為了高效率的生產合金壓鑄件,減少待模維修時間,開發(fā)和引進新型熱作模具材料,并通過熱處理優(yōu)化模具材料的組織和性能,我們來共同關注通過表面處理延長模具使用壽命的話題。本文我們來探討鋁合金壓鑄模的焊合熔損現象及其預防措施

    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200m/ s。金屬凝固時的加壓強度通常在40 ~120MPa 左右。在進行鋁合金壓鑄時,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,工作表面會產生壓縮熱應力;壓鑄結束后要在模具內噴潤滑劑,進行急冷,因而又在其表面產生拉應力。在這樣的交變熱應力作用下,模具表面會產生熱疲勞微裂紋,隨著壓鑄循環(huán)次數的增加,微裂紋急劇擴展,有的向心部擴展,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,模具表面還會進一步損壞,最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(fā)生焊合的問題開始漸漸得到關注�！昂负稀笔菈鸿T工業(yè)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(fā)生焊合,就會生成復雜的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(fā)生在模具表面朝向型腔的入口或內澆道處。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,保護層極易破壞,在壓鑄合金的不斷沖刷下模具保護層失效并裸露出金屬基體,合金便與基體材料發(fā)生反應生成復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(fā)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(qū)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(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這些區(qū)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(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,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(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(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(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(yǎng),則會發(fā)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(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,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)生了嚴重的熔損。

    針對以上現象,我們也有相應的補救措施。作為鋁合金壓鑄模,其整個系統(tǒng)一般價格昂貴,型腔都比較復雜。因此分析模具失效的原因,采取相應的方法預防失效,以延長模具使用壽命,是模具工業(yè)一個相當重要的課題。

    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)生復雜的Fe2Al 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。實際生產顯示,對模具進行適當的表面處理和壓鑄循環(huán)中噴涂模具潤滑劑將對模具發(fā)生焊合、熔損現象起到積極的預防作用。