汽车行业轻量化多材料设计部件的金相制备

2025-02-08 13:39:44 95阅读次数

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汽车行业轻量化多材料设计部件的金相制备

在交通运输领域，尤其是汽车应用中，轻量化多材料设计（Multi-Material Design, MMD）的趋势正变得愈发重要。MMD涉及在单个部件中战略性地综合运用铝合金、高强度钢、镁合金、复合材料等多种材料，在保证安全性和性能的前提下生产出经济高效的轻质部件。通过利用各种材料的互补特性，工程师们能够优化车辆部件的结构完整性、重量和成本，从而提高整体性能和资源效率。举例来说，MMD通过优化材料组合（铝制车身+钢制防撞结构）实现重量减轻10%-30%，同时满足碰撞安全要求。目前主流高端车企均已广泛采用此类技术。

铝/铁双金属作为多材料系列中的一种，兼具铁（钢/铸铁）的高强度和耐磨性以及铝（铝合金/纯铝）的高导热性、耐腐蚀性和轻质特性。铝/铁双金属材料在汽车中可主要应用于以下部件：

? 发动机部件（如缸体、活塞、连杆）：铝的轻量化降低惯性，铁的耐磨性保障关键接触面强度。

? 制动系统（刹车盘/片）：铝基体减轻重量，铁涂层提升耐高温性能。

? 底盘与悬挂部件：铝铁复合结构兼顾轻量化与刚性需求。

资料显示

某日系部分混动车型的发动机连杆采用铝铁双金属铸造后，重量减轻15%的同时，抗疲劳强度提升20%。在这里，我们也将以铸铝/灰铸铁双金属活塞部件为例，详细介绍轻量化多材料设计汽车部件从切割到精抛的金相制备过程。样品经过切割取样、热镶嵌和研磨抛光步骤进行金相制样后，可满足观察样品微观组织及检测是否存在缩孔/缩松、界面结合缺陷等分析目的。

需要注意的是，在制备双材料或多材料部件时，一个主要的原则是制备方法及耗材的选择应尽量基于最难制备的材料种类。这是因为易于制备的材料比如黑色金属通常具有更宽泛的兼容性窗口，对制备方法和耗材种类的敏感性更低一些。

切割

由于样品部件的尺寸较大，因此切割在汽车领域广泛应用的QATM Qcut 500A立式自动切割机（最大切割直径? 190 mm）上进行。样品通过两个加高的垂直夹具进行有效夹持。通过切割机的激光辅助定位功能，可以显示预设的样品切割位置，精确定位切割位置；周期性的脉冲进给确保了规律的冷却并能及时去除样品切割时产生的碎屑，是切割大样品时的理想选择。

左：Qcut 500A 立式自动切割机右：样品的夹持及切割

鉴于样品中含有铸铝材料，且灰铸铁的硬度也不高，切割轮选择适合有色金属材料的NF-A优质碳化硅切割轮。与我们经常使用的氧化铝切割轮相比，碳化硅磨料颗粒硬度较低，更为适合切割软质和有色金属材料。其它具体切割参数如下表：

镶嵌

双金属材料样品的镶嵌可采用常规热镶嵌方法，在Qpress 50模块式热镶嵌机上进行。该设备可同步镶嵌1~4个不同直径、不同镶嵌树脂的样品，是汽车行业高效镶嵌的不二之选。

左：Qpress50模块化热镶嵌机

右：镶嵌筒中切割好的待镶双材料样品

由于样品无边缘保持需求，镶嵌树脂可选用最为经济的酚醛树脂Bakelit Black。40mm直径镶嵌块的主要推荐镶嵌参数为：

? 加热时间/冷却时间：5:00/4:00 min

? 压力：250bar

? 加压模式：从起始时开始加压

研磨抛光

镶嵌好样品在Qpol 300 A1 ECO+自动磨抛机上进行研磨抛光。在单点力模式下，该设备可同时制备1~6个50mm直径的样品，是适用于广泛材料金相制样的现代通用型磨抛机。

研磨和抛光方案主要基于硬度更低的铝合金材料来制定，同时需考虑灰铸铁中存在大量片状石墨相，制备时易发生脱落。不管是铝合金还是铸铁材料，研磨阶段都应以碳化硅砂纸为主，不推荐使用金刚石磨盘；硬质抛光布Beta+9um的粗抛过程可确保得到优异的表面平整度，避免铝合金中强化相颗粒的浮凸；软质羊毛布Sigma+3um的中间抛光步骤有助于去除样品表面的划痕；最后，无绒Omega精抛布配合氧化硅悬浮液在得到优异终抛效果的同时可有效避免拖拽出石墨相。

终抛后的样品（未腐蚀）可呈现出清晰的显微组织，包括界面结合情况，便于后续的进一步分析。

铸铝/灰铸铁双金属的显微组织- 100x

铸铝/灰铸铁双金属的显微组织- 200x

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