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铝合金压铸模的焊合熔损现象及其预防措施
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http://www.lgmi.com 发表日期：2009-11-6 10:48:17
兰格钢铁 |
模具是现代工业大规模生产的重要设备，一般通过模具压铸成形的材料有铝、镁、锌等，这其中有80%以上是铝合金压铸件。而在铝合金压铸件中，又有约80%用于汽车工业，所以汽车工业的技术动向将左右压铸模具的制造及产量[1]。近年来，随着我国汽车工业的逐步发展，对汽车用铝镁合金压铸件的需求量逐渐增大。因此，考虑到大批量、低成本、高效率地生产合金压铸件，同时减少待模维修时间，开发和引进新型热作模具材料，并通过热处理优化模具材料的组织和性能，以及通过表面处理延长模具使用寿命已经成为广大材料研究者所关注的热点。
压铸工艺中，型腔的充型时间一般为0.1s，甚至更少，合金通过浇口的速度约40～60m/s，有的甚至高达200m/s。金属凝固时的加压强度通常在40～120MPa左右。在进行铝合金压铸时，压铸模具的工作表面温度一般可上升到500～600℃。对于制造一个小型铝合金零件，整个压铸-凝固循环时间约3～6s，大型铝合金零件也不超过90s。
在每个压铸循环初期，模具型腔要承受炽热熔融合金的急热作用，工作表面会产生压缩热应力；压铸结束后要在模具内喷润滑剂，进行急冷，因而又在其表面产生拉应力。在这样的交变热应力作用下，模具表面会产生热疲劳微裂纹，随着压铸循环次数的增加，微裂纹急剧扩展，有的向心部扩展，形成龟裂纹。如果在裂纹周围同时伴随有熔融合金对模具型腔的冲刷及腐蚀，模具表面还会进一步损坏，最终造成模具的早期开裂甚至报废。
1铝合金压铸模中的焊合现象
在所有导致铝合金压铸模失效的主要原因中，模具表面发生焊合的问题开始渐渐得到关注。“焊合”是压铸工业中的术语，它指的是模具与压铸合金之间的反应。模具表面一旦发生焊合，就会生成复杂的Fe-Al金属间化合物相，并在下次压铸循环时在铸件表面造成缺陷。硬质的金属间相还会在模具表面堆积，因此必须中断生产并用抛光的方法除去焊合生成物，这样会导致生产时间的延长、劳动力的浪费，而且还会降低模具寿命。
通常按照焊合形式的不同，可将“焊合”分为两种。第一种焊合形式称为“冲击焊合”，即焊合发生在模具表面朝向型腔的入口或内浇道处。这些区域在充型时一般都受到熔融金属流的猛烈冲击，表面温度较高，受到的压力较大，保护层极易破坏，在压铸合金的不断冲刷下模具保护层失效并裸露出金属基体，合金便与基体材料发生反应生成复杂的金属间化合物相。金属间化合物较硬不易变形，它在压铸中的破裂脱落不仅会导致铸件质量缺陷，同时会带走基体材料，并暴露新鲜表面，如此周而复始，焊合现象逐渐加深，严重时会导致模具表面受到腐蚀及模具材料熔损。因此，必须要在发生焊合的早期进行及时清除并修补受损表面。第二种焊合形式称为“沉积焊合”，即焊合位置背向浇口或远离浇道。这些区域通常是表面处理或模具润滑剂不能达到的地方。因此它们的表面状态、温度分布、受压状况与其他地方不同。通常压铸合金在到达这些区域后温度较低，其流动性也变差，容易最先凝固，炽热的半固态合金与模具表面接触时间变长，加上此处模具本身表面状态不很理想，因此容易形成FeAl金属间化合物，在多次压铸循环中，金属间化合物会在这些流动性较差的区域逐渐沉积，最后形成严重的焊合，影响压铸生产。
虽然在铝合金压铸模的不同区域会发生不同形式的焊合，但是发生的焊合却具有一些普遍的共同特征——即模具表面焊合区域一般均呈现银白色光泽。
焊合层的组成，往往是复杂的Fe-Al金属间化合物，而且由于组成该层的金属间化合物较薄，因此在分析上也有一定的困难。但是国外研究者Z.W.Chen和D.T.Fraser等利用X射线衍射对在熔融Al-11Si-3Cu压铸铝合金中浸蘸H13钢所生成的金属间化合物结构进行了分析，他们认为，焊合层由复合物层金属间化合物αbcc-(FeSiAlCrMnCu)、外层紧密层的六方αH-(Fe2SiAl8)金属间化合物以及内层紧密层斜方晶的η-Fe2Al5金属间化合物组成。而他们拍摄下的Fe－Al界面组织与笔者所作的“在ADC12压铸铝合金中浸蘸H13钢”试验得到的Fe－Al界面形貌十分相似。
金属间化合物量非常少，焊合表面层又极薄加上分析手段上的限制，在目前阶段，国内外研究者都只能对其进行大致的定性分析。而对于焊合层的生成与发展规律，金属间化合物的定量分析将会是今后研究者工作的重点。
2铝合金压铸模的熔损效应
在受到炽热的合金熔体、半固态合金冲刷，并保持加压状态下工作的铝合金压铸模在使用一段时间后，表面的保护层一般会形成网状微裂纹、龟裂甚至表面层脱落。如果不对模具表面进行修复和保养，则会发生更加严重的所谓“熔损”效应。“熔损”指的是模具在工作一段时间后，工作面受到严重侵蚀，使模具质量变轻的过程。熔损是压铸合金对压铸模具的一系列腐蚀、冲蚀、侵蚀及焊合的综合机械作用结果。
模具基体材料Fe在压铸铝合金中的溶解过程又是一种Fe－Al物理化学反应并生成复杂金属间化合物的过程。同时，基体中的各种合金元素也会参与到这一反应中，而所生成的金属间化合物的物相结构、反应机制等至今没有得到明确解释，只能对其进行大致的定性分析。不过由于熔损反应与在模具表面早期发生的焊合有着许多共性，因此在发生熔损的区域，往往也能找到与焊合生成金属间化合物相类似的物质，笔者在对H13钢浸蘸入ADC12压铸铝合金的试验中，部分试样发生了严重的熔损。
3铝合金压铸模预防焊合、熔损的措施
作为铝合金压铸模，其整个系统一般价格昂贵，型腔都比较复杂。因此分析模具失效的原因，采取相应的方法预防失效，以延长模具使用寿命，是模具工业一个相当重要的课题。
3.1蒸汽氧化处理
蒸汽处理常应用于工具的表面处理以及常规兵器的表面处理，基本上都是起防锈作用。当其作为一种有效的表面处理工艺被运用于热作模具钢时，我们发现它能在一定程度上提高模具的抗冷热疲劳性能和抗熔融铝合金热熔损性能[8]。因为通过蒸汽氧化处理的钢铁材料在其表面可以生成一层具有保护作用的Fe3/O4薄膜，
Fe3O4是铁的氧化物中致密度较高、结构较稳定的氧化物。蓝色的Fe3O4具有耐高温、抗氧化、致密、耐磨损、耐蚀、与基体结合强度好等优点。由于Fe3O4氧化膜的微观结构是粗糙且凹凸不平的，因此它还能存储一些冷却剂，在铸件压铸成形以后方便脱模，起到了润滑的作用，使模具表面不易产生氧化腐蚀沟槽，从而减少诱发热疲劳裂纹的因素。而且，紧实致密的氧化膜包围在模具上起到了隔离炽热熔融金属或高温液体的热冲刷作用，保护了模具材料基体的完整性，从而提高了模具的使用寿命。在实际应用中，多数的模具生产商也建议用户在使用热作模具之前进行轻微氧化，通常是在空气中加热到500℃，保持1～2h，在模具表面产生1～10μm的氧化层。而一般在压铸模试模时，有时也会在模具表面形成致密的黑色氧化物层，此氧化物层主要由富含C、Si、S的Fe[html]3O[html]4构成。同样能够起到保护模具表面并延长使用寿命的积极作用。
3.2离子渗氮
在模具表面进行离子渗氮可以生成连续的氮化物层(白亮层)，这对提高模具的抗焊合、抗热熔损、抗侵蚀能力都是非常有益的，同时也会使得模具表面的耐磨性能有所提高[7]。离子渗氮除具有普通渗氮的优点之外，还有渗氮速度快(是气体渗氮的2～3倍)、氮化组织容易调整控制、处理温度低、热变形小、处理后表面状态好、节能及无公害等优点。
氮化层比氧化层更厚更致密，更耐铝合金冲蚀，对保护模具表面可以起到积极作用。但是，考虑到模具的热疲劳性能，氮化层由于较硬，容易形成热疲劳裂纹。而一旦形成微裂纹后的氮化层在抗熔融铝合金焊合与熔损上的效果则会变差。因此如果解决好模具氮化层上的热疲劳问题，渗氮将会是一个十分优秀的压铸模表面处理工艺。
3.3PVD、CVD表面镀覆
物理气相沉积技术(PVD)，由于处理温度低，畸变小，无公害，容易获得超硬层，涂层均匀等特点，已经广泛应用于精密模具表面强化处理，显示出良好的应用效果。PVD处理是将具有特殊性能的稳定化合物TiN、Ti(C，N)、SiN、(Ti，Si)N等沉积在金属表面，形成一层超硬覆盖膜，经PVD处理获得的TiN层的塑料模，其使用寿命提高3～9倍，金属压力加工工具寿命提高3～5倍。
化学气相沉积技术(CVD)，沉积物由引入高温沉积区的气体离解所产生。CVD处理的模具形状不受任何限制。CVD可以在含碳量大于018%的工具钢、渗碳钢、高速钢、轴承钢、铸铁以及硬质合金等表面上进行。气相沉积TiC、TiN能应用于挤压模、落料模和弯曲模，也适用于粉末成型模和塑料模等。在金属模具上涂覆TiC、TiN覆层的工艺，其覆层硬度高达3000HV，且耐磨性好、抗摩擦性能提高、冲模的使用寿命可提高1～4倍。
3.4渗硼处理
渗硼处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蚀性。D.N.Tsipas等的研究发现:在低碳钢和高合金钢上进行粉末渗硼，渗硼层能明显提高耐630℃铝液和500℃锌液的侵蚀。
笔者在进行铝合金压铸模具钢的抗熔损及焊合的研究中使用了渗硼方法，试验发现渗硼层的高硬度和良好的热稳定性，能改变热疲劳裂纹的萌生及扩展的方式，从而改变热疲劳裂纹的形貌。因此在不损失铝合金压铸模热疲劳性能的基础上，对其进行渗硼处理，可显着提高其抗熔损、焊合性能。但由于普通的高温(900℃左右)渗硼后还需进行高温淬火+回火处理，对大型铝合金压铸模不太实际，如果能够在渗硼的工艺上寻求突破，降低到中温甚至低温(如550℃以下)渗硼，那么对于铝合金压铸模而言，无疑又多了一种经济可靠并且性能优良的表面处理工艺。
3.5喷涂润滑剂
在铝合金压铸模工作的压铸循环中，在进行压铸前和一个压铸循环结束后开始准备下次压铸时，都要在模具型腔表面喷涂润滑剂，这样做的目的主要是:①润滑剂可在模具表面形成一个薄层作为铸件合金和模具之间的阻隔；②降低模具温度；③作为铸件弹出时的脱膜剂。
研究发现在压铸模具表面喷涂水基润滑剂约4s后可以吸收模具中总热量的30%左右。而且，试验还表明，在热的模具表面喷涂润滑剂时会产生(热力学中的)莱顿弗罗斯特现象，即液体不会润湿炽热的表面而仅仅在其上形成一个蒸汽层[2]。这个蒸汽层能在压铸中隔绝炽热熔融合金与模具表面的直接接触，从而起到保护模具基体不受焊合、熔损的作用。
润滑剂的化学成分、喷涂角度、喷涂距离和喷涂时间对在模具表面形成保护膜有至关重要的影响。文献中显示，含聚丙烯成分的润滑剂比含聚乙烯成分的润滑剂在降低模具表面温度及防止焊合、熔损效果上更为出色。
4结论
由于铝与铁有强烈的亲合力，在铝合金压铸模的使用中会发生复杂的Fe2Al反应，生成硬的金属间化合物焊合层，严重的还会引起模具熔损。实际生产显示，对模具进行适当的表面处理和压铸循环中喷涂模具润滑剂将对模具发生焊合、熔损现象起到积极的预防作用。 |
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