鋁合金壓鑄模的焊合熔損現象及其預防措施

鋁合金壓鑄模的焊合熔損現象及其預防措施
　　模具是現代工業大規模生産的重要設備，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，所以汽車工業的技術動向將左右壓鑄模具的制造及産量[1 ] 。近年來，隨著我國汽車工業的逐步發展，對汽車粉末冶金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、高效率地生産合金壓鑄件，同時減少待模維修時間，開發和引進新型熱作模具材料，並通過熱處理優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成爲廣大材料研究者所關注的熱點。

　　壓鑄工藝中，型腔的充型時間一般爲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- 凝固循環時間約3～6s ，大型鋁合金零件也不超過90s。

　　在每個壓鑄循環初期，模具型腔要承受熾熱熔融合金的急熱作用，工作表面會産生壓縮熱應力；壓鑄結束後要在模具內噴潤滑劑，進行急冷，因而又在其表面産生拉應力。在這樣的交變熱應力作用下，模具表面會産生熱疲勞微裂紋，隨著壓鑄循環次數的增加，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，模具表面發生焊合的問題開始漸漸得到關注。“焊合”是壓鑄工業中的術語，它指的是模具與壓鑄合金之間的反應。模具表面一旦發生焊合，就會生成複雜的Fe-Al 金屬間化合物相，並在下次壓鑄循環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，因此必須中斷生産並用抛光的方法除去焊合生成物，這樣會導致生産時間的延長、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”分爲兩種。第一種焊合形式稱爲“沖擊焊合”，即焊合發生在模具表面朝向型腔的入口或內澆道處。這些區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並裸露出金屬基體，合金便與基體材料發生反應生成複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，並暴露新鮮表面，如此周而複始，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，必須要在發生焊合的早期進行及時清除並修補受損表面。第二種焊合形式稱爲“沈積焊合”，即焊合位置背向澆口或遠離澆道。這些區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、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域後溫度較低，其流動性也變差，容易最先凝固，熾熱的半固態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不很理想，因此容易形成FeAl 金屬間化合物，在多次壓鑄循環中，金屬間化合物會在這些流動性較差的區域逐漸沈積，最後形成嚴重的焊合，影響壓鑄生産。

　　雖然在鋁合金壓鑄模的不塑膠板同區域會發生不同形式的焊合，但是發生的焊合卻具有一些普遍的共同特征——即模具表面焊合區域一般均呈現銀白色光澤。

　　焊合層的組成，往往是複雜的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，他們認爲，焊合層由複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展規律，金屬間化合物的定量分析將會是今焊條後研究者工作的重點。