為了高效率的生產(chǎn)合金壓鑄件,減少待模維修時(shí)間,開發(fā)和引進(jìn)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(guān)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(xiàn)象及其預(yù)防措施

    壓鑄工藝中,型腔的充型時(shí)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(shí)的加壓強(qiáng)度通常在40 ~120MPa 左右。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 ℃。對(duì)于制造一個(gè)小型鋁合金零件,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90s。

    在每個(gè)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(huì)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(huì)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(shí)伴隨有熔融合金對(duì)模具型腔的沖刷及腐蝕,模具表面還會(huì)進(jìn)一步損壞,最終造成模具的早期開裂甚至報(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,模具表面發(fā)生焊合的問題開始漸漸得到關(guān)注。“焊合”是壓鑄工業(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(huì)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(shí)在鑄件表面造成缺陷。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,這樣會(huì)導(dǎo)致生產(chǎn)時(shí)間的延長、勞動(dòng)力的浪費(fèi),而且還會(huì)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(nèi)澆道處。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,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(huì)導(dǎo)致鑄件質(zhì)量缺陷,同時(shí)會(huì)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(shí)會(huì)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(shí)清除并修補(bǔ)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(dòng)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(shí)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(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,影響壓鑄生產(chǎn)。

    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。

    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(duì)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(yàn)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(duì)其進(jìn)行大致的定性分析。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)。

    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(shí)間后,表面的保護(hù)層一般會(huì)形成網(wǎng)狀微裂紋、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),則會(huì)發(fā)生更加嚴(yán)重的所謂“熔損”效應(yīng)�！叭蹞p”指的是模具在工作一段時(shí)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(duì)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(shí),基體中的各種合金元素也會(huì)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(duì)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(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。

    針對(duì)以上現(xiàn)象,我們也有相應(yīng)的補(bǔ)救措施。作為鋁合金壓鑄模,其整個(gè)系統(tǒng)一般價(jià)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(gè)相當(dāng)重要的課題。

    由于鋁與鐵有強(qiáng)烈的親合力,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,嚴(yán)重的還會(huì)引起模具熔損。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)中噴涂模具潤滑劑將對(duì)模具發(fā)生焊合、熔損現(xiàn)象起到積極的預(yù)防作用。