模具是現(xiàn)代工業(yè)大規(guī)模生產(chǎn)的重要設(shè)備早假，一般通過(guò)模具壓鑄成形的材料有鋁话瞧、鎂诬簇、鋅等柬激，這其中有80 %以上是鋁合金壓鑄件诽祠。而在鋁合金壓鑄件中，又有約80 %用于汽車(chē)工業(yè)行忘，所以汽車(chē)工業(yè)的技術(shù)動(dòng)向?qū)⒆笥覊鸿T模具的制造及產(chǎn)量 秧诊。近年來(lái)，隨著我國(guó)汽車(chē)工業(yè)的逐步發(fā)展牡徘，對(duì)汽車(chē)用鋁鎂合金壓鑄件的需求量逐漸增大喧撕。因此，考慮到大批量式伶、低成本呀琢、高效率地生產(chǎn)合金壓鑄件，同時(shí)減少待模維修時(shí)間贡金，開(kāi)發(fā)和引進(jìn)新型熱作模具材料壕归，并通過(guò)熱處理優(yōu)化模具材料的組織和性能，以及通過(guò)表面處理延長(zhǎng)模具使用壽命已經(jīng)成為廣大材料研究者所關(guān)注的熱點(diǎn)衅侥。

　　壓鑄工藝中味廊，型腔的充型時(shí)間一般為0.1s ，甚至更少棠耕，合金通過(guò)澆口的速度約40～60m/ s ，有的甚至高達(dá)200m/ s柠新。金屬凝固時(shí)的加壓強(qiáng)度通常在40 ～120MPa 左右窍荧。在進(jìn)行鋁合金壓鑄時(shí)，壓鑄模具的工作表面溫度一般可上升到500～600 ℃恨憎。對(duì)于制造一個(gè)小型鋁合金零件蕊退，整個(gè)壓鑄- 凝固循環(huán)時(shí)間約3～6s ，大型鋁合金零件也不超過(guò)90s憔恳。

　　在每個(gè)壓鑄循環(huán)初期瓤荔，模具型腔要承受熾熱熔融合金的急熱作用，工作表面會(huì)產(chǎn)生壓縮熱應(yīng)力钥组；壓鑄結(jié)束后要在模具內(nèi)噴潤(rùn)滑劑输硝，進(jìn)行急冷，因而又在其表面產(chǎn)生拉應(yīng)力程梦。在這樣的交變熱應(yīng)力作用下点把，模具表面會(huì)產(chǎn)生熱疲勞微裂紋，隨著壓鑄循環(huán)次數(shù)的增加乞贡，微裂紋急劇擴(kuò)展氢碰，有的向心部擴(kuò)展克酿，形成龜裂紋。如果在裂紋周?chē)瑫r(shí)伴隨有熔融合金對(duì)模具型腔的沖刷及腐蝕申广，模具表面還會(huì)進(jìn)一步損壞限匕，最終造成模具的早期開(kāi)裂甚至報(bào)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东六，模具表面發(fā)生焊合的問(wèn)題開(kāi)始漸漸得到關(guān)注困荤。“焊合”是壓鑄工業(yè)中的術(shù)語(yǔ)辰张，它指的是模具與壓鑄合金之間的反應(yīng)形负。模具表面一旦發(fā)生焊合，就會(huì)生成復(fù)雜的Fe-Al 金屬間化合物相欢巡，并在下次壓鑄循環(huán)時(shí)在鑄件表面造成缺陷瞒礼。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致驶，這樣會(huì)導(dǎo)致生產(chǎn)時(shí)間的延長(zhǎng)芯勘、勞動(dòng)力的浪費(fèi)，而且還會(huì)降低模具壽命腺逛。

　　通常按照焊合形式的不同荷愕，可將“焊合”分為兩種。第一種焊合形式稱為“沖擊焊合”棍矛，即焊合發(fā)生在模具表面朝向型腔的入口或內(nèi)澆道處安疗。這些區(qū)域在充型時(shí)一般都受到熔融金屬流的猛烈沖擊，表面溫度較高够委，受到的壓力較大荐类，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茁帽，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玉罐。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)量缺陷潘拨，同時(shí)會(huì)帶走基體材料吊输，并暴露新鮮表面，如此周而復(fù)始铁追，焊合現(xiàn)象逐漸加深季蚂，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。因此溺硼，必須要在發(fā)生焊合的早期進(jìn)行及時(shí)清除并修補(bǔ)受損表面价岭。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)離澆道触晃。這些區(qū)域通常是表面處理或模具潤(rùn)滑劑不能達(dá)到的地方冗吟。因此它們的表面狀態(tài)俱报、溫度分布、受壓狀況與其他地方不同演侍。通常壓鑄合金在到達(dá)這些區(qū)域后溫度較低哼狰，其流動(dòng)性也變差，容易最先凝固色递，熾熱的半固態(tài)合金與模具表面接觸時(shí)間變長(zhǎng)痊追，加上此處模具本身表面狀態(tài)不很理想，因此容易形成FeAl 金屬間化合物粪趋，在多次壓鑄循環(huán)中蛆狱，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)重的焊合磺浙，影響壓鑄生產(chǎn)洪囤。

　　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)銀白色光澤撕氧。

　　金屬間化合物量非常少瘤缩，焊合表面層又極薄加上分析手段上的限制，在目前階段伦泥，國(guó)內(nèi)外研究者都只能對(duì)其進(jìn)行大致的定性分析剥啤。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)不脯。

　　2 鋁合金壓鑄模的熔損效應(yīng)

　　在受到熾熱的合金熔體府怯、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)間后防楷，表面的保護(hù)層一般會(huì)形成網(wǎng)狀微裂紋牺丙、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)域帐，則會(huì)發(fā)生更加嚴(yán)重的所謂“熔損”效應(yīng)∈钦“熔損”指的是模具在工作一段時(shí)間后赚朱，工作面受到嚴(yán)重侵蝕，使模具質(zhì)量變輕的過(guò)程以叛。熔損是壓鑄合金對(duì)壓鑄模具的一系列腐蝕谁班、沖蝕、侵蝕及焊合的綜合機(jī)械作用結(jié)果疼喝。

　　模具基體材料Fe在壓鑄鋁合金中的溶解過(guò)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(guò)程诊乐。同時(shí)，基體中的各種合金元素也會(huì)參與到這一反應(yīng)中我值，而所生成的金屬間化合物的物相結(jié)構(gòu)晰等、反應(yīng)機(jī)制等至今沒(méi)有得到明確解釋?zhuān)荒軐?duì)其進(jìn)行大致的定性分析然怕。不過(guò)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)域歉莫，往往也能找到與焊合生成金屬間化合物相類(lèi)似的物質(zhì)鱼灶，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)重的熔損张绊。

　　H13 鋼熔損橫截面與圖2 的焊合層橫截面十分相似信高。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)涛贯。其中诽嘉，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弟翘，含有大量基體合金的Fe－Al 相金屬間化合物虫腋。而圖2 的焊合發(fā)生較早，基體尚未受到嚴(yán)重侵蝕衅胀，因此表面較為完整岔乔，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(kāi)始向外擴(kuò)散滚躯， 并生成了復(fù)雜的金屬間相雏门。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)防掸掏、及時(shí)清除焊合生成金屬間化合物并做表面修補(bǔ)茁影，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)防焊合丧凤、熔損的措施

　　作為鋁合金壓鑄模募闲，其整個(gè)系統(tǒng)一般價(jià)格昂貴，型腔都比較復(fù)雜晰奉。因此分析模具失效的原因嘱庸，采取相應(yīng)的方法預(yù)防失效，以延長(zhǎng)模具使用壽命措抒，是模具工業(yè)一個(gè)相當(dāng)重要的課題滥尉。

　　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精克。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)昼反，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^(guò)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薄膜硅魁，F(xiàn)e3O4是鐵的氧化物中致密度較高塔奋、結(jié)構(gòu)較穩(wěn)定的氧化物。藍(lán)色的Fe3O4具有耐高溫、抗氧化醇帅、致密醒囊、耐磨損、耐蝕凑逗、與基體結(jié)合強(qiáng)度好等優(yōu)點(diǎn)弹惦。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)一些冷卻劑悄但，在鑄件壓鑄成形以后方便脫模棠隐，起到了潤(rùn)滑的作用，使模具表面不易產(chǎn)生氧化腐蝕溝槽檐嚣，從而減少誘發(fā)熱疲勞裂紋的因素助泽。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嚎京，保護(hù)了模具材料基體的完整性嗡贺，從而提高了模具的使用壽命。 在實(shí)際應(yīng)用中鞍帝，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)行輕微氧化诫睬，通常是在空氣中加熱到500 ℃，保持1～2h 帕涌，在模具表面產(chǎn)生1～10μm 的氧化層摄凡。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蚓曼，此氧化物層主要由富含C蘑慕、Si 、S 的Fe[html]3O[html]₄</html>構(gòu)成价烘。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 蕊欣。

　　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)提高模具的抗焊合稻漏、抗熱熔損愈秕、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 俗运。離子滲氮除具有普通滲氮的優(yōu)點(diǎn)之外言盼，還有滲氮速度快(是氣體滲氮的2～3 倍) 、氮化組織容易調(diào)整控制遣株、處理溫度低蛀家、熱變形小浊待、處理后表面狀態(tài)好革哄、節(jié)能及無(wú)公害等優(yōu)點(diǎn)。

　　氮化層比氧化層更厚更致密，更耐鋁合金沖蝕庭叙，對(duì)保護(hù)模具表面可以起到積極作用劲阎。但是，考慮到模具的熱疲勞性能鸠真，氮化層由于較硬悯仙，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)變差吠卷。因此如?解決好模具氮化層上的熱疲勞問(wèn)題锡垄，滲氮將會(huì)是一個(gè)十分優(yōu)秀的壓鑄模表面處理工藝。

　　3.3 　PVD祭隔、CVD 表面鍍覆

　　物理氣相沉積技術(shù)(PVD) 货岭，由于處理溫度低，畸變小疾渴，無(wú)公害千贯，容易獲得超硬層，涂層均勻等特點(diǎn)搞坝，已經(jīng)廣泛應(yīng)用于精密模具表面強(qiáng)化處理搔谴，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桩撮、Ti (C 逸渤，N) 、SiN坟荤、(Ti 蕴节，Si) N 等沉積在金屬表面，形成一層超硬覆蓋膜挽沧，經(jīng)PVD 處理獲得的TiN 層的塑料模贷弧，其使用壽命提高3～9 倍，金屬壓力加工工具壽命提高3～5 倍糙官。

　　化學(xué)氣相沉積技術(shù)(CVD) 窟潜，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鱼催。CVD 可以在含碳量大于018 %的工具鋼翅栖、滲碳鋼、高速鋼见毒、軸承鋼谅褪、鑄鐵以及硬質(zhì)合金等表面上進(jìn)行。氣相沉積TiC吴攒、TiN 能應(yīng)用于擠壓模张抄、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署惯、TiN 覆層的工藝左驾， 其覆層硬度高達(dá)3000HV ，且耐磨性好极谊、抗摩擦性能提高诡右、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轻猖，具有高硬度帆吻、高耐磨、好的抗氧化性和耐腐蝕性咙边。D.N.Tsipas 等的研究發(fā)現(xiàn):在低碳鋼和高合金鋼上進(jìn)行粉末滲硼桅锄，滲硼層能明顯提高耐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样眠，試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)滲硼層的高硬度和良好的熱穩(wěn)定性友瘤，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肩蹬。因此在不損失鋁合金壓鑄模熱疲勞性能的基礎(chǔ)上虏向，對(duì)其進(jìn)行滲硼處理，可顯著提高其抗熔損深酗、焊合性能皇腮。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(duì)大型鋁合金壓鑄模不太實(shí)際汁恍，如果能夠在滲硼的工藝上尋求突破据值，降低到中溫甚至低溫(如550 ℃以下)滲硼，那么對(duì)于鋁合金壓鑄模而言窃征，無(wú)疑又多了一種經(jīng)濟(jì)可靠并且性能優(yōu)良的表面處理工藝瘾歉。

　　3.5 　噴涂潤(rùn)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(gè)壓鑄循環(huán)結(jié)束后開(kāi)始準(zhǔn)備下次壓鑄時(shí)芳潦，都要在模具型腔表面噴涂潤(rùn)滑劑沧宠，這樣做的目的主要是: ①潤(rùn)滑劑可在模具表面形成一個(gè)薄層作為鑄件合金和模具之間的阻隔； ②降低模具溫度鹃漩； ③作為鑄件彈出時(shí)的脫膜劑蕾奴。

　　研究發(fā)現(xiàn)在壓鑄模具表面噴涂水基潤(rùn)滑劑約4s后可以吸收模具中總熱量的30 %左右。而且制圈，試驗(yàn)還表明们童，在熱的模具表面噴涂潤(rùn)滑劑時(shí)會(huì)產(chǎn)生(熱力學(xué)中的) 萊頓弗羅斯特現(xiàn)象，即液體不會(huì)潤(rùn)濕熾熱的表面而僅僅在其上形成一個(gè)蒸汽層 鲸鹦。這個(gè)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慧库，從而起到保護(hù)模具基體不受焊合问窃、熔損的作用。

　　潤(rùn)滑劑的化學(xué)成分完沪、噴涂角度、噴涂距離和噴涂時(shí)間對(duì)在模具表面形成保護(hù)膜有至關(guān)重要的影響嵌戈。文獻(xiàn)中顯示覆积，含聚丙烯成分的潤(rùn)滑劑比含聚乙烯成分的潤(rùn)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熟呛。

　　4 結(jié)論

　　由于鋁與鐵有強(qiáng)烈的親合力宽档，在鋁合金壓鑄模的使用中會(huì)發(fā)生復(fù)雜的Fe2Al 反應(yīng)，生成硬的金屬間化合物焊合層庵朝，嚴(yán)重的還會(huì)引起模具熔損吗冤。實(shí)際生產(chǎn)顯示，對(duì)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(rùn)滑劑將對(duì)模具發(fā)生焊合改阳、熔損現(xiàn)象起到積極的預(yù)防作用沐虐。

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