趙海峰 陸佳暉 馮寧寧 岳加佳 蘇愛民 閔永安

(1.上海皮爾博格有色零部件公司，上海 200072；2.省部共建高品質(zhì)特殊鋼冶金與制備國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室、上海市鋼鐵冶金新技術(shù)開發(fā)應(yīng)用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室和上海大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，上海 200072)

壓力鑄造是汽車發(fā)動機(jī)鋁合金缸體的主要生產(chǎn)方法，壓鑄模具質(zhì)量是決定缸體質(zhì)量的重要因素[1- 2]。提高壓鑄模質(zhì)量和壽命對于降低企業(yè)的生產(chǎn)成本、提高經(jīng)濟(jì)效益至關(guān)重要。

型芯是鋁合金壓鑄模具系統(tǒng)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[3]。其中，鋁液粘著是型芯失效的常見形式，當(dāng)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(dāng)型芯表面粘鋁較多時(shí)，導(dǎo)致脫模困難，內(nèi)孔表面質(zhì)量降低，影響正常生產(chǎn)[4- 5]。

為了減緩粘鋁，可以在鋁合金液中加入Si元素[6]，并在澆鑄時(shí)適當(dāng)降低鋁合金液的溫度[7]。另一方面，對型芯表面進(jìn)行PVD、CVD等工藝處理，使型芯表面形成一層致密穩(wěn)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[8- 10]。目前，對壓鑄模型芯進(jìn)行滲氮+Cr(Al)N涂層的復(fù)合表面處理在鋁合金壓鑄中得到了廣泛應(yīng)用[11- 12]。

生產(chǎn)某型號發(fā)動機(jī)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(fā)生嚴(yán)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(diǎn)，探究其失效機(jī)制，以期改善型芯制造加工工藝、提高其使用壽命。

1 試驗(yàn)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(xué)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。

表1 H13鋼化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù))Table 1 Chemical composition of H13 steel(mass fraction) %

該鋁合金壓鑄模服役條件較為苛刻，壓鑄AlSi9Cu3Fe鋁合金發(fā)動機(jī)缸體時(shí)，鋁合金液的鑄造溫度約670 ℃，注射速度約60 m/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2 min。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(shí)與鋁合金鑄件發(fā)生相對滑動。反復(fù)循環(huán)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(yán)重，當(dāng)鋁粘著嚴(yán)重而影響到壓鑄件表面質(zhì)量或者影響壓鑄正常進(jìn)行時(shí)，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(jìn)行分析，所取試樣表面均經(jīng)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(jìn)行表面形貌觀察。本文以服役2 899模次、5 799模次、11 579模次后粘鋁失效的型芯為例進(jìn)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5 799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(jìn)行表面形貌觀察和局部微區(qū)成分分析。同時(shí)，采用光學(xué)顯微鏡、掃描電鏡對型芯粘鋁部位的橫截面進(jìn)行觀察與分析。并用Dμax- 2550型X射線衍射儀對型芯表面粘鋁部位進(jìn)行物相分析。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 表面分析

2.1.1 粘鋁表面形貌

實(shí)際生產(chǎn)過程中，型芯服役到一定壽命發(fā)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(fā)現(xiàn)，鋁合金液粘著形式有兩種，一是呈片狀連續(xù)粘著，另一種是分散不連續(xù)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(xù)粘著，如圖1(b)所示。11 579模次型芯屬于長壽命型芯，其表面鋁合金液以分散不連續(xù)粘著為主，如圖1(c)所示。

圖1 (a)2 899模次、(b)5 799模次和(c)11 579模次型芯的表面形貌Fig.1 Surface patterns of the cores subjected to service of (a) 2 899 times,(b) 5 799 times and (c) 11 579 times

圖2為5 799模次型芯粘鋁部位去鋁后的形貌，觀察發(fā)現(xiàn),去鋁后型芯表面已經(jīng)嚴(yán)重凹凸不平，并且在凹坑區(qū)域發(fā)生了氧化，見圖2(a)。利用SEM觀察圖2(a)標(biāo)記區(qū)域處形貌，發(fā)現(xiàn)表面部分區(qū)域出現(xiàn)剝落現(xiàn)象，并在剝落區(qū)域發(fā)現(xiàn)凸起物，圖2(b)箭頭標(biāo)記處。另外在高倍下觀察涂層完整區(qū)形貌，可發(fā)現(xiàn)涂層表面存在大小不等的孔洞，這是多弧離子鍍技術(shù)制備薄膜的缺點(diǎn)之一。另外，型芯表面局部存在呈環(huán)狀分布的微小裂紋，見圖2(c)箭頭標(biāo)記處。

圖2 5 799模次型芯粘鋁部位去鋁后的(a)超景深形貌和(b,c)SEM形貌Fig.2 (a) Depth of field microscope and (b,c) SEM morphologies of the core subjected to service of 5 799 times after removing aluminum

選取圖2(b)中典型的3個位置A、B、C進(jìn)行點(diǎn)掃描分析，結(jié)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(fā)現(xiàn)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(fā)現(xiàn)，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(biāo)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(zhì)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(fā)現(xiàn)，在鋁合金液的反復(fù)沖刷下，部分區(qū)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(xiàn)剝落減薄現(xiàn)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(jìn)行能譜分析，選取3個特征位置進(jìn)行說明，點(diǎn)掃位置見圖4，元素分布結(jié)果列于表3。圖4(a)為2 899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(jīng)EDS能譜分析1點(diǎn)位置可知，此物質(zhì)主要元素組成為Fe、Al、Si。圖4(b)為長壽命型芯涂層剝落區(qū)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(jīng)EDS能譜分析2、3點(diǎn)位置可知，2點(diǎn)淺色物質(zhì)主要元素組成為Fe、Al、Si，3點(diǎn)元素組成為鋁合金液成分構(gòu)成元素：Fe、Al、Si、Cu。由此可見，在鋁合金粘著區(qū)域，無論是涂層完整還是剝落，緊靠涂層或是基體的物質(zhì)主要元素組成相同，即為Fe- Al- Si相。

圖3 (a,b)2 899模次和(c,d)11 579模次型芯截面的微觀組織Fig.3 Microstructures of cross- sections of the cores subjected to service of (a,b)2 899 times and (c,d) 11 579 times

圖4 (a)2 899模次和(b)11 579模次粘鋁型芯的點(diǎn)掃位置圖Fig.4 Point scan location graphs of the aluminum- adhering cores subjected to service of (a) 2 899 times and (b) 11 579 times

表3 型芯截面典型位置的能譜成分分析(質(zhì)量分?jǐn)?shù))Table 3 Energy spectrum analysis on typical positions of core section (mass fraction) %

2.3 XRD物相分析

圖5為不同模次型芯表面的XRD圖譜，其中11 579模次及2 899模次型芯掃描區(qū)域?yàn)檎充X部位，5 799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5 799模次型芯的XRD峰基本一致，衍射峰為CrN、AlN以及基體Fe峰。2 899模次和11 579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，2 899模次和11 579模次型芯均出現(xiàn)了Al15Fe6Si5峰，結(jié)合EDS能譜分析可知，此物質(zhì)為鋁合金液與基體反應(yīng)的產(chǎn)物。

圖5 不同壽命型芯表面的XRD圖譜Fig.5 XRD patterns of the cores used for different times

3 分析與討論

壓鑄生產(chǎn)過程中，型芯受到熔融鋁合金液的高速、高壓沖刷，反復(fù)循環(huán)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(jīng)過滲氮加CrAlN涂層復(fù)合處理，生產(chǎn)過程中，型芯服役壽命不一，有的型芯僅使用較低模次(0～4 000模次)就出現(xiàn)粘鋁失效，部分型芯壽命較長，高達(dá)1萬模次以上。對比長壽命與短壽命型芯發(fā)現(xiàn)，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(xiàn)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(qū)域涂層依舊完整。受鋁液反復(fù)沖刷后，短壽命型芯涂層較早出現(xiàn)剝離脫落，其涂層缺陷(孔洞、不連續(xù))較長壽命型芯多，此時(shí)鋁合金液易通過這些缺陷滲透到基體，與基體發(fā)生反應(yīng)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(fā)生轉(zhuǎn)移，后冷卻附著在涂層表面。如此周而復(fù)始，反應(yīng)產(chǎn)物富集越來越多，較多的生成物易使鋁液堆積，導(dǎo)致在涂層完整區(qū)域處粘著大塊鋁合金。

中長壽命粘鋁型芯(5 799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(qū)發(fā)現(xiàn)有呈環(huán)狀分布的微小裂紋。這是由于型芯工作時(shí)，經(jīng)受周期性的加熱與冷卻，表面出現(xiàn)熱疲勞龜裂，裂紋呈環(huán)狀分布，在反復(fù)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(fā)生反應(yīng)，由于該反應(yīng)在涂層內(nèi)部與基體進(jìn)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(shí)基體裸露，直接與鋁合金液發(fā)生反應(yīng)，如此周而復(fù)始，粘著逐漸加深[13- 14]。長壽命型芯粘著機(jī)制與中長壽命粘鋁型芯類似，只不過長壽命型芯涂層質(zhì)量較好，發(fā)生熱疲勞以及涂層剝落現(xiàn)象推遲。因此，表面涂層的質(zhì)量是型芯使用壽命的一個關(guān)鍵因素。

4 結(jié)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(fā)生鐵鋁反應(yīng)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(fā)生轉(zhuǎn)移，冷卻后附著在涂層表面。如此周而復(fù)始，反應(yīng)產(chǎn)物富集越來越多，較多的生成物易使鋁液堆積，導(dǎo)致在涂層完整區(qū)域處粘著了大塊鋁合金，當(dāng)鋁粘著嚴(yán)重而影響到壓鑄件表面質(zhì)量或者影響壓鑄正常進(jìn)行時(shí)，型芯被判定為失效。

(2)當(dāng)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(jié)合薄弱，鋁液將較早地突破PVD涂層的防護(hù)而直接侵蝕到型芯基體，生成Fe- Al- Si中間相而引起鋁的粘著。當(dāng)表面PVD涂層均勻而完整、并與基體結(jié)合良好時(shí)，型芯使用壽命較長；由于周期性冷熱循環(huán)沖擊作用，PVD涂層長時(shí)間服役后局部發(fā)生熱疲勞龜裂，鋁液侵蝕到型芯基體，最終同樣導(dǎo)致粘鋁失效。因此PVD涂層質(zhì)量是影響型芯抵抗鋁合金液侵蝕和粘著的關(guān)鍵因素。