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滑劑的激冷激熱反復作用，極易在表面發生失效。下文對鋁合金壓鑄模預防焊合、熔損的措施等方面進行簡要探討，以供交流。

關鍵詞：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FeAl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。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Fe-Al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，H13鋼熔損橫截面與焊合層橫截面十分相似。由于產生的時間不同，因此在生成的金屬間化合物上也各有特點。其中，十分嚴重的基體熔損變形，這表明基體材料已經溶入壓鑄鋁合金，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。而焊合發生較早，基體尚未受到嚴重侵蝕，因此表面較為完整，但復合層卻表明在焊合發生的同時，基體元素已經開始向外擴散，并生成了復雜的金屬間相。據此可以判斷焊合是發生熔損的早期征兆，對模具表面焊合的預防、及時清除焊合生成金屬間化合物并做表面修補，可以防止進一步的模具嚴重熔損。

3 鋁合金壓鑄模預防焊合、熔損的措施

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。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Fe3O4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Fe3O4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。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。

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Fe-Al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。

參考文獻

[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，1992，（2）：92-95.