中國壓鑄雜志
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064期一肖中特平:壓鑄模型芯粘鋁現象及其原因探究

作者:admin 來源:原創 發表時間:2019-01-24
 
 
上海皮爾博格有色零部件公司 趙海峰
    摘要 表面粘鋁是壓鑄模型芯常見的失效方式。采用OM、SEM、XRD 等手段對不同壽命型芯的表面與截面的形貌、組織、微區成分以及物相進行了分析。研究表明,當型芯表面PVD涂層存在缺陷時,鋁合金液將較早地突破PVD 涂層的防護直接侵蝕型芯基體,生成Fe-Al-Si 中間相而引起鋁的粘著。當表面PVD 涂層均勻而完整并與基體結合良好時,型芯服役壽命較長。因此,PVD 涂層質量是影響型芯抵抗鋁合金液侵蝕和粘著的關鍵因素。
    關鍵詞  粘鋁  壓鑄型芯  PVD涂層  侵蝕
 
    壓力鑄造是汽車發動機鋁合金缸體的主要生產方法,壓鑄模具質量是決定缸體質量的重要因素。提高壓鑄模質量和壽命對于降低企業的生產成本、提高經濟效益至關重要。型芯是鋁合金壓鑄模具系統中的重要組件,其失效形式有熱疲勞、鋁合金粘著、開裂、變形等。其中,鋁液粘著是型芯失效的常見形式,當型芯使用到一定模次后,鋁合金會粘著于型芯表面,壓鑄件尺寸精度因此受到影響; 當型芯表面粘鋁較多時,導致脫模困難,內孔表面質量降低,影響正常生產。為了減緩粘鋁,可以在鋁合金液中加入Si 元素,并在澆鑄時適當降低鋁合金液的溫度。另一方面,對型芯表面進行PVD、CVD 等工藝處理,使型芯表面形成一層致密穩定的高硬度薄膜涂層,可提高型芯表面的抗粘著性能、抗氧化性能以及耐磨性能。目前,對壓鑄模型芯進行滲氮+ Cr( Al) N 涂層的復合表面處理在鋁合金壓鑄中得到了廣泛應用。
 
    生產某型號發動機缸體所使用的型芯壽命一般為1萬模次左右。但部分批次的型芯使用壽命普遍較短,在2 ~ 4千模次后就發生嚴重粘鋁而早期失效。本文將對比分析早期失效型芯和長壽命型芯的組織和形貌特征,研究鋁壓鑄型芯粘鋁失效的行為與特點,探究其失效機制,以期改善型芯制造加工工藝、提高其使用壽命。
 
1、 試驗材料和方法
1. 1 型芯的制造與服役條件
    某型號型芯采用H13鋼( 化學成分如表1 所示) 制造,其加工工藝流程為: 棒料→粗加工→真空淬火-回火→精加工→滲氮→噴砂→PVD 涂覆。
 

 
     該鋁合金壓鑄模服役條件較為苛刻,壓鑄AlSi9Cu3Fe鋁合金發動機缸體時,鋁合金液的鑄造溫度約670℃,注射速度約60m/s,噴涂模具-合模-澆注-壓射-凝固-開模-推出-取出鑄件整個壓鑄周期約為2min。壓鑄過程中,型芯周期性地受到鋁合金液的高速沖刷,并且在開模時與鋁合金鑄件發生相對滑動。反復循環工作一定模次后,型芯表面局部會有鋁合金粘著,尤其在正對澆口位置處鋁合金粘著更為嚴重,當鋁粘著嚴重而影響到壓鑄件表面質量或者影響壓鑄正常進行時,型芯判定為失效。
 
1. 2 分析與檢測
    選取不同壽命粘鋁型芯進行分析,所取試樣表面均經過CrAlN涂層涂覆。取樣于各型芯典型的粘鋁部位,采用VHX600超景深顯微鏡進行表面形貌觀察。本文以服役2899模次、5 799模次、11579模次后粘鋁失效的型芯為例進行分析。為研究型芯從開始工作到粘鋁失效過程表面涂層的變化情況,采用飽和NaOH 溶液清洗去除5799模次型芯表面粘著的鋁合金,在超景深顯微鏡及SUPRA 40型掃描電鏡下進行表面形貌觀察和局部微區成分分析。同時,采用光學顯微鏡、掃描電鏡對型芯粘鋁部位的橫截面進行觀察與分析。并用Dax-2550型X射線衍射儀對型芯表面粘鋁部位進行物相分析。
 
2、 試驗結果與分析
2. 1 表面分析
2. 1. 1 粘鋁表面形貌
    實際生產過程中,型芯服役到一定壽命發生粘鋁失效。服役壽命不同,型芯表面鋁合金粘著程度和形式不同。觀察眾多粘鋁型芯發現,鋁合金液粘著形式有兩種,一是呈片狀連續粘著,另一種是分散不連續粘著。短壽命型芯表面鋁合金液通常呈大塊片狀粘附,如圖1( a) 所示。對于中長壽命型芯而言,其表面既有片狀粘著又有分散不連續粘著,如圖1( b) 所示。11579 模次型芯屬于長壽命型芯,其表面鋁合金液以分散不連續粘著為主,如圖1( c) 所示。 
 

 
    圖2為5799 模次型芯粘鋁部位去鋁后的形貌,觀察發現,去鋁后型芯表面已經嚴重凹凸不平,并且在凹坑區域發生了氧化,見圖2( a) 。利用SEM 觀察圖2( a) 標記區域處形貌,發現表面部分區域出現剝落現象,并在剝落區域發現凸起物,圖2( b) 箭頭標記處。另外在高倍下觀察涂層完整區形貌,可發現涂層表面存在大小不等的孔洞,這是多弧離子鍍技術制備薄膜的缺點之一。另外,型芯表面局部存在呈環狀分布的微小裂紋,見圖2( c) 箭頭標記處。
 
    
    選取圖2( b) 中典型的3 個位置A、B、C 進行點掃描分析,結果列于表2,可見不同位置處成分差異很大。A 處涂層完整,主要成分為Cr、Al、N;B 處主要成分為Fe、O、Cr、Si、V,未發現有Al、N元素,此處鋁合金液已完全去除,PVD 涂層完全脫落,基體裸露; C 處為表面凸起物,其主要成分為Fe、O,還有少量的Al 和Cr。
 
 
                             
                           
2. 2 截面分析
2. 2. 1 截面金相
    圖3 為幾種典型的橫截面粘鋁形貌圖,其中圖3( a,b) 為2 899 模次型芯粘鋁部位的截面圖,圖3( c,d) 為11 579 模次型芯粘鋁部位的截面圖。觀察發現,不同壽命型芯的PVD 涂層都存在一定程度的缺陷( 孔洞、剝落等) ,見圖3( a,c) 標記處,鋁合金液嵌入或直接粘附在基體上。短壽命型芯上鋁合金液粘著較多,大片粘鋁部位涂層依舊完整,并且與涂層直接接觸的物質有別于鋁合金組織,呈灰色顆粒狀堆積在涂層表面,如圖3( b) 所示。觀察長壽命11 579 模次型芯發現,在鋁合金液的反復沖刷下,部分區域涂層已完全剝落,鋁合金液與基體直接粘附,見圖3( c) ,并且未粘著部位涂層較為完整,但部分出現剝落減薄現象,見圖3( d) 。
 

 
2.2.2 EDS 能譜分析
    借用EDS 對2 899 及11 579 模次型芯橫截面不同位置進行能譜分析,選取3 個特征位置進行說明,點掃位置見圖4,元素分布結果列于表3。

 
     圖4( a) 為2899模次型芯粘鋁部位SEM圖,此位置涂層完整,但鋁合金液粘著較多,且由兩種不同顏色的相層組成,緊靠涂層的相層顏色較淺,經EDS能譜分析1點位置可知,此物質主要元素組成為Fe、Al、Si。圖4( b) 為長壽命型芯涂層剝落區域截面形貌,此處鋁合金液直接與基體粘附,基體同樣由兩種不同顏色的相層組成,緊靠涂層的相層顏色較淺。經EDS 能譜分析2、3點位置可知,2點淺色物質主要元素組成為Fe、Al、Si,3 點元素組成為鋁合金液成分構成元素: Fe、Al、Si、Cu。由此可見,在鋁合金粘著區域,無論是涂層完整還是剝落,緊靠涂層或是基體的物質主要元素組成相同,即為Fe-Al-Si 相。
 
 

 
2. 3 XRD 物相分析
    圖5 為不同模次型芯表面的XRD 圖譜,其中11579 模次及2899 模次型芯掃描區域為粘鋁部位,5799 模次型芯掃描位置為去鋁后表面,另選取未工作型芯作為對比。分析可知: 未工作型芯和清洗后的5799 模次型芯的XRD峰基本一致,衍射峰為CrN、AlN 以及基體Fe峰。2899 模次和11579模次的粘鋁型芯的XRD峰基本一致,為CrN、AlN、Fe、以及Al 峰,并且由圖中可看出,2899 模次和11579模次型芯均出現了Al15Fe6Si5峰,結合EDS能譜分析可知,此物質為鋁合金液與基體反應的產物。


 
3、 分析與討論
    壓鑄生產過程中,型芯受到熔融鋁合金液的高速、高壓沖刷,反復循環工作后,鋁合金液會成片或者零散地附著于型芯正對澆口位置,其中短壽命型芯表面以片狀粘鋁為主,長壽命型芯上鋁合金液粘著較為分散。型芯均經過滲氮加CrAlN涂層復合處理,生產過程中,型芯服役壽命不一,有的型芯僅使用較低模次( 0 ~ 4000 模次) 就出現粘鋁失效,部分型芯壽命較長,高達1 萬模次以上。對比長壽命與短壽命型芯發現,其表面粘鋁部位XRD物相的峰基本一致,為CrN、AlN、Fe、Al 以及Al15Fe6Si5的峰。短壽命型芯較早地出現大片粘著,部分鋁合金液粘著在涂層的孔洞及剝落處,但大部分粘著區域涂層依舊完整。受鋁液反復沖刷后,短壽命型芯涂層較早出現剝離脫落,其涂層缺陷( 孔洞、不連續) 較長壽命型芯多,此時鋁合金液易通過這些缺陷滲透到基體,與基體發生反應生成Fe-Al-Si化合物,在鋁合金液沖刷作用下,生成物隨著鋁合金液流動發生轉移,后冷卻附著在涂層表面。如此周而復始,反應產物富集越來越多,較多的生成物易使鋁液堆積,導致在涂層完整區域處粘著大塊鋁合金。中長壽命粘鋁型芯( 5799模次) 去鋁后表面凹凸不平,涂層呈片狀剝落較多,并且在涂層完整區發現有呈環狀分布的微小裂紋。這是由于型芯工作時,經受周期性的加熱與冷卻,表面出現熱疲勞龜裂,裂紋呈環狀分布,在反復鋁合金液沖擊作用下,鋁合金液通過縫隙滲入到基體中,與基體發生反應,由于該反應在涂層內部與基體進行,較硬的Fe-Si-Al化合物在鋁液的沖刷下,連帶著涂層一起被沖刷掉,此時基體裸露,直接與鋁合金液發生反應,如此周而復始,粘著逐漸加深。長壽命型芯粘著機制與中長壽命粘鋁型芯類似,只不過長壽命型芯涂層質量較好,發生熱疲勞以及涂層剝落現象推遲。因此,表面涂層的質量是型芯使用壽命的一個關鍵因素。
 
4 、結論
    ( 1) 型芯粘鋁的根本原因是熔融鋁液對鐵有很高的親和性,鋁液直接與基體發生鐵鋁反應生成Fe-Al-Si化合物,在高溫、高壓、高速鋁合金液沖刷作用下,生成物發生轉移,冷卻后附著在涂層表面。如此周而復始,反應產物富集越來越多,較多的生成物易使鋁液堆積,導致在涂層完整區域處粘著了大塊鋁合金,當鋁粘著嚴重而影響到壓鑄件表面質量或者影響壓鑄正常進行時,型芯被判定為失效。
 
    ( 2) 當型芯表面PVD涂層存在孔洞、裂紋、厚薄不均等缺陷,或涂層局部與基體結合薄弱,鋁液將較早地突破PVD涂層的防護而直接侵蝕到型芯基體,生成Fe-Al-Si 間相而引起鋁的粘著。當表面PVD涂層均勻而完整、并與基體結合良好
時,型芯使用壽命較長; 由于周期性冷熱循環沖擊作用,PVD涂層長時間服役后局部發生熱疲勞龜裂,鋁液侵蝕到型芯基體,最終同樣導致粘鋁失效。因此PVD涂層質量是影響型芯抵抗鋁合金液侵蝕和粘著的關鍵因素。
 
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