鋁合金壓鑄模的焊合熔損現(xiàn)象及其預(yù)防措施

　　模具是現(xiàn)代工業(yè)大規(guī)模生產(chǎn)的重要設(shè)備，一般通過模具壓鑄成形的材料有鋁、鎂、鋅等，這其中有80 %以上是鋁合金壓鑄件。而在鋁合金壓鑄件中，又有約80 %用于汽車工業(yè)，所以汽車工業(yè)的技術(shù)動向?qū)⒆笥覊鸿T模具的制造及產(chǎn)量[1 ] 。近年來，隨著我國汽車工業(yè)的逐步發(fā)展，對汽車用鋁鎂合金壓鑄件的需求量逐漸增大。因此，考慮到大批量、低成本、高效率地生產(chǎn)合金壓鑄件，同時減少待模維修時間，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，以及通過表面處理延長模具使用壽命已經(jīng)成為廣大材料研究者所關(guān)注的熱點。

　　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(qiáng)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，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(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。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(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(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點。