上海皮尔博格有色零部件公司 赵海峰

    摘要 表面粘铝是压铸模型芯常见的失效方式。采用OM、SEM、XRD 等手段对不同寿命型芯的表面与截面的形貌、组织、微区成分以及物相进行了分析。研究表明，当型芯表面PVD涂层存在缺陷时，铝合金液将较早地突破PVD 涂层的防护直接侵蚀型芯基体，生成Fe-Al-Si 中间相而引起铝的粘着。当表面PVD 涂层均匀而完整并与基体结合良好时，型芯服役寿命较长。因此，PVD 涂层质量是影响型芯抵抗铝合金液侵蚀和粘着的关键因素。

    关键词  粘铝  压铸型芯  PVD涂层  侵蚀
 

    压力铸造是汽车发动机铝合金缸体的主要生产方法，压铸模具质量是决定缸体质量的重要因素。提高压铸模质量和寿命对于降低企业的生产成本、提高经济效益至关重要。型芯是铝合金压铸模具系统中的重要组件，其失效形式有热疲劳、铝合金粘着、开裂、变形等。其中，铝液粘着是型芯失效的常见形式，当型芯使用到一定模次后，铝合金会粘着于型芯表面，压铸件尺寸精度因此受到影响; 当型芯表面粘铝较多时，导致脱模困难，内孔表面质量降低，影响正常生产。为了减缓粘铝，可以在铝合金液中加入Si 元素，并在浇铸时适当降低铝合金液的温度。另一方面，对型芯表面进行PVD、CVD 等工艺处理，使型芯表面形成一层致密稳定的高硬度薄膜涂层，可提高型芯表面的抗粘着性能、抗氧化性能以及耐磨性能。目前，对压铸模型芯进行渗氮+ Cr( Al) N 涂层的复合表面处理在铝合金压铸中得到了广泛应用。
 

    生产某型号发动机缸体所使用的型芯寿命一般为1万模次左右。但部分批次的型芯使用寿命普遍较短，在2 ～ 4千模次后就发生严重粘铝而早期失效。本文将对比分析早期失效型芯和长寿命型芯的组织和形貌特征，研究铝压铸型芯粘铝失效的行为与特点，探究其失效机制，以期改善型芯制造加工工艺、提高其使用寿命。
 

1、 试验材料和方法

1． 1 型芯的制造与服役条件

    某型号型芯采用H13钢( 化学成分如表1 所示) 制造，其加工工艺流程为: 棒料→粗加工→真空淬火-回火→精加工→渗氮→喷砂→PVD 涂覆。
 

 

     该铝合金压铸模服役条件较为苛刻，压铸AlSi9Cu3Fe铝合金发动机缸体时，铝合金液的铸造温度约670℃，注射速度约60m/s，喷涂模具-合模-浇注-压射-凝固-开模-推出-取出铸件整个压铸周期约为2min。压铸过程中，型芯周期性地受到铝合金液的高速冲刷，并且在开模时与铝合金铸件发生相对滑动。反复循环工作一定模次后，型芯表面局部会有铝合金粘着，尤其在正对浇口位置处铝合金粘着更为严重，当铝粘着严重而影响到压铸件表面质量或者影响压铸正常进行时，型芯判定为失效。
 

1． 2 分析与检测

    选取不同寿命粘铝型芯进行分析，所取试样表面均经过CrAlN涂层涂覆。取样于各型芯典型的粘铝部位，采用VHX600超景深显微镜进行表面形貌观察。本文以服役2899模次、5 799模次、11579模次后粘铝失效的型芯为例进行分析。为研究型芯从开始工作到粘铝失效过程表面涂层的变化情况，采用饱和NaOH 溶液清洗去除5799模次型芯表面粘着的铝合金，在超景深显微镜及SUPRA 40型扫描电镜下进行表面形貌观察和局部微区成分分析。同时，采用光学显微镜、扫描电镜对型芯粘铝部位的横截面进行观察与分析。并用Dax-2550型X射线衍射仪对型芯表面粘铝部位进行物相分析。
 

2、 试验结果与分析

2． 1 表面分析

2． 1． 1 粘铝表面形貌

    实际生产过程中，型芯服役到一定寿命发生粘铝失效。服役寿命不同，型芯表面铝合金粘着程度和形式不同。观察众多粘铝型芯发现，铝合金液粘着形式有两种，一是呈片状连续粘着，另一种是分散不连续粘着。短寿命型芯表面铝合金液通常呈大块片状粘附，如图1( a) 所示。对于中长寿命型芯而言，其表面既有片状粘着又有分散不连续粘着，如图1( b) 所示。11579 模次型芯属于长寿命型芯，其表面铝合金液以分散不连续粘着为主，如图1( c) 所示。 

 

 

    图2为5799 模次型芯粘铝部位去铝后的形貌，观察发现，去铝后型芯表面已经严重凹凸不平，并且在凹坑区域发生了氧化，见图2( a) 。利用SEM 观察图2( a) 标记区域处形貌，发现表面部分区域出现剥落现象，并在剥落区域发现凸起物，图2( b) 箭头标记处。另外在高倍下观察涂层完整区形貌，可发现涂层表面存在大小不等的孔洞，这是多弧离子镀技术制备薄膜的缺点之一。另外，型芯表面局部存在呈环状分布的微小裂纹，见图2( c) 箭头标记处。

 

    

    选取图2( b) 中典型的3 个位置A、B、C 进行点扫描分析，结果列于表2，可见不同位置处成分差异很大。A 处涂层完整，主要成分为Cr、Al、N;B 处主要成分为Fe、O、Cr、Si、V，未发现有Al、N元素，此处铝合金液已完全去除，PVD 涂层完全脱落，基体裸露; C 处为表面凸起物，其主要成分为Fe、O，还有少量的Al 和Cr。

 

 

                             
                           

2． 2 截面分析

2． 2． 1 截面金相

    图3 为几种典型的横截面粘铝形貌图，其中图3( a，b) 为2 899 模次型芯粘铝部位的截面图，图3( c，d) 为11 579 模次型芯粘铝部位的截面图。观察发现，不同寿命型芯的PVD 涂层都存在一定程度的缺陷( 孔洞、剥落等) ，见图3( a，c) 标记处，铝合金液嵌入或直接粘附在基体上。短寿命型芯上铝合金液粘着较多，大片粘铝部位涂层依旧完整，并且与涂层直接接触的物质有别于铝合金组织，呈灰色颗粒状堆积在涂层表面，如图3( b) 所示。观察长寿命11 579 模次型芯发现，在铝合金液的反复冲刷下，部分区域涂层已完全剥落，铝合金液与基体直接粘附，见图3( c) ，并且未粘着部位涂层较为完整，但部分出现剥落减薄现象，见图3( d) 。
 

 

2.2.2 EDS 能谱分析

    借用EDS 对2 899 及11 579 模次型芯横截面不同位置进行能谱分析，选取3 个特征位置进行说明，点扫位置见图4，元素分布结果列于表3。

 

     图4( a) 为2899模次型芯粘铝部位SEM图，此位置涂层完整，但铝合金液粘着较多，且由两种不同颜色的相层组成，紧靠涂层的相层颜色较浅，经EDS能谱分析1点位置可知，此物质主要元素组成为Fe、Al、Si。图4( b) 为长寿命型芯涂层剥落区域截面形貌，此处铝合金液直接与基体粘附，基体同样由两种不同颜色的相层组成，紧靠涂层的相层颜色较浅。经EDS 能谱分析2、3点位置可知，2点浅色物质主要元素组成为Fe、Al、Si，3 点元素组成为铝合金液成分构成元素: Fe、Al、Si、Cu。由此可见，在铝合金粘着区域，无论是涂层完整还是剥落，紧靠涂层或是基体的物质主要元素组成相同，即为Fe-Al-Si 相。
 

 

 

2． 3 XRD 物相分析

    图5 为不同模次型芯表面的XRD 图谱，其中11579 模次及2899 模次型芯扫描区域为粘铝部位，5799 模次型芯扫描位置为去铝后表面，另选取未工作型芯作为对比。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，衍射峰为CrN、AlN 以及基体Fe峰。2899 模次和11579模次的粘铝型芯的XRD峰基本一致，为CrN、AlN、Fe、以及Al 峰，并且由图中可看出，2899 模次和11579模次型芯均出现了Al15Fe6Si5峰，结合EDS能谱分析可知，此物质为铝合金液与基体反应的产物。

 

3、 分析与讨论

    压铸生产过程中，型芯受到熔融铝合金液的高速、高压冲刷，反复循环工作后，铝合金液会成片或者零散地附着于型芯正对浇口位置，其中短寿命型芯表面以片状粘铝为主，长寿命型芯上铝合金液粘着较为分散。型芯均经过渗氮加CrAlN涂层复合处理，生产过程中，型芯服役寿命不一，有的型芯仅使用较低模次( 0 ～ 4000 模次) 就出现粘铝失效，部分型芯寿命较长，高达1 万模次以上。对比长寿命与短寿命型芯发现，其表面粘铝部位XRD物相的峰基本一致，为CrN、AlN、Fe、Al 以及Al15Fe6Si5的峰。短寿命型芯较早地出现大片粘着，部分铝合金液粘着在涂层的孔洞及剥落处，但大部分粘着区域涂层依旧完整。受铝液反复冲刷后，短寿命型芯涂层较早出现剥离脱落，其涂层缺陷( 孔洞、不连续) 较长寿命型芯多，此时铝合金液易通过这些缺陷渗透到基体，与基体发生反应生成Fe-Al-Si化合物，在铝合金液冲刷作用下，生成物随着铝合金液流动发生转移，后冷却附着在涂层表面。如此周而复始，反应产物富集越来越多，较多的生成物易使铝液堆积，导致在涂层完整区域处粘着大块铝合金。中长寿命粘铝型芯( 5799模次) 去铝后表面凹凸不平，涂层呈片状剥落较多，并且在涂层完整区发现有呈环状分布的微小裂纹。这是由于型芯工作时，经受周期性的加热与冷却，表面出现热疲劳龟裂，裂纹呈环状分布，在反复铝合金液冲击作用下，铝合金液通过缝隙渗入到基体中，与基体发生反应，由于该反应在涂层内部与基体进行，较硬的Fe-Si-Al化合物在铝液的冲刷下，连带着涂层一起被冲刷掉，此时基体裸露，直接与铝合金液发生反应，如此周而复始，粘着逐渐加深。长寿命型芯粘着机制与中长寿命粘铝型芯类似，只不过长寿命型芯涂层质量较好，发生热疲劳以及涂层剥落现象推迟。因此，表面涂层的质量是型芯使用寿命的一个关键因素。
 

4 、结论

    ( 1) 型芯粘铝的根本原因是熔融铝液对铁有很高的亲和性，铝液直接与基体发生铁铝反应生成Fe-Al-Si化合物，在高温、高压、高速铝合金液冲刷作用下，生成物发生转移，冷却后附着在涂层表面。如此周而复始，反应产物富集越来越多，较多的生成物易使铝液堆积，导致在涂层完整区域处粘着了大块铝合金，当铝粘着严重而影响到压铸件表面质量或者影响压铸正常进行时，型芯被判定为失效。
 

    ( 2) 当型芯表面PVD涂层存在孔洞、裂纹、厚薄不均等缺陷，或涂层局部与基体结合薄弱，铝液将较早地突破PVD涂层的防护而直接侵蚀到型芯基体，生成Fe-Al-Si 间相而引起铝的粘着。当表面PVD涂层均匀而完整、并与基体结合良好

时，型芯使用寿命较长; 由于周期性冷热循环冲击作用，PVD涂层长时间服役后局部发生热疲劳龟裂，铝液侵蚀到型芯基体，最终同样导致粘铝失效。因此PVD涂层质量是影响型芯抵抗铝合金液侵蚀和粘着的关键因素。