鋁合金壓鑄模的焊合熔損現象及其預防措施?

　　模具是現代工業大規模生產的重要設備，一般通過模具壓鑄成形的材料有鋁、鎂、鋅等，這其中有80 %以上是鋁合金壓鑄件。而在鋁合金壓鑄件中，又有約80 %用于汽車工業，所以汽車工業的技術動向將左右壓鑄模具的制造及產量[1 ] 。近年來，隨著我國汽車工業的逐步發展，對汽車用鋁鎂合金壓鑄件的需求量逐漸增大。因此，考慮到大批量、低成本、高效率地生產合金壓鑄件，同時減少待模維修時間，開發和引進新型熱作模具材料，并通過熱處理優化模具材料的組織和性能，以及通過表面處理延長模具使用壽命已經成為廣大材料研究者所關注的熱點。
　　壓鑄工藝中，型腔的充型時間一般為0.1s ，甚至更少，合金通過澆口的速度約40～60m/ s ，有的甚至高達200m/ s。金屬凝固時的加壓強度通常在40 ～120MPa 左右。在進行鋁合金壓鑄時，壓鑄模具的工作表面溫度一般可上升到500～600 ℃。對于制造一個小型鋁合金零件，整個壓鑄- 凝固循環時間約3～6s ，大型鋁合金零件也不超過90s。
　　在每個壓鑄循環初期，模具型腔要承受熾熱熔融合金的急熱作用，工作表面會產生壓縮熱應力；壓鑄結束后要在模具內噴潤滑劑，進行急冷，因而又在其表面產生拉應力。在這樣的交變熱應力作用下，模具表面會產生熱疲勞微裂紋，隨著壓鑄循環次數的增加，微裂紋急劇擴展，有的向心部擴展，形成龜裂紋。如果在裂紋周圍同時伴隨有熔融合金對模具型腔的沖刷及腐蝕，模具表面還會進一步損壞，最終造成模具的早期開裂甚至報廢。

　　1 鋁合金壓鑄模中的焊合現象
　　在所有導致鋁合金壓鑄模失效的主要原因中，模具表面發生焊合的問題開始漸漸得到關注。“焊合”是壓鑄工業中的術語，它指的是模具與壓鑄合金之間的反應。模具表面一旦發生焊合，就會生成復雜的Fe-Al 金屬間化合物相，并在下次壓鑄循環時在鑄件表面造成缺陷。硬質的金屬間相還會在模具表面堆積，因此必須中斷生產并用拋光的方法除去焊合生成物，這樣會導致生產時間的延長、勞動力的浪費，而且還會降低模具壽命。
　　通常按照焊合形式的不同，可將“焊合”分為兩種。第一種焊合形式稱為“沖擊焊合”，即焊合發生在模具表面朝向型腔的入口或內澆道處。這些區域在充型時一般都受到熔融金屬流的猛烈沖擊，表面溫度較高，受到的壓力較大，保護層極易破壞，在壓鑄合金的不斷沖刷下模具保護層失效并裸露出金屬基體，合金便與基體材料發生反應生成復雜的金屬間化合物相。金屬間化合物較硬不易變形，它在壓鑄中的破裂脫落不僅會導致鑄件質量缺陷，同時會帶走基體材料，并暴露新鮮表面，如此周而復始，焊合現象逐漸加深，嚴重時會導致模具表面受到腐蝕及模具材料熔損。因此，必須要在發生焊合的早期進行及時清除并修補受損表面。第二種焊合形式稱為“沉積焊合”，即焊合位置背向澆口或遠離澆道。這些區域通常是表面處理或模具潤滑劑不能達到的地方。因此它們的表面狀態、溫度分布、受壓狀況與其他地方不同。通常壓鑄合金在到達這些區域后溫度較低，其流動性也變差，容易最先凝固，熾熱的半固態合金與模具表面接觸時間變長，加上此處模具本身表面狀態不很理想，因此容易形成FeAl 金屬間化合物，在多次壓鑄循環中，金屬間化合物會在這些流動性較差的區域逐漸沉積，最后形成嚴重的焊合，影響壓鑄生產。
　　雖然在鋁合金壓鑄模的不同區域會發生不同形式的焊合，但是發生的焊合卻具有一些普遍的共同特征——即模具表面焊合區域一般均呈現銀白色光澤。
　　焊合層的組成，往往是復雜的Fe-Al 金屬間化合物，而且由于組成該層的金屬間化合物較薄，因此在分析上也有一定的困難。但是國外研究者Z.W.Chen 和D.T.Fraser 等利用X射線衍射對在熔融Al-11Si-3Cu 壓鑄鋁合金中浸蘸H13 鋼所生成的金屬間化合物結構進行了分析，他們認為，焊合層由復合物層金屬間化合物αbcc-( FeSiAlCrMnCu ) 、外層緊密層的六方αH-(Fe2SiAl8) 金屬間化合物以及內層緊密層斜方晶的η-Fe2Al5 金屬間化合物組成。而他們拍攝下的Fe－Al界面組織與筆者所作的“在ADC12 壓鑄鋁合金中浸蘸H13 鋼”試驗得到的Fe－Al 界面形貌十分相似。
　　金屬間化合物量非常少，焊合表面層又極薄加上分析手段上的限制，在目前階段，國內外研究者都只能對其進行大致的定性分析。而對于焊合層的生成與發展規律，金屬間化合物的定量分析將會是今后研究者工作的重點。

　　2 鋁合金壓鑄模的熔損效應
　　在受到熾熱的合金熔體、半固態合金沖刷，并保持加壓狀態下工作的鋁合金壓鑄模在使用一段時間后，表面的保護層一般會形成網狀微裂紋、龜裂甚至表面層脫落。如果不對模具表面進行修復和保養，則會發生更加嚴重的所謂“熔損”效應。“熔損”指的是模具在工作一段時間后，工作面受到嚴重侵蝕，使模具質量變輕的過程。熔損是壓鑄合金對壓鑄模具的一系列腐蝕、沖蝕、侵蝕及焊合的綜合機械作用結果。
　　模具基體材料Fe在壓鑄鋁合金中的溶解過程又是一種Fe－Al 物理化學反應并生成復雜金屬間化合物的過程。同時，基體中的各種合金元素也會參與到這一反應中，而所生成的金屬間化合物的物相結構、反應機制等至今沒有得到明確解釋，只能對其進行大致的定性分析。不過由于熔損反應與在模具表面早期發生的焊合有著許多共性，因此在發生熔損的區域，往往也能找到與焊合生成金屬間化合物相類似的物質，筆者在對H13 鋼浸蘸入ADC12 壓鑄鋁合金的試驗中，部分試樣發生了嚴重的熔損。

　　3 鋁合金壓鑄模預防焊合、熔損的措施
　　作為鋁合金壓鑄模，其整個系統一般價格昂貴，型腔都比較復雜。因此分析模具失效的原因，采取相應的方法預防失效，以延長模具使用壽命，是模具工業一個相當重要的課題。

　　3.1 蒸汽氧化處理
　　蒸汽處理常應用于工具的表面處理以及常規兵器的表面處理，基本上都是起防銹作用。當其作為一種有效的表面處理工藝被運用于熱作模具鋼時，我們發現它能在一定程度上提高模具的抗冷熱疲勞性能和抗熔融鋁合金熱熔損性能[8 ] 。因為通過蒸汽氧化處理的鋼鐵材料在其表面可以生成一層具有保護作用的Fe3/O4薄膜，
　　Fe3O4是鐵的氧化物中致密度較高、結構較穩定的氧化物。藍色的Fe3O4具有耐高溫、抗氧化、致密、耐磨損、耐蝕、與基體結合強度好等優點。由于Fe3O4氧化膜的微觀結構是粗糙且凹凸不平的，因此它還能存儲一些冷卻劑，在鑄件壓鑄成形以后方便脫模，起到了潤滑的作用，使模具表面不易產生氧化腐蝕溝槽，從而減少誘發熱疲勞裂紋的因素。而且，緊實致密的氧化膜包圍在模具上起到了隔離熾熱熔融金屬或高溫液體的熱沖刷作用，保護了模具材料基體的完整性，從而提高了模具的使用壽命。 在實際應用中，多數的模具生產商也建議用戶在使用熱作模具之前進行輕微氧化，通常是在空氣中加熱到500 ℃，保持1～2h ，在模具表面產生1～10μm 的氧化層。而一般在壓鑄模試模時，有時也會在模具表面形成致密的黑色氧化物層，此氧化物層主要由富含C、Si 、S 的Fe[html]3O[html]4構成。同樣能夠起到保護模具表面并延長使用壽命的積極作用 。

　　3.2 離子滲氮
　　在模具表面進行離子滲氮可以生成連續的氮化物層(白亮層) ，這對提高模具的抗焊合、抗熱熔損、抗侵蝕能力都是非常有益的，同時也會使得模具表面的耐磨性能有所提高[7 ] 。離子滲氮除具有普通滲氮的優點之外，還有滲氮速度快(是氣體滲氮的2～3 倍) 、氮化組織容易調整控制、處理溫度低、熱變形小、處理后表面狀態好、節能及無公害等優點。
　　氮化層比氧化層更厚更致密，更耐鋁合金沖蝕，對保護模具表面可以起到積極作用。但是，考慮到模具的熱疲勞性能，氮化層由于較硬，容易形成熱疲勞裂紋。而一旦形成微裂紋后的氮化層在抗熔融鋁合金焊合與熔損上的效果則會變差。因此如果解決好模具氮化層上的熱疲勞問題，滲氮將會是一個十分優秀的壓鑄模表面處理工藝。

　　3.3 　PVD、CVD 表面鍍覆
　　物理氣相沉積技術(PVD) ，由于處理溫度低，畸變小，無公害，容易獲得超硬層，涂層均勻等特點，已經廣泛應用于精密模具表面強化處理，顯示出良好的應用效果。PVD 處理是將具有特殊性能的穩定化合物TiN、Ti (C ，N) 、SiN、(Ti ，Si) N 等沉積在金屬表面，形成一層超硬覆蓋膜，經PVD 處理獲得的TiN 層的塑料模，其使用壽命提高3～9 倍，金屬壓力加工工具壽命提高3～5 倍。
　　化學氣相沉積技術(CVD) ，沉積物由引入高溫沉積區的氣體離解所產生。CVD 處理的模具形狀不受任何限制。CVD 可以在含碳量大于018 %的工具鋼、滲碳鋼、高速鋼、軸承鋼、鑄鐵以及硬質合金等表面上進行。氣相沉積TiC、TiN 能應用于擠壓模、落料模和彎曲模，也適用于粉末成型模和塑料模等。在金屬模具上涂覆TiC、TiN 覆層的工藝， 其覆層硬度高達3000HV ，且耐磨性好、抗摩擦性能提高、沖模的使用壽命可提高1～4 倍。

　　3.4 　滲硼處理
　　滲硼處理在模具表面形成的硼化物，具有高硬度、高耐磨、好的抗氧化性和耐腐蝕性。D.N.Tsipas 等的研究發現:在低碳鋼和高合金鋼上進行粉末滲硼，滲硼層能明顯提高耐630 ℃鋁液和500 ℃鋅液的侵蝕。
　　筆者在進行鋁合金壓鑄模具鋼的抗熔損及焊合的研究中使用了滲硼方法，試驗發現滲硼層的高硬度和良好的熱穩定性，能改變熱疲勞裂紋的萌生及擴展的方式，從而改變熱疲勞裂紋的形貌。因此在不損失鋁合金壓鑄模熱疲勞性能的基礎上，對其進行滲硼處理，可顯著提高其抗熔損、焊合性能。但由于普通的高溫(900 ℃左右) 滲硼后還需進行高溫淬火+ 回火處理，對大型鋁合金壓鑄模不太實際，如果能夠在滲硼的工藝上尋求突破，降低到中溫甚至低溫(如550 ℃以下)滲硼，那么對于鋁合金壓鑄模而言，無疑又多了一種經濟可靠并且性能優良的表面處理工藝。

　　3.5 　噴涂潤滑劑
　　在鋁合金壓鑄模工作的壓鑄循環中，在進行壓鑄前和一個壓鑄循環結束后開始準備下次壓鑄時，都要在模具型腔表面噴涂潤滑劑，這樣做的目的主要是: ①潤滑劑可在模具表面形成一個薄層作為鑄件合金和模具之間的阻隔； ②降低模具溫度； ③作為鑄件彈出時的脫膜劑。
　　研究發現在壓鑄模具表面噴涂水基潤滑劑約4s后可以吸收模具中總熱量的30 %左右。而且，試驗還表明，在熱的模具表面噴涂潤滑劑時會產生(熱力學中的) 萊頓弗羅斯特現象，即液體不會潤濕熾熱的表面而僅僅在其上形成一個蒸汽層[2 ] 。這個蒸汽層能在壓鑄中隔絕熾熱熔融合金與模具表面的直接接觸，從而起到保護模具基體不受焊合、熔損的作用。
　　潤滑劑的化學成分、噴涂角度、噴涂距離和噴涂時間對在模具表面形成保護膜有至關重要的影響。文獻中顯示，含聚丙烯成分的潤滑劑比含聚乙烯成分的潤滑劑在降低模具表面溫度及防止焊合、熔損效果上更為出色。

　　4 結論
　　由于鋁與鐵有強烈的親合力，在鋁合金壓鑄模的使用中會發生復雜的Fe2Al 反應，生成硬的金屬間化合物焊合層，嚴重的還會引起模具熔損。實際生產顯示，對模具進行適當的表面處理和壓鑄循環中噴涂模具潤滑劑將對模具發生焊合、熔損現象起到積極的預防作用。