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鋁合金熔融溫度為580~740℃，鋁合金壓鑄模具除了承受這種高溫沖擊外，還要承受注入型腔內(nèi)的壓力沖擊，隨之帶來(lái)的與熔融鋁合金接觸部位的熱沖蝕、熱磨損，還有模具本身冷卻帶來(lái)的冷熱疲勞，使模具工作環(huán)境惡劣、工作條件苛刻。鋁合金壓鑄模具的試驗(yàn)壽命比較低，40000~100000模次，主要失效形式為熱疲勞，占60%~80%。鋁合金壓鑄模具的這種苛刻工作條件，要求具有耐熱疲勞、耐熱磨、耐腐蝕、耐沖擊等性能。

為了解決這個(gè)問(wèn)題人們提出了很多表面處理技術(shù)，其中表面氮化處理比較多，也提高了使用壽命。但是，至今還沒(méi)看到利用控制氮化質(zhì)量提高使用壽命，只是提到氮化層中的化合物層、脈狀組織影響使用壽命。通過(guò)分析明確了氮化層中化合物層和脈狀組織是產(chǎn)生澆口套早期失效的主要原因，控制并保證合理的氮化層質(zhì)量能夠提高鋁合金壓鑄模具的使用壽命。

1.取樣

利用常規(guī)氣體氮化方法處理的鋁合金壓鑄模具澆口套使用壽命過(guò)低，需要分析氮化質(zhì)量對(duì)使用壽命的影響，為此取了原始氮化層狀態(tài)和失效后氮化層狀態(tài)，進(jìn)行了對(duì)比分析。如圖1所示，從壁厚45mm圓通狀澆口套取原始氮化層狀態(tài)的外圓弧和失效后氮化層狀態(tài)的內(nèi)圓弧，以便對(duì)比分析兩種氮化層狀態(tài)。

（a）澆口套    （b）內(nèi)圓?。ㄊ妫?nbsp;  （c）外圓弧

圖1失效澆口套取樣部位

2.分析結(jié)果

（1）失效內(nèi)圓弧宏觀狀態(tài)

利用體式顯微鏡觀察到的內(nèi)圓弧宏觀狀態(tài)如圖2所示，澆口套內(nèi)壁面產(chǎn)生了嚴(yán)重的微裂紋和掉塊。

（a）                                       （b）

圖2 內(nèi)圓弧宏觀狀態(tài)

（2）原始氮化層和失效氮化層狀態(tài)

如圖3、圖4所示，澆口套非工作面外圓弧原始氮化層比較厚（見(jiàn)圖3a）、化合物層（白亮層）達(dá)到10~12μm（見(jiàn)圖3b）、擴(kuò)散層中脈狀組織密集、氮化層中高硬度區(qū)達(dá)到150μm左右（見(jiàn)圖4）。

（a）外圓?。?00×）   （b）外圓弧（500×）

圖3  原始氮化層

圖4  外圓弧氮化層參數(shù)

如圖5所示，澆口套工作面內(nèi)圓弧失效氮化層中已經(jīng)看不到化合物層（見(jiàn)圖5a）、低倍氮化層中看到相對(duì)密集的掉塊（見(jiàn)圖5b）、高倍氮化層中看到沿晶界脆斷掉塊痕跡（見(jiàn)圖5c）。

（a）內(nèi)圓?。?0×）  （b）內(nèi)圓弧（100×）  （c）內(nèi)圓?。?00×）

圖5 失效氮化層狀態(tài)

3.分析與討論

非工作面外圓弧氮化狀態(tài)反映該零部件的原始氮化狀態(tài)，氮化層中化合物層比較厚、脈狀組織比較密集、硬度梯度不平緩，說(shuō)明原始氮化處于過(guò)氮化狀態(tài)?；衔飳邮怯钟灿执嗟慕M織，與其他部位膨脹系數(shù)差距比較大，受到外力沖擊和冷熱沖擊時(shí)容易破裂，工作面內(nèi)圓弧失效氮化層中化合物層受到鋁合金熔液注入沖擊和模具工作冷熱沖擊而破裂掉塊，已經(jīng)看不到化合物層。

擴(kuò)散層中的脈狀組織多沿低能量晶界析出，使晶界脆弱，是氮化層中“微裂紋”，受到鋁合金注入沖擊容易破裂掉塊。脈狀組織形成網(wǎng)狀時(shí)，更容易出現(xiàn)破裂掉塊現(xiàn)象。氮化工件尖角部位容易出現(xiàn)過(guò)氮化網(wǎng)狀脈狀組織，經(jīng)常出現(xiàn)自動(dòng)破裂掉塊現(xiàn)象。氮化層高硬度區(qū)過(guò)厚，即氮化層硬度梯度不平緩時(shí)，容易造成應(yīng)力集中，韌性降低，脆性加大，助長(zhǎng)氮化層破裂掉塊。氮化層質(zhì)量沒(méi)能達(dá)到良好控制，出現(xiàn)化合物層過(guò)厚、脈狀組織過(guò)密、氮化層硬度梯度不平緩是澆口套發(fā)生早期失效的主要原因。

4.氮化層質(zhì)量控制

通過(guò)大量快速熱鍛機(jī)模具早期失效原因分析發(fā)現(xiàn)，化合物層和脈狀組織的脫落、氮化層硬度梯度不合理是主要失效原因，和鋁合金壓鑄模具失效過(guò)程基本一樣。我們改進(jìn)快速熱鍛機(jī)模具氮化層質(zhì)量后，明顯提高了使用壽命，圖6、圖7為氮化層質(zhì)量控制氮化效果。我們利用現(xiàn)生產(chǎn)氮化爐，適當(dāng)改進(jìn)澆口套氮化層質(zhì)量后，明顯提高了使用壽命，保證了澆口套現(xiàn)生產(chǎn)順利進(jìn)行。

（a）控制氮化 100×     （b）控制氮化 500×

圖6 氮化層質(zhì)量控制氮化

圖7  控制氮化氮化層參數(shù)

5.結(jié)語(yǔ)

（1）過(guò)厚的化合物層、密集的脈狀組織、不合理的氮化層硬度梯度是澆口套早期失效的主要原因。

（2）氮化層質(zhì)量控制是提高各種熱作模具使用壽命的重要途徑。