硅鋁合金表面缺陷形成機理及其加工工藝優(yōu)化研究進展

張深圳 牛秋林 李 爽 荊 露 李鵬南

（湖南科技大學機電工程學院，湘潭 411201）

0 引言

作為電子封裝領域的關鍵封裝材料，硅鋁合金具有硬度高、導電性好、導熱性好、質量輕等特點［1-2］。硅鋁合金的顯微結構是由硬質硅顆粒和鋁基體構成，其中高硅鋁合金相圖如圖1所示。根據含硅量的質量分數不同，硅鋁合金被分為：亞共晶硅鋁合金（硅含量低于11%）、共晶硅鋁合金（硅含量11%～13%）、過共晶硅鋁合金（硅含量15%～30%），硅含量大于17%的硅鋁合金屬于高硅鋁合金［3-4］。根據硅含量的不同，硅鋁合金可應用于柴油機和內燃機活塞、氣缸和缸蓋等領域［5-7］。然而，由于大量高硬度硅顆粒的存在，使得硅鋁合金在切削過程中容易產生裂紋、凹坑、崩邊等缺陷，刀具磨損非常嚴重，制造成本過高，這嚴重限制了該類材料的使用性能［8］。

本文從硅鋁合金的切削加工表面缺陷的形成機理與控制方法以及刀具耐磨性等方面，對硅鋁合金的切削加工現(xiàn)狀進行闡述，以期通過總結過去十多年來有關硅鋁合金切削加工性的研究成果，分析該材料目前在切削過程中仍然存在的難點，找出開展硅鋁合金高效高精制造的關鍵所在，擬為改善硅鋁合金的加工質量，促進其廣泛應用提供參考。

圖1 高硅鋁合金金相圖［6］Fig.1 High-silicon aluminum alloy metallography

1 硅鋁合金加工表面缺陷形成機理

在切削加工硅鋁合金的過程中，其加工表面容易產生劃痕、粘屑、凹坑以及毛刺等缺陷，這嚴重影響著加工件的力學性能與機械性能，限制了該材料的推廣應用［9，12，14，16］，如圖2所示。于慶東［10］和齊廣慧［9］分別對過共晶Al-18%Si、ZL104 和ZL108 硅鋁合金進行切削實驗，發(fā)現(xiàn)該類合金加工表面容易產生凹坑、微裂紋、雪花斑等缺陷。YAN［11］對AlSi12 合金開展了鉸削實驗，由于刀具的擠壓作用，硅顆粒在加工表面產生了犁削現(xiàn)象，導致加工表面出現(xiàn)了劃痕，此外加工表面也存在金屬碎屑粘黏等缺陷。陳俊云［12］通過對硅鋁合金表面進行微槽加工，發(fā)現(xiàn)由于刀具刃口與工件擠壓摩擦作用，致使加工表面產生鱗次。另外，加工硅鋁合金時也會在切削出口位置產生表面毛刺缺陷，一般出口毛刺分為兩類：無倒角毛刺和有倒角毛刺［13］。

圖2 硅鋁合金材料切削加工表面缺陷形貌Fig.2 Surface defect morphology of silicon aluminum alloy materials during machining

對表面缺陷類型的研究表明，影響硅鋁合金加工表面缺陷形成的最大因素是合金中析出的硅顆粒，為了研究硅鋁合金加工表面缺陷形成機理，許多學者進行了大量的切削實驗。楊紅旺［14］分析了硅鋁合金表面雪花斑產生的原因，由于在切削含有粗大的共晶硅顆粒時造成加工表面不平整，使得切削后的表面不是正常的灰白鋁色，而是其上大量錯落分布著雪花斑。有學者通過實驗分析認為由于硅顆粒發(fā)生脆性破碎，及切削時產生高溫使鋁基體軟化導致硅顆粒被剝離等原因，導致加工表面出現(xiàn)凹坑缺陷［15-16］。WALID［17］把刀具與顆粒的相互作用關系概括為四種情況，如圖3所示，如果硬質顆粒嵌入基體材料中的體積與位于刀具路徑上方的體積相當（情況1），則顆粒將破裂，并且部分顆粒仍鑲嵌在表面上；當刀具接觸到大而薄的硬顆粒（情況2）時，后者會分解成碎屑而粘結在表面上；當硬顆粒足夠長且嵌入基體中的體積大于刀具路徑上方的體積（情況3）時，則后者會斷裂，并且斷裂的顆粒會被拖拽，形成溝槽狀表面；當硬顆粒嵌入基體的體積在刀具路徑下方很小時（情況4），硬顆粒將破碎或者拔出，從而導致加工表面出現(xiàn)凹坑。

圖3 硬顆粒分布在刀具切削線路示意圖［17］Fig.3 Schematic diagram of hard particles distributed in the cutting line of the tool

由上可知，現(xiàn)有的相關研究表明，硅鋁合金中增強相硅顆粒的大小和形貌，對該材料在切削過程中表面缺陷的形成有著重要的影響。因此，對硅鋁合金中增強相顆粒大小和幾何形貌進行適當調控，將有助于降低表面缺陷的形成。

2 硅鋁合金加工表面缺陷控制方法

2.1 切削參數優(yōu)化

切削加工參數對加工表面質量具有直接影響，目前關于加工硅鋁合金切削參數的優(yōu)化，主要是通過選用不同的參數組合進行正交和單因素切削實驗，或是利用有限元仿真方法開展參數優(yōu)化。陳滌［18］采用金剛石涂層刀具對含50%的高硅鋁合金CE11 進行銑削參數優(yōu)化實驗，得到使用金剛石涂層刀具銑削CE11 高硅鋁合金的最優(yōu)參數組合為：主軸轉速n=4 500 r/min，進給量fz=0.14 mm/z，銑削寬度ae=3 mm，背吃刀量ap=3 mm。ZHOU［19］通過有限元仿真模型優(yōu)化參數和實驗驗證的方式，得出了用PCD刀具車削ZL109 硅鋁合金最佳切削參數組合為：切削速度v=320 m/min，切削深度ap=0.1 mm，進給速度f=0.1 mm/r。SOARES［20］和KAMAL［21］建議使用小進給量與高切削速度的參數組合進行硅鋁合金的切削加工，在該參數組合下有助于提高加工表面的質量。

2.2 加工工藝與刀具結構的優(yōu)化

針對傳統(tǒng)工藝加工表面質量差的問題，SUN［22］提出正反向精加工與分步進給切削加工的方法，并對ZL109 硅鋁合金進行切削實驗，其示意圖如圖4所示。實驗結果表明，分步進給切削加工避免了切屑卷繞和表面劃傷缺陷的產生；正反向精加工可以獲得比普通切削加工更好的表面質量。此外，BAI［23］采用超聲輔助對AlSiMg0.75 合金進行了車削加工，在超聲輔助作用下刀具與材料中硬質顆粒的相互作用關系發(fā)生改變，使硬質顆粒隨切屑一起被切除，從而減少了硬質顆粒在加工表面的犁削作用，減少了表面劃痕缺陷。圖5顯示了超聲輔助和傳統(tǒng)加工刀具與硬質顆粒之間的相互作用過程模型。

圖4 分步進給切削示意圖［22］Fig.4 Step-by-step cutting diagram

刀具的幾何形狀也會對加工表面質量產生很大的影響。馮吉福［24］使用不同形狀的PDC 刀具切削加工硅鋁合金，結果表明，刀具幾何結構參數嚴重影響加工表面粗糙度，尤其是與刀具后角有關，使用小的刀具后角有利于獲得高精度的加工表面。張建華［25］分析了PCD 刀具的刀尖圓弧半徑rε和刀具后角對加工表面粗糙度的影響規(guī)律，結果表明，刀尖圓弧半徑rε和刀具后角分別存在一個最佳范圍：0.8 mm ≤rε＜3.5 mm，6°～9°，在此范圍內加工硅鋁合金表面粗糙度較小。

現(xiàn)有研究表明，合理選擇切削參數和優(yōu)化刀具幾何結構、加工工藝可以有效抑制表面缺陷的產生，降低加工表面粗糙度。然而，由于缺乏系統(tǒng)性研究，對于具有特定硅含量的工件材料或典型零件的加工表面缺陷的抑制問題，在表面缺陷控制策略、刀具結構調控參數和加工工藝穩(wěn)定性等方面還有待深入研究。

圖5 超聲輔助加工與傳統(tǒng)加工刀具與硬顆粒相互作用和刀具路線模型［23］Fig.5 Ultrasonic-assisted machining and traditional machining tool-hard particle interaction and tool path model

3 加工硅鋁合金刀具磨損與刀具材料選擇

由于硅顆粒對刀具的高頻沖擊和切削過程中熱沖擊作用，導致刀具劇烈磨損，從而降低了其使用壽命，嚴重影響著硅鋁合金加工表面的質量［26］。分析刀具在切削加工過程中的磨損機理，可以為刀具磨損的控制和刀具結構的優(yōu)化設計研究提供幫助。另外，針對加工硅鋁合金刀具磨損的特點，選擇合適的刀具材料也尤為重要。

3.1 刀具磨損機理

由于切削過程中刀具在高溫高壓耦合作用下與工件之間存在劇烈摩擦，以及刀具與合金中硬質硅顆粒的高頻沖擊等原因，導致刀具表面產生嚴重的磨損，圖6為典型刀具磨損形貌。為了研究涂層與未涂層刀具的磨損類型，楊小璠［27］使用未涂層與TiAlN、金剛石涂層的刀具，在相同切削參數下進行高速銑削高硅鋁合金實驗，發(fā)現(xiàn)三種刀具都會發(fā)生磨粒磨損，未涂層硬質合金刀具還存在粘結磨損、擴散磨損、氧化磨損以及崩刃，TiAlN 涂層出現(xiàn)了擴散磨損、涂層剝落與破裂。

圖6 刀具磨損形貌Fig.6 Tool wear profile

從切削硅鋁合金刀具磨損類型看，涂層與未涂層刀具的磨損機理存在一定的差異。刀具在加工硅鋁合金時，嵌入在鋁基體中的硅顆粒會像“砂輪”一樣對刀具表面進行“微切削”，導致刀具表面產生磨粒磨損［30］。李召群［31］通過切削加工共晶硅鋁合金，發(fā)現(xiàn)當刀具的磨粒磨損現(xiàn)象加劇后，致使刀具材料剝落和切削刃發(fā)生崩刃。SHAO［32］從熱力學的角度研究了PCD 刀具的擴散磨損，隨著切削溫度的升高，PCD 刀具中的碳元素會擴散到鋁中，但擴散量極小，刀具發(fā)生輕微的擴散磨損。BHOWMICK［33］通過利用絲錐對硅鋁合金進行攻絲實驗，分析得出在高速切削條件下，切削溫度高導致鋁基體的軟化，致使刀具表面產生粘結而失效。

對于涂層刀具的磨損機理研究，可以從涂層與硬質基體的結合失效進行分析，YOSHIKAWA［34］使用CVD 金剛石涂層刀具切削高硅鋁合金，結果表明，由于刀具與硅顆粒的高頻沖擊，導致金剛石顆粒脫落和涂層裂紋的產生，并且當裂紋擴展到刀具與基體的結合層面時，金剛石涂層產生剝落。UHLMANN［35］指出由于金剛石與結合劑鈷的熱脹系數不同，因此在高速切削時金剛石涂層內部膨脹程度不同，導致應力裂紋的產生，最終致使涂層的剝落。另外，由于金剛石涂層刀具在切削硅鋁合金時表現(xiàn)出優(yōu)異的熱穩(wěn)定性，不會與鋁發(fā)生化學反應，因此，不會產生氧化磨損與擴散磨損［36］。

3.2 刀具材料

硅鋁合金作為鋁合金中最難加工的材料之一，其難加工性主要體現(xiàn)在刀具的劇烈磨損和使用壽命短等方面［37］。為此，針對硅鋁合金材料的加工，應通過選擇具備高的硬度和耐磨性、好的耐熱性等性能材料的刀具，以及優(yōu)化刀具的制備工藝等角度，來提高該材料的可切削加工性，降低加工成本。

在刀具材料選擇方面，PCD 刀具被認為是切削加工硅鋁合金材料的最佳刀具，然而PCD 刀具使用成本較高，限制了其廣泛使用，尋找PCD 刀具的替代品成為了許多學者關注的焦點。QI［38］采用PCD、納米金剛石涂層和K68硬質合金刀具對A390硅鋁合金進行連續(xù)和間斷高速干車削實驗，結果表明，在連續(xù)車削過程中，納米金剛石涂層刀具的耐磨性與PCD相當，并且其加工的工件表面粗糙度等于或優(yōu)于PCD 刀具。KUCZMASZEWSKI［39］分析了硬質合金和TiB2、TiAlCN 涂層刀具銑削鑄造硅鋁合金的耐久性，結果表明，切削硅鋁合金最佳的刀具為TiAlCN 涂層刀具。BHOWMICK［40］選用氫化類金剛石（H-DLC）、CVD 金剛石涂層和WC-Co 刀具對硅鋁合金進行干鉆削實驗，對三種刀具的鉆削性能對比結果表明，HDLC 涂層刀具切削性能高、制備成本低，可以代替CVD刀具加工硅鋁合金。

已有研究表明，通過改善涂層沉積工藝可以增強涂層與刀具基體的結合強度，有效地提高了涂層刀具的使用性能［41］。張而耕［42］利用離子體增強化學氣相沉積（PECVD）和磁控濺射物理氣相沉積（MS）制備含氫和無氫DLC 涂層刀具，通過進行銑削共晶ZL108 硅鋁合金實驗分析得出，MS 制備的無氫DLC涂層結構致密，無凹坑、針眼等缺陷，并且展現(xiàn)出更高的耐磨性，以及銑削加工后的硅鋁合金表面更加光滑。SANTOS［43］為了減少類金剛石炭（DLC）涂層與硬質合金基體性能的不匹配，在DLC 沉積之前先沉積CrC/Cr 層，再沉積DLC 涂層的方式制備刀具，切削硅鋁合金實驗結果表明，DLC 和CrC/Cr 涂層在硬質合金基體中具有良好的結合力，其微觀結構如圖7所示。CHEN［44］采用熱絲CVD 方法在硬質氮化硅刀具基體上，先沉積微晶金剛石層再沉積納米金剛石層，制備出雙層（MCD/NCD）涂層刀具，使用該刀具進行車削硅鋁合金實驗，結果表明，MCD/NCD 涂層刀具的切削長度遠遠高于無涂層、單NCD、MCD涂層的刀具。

圖7 DLC涂層刀具微觀結構［43］Fig.7 DLC coated tool microstructure

綜上所述，MCD/NCD 和無氫DLC 涂層刀具在高溫下?lián)碛懈哂捕?、低摩擦因數等特點，并在切削硅鋁合金時表現(xiàn)出優(yōu)異的切削性能，因此，被認為是最有潛力提高硅鋁合金可加工性的刀具。通過刀具基體預處理、涂覆中間層、優(yōu)化沉積工藝等方式，可以實現(xiàn)涂層刀具的優(yōu)化制備，進一步提高涂層刀具的切削性能。然而，針對硅鋁合金材料的難加工特性，進行刀具制備工藝和刀具結構的優(yōu)化，降低刀具的表面粗糙度以及提高其耐磨性仍是關鍵。另外，開發(fā)精準的刀具磨損監(jiān)測系統(tǒng)和新型超硬材料刀具也應給予足夠的重視。

4 展望

結合目前國內外關于硅鋁合金加工的研究進展，對今后硅鋁合金加工表面缺陷和刀具的研究進行如下展望。

（1）有限元仿真建模可以更加直觀地展現(xiàn)加工表面缺陷的產生過程，為加工表面缺陷的形成機理分析和刀具結構的優(yōu)化設計提供依據。因此，需要進一步針對硅鋁合金切削加工的仿真建模，研究更精準的仿真模型，分析硅顆粒的幾何形貌與尺寸大小對表面缺陷的形成產生的影響。

（2）目前關于硅鋁合金切削加工表面缺陷的研究集中在總體表面粗糙度，還缺少針對某一類缺陷的控制策略研究。另外，對分布在硅鋁合金鑄造件邊緣的硅顆粒去除機理的研究不足。

（3）針對硅鋁合金該類材料加工刀具的磨損研究中，刀-屑接觸界面的摩擦特性的分析應給予足夠的重視，采用建立精準的刀-屑摩擦模型的方法，為改善刀具摩擦磨損提供理論支撐。此外，涂層刀具在切削加工硅鋁合金材料領域具有廣闊的應用前景，開發(fā)新的涂層材料和優(yōu)化沉積涂層工藝是進一步提升涂層刀具切削性能的重要研究方向。