模具是現代工業大規模（mó）生產的重要設備，一般通過模具（jù）壓鑄成形的材料有鋁、鎂、鋅等，這（zhè）其中有80 %以上是鋁合金壓鑄件（jiàn）。而在鋁合金壓鑄件中，又有約80 %用於汽車工業，所以汽車（chē）工（gōng）業的（de）技術動向將左右壓鑄模具的製造及產（chǎn）量[1 ] 。近年來，隨（suí）著我國汽（qì）車工業的逐步發展，對汽車用鋁（lǚ）鎂（měi）合金壓鑄件的需求量逐漸增大。因此，考慮到大批量、低成（chéng）本、高效率地生產合金壓鑄件，同時（shí）減少待模維修時間，開發和引（yǐn）進新型熱作模具材料（liào），並通（tōng）過熱處理優化模具材料（liào）的組織和性能，以及通過表（biǎo）麵處理延長模具使用壽（shòu）命已經成為廣（guǎng）大材（cái）料研究者所（suǒ）關注的熱點。

      壓鑄工藝中，型腔的充型時間一般為0.1s ，甚（shèn）至更少，合金通過澆口的速（sù）度約40～60m/ s ，有（yǒu）的（de）甚至高（gāo）達（dá）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，壓鑄模具的工作表麵溫度一般可上升到500～600 ℃。對於製造一個小型鋁合金零件，整個壓鑄- 凝（níng）固循環時間約3～6s ，大型鋁合金零件也不超過90s。

      在（zài）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，工作表麵會產（chǎn）生（shēng）壓縮熱應力；壓（yā）鑄結束後要在（zài）模具內（nèi）噴潤滑劑，進行急冷，因而（ér）又在其表麵產生拉應力。在（zài）這樣的（de）交變熱（rè）應力作用下，模具表麵會（huì）產生熱疲勞微裂紋，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（wén）周圍同（tóng）時伴隨有（yǒu）熔（róng）融合金對模具型（xíng）腔的（de）衝刷及腐蝕，模具表麵還（hái）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（zhù）模中（zhōng）的焊合現象

      在所有導致鋁合金壓鑄模（mó）失效的主要原（yuán）因中，模具表麵發生焊（hàn）合的問題開始漸（jiàn）漸得到關注（zhù）。“焊合”是壓鑄（zhù）工業中的術語（yǔ），它指的是模具與壓鑄合金之間的反應。模具表麵一旦發生焊合（hé），就會生成複雜的Fe-Al 金屬間化合物相，並在下次壓（yā）鑄循環時在（zài）鑄件表麵（miàn）造成缺陷。硬質的金（jīn）屬間相還會在模具（jù）表麵堆積，因此必須中斷生產並用拋光的方法除去焊合生（shēng）成物，這樣會導致生產時（shí）間的延長、勞（láo）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（zhǒng）。第一（yī）種焊合形式稱為“衝擊焊合”，即焊合發生（shēng）在模具表麵朝向型腔的入口或內澆道處。這些區域在（zài）充型時一般都受到（dào）熔融金屬（shǔ）流的猛烈衝擊（jī），表麵溫（wēn）度較高，受到的壓力較大，保護層極（jí）易破壞，在壓鑄（zhù）合金的不斷衝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（liào）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（jǐn）會導致鑄件質量缺陷，同時會帶走基體材料，並暴露新鮮表麵，如此周而（ér）複始，焊合現象逐漸加深，嚴重時會（huì）導（dǎo）致模具表麵受到腐蝕及（jí）模具材料熔損。因此，必須要在（zài）發生焊合的早期進行及時清除並修補（bǔ）受損表麵。第二種焊（hàn）合形式稱為“沉積焊合”，即（jí）焊合位置背向澆口或遠離澆道（dào）。這些區域通（tōng）常是表麵處理或模具潤滑劑不能達到（dào）的地方。因此它（tā）們（men）的表麵（miàn）狀態、溫度分布、受壓狀況與其他地方不同。通常（cháng）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（gù）態合金與模具表麵接觸時間（jiān）變長，加上此處模具本身表麵狀態不很理想，因（yīn）此容易形成FeAl 金屬間化合物，在多（duō）次壓鑄循環中（zhōng），金屬間化合物會（huì）在這些流動性較差的區域逐漸沉積，最後形成嚴重的焊合，影響壓鑄生產。

      雖然在鋁合金（jīn）壓鑄模的不同區域會發（fā）生不同形（xíng）式的焊（hàn）合，但是發生的焊合卻具有（yǒu）一些普遍的共同特征——即模具表麵焊合區域一般均呈現銀白色光澤（zé）。

      焊（hàn）合層的組成，往往是（shì）複雜的Fe-Al 金（jīn）屬間化合物，而且由於組成該層的金屬間化合物較薄，因此在（zài）分析上也（yě）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（jìn）行了（le）分（fèn）析，他們認為，焊（hàn）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（shǔ）間化合物組成。而他們拍攝（shè）下的Fe－Al界（jiè）麵組（zǔ）織與筆者（zhě）所作的“在ADC12 壓鑄鋁合金中浸蘸H13 鋼”試驗得到的（de）Fe－Al 界麵形貌十分相似。

      金屬間化合物（wù）量非常少，焊合（hé）表麵層（céng）又極薄加上分析手段上的限製，在目前階段，國內（nèi）外研究者（zhě）都隻能對其進（jìn）行大致的定性分析。而對於焊合層的生成與發展規（guī）律，金屬間化合物的定量分（fèn）析將會是今後研究者工作的重點。

      2 鋁合（hé）金壓鑄模的熔損效應

      在受到熾熱的（de）合金熔體、半固態合金衝刷，並保持加壓狀態下工作的鋁合金壓鑄（zhù）模在使用一段時間後，表麵的保護層一般會形成網狀微裂紋、龜（guī）裂甚至表麵層脫（tuō）落。如果不（bú）對模具表（biǎo）麵進行修複和保養，則會發生更加嚴重的所謂“熔損”效應。“熔（róng）損”指的是模具（jù）在工作一段時間後，工作麵受到嚴（yán）重侵蝕，使模具質量變輕（qīng）的過程。熔損是壓鑄合金對壓鑄模具的一係列腐蝕、衝蝕、侵蝕及焊（hàn）合的綜合機械作用結果。

      模具基體材料Fe在壓鑄鋁合（hé）金中的溶解過程又（yòu）是一種Fe－Al 物（wù）理化學反應並生成複雜（zá）金屬間化合物的過（guò）程。同時，基體（tǐ）中的各種合金元素也會參與到這一反應中，而所生（shēng）成的金屬間（jiān）化合物（wù）的物相結構、反應機製等至今沒有得到明確解釋，隻能對其進（jìn）行大致的定性分（fèn）析。不過由於熔（róng）損反應與在（zài）模具表麵早期發生的焊合有著許多共性，因此在發生（shēng）熔損（sǔn）的區域，往往也能找到與（yǔ）焊（hàn）合生成金屬間化合物相類似的物質，筆者在對H13 鋼浸（jìn）蘸入（rù）ADC12 壓鑄鋁合金的（de）試驗中，部分試樣發生了嚴重的熔損。

      3 鋁合金壓鑄（zhù）模預防焊合、熔損的措（cuò）施

      作為鋁合金壓鑄模，其整個係統一（yī）般價格昂貴（guì），型腔都比較複（fù）雜。因此分析模具失效的原因，采取相應的方法預防失（shī）效，以延長模具使（shǐ）用壽命，是模具（jù）工（gōng）業一個相當重（chóng）要的課題。

      3.1 蒸汽氧化（huà）處理

      3.2 離（lí）子滲氮

      在模具表麵進行離子滲氮可以生成連續的（de）氮化物層(白亮層) ，這對提高模具的抗焊合、抗熱熔損、抗侵蝕能力都是非常有益的（de），同時也會使得模具表麵的耐磨性能有所提高[7 ] 。離子滲（shèn）氮除（chú）具有（yǒu）普通（tōng）滲氮（dàn）的（de）優（yōu）點（diǎn）之外，還有（yǒu）滲氮（dàn）速度快（kuài）(是（shì）氣體滲氮的2～3 倍) 、氮化組織容易調整控製、處理溫度低、熱變形小、處理後表麵狀態（tài）好、節能及無（wú）公害等優點。

      氮化層（céng）比氧（yǎng）化層更厚更致密，更耐鋁合金（jīn）衝蝕，對保護模具表（biǎo）麵可以起到積（jī）極作用。但是，考慮到模（mó）具的熱疲勞（láo）性（xìng）能，氮化層（céng）由於較硬，容易形成熱疲（pí）勞（láo）裂紋。而（ér）一旦形成微裂紋後的（de）氮化層（céng）在抗熔融（róng）鋁合金焊合與熔（róng）損上的效果（guǒ）則會變差。因此如果解決好模具（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（miàn）處理工（gōng）藝。

      3.3 　PVD、CVD 表麵鍍覆

      物理氣（qì）相沉積技術(PVD) ，由（yóu）於處理（lǐ）溫度低，畸變小，無公害，容易獲得超硬層，塗層均勻（yún）等特（tè）點，已經廣泛應用於精密模（mó）具表麵強化處理，顯示出良好的應用效果。PVD 處理是（shì）將具有特（tè）殊性能的穩（wěn）定化（huà）合物（wù）TiN、Ti (C ，N) 、SiN、(Ti ，Si) N 等沉積在（zài）金屬表麵，形成一層超硬覆蓋膜，經PVD 處理獲得的TiN 層的塑料（liào）模，其使用壽命提高3～9 倍（bèi），金屬壓力加工工具壽命提高3～5 倍。

      化學氣相（xiàng）沉積技（jì）術(CVD) ，沉積物由引入高（gāo）溫沉積區（qū）的氣（qì）體離解所產生。CVD 處（chù）理的模具形狀（zhuàng）不受任何限（xiàn）製。CVD 可以在含碳（tàn）量大於018 %的工具鋼、滲碳鋼、高速鋼、軸承鋼、鑄鐵以及硬質合（hé）金等表麵上進行。氣相沉積TiC、TiN 能應用於（yú）擠（jǐ）壓模、落料模和彎曲（qǔ）模，也適用於粉末（mò）成型模和（hé）塑料模等。在金屬模具上塗覆TiC、TiN 覆層的工藝（yì）， 其覆層（céng）硬度高達3000HV ，且耐磨性好、抗摩（mó）擦性能提（tí）高、衝模的使（shǐ）用壽命可提高1～4 倍。

      3.4 　滲硼處理

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

      筆（bǐ）者在進行鋁合金壓鑄模具鋼的抗熔損及焊合的研究中使用了滲硼方法，試驗發現滲硼層的高硬度和（hé）良好的熱穩定性，能改變熱（rè）疲（pí）勞裂紋的萌生及擴展的方式，從（cóng）而改變熱疲勞裂紋的形貌。因此在不損失鋁合金壓鑄模熱疲勞性能（néng）的基礎上，對其進行滲硼處理，可（kě）顯著提高其抗熔（róng）損（sǔn）、焊合性能。但由於普通的高（gāo）溫(900 ℃左右) 滲硼後還需進行高溫（wēn）淬火+ 回火處理（lǐ），對大型鋁合金壓鑄模不太實際，如果能夠在滲（shèn）硼的工藝上尋求突破，降低到中溫甚（shèn）至低（dī）溫(如550 ℃以下)滲硼，那麽對於鋁合金壓鑄模（mó）而（ér）言，無疑又多了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（hé）金壓鑄模工作的壓鑄循環中，在進行（háng）壓鑄前和一個（gè）壓鑄循環結束後開始準（zhǔn）備下次壓鑄時，都要在模具（jù）型腔表麵噴塗潤滑劑，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（wéi）鑄件合金和模具（jù）之間的阻隔（gé）； ②降低模具溫度（dù）； ③作為鑄件彈出時的脫（tuō）膜劑。

      研究發現在壓鑄模具表麵噴塗水基潤滑劑約（yuē）4s後可以吸收模具中總熱量的30 %左（zuǒ）右（yòu）。而且，試驗還表明，在熱的模具表麵噴塗潤（rùn）滑（huá）劑時會產生(熱力學中的) 萊頓（dùn）弗羅斯特現（xiàn）象，即液體不（bú）會潤濕熾熱的表麵而僅僅在其上形成一個蒸汽層[2 ] 。這個蒸汽層能在壓鑄中隔絕熾熱熔（róng）融合金與模具表（biǎo）麵的直接接觸，從而起到保護模具（jù）基體不受焊合、熔損的作（zuò）用（yòng）。

      潤滑劑的化學（xué）成分、噴塗角度、噴塗距離和噴塗時間對在模具表麵形成保護膜有至關重要的影響（xiǎng）。文獻中顯示，含聚丙烯成分的（de）潤滑劑比含聚乙烯成分的潤（rùn）滑劑在降低模具表麵溫度及防（fáng）止焊（hàn）合、熔損效果上更（gèng）為出色。

      4 結（jié）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，嚴重的還會引起模具熔（róng）損（sǔn）。實際生產顯示，對模具進行適（shì）當的表麵處理（lǐ）和壓鑄（zhù）循環中噴塗模具潤滑劑將對模具發生焊合、熔損現象起到積極的預防作用。