鋁合金壓鑄模是熱作模具鋼的應(yīng)用領(lǐng)域之一，通常服役環(huán)境較為嚴(yán)苛。人們通過不斷改進(jìn)應(yīng)用的鋼種、表面改性技術(shù)以及專門設(shè)計(jì)的潤滑劑，以限制鋁液和模具的粘鋁。目前，關(guān)于潤滑劑與模具表面之間的相互作用以及表面精加工水平影響的研究較少。
本次研究中準(zhǔn)備了兩種不同粗糙度的模具鋼試樣（拋光和噴丸）。除了對鋼和表面進(jìn)行基本的表征之外，還利用了兩個(gè)專用試驗(yàn)臺架研究了潤滑劑-模具鋼表面-鋁合金之間的相互作用。其中一個(gè)試驗(yàn)臺架用于研究模具表面與潤滑劑的耦合機(jī)理，另一個(gè)試驗(yàn)臺架用于熔融鋁液中進(jìn)行循環(huán)浸泡實(shí)驗(yàn)。通過對比循環(huán)后得到的裂紋和腐蝕坑的數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)試驗(yàn)結(jié)果與樣品的表面光潔度相關(guān)。
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1 引言
熱作模具鋼通常用于許多不同的工業(yè)生產(chǎn)中，這類材料在金屬成型（如壓鑄、熱鍛、擠壓等）領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用，且主要應(yīng)用于高生產(chǎn)效率的液態(tài)金屬成型工藝中。在液態(tài)鋁合金成型技術(shù)中，高壓壓鑄因其周期短、生產(chǎn)效率高而成為應(yīng)用最為廣泛的技術(shù)之一。沖蝕、腐蝕、磨損和熱疲勞等涉及表面的失效機(jī)制，是輕合金模具失效的主要原因，主要由于壓鑄模具服役時(shí)具有高的服役溫度、高的熔液流速和高的注射壓力。盡管模具潤滑劑已經(jīng)得到應(yīng)用，但由于涉及復(fù)雜的化學(xué)、冶金和機(jī)械過程，這些惡劣的條件都會對模具表面造成損害。不同的失效形式其主導(dǎo)機(jī)制也不同：模具粘鋁（腐蝕和粘合），沖蝕（侵蝕）和熱開裂（熱疲勞開裂）。在服役過程中，模具表面粘鋁導(dǎo)致壓鑄過程產(chǎn)生嚴(yán)重的問題。過去幾年中，許多研究者研究并設(shè)計(jì)了新的工程解決方案，通過PVD技術(shù)在表面沉積具有保護(hù)性的硬涂層或擴(kuò)散處理，特別是通過離子滲氮和復(fù)合處理來強(qiáng)化表面。對于潤滑劑的研究，主要是表征其性能，而不考慮潤滑劑與模具表面光潔度之間的相互作用。盡管一些文獻(xiàn)強(qiáng)調(diào)了表面粗糙度和拔模力之間的關(guān)系，但沒有專門研究表面處理、潤滑劑和熔融鋁液接觸時(shí)的相互作用。
本文研究了模具表面粗糙度對模具服役性能的影響。在靜態(tài)和動態(tài)條件下，將表面處理與潤滑劑潤濕和鋁液潤濕進(jìn)行關(guān)聯(lián)設(shè)計(jì)了不同的試驗(yàn)。本文以熱作模具鋼為試驗(yàn)材料，對不同形狀的試樣（盤狀或銷狀）進(jìn)行熱處理，并通過拋光或噴丸處理其表面，使其表面粗糙度分別達(dá)到0.08μm和0.4μm，之后進(jìn)行了接觸角測量和特殊噴涂試驗(yàn)，以研究靜態(tài)和動態(tài)條件下鋼-潤滑劑的潤濕性。采用熔融金屬澆注試驗(yàn)研究了有無潤滑劑的條件下鋁液與鋼發(fā)生粘鋁的趨勢。為了實(shí)現(xiàn)模具的動態(tài)服役條件，采用交替熔融鋁液/潤滑劑浸潤試驗(yàn)，通過試驗(yàn)和數(shù)值模擬，勾勒出試樣表面的溫度分布和試驗(yàn)過程中可能產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力。在試驗(yàn)過程中監(jiān)測表面損傷的演化，并與之前的發(fā)現(xiàn)進(jìn)行比較。
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2 試驗(yàn)材料與方法
2.1 試驗(yàn)材料
試驗(yàn)所用到的材料為模具鋼，其化學(xué)成分如表1所示。采用真空熱處理將材料硬度調(diào)至47-48HRC：1025℃奧氏體化30min；在5bar的氮?dú)鈮毫ο麓慊?；一次回火?50℃保溫2h；二次回火為600℃保溫2h。
表1 模具鋼的標(biāo)準(zhǔn)化學(xué)成分[wt%]
2.2 試驗(yàn)方法
采用圓盤狀試樣（直徑33mm，厚度5mm）對模具鋼的表面形貌、潤滑劑在模具鋼表面的潤濕角、模具潤滑劑噴涂的動態(tài)響應(yīng)以及鋁合金在工具鋼表面的粘鋁傾向進(jìn)行了表征。在鋁液中循環(huán)浸泡時(shí)，采用半球形和空心圓柱體組合形狀的試樣（如圖1所示）。為了在試驗(yàn)時(shí)提供兩種不同的表面處理狀態(tài)，制備了兩種類型的試樣：用SiC砂紙打磨和細(xì)顆粒噴丸。通過配有5μm半徑觸針的Hommel-Werke T1000接觸式輪廓儀測量兩種試樣的粗糙度。噴丸和拋光后的Ra分別為0.4μm和0.05μm。
圖1 熔融鋁合金循環(huán)浸泡試驗(yàn)所用的試樣
使用SiC砂紙打磨并用顆粒度小于1μm的金剛石膏進(jìn)行拋光，使用Reichert Jung MeF4光學(xué)顯微鏡觀察鋼的出廠態(tài)和熱處理狀態(tài)的微觀組織，所用的腐蝕液為硝酸酒精。利用Leo 1450 VP型掃描電子顯微鏡（SEM）觀察試驗(yàn)前后的表面形貌。圖2為模具鋼的退火態(tài)和淬回火態(tài)組織。
圖2 退火（左圖）和淬回火（右圖）狀態(tài)下模具鋼的微觀組織
為了確定鋼和壓鑄潤滑劑在水溶液中的相容性進(jìn)行了潤濕性試驗(yàn)。使用的潤滑劑為商用硅基模具潤滑劑A. Cesana Lubrix4065，建議將1L的潤滑劑稀釋成25L。在噴淋試驗(yàn)和鋁液循環(huán)浸泡試驗(yàn)中也使用該種潤滑劑。在靜滴模式下進(jìn)行潤濕角測量，滴液體積為6μL。每個(gè)試驗(yàn)重復(fù)4次。
噴涂試驗(yàn)在試驗(yàn)臺上進(jìn)行，該試驗(yàn)臺包括（1）用2bar空氣壓力噴涂稀釋潤滑劑的系統(tǒng)；（2）承載圓盤試樣的試樣架，一半表面打磨，一半表面噴丸；（3）配備高速CMOS相機(jī)（視覺研究Miro C110）的數(shù)字影像優(yōu)化光學(xué)顯微鏡（Leica VZ85R），圖像采集速度為每秒1500幀。在噴丸和拋光面上噴涂稀釋的壓鑄潤滑劑，目的是評估模具鋼的表面兩種精加工狀態(tài)對服役條件下典型潤滑劑的響應(yīng)。
鋁液粘鋁試驗(yàn)在特定的試驗(yàn)臺上進(jìn)行。在小坩堝中融化一定量的鋁合金（AlSi8CuFe），并在750°C的溫度下澆注在盤形試樣表面。在多個(gè)有無潤滑劑條件的試樣上重復(fù)該試驗(yàn)。熔融鋁液凝固后，將凝固鋁合金和鋼粘鋁的試樣切成兩半，評估鋼（拋光/噴丸）和鋁沉積物之間的界面。此外，還去除鋁沉積層，通過SEM和EDS分析兩個(gè)表面的形態(tài)，以檢測是否存在腐蝕點(diǎn)。
最后對空心圓柱試樣進(jìn)行了鋁液循環(huán)浸泡試驗(yàn)。該試驗(yàn)在一個(gè)特殊的試驗(yàn)臺上進(jìn)行，試樣交替浸入熔融鋁合金槽和壓鑄潤滑劑中，潤滑劑的稀釋度與前述試驗(yàn)相同。該試驗(yàn)所用的鋁合金和粘鋁試驗(yàn)相同，熔池溫度為750℃并用K型熱電偶定期測定。稀釋潤滑劑槽中的溫度設(shè)定為25℃，每個(gè)循環(huán)包括加熱階段和冷卻階段4s的浸泡時(shí)間。試樣內(nèi)腔設(shè)置了一個(gè)循環(huán)冷卻水道，溫度設(shè)定為25℃。熱循環(huán)過程通過在特定位置設(shè)定熱電偶，測量整個(gè)試驗(yàn)過程中的溫度，通過數(shù)值模擬確定整個(gè)截面的熱循環(huán)。在特定的循環(huán)后，用沸騰的飽和NaOH水溶液清洗試樣，以消除試驗(yàn)過程中產(chǎn)生的潤滑油污垢。在中間的清潔步驟中，對上表面的形態(tài)進(jìn)行研究，并在試驗(yàn)結(jié)束后，切割試樣研究其橫截面。
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3 結(jié)果與討論
3.1 靜滴試驗(yàn)
在靜滴模式20s后測量靜接觸角。圖3清楚的表明，兩種表面加工狀態(tài)對潤滑油具有不同的潤濕性。其中噴丸表面具有更高的潤濕性，允許液滴擴(kuò)展的更寬，從而產(chǎn)生低的接觸角。
圖3 模具鋼噴丸和拋光表面潤濕性試驗(yàn)結(jié)果
3.2 噴涂試驗(yàn)
當(dāng)通過稀釋的壓鑄潤滑劑在短時(shí)間內(nèi)噴涂數(shù)滴來反映動態(tài)的情況時(shí)，就不能再使用潤濕性試驗(yàn)。此時(shí)通過具有高FPS的相機(jī)記錄視頻，評估了潤滑劑在鋼表面擴(kuò)散過程的演變。圖4顯示了試驗(yàn)記錄的結(jié)果。
圖4 模具鋼拋光（每個(gè)時(shí)間段拍攝的照片的左側(cè)）和噴丸（每個(gè)時(shí)間段拍攝照片的右側(cè)）表面壓鑄潤滑劑液滴的擴(kuò)散演變
在噴涂試驗(yàn)中，連續(xù)的潤滑油膜在0.04s后形成，在拋光表面，較低的潤濕性阻礙了連續(xù)油膜的形成，留下了一些未被潤滑劑覆蓋的區(qū)域。如5為拋光和噴丸部分表面上潤滑油膜形成的模型。
圖5 模具鋼拋光和噴丸表面潤滑油膜形成的模型
3.2 熱熔損試驗(yàn)
對于粘鋁試驗(yàn)，鋁合金很容易黏附在未潤滑的樣品上，甚至用磨盤切割后，鋼和鋁沉積物之間的結(jié)合也很緊密。然而鋁沉積層與拋光模具鋼表面之間的界面時(shí)連續(xù)的（圖6，左側(cè)），而鋁沉積層與噴丸表面之間的截面出現(xiàn)了幾個(gè)空隙（圖6，右側(cè)）。去除鋁的沉積物后對鋼的表面進(jìn)行研究進(jìn)一步證明，鋁合金在拋光的表面更容易產(chǎn)生粘鋁，并且在拋光表面可以很清楚的觀察到鋁斑點(diǎn)，因此證明了粗糙表面由于接觸面積較小從而限制了粘鋁的出現(xiàn)。然而，一旦在粘鋁試驗(yàn)前將潤滑油涂在鋼的表面，兩個(gè)位置的鋁粘鋁可以忽略不記，這是由于熔融鋁合金和鋼基體之間單次接觸循環(huán)所導(dǎo)致的，下述的鋁液循環(huán)浸泡試驗(yàn)證明了這一點(diǎn)。
圖6 鋁沉積層與拋光模具鋼（左側(cè)）噴丸模具鋼（右側(cè)）界面的橫截面
循環(huán)浸泡試驗(yàn)的設(shè)置時(shí)根據(jù)一些前期的試驗(yàn)確定的，通過這些試驗(yàn)收集了帶有測量裝置的試樣和紅外熱像儀記錄的數(shù)據(jù)（圖7），并用于校準(zhǔn)數(shù)值模擬的溫度分布（圖8）。在試樣的中間高度進(jìn)行熱電偶和紅外記錄，以獲得中間區(qū)域的溫度信息（端帽位置的溫度最高）。數(shù)值模擬同樣關(guān)注試樣中部的情況。這些初步的試驗(yàn)有助于確定交替浸沒的最佳時(shí)間和溫度循環(huán)，以預(yù)測試驗(yàn)過程中加熱階段和冷卻階段試樣壁的最大和最小表面溫度以及溫度梯度。尤其是當(dāng)熔融鋁液溫度設(shè)置為750℃且浸泡時(shí)間為4s時(shí)，預(yù)計(jì)樣品中部表面的溫度峰值略高于300℃，同一位置處循環(huán)的最低溫度預(yù)計(jì)約140℃，中部位置在循環(huán)加熱階段的溫度梯度為100℃，在冷卻階段約為50℃。
圖7 使用帶有測量裝置的試樣和紅外熱敏相機(jī)（左圖）進(jìn)行校準(zhǔn)試驗(yàn)，從熔融鋁液中取出試樣后的紅外圖像（右圖）
圖8 試樣在熔融鋁液中（a）和冷卻槽中（b）從內(nèi)腔表面（左側(cè)）到試樣外表面的溫度梯度（右側(cè)）
初始條件設(shè)置后，對兩個(gè)試樣進(jìn)行循環(huán)浸泡試驗(yàn)，每個(gè)樣品一半拋光另一半噴丸處理。試驗(yàn)的最大持續(xù)時(shí)間為4000次循環(huán)，在1000次和2500次循環(huán)時(shí)對試樣進(jìn)行損傷檢查，以揭示損傷機(jī)制的進(jìn)展。
沿拋光/噴丸界面的區(qū)域用于研究表面損傷的演變，此外還研究了不同表面光潔度條件下兩側(cè)中間的區(qū)域。拋光表面的腐蝕從早期浸漬循環(huán)開始，僅在1000次循環(huán)后腐蝕點(diǎn)和腐蝕坑的存在就變得很明顯（圖9）。值得注意的是，早期形成的凹坑不會隨著循環(huán)次數(shù)的增加而明顯擴(kuò)展。在4000次循環(huán)后，沒有證據(jù)表明這些腐蝕坑出現(xiàn)擴(kuò)大和合并：凹坑的覆蓋的面積沒有改變，但凹坑的深度可能會出現(xiàn)變化。在整個(gè)拋光面上出現(xiàn)了大量擴(kuò)展的腐蝕區(qū)域，而在噴丸表面，腐蝕坑的數(shù)量和擴(kuò)展情況可以忽略不計(jì)。另一方面，試驗(yàn)過程中并沒有出現(xiàn)熱疲勞現(xiàn)象，可能是由于試驗(yàn)過程中溫度梯度有限，通過掃描電鏡僅觀察到氧化膜上存在一些細(xì)小的裂紋。
在完成4000次循環(huán)時(shí)，停止試驗(yàn)并分析試樣。拋光側(cè)無凹坑處的Ra值從試驗(yàn)開始到結(jié)束時(shí)的變化范圍為0.07 ~ 0.18 μm。凹坑處的Ra值為0.75μm。噴丸表面從試驗(yàn)開始到結(jié)束保持著穩(wěn)定的Ra值（0.40~0.44μm）。
噴丸表面獲得更好結(jié)果的原因是：1）表面的凹坑可以儲存一定的潤滑劑，且表面凸起有助于沖擊液滴使其破碎，促進(jìn)其在微凸起中擴(kuò)散。2）表面波浪形的輪廓限制了鋼和鋁液的接觸點(diǎn)的數(shù)量。第一點(diǎn)解釋了粗糙表面儲存潤滑劑并能在有限的時(shí)間里將潤滑劑均勻攤開，形成完整的潤滑劑膜。第二點(diǎn)說明了熔融金屬與模具表面的接觸面減少。
圖9 在熔融鋁合金中循環(huán)浸泡的模具鋼試樣拋光和噴丸側(cè)表面形貌的演變
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4 結(jié)論
本文研究了不同表面處理?xiàng)l件下熱作模具鋼和壓鑄用潤滑劑的相互作用。通過研究潤濕角、潤滑劑在鋼表面的擴(kuò)散以及鋁合金在粗糙和拋光表面的粘鋁傾向等，探討了不同表面處理情況下的效果。實(shí)際上，粗糙的表面輪廓會產(chǎn)生毛細(xì)力，有助于將噴射的潤滑劑液滴破碎，從而有利于潤滑劑液滴的擴(kuò)散和形成新的連續(xù)的潤滑油膜。
噴丸表面與鋁合金粘鋁的傾向降低，可以通過減少接觸面積和增強(qiáng)了潤滑劑儲存能力的協(xié)同效應(yīng)來解釋，其結(jié)果是形成較少的腐蝕坑，并且試驗(yàn)前后表面粗糙度的變化極為有限。另一方面，光滑表面的潤濕性和儲存潤滑劑的能力較差，因此相較于噴丸試樣，拋光試樣更容易出現(xiàn)粘鋁、形成腐蝕凹坑且表面粗糙度波動較大。這些方面都會對熱作模具鋼在鋁合金壓鑄應(yīng)用中造成明顯的影響，導(dǎo)致鑄造零件的質(zhì)量迅速下降。
除此之外，模具表面拋光是一個(gè)復(fù)雜且昂貴的過程，因此只在一些特殊應(yīng)用中用到，例如光學(xué)應(yīng)用的鑄件。然而，噴丸表面只有在充分潤滑的條件下才能夠減少腐蝕。實(shí)際上，如果潤滑條件較差，表面的波峰和波谷會成為優(yōu)先腐蝕的位置。
