鋁壓鑄模具鋼材及其熱裂特性

姜海洋

摘 要：鋁合金壓鑄模承受熾熱壓鑄合金與模具潤(rùn)滑劑的激冷激熱反復(fù)作用，極易在表面發(fā)生失效。下文對(duì)鋁合金壓鑄模預(yù)防焊合、熔損的措施等方面進(jìn)行簡(jiǎn)要探討，以供交流。

關(guān)鍵詞：鋁合金壓鑄模;焊合;熔損;表面處理

1 鋁合金壓鑄模中的焊合現(xiàn)象

在所有導(dǎo)致鋁合金壓鑄模失效的主要原因中，模具表面發(fā)生焊合的問題開始漸漸得到關(guān)注?！昂负稀笔菈鸿T工業(yè)中的術(shù)語，它指的是模具與壓鑄合金之間的反應(yīng)。模具表面一旦發(fā)生焊合，就會(huì)生成復(fù)雜的FeAl金屬間化合物相，并在下次壓鑄循環(huán)時(shí)在鑄件表面造成缺陷。硬質(zhì)的金屬間相還會(huì)在模具表面堆積，因此必須中斷生產(chǎn)并用拋光的方法除去焊合生成物，這樣會(huì)導(dǎo)致生產(chǎn)時(shí)間的延長(zhǎng)、勞動(dòng)力的浪費(fèi)，而且還會(huì)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(fā)生在模具表面朝向型腔的入口或內(nèi)澆道處。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(huì)導(dǎo)致鑄件質(zhì)量缺陷，同時(shí)會(huì)帶走基體材料，并暴露新鮮表面，如此周而復(fù)始，焊合現(xiàn)象逐漸加深，嚴(yán)重時(shí)會(huì)導(dǎo)致模具表面受到腐蝕及模具材料熔損。因此，必須要在發(fā)生焊合的早期進(jìn)行及時(shí)清除并修補(bǔ)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(yuǎn)離澆道。這些區(qū)域通常是表面處理或模具潤(rùn)滑劑不能達(dá)到的地方。因此它們的表面狀態(tài)、溫度分布、受壓狀況與其他地方不同。通常壓鑄合金在到達(dá)這些區(qū)域后溫度較低，其流動(dòng)性也變差，容易最先凝固，熾熱的半固態(tài)合金與模具表面接觸時(shí)間變長(zhǎng)，加上此處模具本身表面狀態(tài)不很理想，因此容易形成Fe-Al金屬間化合物，在多次壓鑄循環(huán)中，金屬間化合物會(huì)在這些流動(dòng)性較差的區(qū)域逐漸沉積，最后形成嚴(yán)重的焊合，影響壓鑄生產(chǎn)。

雖然在鋁合金壓鑄模的不同區(qū)域會(huì)發(fā)生不同形式的焊合，但是發(fā)生的焊合卻具有一些普遍的共同特征———即模具表面焊合區(qū)域一般均呈現(xiàn)銀白色光澤焊合層的組成，往往是復(fù)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(guó)外研究者Z.W.Chen和D.T.Fraser等利用X射線衍射對(duì)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(jié)構(gòu)進(jìn)行了分析，他們認(rèn)為，焊合層由復(fù)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(nèi)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(yàn)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(guó)內(nèi)外研究者都只能對(duì)其進(jìn)行大致的定性分析。而對(duì)于焊合層的生成與發(fā)展規(guī)律，金屬間化合物的定量分析將會(huì)是今后研究者工作的重點(diǎn)。

2 鋁合金壓鑄模的熔損效應(yīng)

在受到熾熱的合金熔體、半固態(tài)合金沖刷，并保持加壓狀態(tài)下工作的鋁合金壓鑄模在使用一段時(shí)間后，表面的保護(hù)層一般會(huì)形成網(wǎng)狀微裂紋、龜裂甚至表面層脫落。如果不對(duì)模具表面進(jìn)行修復(fù)和保養(yǎng)，則會(huì)發(fā)生更加嚴(yán)重的所謂“熔損”效應(yīng)?！叭蹞p”指的是模具在工作一段時(shí)間后，工作面受到嚴(yán)重侵蝕，使模具質(zhì)量變輕的過程。熔損是壓鑄合金對(duì)壓鑄模具的一系列腐蝕、沖蝕、侵蝕及焊合的綜合機(jī)械作用結(jié)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(xué)反應(yīng)并生成復(fù)雜金屬間化合物的過程。同時(shí)，基體中的各種合金元素也會(huì)參與到這一反應(yīng)中，而所生成的金屬間化合物的物相結(jié)構(gòu)、反應(yīng)機(jī)制等至今沒有得到明確解釋，只能對(duì)其進(jìn)行大致的定性分析。不過由于熔損反應(yīng)與在模具表面早期發(fā)生的焊合有著許多共性，因此在發(fā)生熔損的區(qū)域，往往也能找到與焊合生成金屬間化合物相類似的物質(zhì)，筆者在對(duì)H13鋼浸蘸入ADC12壓鑄鋁合金的試驗(yàn)中，部分試樣發(fā)生了嚴(yán)重的熔損，H13鋼熔損橫截面與焊合層橫截面十分相似。由于產(chǎn)生的時(shí)間不同，因此在生成的金屬間化合物上也各有特點(diǎn)。其中，十分嚴(yán)重的基體熔損變形，這表明基體材料已經(jīng)溶入壓鑄鋁合金，其外層緊密層金屬間化合物較厚，含有大量基體合金的Fe-Al相金屬間化合物。而焊合發(fā)生較早，基體尚未受到嚴(yán)重侵蝕，因此表面較為完整，但復(fù)合層卻表明在焊合發(fā)生的同時(shí)，基體元素已經(jīng)開始向外擴(kuò)散，并生成了復(fù)雜的金屬間相。據(jù)此可以判斷焊合是發(fā)生熔損的早期征兆，對(duì)模具表面焊合的預(yù)防、及時(shí)清除焊合生成金屬間化合物并做表面修補(bǔ)，可以防止進(jìn)一步的模具嚴(yán)重熔損。

3 鋁合金壓鑄模預(yù)防焊合、熔損的措施

3.1 蒸汽氧化處理

蒸汽處理常應(yīng)用于工具的表面處理以及常規(guī)兵器的表面處理，基本上都是起防銹作用。當(dāng)其作為一種有效的表面處理工藝被運(yùn)用于熱作模具鋼時(shí)，我們發(fā)現(xiàn)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。因?yàn)橥ㄟ^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(hù)作用的Fe3O4薄膜，F(xiàn)e3O4是鐵的氧化物中致密度較高、結(jié)構(gòu)較穩(wěn)定的氧化物。藍(lán)色的Fe3O4具有耐高溫、抗氧化、致密、耐磨損、耐蝕、與基體結(jié)合強(qiáng)度好等優(yōu)點(diǎn)。由于Fe3O4氧化膜的微觀結(jié)構(gòu)是粗糙且凹凸不平的，因此它還能存儲(chǔ)一些冷卻劑，在鑄件壓鑄成形以后方便脫模，起到了潤(rùn)滑的作用，使模具表面不易產(chǎn)生氧化腐蝕溝槽，從而減少誘發(fā)熱疲勞裂紋的因素。而且，緊實(shí)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(hù)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(shí)際應(yīng)用中，多數(shù)的模具生產(chǎn)商也建議用戶在使用熱作模具之前進(jìn)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(chǎn)生1～10μm的氧化層。而一般在壓鑄模試模時(shí)，有時(shí)也會(huì)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Fe3O4構(gòu)成。同樣能夠起到保護(hù)模具表面并延長(zhǎng)使用壽命的積極作用。

3.2 離子滲氮

在模具表面進(jìn)行離子滲氮可以生成連續(xù)的氮化物層（白亮層），這對(duì)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(shí)也會(huì)使得模具表面的耐磨性能有所提高。離子滲氮除具有普通滲氮的優(yōu)點(diǎn)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(diào)整控制、處理溫度低、熱變形小、處理后表面狀態(tài)好、節(jié)能及無公害等優(yōu)點(diǎn)。氮化層比氧化層更厚更致密，更耐鋁合金沖蝕，對(duì)保護(hù)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(huì)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(huì)是一個(gè)十分優(yōu)秀的壓鑄模表面處理工藝。

4 結(jié)論

由于鋁與鐵有強(qiáng)烈的親合力，在鋁合金壓鑄模的使用中會(huì)發(fā)生復(fù)雜的Fe-Al反應(yīng)，生成硬的金屬間化合物焊合層，嚴(yán)重的還會(huì)引起模具熔損。

參考文獻(xiàn)

[1]吉谷悟，蔡千華.鋁壓鑄模具鋼材及其熱裂特性[J].模具技術(shù)，1992，（2）：92-95.