鋁合金壓鑄模的焊合熔損現(xiàn)象及其預(yù)防措施
2017-02-23
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(dá)200m/ s。金屬凝固時的加壓強度通常在40 ～120MPa 左右。在進(jìn)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(huán)時間約3～6s ，大型鋁合金零件也不超過90s。
在每個壓鑄循環(huán)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(chǎn)生壓縮熱應(yīng)力；壓鑄結(jié)束后要在模具內(nèi)噴潤滑劑，進(jìn)行急冷，因而又在其表面產(chǎn)生拉應(yīng)力。在這樣的交變熱應(yīng)力作用下，模具表面會產(chǎn)生熱疲勞微裂紋，隨著壓鑄循環(huán)次數(shù)的增加，微裂紋急劇擴(kuò)展，有的向心部擴(kuò)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(jìn)一步損壞，較 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(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，就會生成復(fù)雜的Fe-Al 金屬間化合物相，并在下次壓鑄循環(huán)時在鑄件表面造成缺陷。硬質(zhì)的金屬間相還會在模具表面堆積，因此必須中斷生產(chǎn)并用拋光的方法除去焊合生成物，這樣會導(dǎo)致生產(chǎn)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。*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。這些區(qū)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(hù)層極易破壞，在壓鑄合金的不斷沖刷下模具保護(hù)層失效并裸露出金屬基體，合金便與基體材料發(fā)生反應(yīng)生成復(fù)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(dǎo)致鑄件質(zhì)量缺陷，同時會帶走基體材料，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)重時會導(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~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(yuǎn)離澆道。這些區(qū)域通常是表面處理或模具潤滑劑不能達(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，其流動性也變差，容易起首凝固，熾熱的半固態(tài)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(tài)不很理想，因此容易形成FeAl 金屬間化合物，在多次壓鑄循環(huán)中，金屬間化合物會在這些流動性較差的區(qū)域逐漸沉積，較 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(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(nèi)外研究者都只能對其進(jìn)行大致的定性分析。而對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是今后研究者工作的重要。
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間后，表面的保護(hù)層一般會形成網(wǎng)狀微裂紋、龜裂甚至表面層脫落。如果不對模具表面進(jìn)行修復(fù)和保養(yǎng)，則會發(fā)生更加嚴(yán)重的所謂“熔損”效應(yīng)。“熔損”指的是模具在工作一段時間后，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，基體中的各種合金元素也會參與到這一反應(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H13 鋼浸蘸入ADC12 壓鑄鋁合金的試驗中，部分試樣發(fā)生了嚴(yán)重的熔損。
3 鋁合金壓鑄模預(yù)防焊合、熔損的措施
作為鋁合金壓鑄模，其整個系統(tǒng)一般價格昂貴，型腔都比較復(fù)雜。因此分析模具失效的原因，采取相應(yīng)的方法預(yù)防失效，以延長模具使用壽命，是模具工業(yè)一個相當(dāng)重要的課題。
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用于熱作模具鋼時，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[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(hù)作用的Fe3/O4薄膜，
Fe3O4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)合強度好等優(yōu)點。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(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，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(gòu)成。同樣能夠起到保護(hù)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(jìn)行離子滲氮可以生成連續(xù)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(yōu)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(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。
氮化層比氧化層更厚更致密，更耐鋁合金沖蝕，對保護(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良好的壓鑄模表面處理工藝。
3.3 PVD、CVD 表面鍍覆
物~相沉積技術(shù)(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(jīng)廣泛應(yīng)用于精密模具表面強化處理，顯示出良好的應(yīng)用效果。PVD 處理是將具有特殊性能的穩(wěn)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(jīng)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(xué)氣相沉積技術(shù)(CVD) ，沉積物由引入高溫沉積區(qū)的氣體離解所產(chǎn)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(zhì)合金等表面上進(jìn)行。氣相沉積TiC、TiN 能應(yīng)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(dá)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(fā)現(xiàn):在低碳鋼和高合金鋼上進(jìn)行粉末滲硼，滲硼層能*提高耐630 ℃鋁液和500 ℃鋅液的侵蝕。
筆者在進(jìn)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(fā)現(xiàn)滲硼層的高硬度和良好的熱穩(wěn)定性，能改變熱疲勞裂紋的萌生及擴(kuò)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(chǔ)上，對其進(jìn)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(jìn)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(jīng)濟(jì)可靠并且性能優(yōu)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(huán)中，在進(jìn)行壓鑄前和一個壓鑄循環(huán)結(jié)束后開始準(zhǔn)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(fā)現(xiàn)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(chǎn)生(熱力學(xué)中的) 萊頓弗羅斯特現(xiàn)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(hù)模具基體不受焊合、熔損的作用。
潤滑劑的化學(xué)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(hù)膜有至關(guān)重要的影響。文獻(xiàn)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(jié)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(fā)生復(fù)雜的Fe2Al 反應(yīng)，生成硬的金屬間化合物焊合層，嚴(yán)重的還會引起模具熔損。實際生產(chǎn)顯示，對模具進(jìn)行適當(dāng)?shù)谋砻嫣幚砗蛪鸿T循環(huán)中噴涂模具潤滑劑將對模具發(fā)生焊合、熔損現(xiàn)象起到積極的預(yù)防作用。
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