迹，即有珩磨纹路出现，而且表面变得更加光滑（见图4.3(a)）。这种光滑表面是由于磨损过程中产生的微观研磨作用，使得表面原子受到撞击并重新排列，从而使表面更加平整。然而，在高等倍数的显微镜下观察，却没有发现明显的Si颗粒存在（见图4.3(b)）。这可能是因为在磨损初期，Si颗粒被Al层所覆盖，或者Si颗粒的尺寸远小于显微镜的分辨率，因此无法观察到。正如上文所述，该位置的表面覆盖着一层Al，即使在连续珩磨过程中，Al也会继续覆盖磨损表面，从而形成了黏着磨损。这种现象可能与Al的物理和化学性质有关，Al具有较好的韧性和塑性，可以在磨损过程中流动并覆盖在磨损表面，从而减缓了磨损的速度。当机械珩磨整形时间为1分钟时，缸套磨损表面出现少量Si颗粒，大部分区域仍然被Al所覆盖（见图4.3（c））。这些Si颗粒可能是由于磨损过程中，Si从硅铝合金中脱落并嵌入到磨损表面，从而形成了Si颗粒的分布。在高倍镜下（见图4.3（d））可以看到部分Si颗粒已露出表面，但凸起不大；这可能是由于Si颗粒较硬，但在珩磨时间较短的情况下，尚未形成明显的犁沟状划痕。当珩磨时间为2分钟时，磨损表面Si颗粒数量明显增多（见图4.3(e)）。这可能是由于随着珩磨时间的延长，更多的Si颗粒被磨损并暴露在表面。在高倍镜下（见图4.3(f)）Si颗粒与基体的结合状态仍然稳固，表面未见明显犁沟状划痕。这表明在长时间的珩磨过程中，Si颗粒能够在表面形成一层较为稳固的覆盖层，从而保护了基体材料，避免了进一步的磨损。这种现象可能与Si颗粒的硬度和耐磨性有关，同时也可能与珩磨过程中的摩擦和磨损机制有关；当机械整形和加工时间为3分钟时，缸套的磨损表面出现平行于滑动方向的犁状划痕（见图4.3(g)），在高倍放大镜下，Si颗粒的边缘出现裂纹（见图4.3(h)）；当珩磨时间为4分钟时，磨损表面出现大量平行于滑动方向的犁状划痕，磨损状态得到改善（见图4.3(i)），高倍放大镜下可见Si颗粒松动并形成孔洞（见图4.3(j))可以看到Si颗粒松动并形成孔洞，在此阶段Si颗粒的脱落会导致严重磨损。研究发现，如果机械珩磨整形加工时间超过4分钟，Si颗粒松动的可能性会更大，因此建议加工时间不要超过4分钟。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）图4.3不同机械珩磨整形时间的缸套磨损后表面形貌4.2.2活塞环磨损形貌图4.4展示了CKS活塞环在使用前后表面的微观形态。观察可见，初始状态下，活塞环表面的铬层网纹中嵌入有黑色陶瓷颗粒；而其上的垂直条纹则是由于CKS环在制造过程中产生的原始加工痕迹（参见图4.4(a)）。与未经机械珩磨整形的缸套摩擦后，CKS环表面附着了一层Al，覆盖了部分陶瓷颗粒。未经过机械珩磨整形的表面也覆盖着Al，而且Al在机械珩磨整形过程中出现移动，形成塑性流动层，最终附着在CKS环上，造成严重的黏着磨损（见图4.4（b））。当CKS环与被机械珩磨整形的缸套摩擦时，出现误差复映的现象并能观察到未加工时的表面加工痕迹。这是因为通过珩磨作用缸套的Si颗粒边缘变得更加圆滑，从而减少了摩擦时接触应力的集中，因此CKS环的磨损并不严重。但CKS环表面仍有一些断裂，主要是Si颗粒表面的机械加工磨损损伤造成的毛刺损伤（见图4.4(c)。（a）磨损前（b）与未整形缸套对磨（c）与机械珩磨整形缸套对磨图4.4CKS活塞环磨损前后的表面形貌(SEM)4.3磨损机理图4.5是不同机械珩磨整形时间下的磨损状态。我们研究了机械研磨和成型循环对高硅铝合金缸套磨损情况的不同影响。研究表明，在一定条件下，采用机械研磨和成形工艺可以有效地降低气缸套材料的磨损量和提高其耐磨性。在没有经过机械打磨和成型处理的气缸套的表面，Si颗粒被铝层所覆盖，这意味着Si颗粒不会被暴露出来（参见图4.5（a））。在研磨的过程当中，Al与CKS环发生接触。由于Al的出色的伸展性，Al层在活塞的往复动作中经常受到挤压，这使得Al层很容易附着在CKS环上，从而在摩擦过程中产生高度的粘附磨损和高磨损系数。为了防止这种情况发生，必须采用适当时间的机械加工来获得均匀致密的磨粒堆积结构。在经过中等时长的机械打磨过程制成的气缸套里，Si粒子在其表面显著地凸显出来。为了提高耐磨性，需要将Si颗粒进行预先热处理或化学气相沉积等方法。Si粒子的高度不仅具有承重能力，还能与基础材料紧密结合，确保其不易剥落。润滑油的存储空间由硅颗粒周围的凹槽提供，有效提升了润滑性能。Si颗粒在珩磨过程中经过其边角被磨成圆弧状（参见图4.5（b）），这一处理降低了高硅铝合金缸套中的凸出的Si颗粒的应力集中，从而降低了摩擦力并减少磨损，使得高硅铝合金缸套的磨损并不严重。然而，若机械珩磨整形和加工时间过长，则Si颗粒可能突出过多导致Si颗粒在基体中的位置并不稳定，容易在过程中脱落，形成磨粒