鋁合金壓鑄模是熱作模具鋼的應用領域之一，通常服役環境較為嚴苛。人們通過不斷改進應用的鋼種、表面改性技術以及專門設計的潤滑劑，以限制鋁液和模具的粘鋁。目前，關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）。除了對鋼和表面進行基本的表征之外，還利用了兩個專用試驗臺架研究了潤滑劑-模具鋼表面-鋁合金之間的相互作用。其中一個試驗臺架用于研究模具表面與潤滑劑的耦合機理，另一個試驗臺架用于熔融鋁液中進行循環浸泡實驗。通過對比循環后得到的裂紋和腐蝕坑的數據，發現試驗結果與樣品的表面光潔度相關。
01
1 引言
熱作模具鋼通常用于許多不同的工業生產中，這類材料在金屬成型（如壓鑄、熱鍛、擠壓等）領域具有廣泛的應用，且主要應用于高生產效率的液態金屬成型工藝中。在液態鋁合金成型技術中，高壓壓鑄因其周期短、生產效率高而成為應用最為廣泛的技術之一。沖蝕、腐蝕、磨損和熱疲勞等涉及表面的失效機制，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得到應用，但由于涉及復雜的化學、冶金和機械過程，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機制也不同：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，模具表面粘鋁導致壓鑄過程產生嚴重的問題。過去幾年中，許多研究者研究并設計了新的工程解決方案，通過PVD技術在表面沉積具有保護性的硬涂層或擴散處理，特別是通過離子滲氮和復合處理來強化表面。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。盡管一些文獻強調了表面粗糙度和拔模力之間的關系，但沒有專門研究表面處理、潤滑劑和熔融鋁液接觸時的相互作用。
本文研究了模具表面粗糙度對模具服役性能的影響。在靜態和動態條件下，將表面處理與潤滑劑潤濕和鋁液潤濕進行關聯設計了不同的試驗。本文以熱作模具鋼為試驗材料，對不同形狀的試樣（盤狀或銷狀）進行熱處理，并通過拋光或噴丸處理其表面，使其表面粗糙度分別達到0.08μm和0.4μm，之后進行了接觸角測量和特殊噴涂試驗，以研究靜態和動態條件下鋼-潤滑劑的潤濕性。采用熔融金屬澆注試驗研究了有無潤滑劑的條件下鋁液與鋼發生粘鋁的趨勢。為了實現模具的動態服役條件，采用交替熔融鋁液/潤滑劑浸潤試驗，通過試驗和數值模擬，勾勒出試樣表面的溫度分布和試驗過程中可能產生的內應力。在試驗過程中監測表面損傷的演化，并與之前的發現進行比較。
02
2 試驗材料與方法
2.1 試驗材料
試驗所用到的材料為模具鋼，其化學成分如表1所示。采用真空熱處理將材料硬度調至47-48HRC：1025℃奧氏體化30min；在5bar的氮氣壓力下淬火；一次回火為550℃保溫2h；二次回火為600℃保溫2h。
表1 模具鋼的標準化學成分[wt%]
2.2 試驗方法
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響應以及鋁合金在工具鋼表面的粘鋁傾向進行了表征。在鋁液中循環浸泡時，采用半球形和空心圓柱體組合形狀的試樣（如圖1所示）。為了在試驗時提供兩種不同的表面處理狀態，制備了兩種類型的試樣：用SiC砂紙打磨和細顆粒噴丸。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 熔融鋁合金循環浸泡試驗所用的試樣
使用SiC砂紙打磨并用顆粒度小于1μm的金剛石膏進行拋光，使用Reichert Jung MeF4光學顯微鏡觀察鋼的出廠態和熱處理狀態的微觀組織，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）觀察試驗前后的表面形貌。圖2為模具鋼的退火態和淬回火態組織。
圖2 退火（左圖）和淬回火（右圖）狀態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行了潤濕性試驗。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。在噴淋試驗和鋁液循環浸泡試驗中也使用該種潤滑劑。在靜滴模式下進行潤濕角測量，滴液體積為6μL。每個試驗重復4次。
噴涂試驗在試驗臺上進行，該試驗臺包括（1）用2bar空氣壓力噴涂稀釋潤滑劑的系統；（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（視覺研究Miro C110）的數字影像優化光學顯微鏡（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對服役條件下典型潤滑劑的響應。
鋁液粘鋁試驗在特定的試驗臺上進行。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。在多個有無潤滑劑條件的試樣上重復該試驗。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分析兩個表面的形態，以檢測是否存在腐蝕點。
最后對空心圓柱試樣進行了鋁液循環浸泡試驗。該試驗在一個特殊的試驗臺上進行，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相同。該試驗所用的鋁合金和粘鋁試驗相同，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定為25℃，每個循環包括加熱階段和冷卻階段4s的浸泡時間。試樣內腔設置了一個循環冷卻水道，溫度設定為25℃。熱循環過程通過在特定位置設定熱電偶，測量整個試驗過程中的溫度，通過數值模擬確定整個截面的熱循環。在特定的循環后，用沸騰的飽和NaOH水溶液清洗試樣，以消除試驗過程中產生的潤滑油污垢。在中間的清潔步驟中，對上表面的形態進行研究，并在試驗結束后，切割試樣研究其橫截面。
03
3 結果與討論
3.1 靜滴試驗
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，允許液滴擴展的更寬，從而產生低的接觸角。
圖3 模具鋼噴丸和拋光表面潤濕性試驗結果
3.2 噴涂試驗
當通過稀釋的壓鑄潤滑劑在短時間內噴涂數滴來反映動態的情況時，就不能再使用潤濕性試驗。此時通過具有高FPS的相機記錄視頻，評估了潤滑劑在鋼表面擴散過程的演變。圖4顯示了試驗記錄的結果。
圖4 模具鋼拋光（每個時間段拍攝的照片的左側）和噴丸（每個時間段拍攝照片的右側）表面壓鑄潤滑劑液滴的擴散演變
在噴涂試驗中，連續的潤滑油膜在0.04s后形成，在拋光表面，較低的潤濕性阻礙了連續油膜的形成，留下了一些未被潤滑劑覆蓋的區域。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
對于粘鋁試驗，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連續的（圖6，左側），而鋁沉積層與噴丸表面之間的截面出現了幾個空隙（圖6，右側）。去除鋁的沉積物后對鋼的表面進行研究進一步證明，鋁合金在拋光的表面更容易產生粘鋁，并且在拋光表面可以很清楚的觀察到鋁斑點，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。然而，一旦在粘鋁試驗前將潤滑油涂在鋼的表面，兩個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所導致的，下述的鋁液循環浸泡試驗證明了這一點。
圖6 鋁沉積層與拋光模具鋼（左側）噴丸模具鋼（右側）界面的橫截面
循環浸泡試驗的設置時根據一些前期的試驗確定的，通過這些試驗收集了帶有測量裝置的試樣和紅外熱像儀記錄的數據（圖7），并用于校準數值模擬的溫度分布（圖8）。在試樣的中間高度進行熱電偶和紅外記錄，以獲得中間區域的溫度信息（端帽位置的溫度最高）。數值模擬同樣關注試樣中部的情況。這些初步的試驗有助于確定交替浸沒的最佳時間和溫度循環，以預測試驗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。尤其是當熔融鋁液溫度設置為750℃且浸泡時間為4s時，預計樣品中部表面的溫度峰值略高于300℃，同一位置處循環的最低溫度預計約140℃，中部位置在循環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（左圖）進行校準試驗，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）從內腔表面（左側）到試樣外表面的溫度梯度（右側）
初始條件設置后，對兩個試樣進行循環浸泡試驗，每個樣品一半拋光另一半噴丸處理。試驗的最大持續時間為4000次循環，在1000次和2500次循環時對試樣進行損傷檢查，以揭示損傷機制的進展。
沿拋光/噴丸界面的區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中間的區域。拋光表面的腐蝕從早期浸漬循環開始，僅在1000次循環后腐蝕點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次數的增加而明顯擴展。在4000次循環后，沒有證據表明這些腐蝕坑出現擴大和合并：凹坑的覆蓋的面積沒有改變，但凹坑的深度可能會出現變化。在整個拋光面上出現了大量擴展的腐蝕區域，而在噴丸表面，腐蝕坑的數量和擴展情況可以忽略不計。另一方面，試驗過程中并沒有出現熱疲勞現象，可能是由于試驗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小的裂紋。
在完成4000次循環時，停止試驗并分析試樣。拋光側無凹坑處的Ra值從試驗開始到結束時的變化范圍為0.07 ~ 0.18 μm。凹坑處的Ra值為0.75μm。噴丸表面從試驗開始到結束保持著穩定的Ra值（0.40~0.44μm）。
噴丸表面獲得更好結果的原因是：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，促進其在微凸起中擴散。2）表面波浪形的輪廓限制了鋼和鋁液的接觸點的數量。第一點解釋了粗糙表面儲存潤滑劑并能在有限的時間里將潤滑劑均勻攤開，形成完整的潤滑劑膜。第二點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浸泡的模具鋼試樣拋光和噴丸側表面形貌的演變
04
4 結論
本文研究了不同表面處理條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。實際上，粗糙的表面輪廓會產生毛細力，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散和形成新的連續的潤滑油膜。
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了潤滑劑儲存能力的協同效應來解釋，其結果是形成較少的腐蝕坑，并且試驗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用中造成明顯的影響，導致鑄造零件的質量迅速下降。
除此之外，模具表面拋光是一個復雜且昂貴的過程，因此只在一些特殊應用中用到，例如光學應用的鑄件。然而，噴丸表面只有在充分潤滑的條件下才能夠減少腐蝕。實際上，如果潤滑條件較差，表面的波峰和波谷會成為優先腐蝕的位置。
