為了高效率的生產(chǎn)合金壓鑄件,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,同力鋁合金鍛造來共同關(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

同力鋁合金鍛造獲悉在每個壓鑄循環(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。

同力鋁合金鍛造表示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(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。同力鋁合金鍛造表示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)。

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。

2.鋁合金壓鑄模的熔損效應(yīng)

同力鋁合金鍛造稱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(hù)層一般會形成網(wǎng)狀微裂紋、龜裂甚至表面層脫落。如果不對模具表面進(jìn)行修復(fù)和保養(yǎng),則會發(fā)生更加嚴(yán)重的所謂“熔損”效應(yīng)。“熔損”指的是模具在工作一段時間后,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,基體中的各種合金元素也會參與到這一反應(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H13 鋼浸蘸入ADC12 壓鑄鋁合金的試驗中,部分試樣發(fā)生了嚴(yán)重的熔損。

同力鋁合金鍛造總結(jié)針對以上現(xiàn)象,我們也有相應(yīng)的補(bǔ)救措施。作為鋁合金壓鑄模,其整個系統(tǒng)一般價格昂貴,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)一個相當(dāng)重要的課題。