铝压铸模具钢材及其热裂特性

姜海洋

摘 要：铝合金压铸模承受炽热压铸合金与模具润滑剂的激冷激热反复作用，极易在表面发生失效。下文对铝合金压铸模预防焊合、熔损的措施等方面进行简要探讨，以供交流。

关键词：铝合金压铸模;焊合;熔损;表面处理

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FeAl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。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Fe-Al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，H13钢熔损横截面与焊合层横截面十分相似。由于产生的时间不同，因此在生成的金属间化合物上也各有特点。其中，十分严重的基体熔损变形，这表明基体材料已经溶入压铸铝合金，其外层紧密层金属间化合物较厚，含有大量基体合金的Fe-Al相金属间化合物。而焊合发生较早，基体尚未受到严重侵蚀，因此表面较为完整，但复合层却表明在焊合发生的同时，基体元素已经开始向外扩散，并生成了复杂的金属间相。据此可以判断焊合是发生熔损的早期征兆，对模具表面焊合的预防、及时清除焊合生成金属间化合物并做表面修补，可以防止进一步的模具严重熔损。

3 铝合金压铸模预防焊合、熔损的措施

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。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Fe3O4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Fe3O4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。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積极作用。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。

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Fe-Al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。

参考文献

[1]吉谷悟，蔡千华.铝压铸模具钢材及其热裂特性[J].模具技术，1992，（2）：92-95.