黄泽军 计 杰 张恒华 吴晓春

(1.上海大学材料科学与工程学院，上海 200444； 2.上海大学省部共建高品质特殊钢冶金与制备国家重点实验室，上海 200444)

铝合金压铸是一种效率很高的铸造成型工艺，压铸过程快速且复杂。高温铝液(约700 ℃)在高压下被快速压射进入型腔，由于压铸是一个循环往复过程，模具表面反复受到高温铝液的冲刷腐蚀[1]。随着压铸模次的增加，模具钢表面受到铝液的冲刷愈加严重，形成腐蚀坑和裂纹沟壑，为热疲劳裂纹的形成提供了可能。此外，高温铝液还会与模具表面发生化学反应，形成Fe/Al金属间化合物粘附在模具表面，使铸件成型顶出后有少量铝粘在表面，形成粘模现象[2]；由于该物相比较脆，在后续的铝液冲刷下可能会脱落，导致基体表面出现点坑，而点坑为更严重的粘模现象提供了可能，形成一种“粘模—冲刷脱落—再次粘模”的形式，从而导致模具使用寿命缩短，因此提高模具的抗铝液粘模和冲刷性能尤为重要。4Cr5Mo2V钢是目前应用较为广泛的一种压铸模具钢，性能优异。相关研究[3-4]均表明Co和Ni元素能够提升热作模具钢的高温性能。

传统的压铸模具钢热疲劳和热损伤试验基本采用模拟试验，如铝液浸润试验和感应线圈加热试验等，无法真实反映模具钢在压铸过程中的服役情况。本文使用500 t卧式冷室压铸机进行铝合金压铸试验，研究了Co、Ni的添加对4Cr5Mo2V钢抗铝液粘模和冲刷性能的影响，以期为压铸模具的选材提供一定指导。

1 试验材料与方法

试验材料采用4Cr5Mo2V、4Cr5Mo2V+Ni和4Cr5Mo2V+Co 3种热作模具钢，化学成分如表1所示。压铸试验采用ADC12铸造铝合金，其化学成分如表2所示。

表1 压铸模具钢的化学成分(质量分数) Table 1 Chemical compositions of the die-casting die steels(mass fraction) %

表2 ADC12铝合金的化学成分(质量分数)Table 2 Chemical composition of the ADC12 aluminum alloy(mass fraction) %

将退火态的试验钢加工成如图1(a)所示的试样，经过1 050 ℃真空气淬，600 ℃×2 h两次回火后空冷，然后按图1(b)所示位置安装在模具定模凹槽内。上两块为4Cr5Mo2V钢，下两块分别为4Cr5Mo2V+Co和4Cr5Mo2V+Ni钢。为了使4块模具钢的服役条件相同，每压铸500模次后上下模块互换位置，避免因充型速度不同而导致的试验结果差异。

图1 模具钢试样尺寸(a)和安装图(b)Fig.1 Dimension(a) and installation diagram(b) of the die steel sample

使用500 t卧式冷室压铸机进行压铸试验，分别在压铸1 000、1 500和2 000次数时取下模具钢，然后在金相显微镜、体视显微镜和超景深显微镜下观察钢试样表面粘模情况以及冲刷程度变化，并在每压铸200模次时使用肖氏硬度计测量表面硬度。铝合金液温度为800 ℃，压射比压为50 MPa。

2 结果与分析

2.1 显微组织

图2为3种模具钢压铸前的显微组织，均由回火马氏体+弥散分布的碳化物和少量残留奥氏体组成[5-10]。

图2 3种模具钢压铸前的显微组织Fig.2 Microstructures of the three die steels before die casting

2.2 宏观形貌

图3和图4分别为3种模具钢模具压铸1 000和2 000模次后的表面宏观形貌，中间矩形区为铝液冲刷区，即铸件成型区。可以观察到3种钢的表面都出现了粘模现象，且未添加Co和Ni的4Cr5Mo2V钢的粘模现象最严重。压铸2 000模次的粘模现象明显比压铸1 000模次的更严重。粘模主要原因是在压铸过程中，高温铝液与模具钢表面发生化学反应，生成铁铝金属间化合物粘附在模具钢表面，阻碍脱模剂喷涂到表面，在后续铝液接触下，粘模愈加严重；直至铸件顶出时，粘模区会粘住铸件表面，严重时将铸件的一片分支粘在模具钢表面，需人工将其取下。

图3 3种模具钢压铸1 000模次后的宏观形貌Fig.3 Macroscopic appearances of the three die steels after 1 000 cycles of die casting

图4 3种模具钢压铸2 000模次后的宏观形貌Fig.4 Macroscopic appearances of the three die steels after 2 000 cycles of die casting

图5为4Cr5Mo2V钢模具压铸2 000模次后的整块粘模形貌，加入Co和Ni的钢表面没有出现整块粘模现象。模具钢在铝液的反复冲刷下表面会出现热软化现象，而Co和Ni都是非碳化物形成元素，能够强化基体中的铁素体，提高模具钢的高温性能，使钢在压铸过程中的抗热软化性能提高，所以添加Co和Ni的4Cr5Mo2V钢的粘模现象减轻，抗冲刷性能有所提高。此外，4Cr5Mo2V+Co钢的粘模现象最轻，说明Co的作用大于Ni。

图5 整块粘模现象Fig.5 Phenomenon of the whole block sticking-to-die

从图3和图4还可以观察到粘模基本集中在模具表面的一侧，这一侧靠近模具内浇口，铝液冲刷最严重，因此粘模现象最严重。图6为压铸件表面的局部放大图，可见靠近内浇口的区域铝液冲刷最剧烈，这与模具表面严重粘模区相对应，而远离内浇口的一侧粘模明显较少，铸件成型也较好。

图6 压铸件局部放大图Fig.6 Patially enlarged view of die cast part

2.3 体视形貌

图7为3种模具钢模具压铸1 500模次后靠近内浇口及远离内浇口处的体视显微镜形貌。从图7(a～c)可以看出，模具钢靠近内浇口处由于受到铝液的冲刷最剧烈，表面留下了明显的横向冲刷坑，粘模也最严重，呈块状粘模，而加入Co的钢表面则较为整洁。此外，模具钢靠近内浇口处的边缘由于长期受到高温铝液的剧烈冲刷，已经变得凹凸不平，4Cr5Mo2V钢最明显，粘模最严重，4Cr5Mo2V+Ni钢则略有改善，4Cr5Mo2V+Co钢最平整、整洁。从图7(d～f)可以看出，模具钢远离内浇口处由于受到铝液的冲刷较轻微，表面粘模明显减少，边缘也较为平整，加入Co的钢的表面最平整、整洁。

图7 3种模具钢压铸1 500模次后的体视显微镜形貌Fig.7 Stereomicroscope morphologies of the three die steels after 1 500 cycles of die casting

2.4 超景深形貌

图8为3种模具钢分别模具压铸1 000、1 500及2 000模次后的超景深形貌。随着压铸模次的增加，粘模现象逐渐加重，4Cr5Mo2V钢的粘模最明显。添加Ni和Co的4Cr5Mo2V钢的粘模现象明显减轻，且Co的作用更明显。从图8(a)可以看到，4Cr5Mo2V钢表面有不均匀的块状或带状白色区域，为粘着的铝，而且出现了点坑。点坑的形成原因是高温铝液进入型腔接触模具钢表面，与基体发生化学反应生成FexAlx化合物附着在模具钢表面，由于其比较脆，在后续的铝液冲刷下可能会脱落，导致基体表面出现点坑，点坑为粘模的发生提供了可能。

从图8(a,d,g)可以观察到，随着压铸模次的增加，4Cr5Mo2V钢表面的粘模现象逐渐加重，从不规则分布的块状或条状白色区域发展成区域性的大面积粘模。4Cr5Mo2V+Ni钢在压铸2 000模次后也出现了少量的白色斑状粘模，而4Cr5Mo2V+Co钢在压铸2000模次后表面仍比较整洁，没有明显的白色粘模斑点。这是因为Co和Ni的添加提高了模具钢的高温性能[11-12]，使其在高温铝液的冲刷下不易出现热软化现象[13]，因此粘模现象较轻。

图8 3种模具钢压铸不同模次后的超景深形貌Fig.8 Ultra-depth morphologies of the three die steels after different cycles of die casting

2.5 硬度

图9为3种模具钢表面硬度随压铸模次增加的变化趋势，可以看出4Cr5Mo2V钢的初始硬度略高，但随着压铸模次的增加，其表面硬度快速下降，压铸1 000模次时已低于其他2种模具钢。4Cr5Mo2V+Ni和4Cr5Mo2V+Co钢的硬度下降较为缓慢，且4Cr5Mo2V+Co钢的硬度下降最为缓慢。

图9 3种模具钢表面硬度随压铸模数的变化Fig.9 Variation of surface hardness of the three die steels with die casting cycle

模具钢受到高温铝液的不断冲刷，相当于经历不断的回火过程。潘春旭等[14]研究发现，Cr-Mo-V钢在高温回火过程中，马氏体不断分解，二次碳化物粗化，导致钢的硬度下降。左鹏鹏等[15]研究指出，Co和Ni能置换Fe原子对基体产生固溶强化作用，提升模具钢的高温性能，因此加入Co和Ni的4Cr5Mo2V钢的硬度下降较为缓慢。王剑星[16]研究发现，Co和Ni能促进奥氏体化过程中的碳化物溶解，提高奥氏体稳定性，增加残留奥氏体量，提高马氏体硬度。此外，Ni元素在回火过程中会富集在碳化物周围，阻碍碳化物周围铁素体中碳原子的扩散，从而提高碳化物的粗化激活能，阻碍碳化物长大[15-16]；Co元素在回火过程中能促进Mo的碳化物析出，起到沉淀强化作用[17-18]。因此Co和Ni的添加都提高了4Cr5Mo2V钢的高温性能，使其在高温铝液压铸过程中表面硬度下降减缓，提高了模具钢的使用寿命。

3 结论

(1)随着压铸模次的增加，3种模具钢的表面粘模现象都越来越严重，且4Cr5Mo2V钢表面的粘模现象最明显，甚至出现了整体粘模现象。Co和Ni元素的添加减轻了粘模现象，并且Co的作用大于Ni。

(2)模具钢靠近内浇口处受到的铝液冲刷较为剧烈，4Cr5Mo2V钢的边缘冲刷痕迹最明显，凹凸不平，4Cr5Mo2V+Ni钢的边缘也有轻微的冲刷凹陷，4Cr5Mo2V+Co钢的边缘较为平整，表面也较为整洁，说明Co元素提升4Cr5Mo2V钢的抗粘模和冲刷性能的作用最明显。

(3)随着压铸模次的增加，模具钢表面硬度逐渐下降。4Cr5Mo2V钢表面硬度下降较快，压铸1 000模次时硬度已低于其他2种模具钢。Co和Ni的添加减缓了模具钢表面硬度的下降，Co的作用更明显，因此Co元素提升模具钢高温性能的作用比Ni更明显。