模具是現代工業（yè）大規模生產的重要設備，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（shàng）是（shì）鋁（lǚ）合（hé）金壓鑄件。而在鋁合金壓（yā）鑄件中，又（yòu）有約（yuē）80 %用（yòng）於汽車工業，所以汽車工業的技術動向將（jiāng）左右壓鑄模具的（de）製造及產量[1 ] 。近年來，隨著我國汽車工業的逐步（bù）發展，對（duì）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、高效率地生產合（hé）金壓鑄件，同時減少（shǎo）待模維修時間，開發和（hé）引進新型熱作模具（jù）材料，並通過熱處理優化模具材料的組織（zhī）和性能，以及通（tōng）過表麵（miàn）處理（lǐ）延長模具（jù）使用（yòng）壽（shòu）命已（yǐ）經成為廣大（dà）材料研究者所關注的熱（rè）點。

      壓鑄工藝（yì）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200m/ s。金屬凝固時的（de）加壓強度通常（cháng）在（zài）40 ～120MPa 左右。在進行鋁合（hé）金壓鑄時，壓鑄模具（jù）的工作表麵溫度一般可上升到500～600 ℃。對於製造（zào）一個小（xiǎo）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（yòng），工作表麵會產（chǎn）生壓縮熱應力；壓鑄結束後要在模具內噴潤滑劑（jì），進行急冷，因而又在其表麵產生拉應（yīng）力。在這樣的交變熱應力作用下，模具表麵會（huì）產生熱疲勞微（wēi）裂紋，隨著壓鑄循環次（cì）數的增加，微裂（liè）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（xíng）腔的衝刷及腐蝕，模具表麵還（hái）會進一（yī）步損壞，最終造成模具的早（zǎo）期開裂甚至報（bào）廢。

      1 鋁合（hé）金壓鑄（zhù）模中的焊合現象

      在所有導致鋁（lǚ）合金壓鑄模失效的主要原因中，模具表麵發生焊合的問題開始漸（jiàn）漸得到關注。“焊（hàn）合”是壓鑄工業中的術語，它指的是模具與壓鑄（zhù）合金之間的反應。模具表麵一旦（dàn）發生焊合，就會生成複雜的Fe-Al 金屬間化合物相，並在下次（cì）壓鑄循環時在鑄件表麵造成缺陷。硬質的（de）金屬（shǔ）間相還會在模具表麵堆積，因此必須中斷生產並（bìng）用拋光的方法除去焊合生成物，這樣（yàng）會導致生產時間的延長、勞動（dòng）力的浪費，而且還會降低模（mó）具壽命。

      通（tōng）常按照焊合（hé）形式的不（bú）同（tóng），可將“焊合”分為兩種。第一種焊（hàn）合（hé）形式稱為“衝擊焊合”，即焊（hàn）合發（fā）生在模具表麵朝向型腔的入口或內澆道處。這些區域在充型（xíng）時一般都受到熔融金屬流的猛烈衝擊，表麵溫度較高，受到的壓力較大，保護層極易破壞，在壓鑄合（hé）金的（de）不斷衝刷下模具保護層失（shī）效並裸露出金屬基體，合金便與基體材料發生反應生成複（fù）雜的金屬（shǔ）間化（huà）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）導致鑄件質量缺陷，同（tóng）時（shí）會帶走（zǒu）基體（tǐ）材料，並暴露新鮮表麵，如（rú）此周而複始，焊（hàn）合現象逐漸加深，嚴重（chóng）時會導致（zhì）模具表麵受到腐蝕及（jí）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麵。第二種焊合形式稱為“沉積焊合”，即（jí）焊合位置背向澆口或遠（yuǎn）離澆道。這些區域通常是表麵處理或模具潤滑劑不能達到的地方。因此它們的表麵（miàn）狀態、溫度（dù）分布、受壓狀況與其他（tā）地方（fāng）不同。通常壓鑄合金在到達這些區域後溫（wēn）度較低，其流動（dòng）性（xìng）也（yě）變差，容易（yì）最先凝固（gù），熾熱的半固態合金與模具表（biǎo）麵接觸（chù）時間變長，加上此處模（mó）具本身表麵狀態不很理想，因此容易形成FeAl 金屬間化合（hé）物，在多次壓鑄循環中，金屬間（jiān）化合物會在這些流動性較差的區域（yù）逐漸（jiàn）沉積，最後形成（chéng）嚴重的焊合，影響壓鑄生產。

      雖然在鋁合金壓鑄（zhù）模的不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（gòng）同特征——即模（mó）具表麵焊合（hé）區域一般均呈現（xiàn）銀白色光澤。

      焊合層的組成，往往是複（fù）雜的Fe-Al 金屬間化合物，而且由於組成（chéng）該層的金屬間化合物較薄（báo），因此（cǐ）在分析上也有（yǒu）一定的困（kùn）難。但是（shì）國外研究者Z.W.Chen 和D.T.Fraser 等利用X射（shè）線衍射對（duì）在熔融Al-11Si-3Cu 壓鑄鋁合（hé）金中浸蘸H13 鋼所生（shēng）成的金屬間化（huà）合物結構進行（háng）了分析，他們認為，焊（hàn）合層由複合物（wù）層金屬間化合物αbcc-( FeSiAlCrMnCu ) 、外層緊密層的六（liù）方αH-(Fe2SiAl8) 金屬間（jiān）化合物以（yǐ）及內層（céng）緊密層斜方晶的η-Fe2Al5 金屬間化合物組成（chéng）。而他們拍攝下（xià）的（de）Fe－Al界麵組織與筆者所作的“在（zài）ADC12 壓鑄鋁合金中浸蘸H13 鋼（gāng）”試驗得到的Fe－Al 界麵形貌十分（fèn）相似。

      金屬間化合物量非常少，焊合表麵層又極薄加上分析手段上的限製，在目前階段，國內外研究者都隻能對其進行大致的定性分析。而對於焊合層的生成與發展規律，金屬間化合物的定量（liàng）分析將會是今（jīn）後研究者工作的重點。

      2 鋁合金壓鑄模的熔損效應

      在（zài）受到熾熱的合金熔體、半固態（tài）合金衝刷，並保持加壓狀態下工（gōng）作的（de）鋁合金壓（yā）鑄模在使用一段（duàn）時間後，表麵的保護層一般會形成網狀微（wēi）裂紋、龜裂甚至表麵層脫落。如果不對模具表麵進（jìn）行修複和保養，則會發生更（gèng）加嚴重的所謂“熔損”效應。“熔損”指的是模具在工（gōng）作一段時間後，工作麵受到嚴重侵蝕，使模具質量變輕的過程（chéng）。熔損是壓鑄合金對壓鑄模具（jù）的一係列腐（fǔ）蝕、衝蝕、侵蝕（shí）及焊合的綜合（hé）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（yī）種Fe－Al 物理化學反應並生成複雜金屬間化合物的過程。同（tóng）時（shí），基體中的各種合金元素也會參與到這一反應中，而所（suǒ）生成的金屬間化合物的物相結構、反應機製（zhì）等至今沒有得到明確解釋，隻能對其進行大致的定性分析。不過由於（yú）熔損反應與在模具表麵早期發生的（de）焊合有著許多共性，因此在發生熔損的區域，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（zhàn）入ADC12 壓鑄鋁合金（jīn）的試驗中，部分（fèn）試樣發生了嚴重的熔損。

      3 鋁合金壓鑄模預防焊合、熔損的措施

      作為鋁合金壓鑄模，其整個（gè）係統一般價格昂貴，型腔都比較複雜。因此分析模具失效的原因，采取相應的方法預防失效（xiào），以延長模具使用壽命（mìng），是模具工（gōng）業一個（gè）相當重要的（de）課（kè）題。

      3.1 蒸汽氧化處理

      3.2 離子滲氮

      在模具表麵進行離子滲氮可以（yǐ）生成連續的氮化物層(白（bái）亮層) ，這對提（tí）高模具的抗焊合、抗熱（rè）熔損、抗侵蝕能力都是非常（cháng）有益（yì）的，同時也（yě）會使得模具表麵的耐磨性能（néng）有所提高[7 ] 。離子滲（shèn）氮除具有普通滲氮的優點之外，還有滲氮速度（dù）快(是氣體滲氮（dàn）的2～3 倍) 、氮化組織容易調整（zhěng）控製、處理溫度低、熱變形小、處理後表麵狀態好、節能及無公害等優點。

      氮化層比（bǐ）氧化層更厚更致密，更耐鋁合金衝（chōng）蝕，對保護模具表麵可以（yǐ）起到積極作用。但是，考慮到模具的熱疲勞性能，氮化層由於較硬，容（róng）易形成熱（rè）疲（pí）勞裂紋（wén）。而一旦形成微裂紋後的氮化層在（zài）抗熔融鋁合金焊（hàn）合與熔（róng）損上的效果則會（huì）變差。因此（cǐ）如果解決好模具（jù）氮化層上的熱疲勞問題，滲氮將會是一個十分優秀的壓鑄模表麵處理工藝。

      3.3 　PVD、CVD 表麵鍍覆

      物（wù）理氣相沉積技術(PVD) ，由（yóu）於處（chù）理溫度低，畸變小，無公害，容（róng）易獲得（dé）超硬層（céng），塗層均勻等特點，已經廣泛應用（yòng）於精密模具表麵強化處理，顯（xiǎn）示出良好的應用效果。PVD 處理是將具有特殊性能的穩定化合物TiN、Ti (C ，N) 、SiN、(Ti ，Si) N 等沉積在金屬表（biǎo）麵，形成一層超硬覆蓋膜（mó），經PVD 處（chù）理獲得的TiN 層的塑料模，其使用壽命（mìng）提高3～9 倍，金屬壓力加工工具壽（shòu）命提高3～5 倍。

      化學氣相沉積技術(CVD) ，沉（chén）積物由引入高溫沉積（jī）區的氣體離解所產生。CVD 處理的模具形狀不受任何限製。CVD 可以在含碳量大於018 %的工具鋼、滲碳鋼（gāng）、高速鋼、軸承鋼（gāng）、鑄鐵以及硬質合金等表麵上進行。氣相沉（chén）積TiC、TiN 能應用於擠壓模、落料模和彎（wān）曲模，也適用於粉末成型模（mó）和塑料模等。在金屬模具（jù）上塗覆TiC、TiN 覆層的工藝， 其覆層硬（yìng）度高（gāo）達3000HV ，且耐（nài）磨性好、抗摩擦性（xìng）能提高、衝模的使用壽命可提高1～4 倍。

      3.4 　滲硼處理（lǐ）

      滲硼處理在模具表麵形成的（de）硼化物，具有高硬度、高耐磨、好的抗氧化性和耐腐蝕性（xìng）。D.N.Tsipas 等的研究（jiū）發現:在低碳鋼和高合金鋼上進行粉末滲硼，滲硼層能明顯提高（gāo）耐630 ℃鋁液和500 ℃鋅液的侵蝕。

      筆者在進行鋁合金壓鑄模具鋼的抗熔損及焊合的（de）研究中使用了（le）滲硼方法，試驗發現滲硼（péng）層的高硬度和良好的熱穩定性，能改變熱疲勞裂紋的萌生及擴展的方式，從而改（gǎi）變熱疲勞裂紋的（de）形貌。因此在不損失鋁合金壓鑄模熱疲勞性能的（de）基（jī）礎上（shàng），對其進行滲硼處理（lǐ），可顯著提高其抗熔損、焊合性能。但由於普通的高溫(900 ℃左右) 滲硼後還需進行高溫淬火+ 回火（huǒ）處理，對大型鋁合金壓鑄模不太實際，如果能夠在滲（shèn）硼的工藝上尋求突（tū）破，降低到中溫甚至低（dī）溫(如550 ℃以下)滲硼，那麽對（duì）於鋁合金壓鑄模而言，無（wú）疑又多了（le）一種經濟可靠並且性能優良的表麵處理工藝。

      3.5 　噴塗潤滑劑

      在鋁合金壓鑄模工作的壓鑄（zhù）循環中，在（zài）進行壓鑄前和一個（gè）壓鑄循環結束後開始準備下次壓鑄時，都要在模具型（xíng）腔表麵噴（pēn）塗潤滑（huá）劑，這樣做的目的主要是: ①潤滑劑可在模具表麵形（xíng）成一個薄層作為鑄件合金和模具之（zhī）間的阻隔； ②降低（dī）模具溫度； ③作為（wéi）鑄件彈出時的脫膜劑。

      研究發現在壓鑄模具表麵噴塗水基潤滑（huá）劑約4s後可以（yǐ）吸收模具中總熱量的30 %左右。而且，試驗還（hái）表明，在熱的模具表麵噴塗潤滑（huá）劑時會產生(熱（rè）力學中的) 萊（lái）頓弗羅斯特現象，即液體不會（huì）潤（rùn）濕熾熱（rè）的表麵而僅僅在其上形成一（yī）個蒸汽層[2 ] 。這個蒸汽（qì）層能在壓鑄中隔絕熾熱熔融合金與模具表麵的直接接觸，從而起到保（bǎo）護模具基體不受焊合、熔損的作用。

      潤滑劑的化學成分、噴塗角度、噴塗距離和噴塗時間對（duì）在模（mó）具表麵形成保護膜有至關重要的影響。文獻中顯示，含聚（jù）丙烯成分的潤滑劑比含（hán）聚乙烯成分的潤滑劑在降低（dī）模具表麵溫度及防止（zhǐ）焊合、熔損效果上更為出色。

      4 結論

      由於鋁與鐵有強烈的親合力，在鋁合金壓鑄模的使用中會發生複雜的Fe2Al 反應，生成硬的金屬間化合物焊合層，嚴重的還會引起模（mó）具熔（róng）損。實際生產顯示，對模具進行適當的表麵處（chù）理和壓鑄循環（huán）中噴塗模（mó）具潤滑劑將對模具發生（shēng）焊合、熔損現象起到積極的預防作用。