铝合金压铸模是热作模具钢的应用领域之一，通常服役环境较为严苛。人们通过不断改进应用的钢种、表面改性技术以及专门设计的润滑剂，以限制铝液和模具的粘铝。目前，关于润滑剂与模具表面之间的相互作用以及表面精加工水平影响的研究较少。

本次研究中准备了两种不同粗糙度的模具钢试样（抛光和喷丸）。除了对钢和表面进行基本的表征之外，还利用了两个专用试验台架研究了润滑剂-模具钢表面-铝合金之间的相互作用。其中一个试验台架用于研究模具表面与润滑剂的耦合机理，另一个试验台架用于熔融铝液中进行循环浸泡实验。通过对比循环后得到的裂纹和腐蚀坑的数据，发现试验结果与样品的表面光洁度相关。

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1引言

热作模具钢通常用于许多不同的工业生产中，这类材料在金属成型（如压铸、热锻、挤压等）领域具有广泛的应用，且主要应用于高生产效率的液态金属成型工艺中。在液态铝合金成型技术中，高压压铸因其周期短、生产效率高而成为应用最为广泛的技术之一。冲蚀、腐蚀、磨损和热疲劳等涉及表面的失效机制，是轻合金模具失效的主要原因，主要由于压铸模具服役时具有高的服役温度、高的熔液流速和高的注射压力。尽管模具润滑剂已经得到应用，但由于涉及复杂的化学、冶金和机械过程，这些恶劣的条件都会对模具表面造成损害。不同的失效形式其主导机制也不同：模具粘铝（腐蚀和粘合），冲蚀（侵蚀）和热开裂（热疲劳开裂）。在服役过程中，模具表面粘铝导致压铸过程产生严重的问题。过去几年中，许多研究者研究并设计了新的工程解决方案，通过PVD技术在表面沉积具有保护性的硬涂层或扩散处理，特别是通过离子渗氮和复合处理来强化表面。对于润滑剂的研究，主要是表征其性能，而不考虑润滑剂与模具表面光洁度之间的相互作用。尽管一些文献强调了表面粗糙度和拔模力之间的关系，但没有专门研究表面处理、润滑剂和熔融铝液接触时的相互作用。

本文研究了模具表面粗糙度对模具服役性能的影响。在静态和动态条件下，将表面处理与润滑剂润湿和铝液润湿进行关联设计了不同的试验。本文以热作模具钢为试验材料，对不同形状的试样（盘状或销状）进行热处理，并通过抛光或喷丸处理其表面，使其表面粗糙度分别达到0.08μm和0.4μm，之后进行了接触角测量和特殊喷涂试验，以研究静态和动态条件下钢-润滑剂的润湿性。采用熔融金属浇注试验研究了有无润滑剂的条件下铝液与钢发生粘铝的趋势。为了实现模具的动态服役条件，采用交替熔融铝液/润滑剂浸润试验，通过试验和数值模拟，勾勒出试样表面的温度分布和试验过程中可能产生的内应力。在试验过程中监测表面损伤的演化，并与之前的发现进行比较。

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2试验材料与方法

2.1试验材料

试验所用到的材料为模具钢，其化学成分如表1所示。采用真空热处理将材料硬度调至47-48HRC：℃奥氏体化30min；在5bar的氮气压力下淬火；一次回火为℃保温2h；二次回火为℃保温2h。

表1模具钢的标准化学成分[wt%]

2.2试验方法

采用圆盘状试样（直径33mm，厚度5mm）对模具钢的表面形貌、润滑剂在模具钢表面的润湿角、模具润滑剂喷涂的动态响应以及铝合金在工具钢表面的粘铝倾向进行了表征。在铝液中循环浸泡时，采用半球形和空心圆柱体组合形状的试样（如图1所示）。为了在试验时提供两种不同的表面处理状态，制备了两种类型的试样：用SiC砂纸打磨和细颗粒喷丸。通过配有5μm半径触针的Hommel-WerkeT接触式轮廓仪测量两种试样的粗糙度。喷丸和抛光后的Ra分别为0.4μm和0.05μm。

图1熔融铝合金循环浸泡试验所用的试样

使用SiC砂纸打磨并用颗粒度小于1μm的金刚石膏进行抛光，使用ReichertJungMeF4光学显微镜观察钢的出厂态和热处理状态的微观组织，所用的腐蚀液为硝酸酒精。利用LeoVP型扫描电子显微镜（SEM）观察试验前后的表面形貌。图2为模具钢的退火态和淬回火态组织。

图2退火（左图）和淬回火（右图）状态下模具钢的微观组织

为了确定钢和压铸润滑剂在水溶液中的相容性进行了润湿性试验。使用的润滑剂为商用硅基模具润滑剂A.CesanaLubrix，建议将1L的润滑剂稀释成25L。在喷淋试验和铝液循环浸泡试验中也使用该种润滑剂。在静滴模式下进行润湿角测量，滴液体积为6μL。每个试验重复4次。

喷涂试验在试验台上进行，该试验台包括（1）用2bar空气压力喷涂稀释润滑剂的系统；（2）承载圆盘试样的试样架，一半表面打磨，一半表面喷丸；（3）配备高速CMOS相机（视觉研究MiroC）的数字影像优化光学显微镜（LeicaVZ85R），图像采集速度为每秒帧。在喷丸和抛光面上喷涂稀释的压铸润滑剂，目的是评估模具钢的表面两种精加工状态对服役条件下典型润滑剂的响应。

铝液粘铝试验在特定的试验台上进行。在小坩埚中融化一定量的铝合金（AlSi8CuFe），并在°C的温度下浇注在盘形试样表面。在多个有无润滑剂条件的试样上重复该试验。熔融铝液凝固后，将凝固铝合金和钢粘铝的试样切成两半，评估钢（抛光/喷丸）和铝沉积物之间的界面。此外，还去除铝沉积层，通过SEM和EDS分析两个表面的形态，以检测是否存在腐蚀点。

最后对空心圆柱试样进行了铝液循环浸泡试验。该试验在一个特殊的试验台上进行，试样交替浸入熔融铝合金槽和压铸润滑剂中，润滑剂的稀释度与前述试验相同。该试验所用的铝合金和粘铝试验相同，熔池温度为℃并用K型热电偶定期测定。稀释润滑剂槽中的温度设定为25℃，每个循环包括加热阶段和冷却阶段4s的浸泡时间。试样内腔设置了一个循环冷却水道，温度设定为25℃。热循环过程通过在特定位置设定热电偶，测量整个试验过程中的温度，通过数值模拟确定整个截面的热循环。在特定的循环后，用沸腾的饱和NaOH水溶液清洗试样，以消除试验过程中产生的润滑油污垢。在中间的清洁步骤中，对上表面的形态进行研究，并在试验结束后，切割试样研究其横截面。

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3结果与讨论

3.1静滴试验

在静滴模式20s后测量静接触角。图3清楚的表明，两种表面加工状态对润滑油具有不同的润湿性。其中喷丸表面具有更高的润湿性，允许液滴扩展的更宽，从而产生低的接触角。

图3模具钢喷丸和抛光表面润湿性试验结果

3.2喷涂试验

当通过稀释的压铸润滑剂在短时间内喷涂数滴来反映动态的情况时，就不能再使用润湿性试验。此时通过具有高FPS的相机记录视频，评估了润滑剂在钢表面扩散过程的演变。图4显示了试验记录的结果。

图4模具钢抛光（每个时间段拍摄的照片的左侧）和喷丸（每个时间段拍摄照片的右侧）表面压铸润滑剂液滴的扩散演变

在喷涂试验中，连续的润滑油膜在0.04s后形成，在抛光表面，较低的润湿性阻碍了连续油膜的形成，留下了一些未被润滑剂覆盖的区域。如5为抛光和喷丸部分表面上润滑油膜形成的模型。

图5模具钢抛光和喷丸表面润滑油膜形成的模型

3.2热熔损试验

对于粘铝试验，铝合金很容易黏附在未润滑的样品上，甚至用磨盘切割后，钢和铝沉积物之间的结合也很紧密。然而铝沉积层与抛光模具钢表面之间的界面时连续的（图6，左侧），而铝沉积层与喷丸表面之间的截面出现了几个空隙（图6，右侧）。去除铝的沉积物后对钢的表面进行研究进一步证明，铝合金在抛光的表面更容易产生粘铝，并且在抛光表面可以很清楚的观察到铝斑点，因此证明了粗糙表面由于接触面积较小从而限制了粘铝的出现。然而，一旦在粘铝试验前将润滑油涂在钢的表面，两个位置的铝粘铝可以忽略不记，这是由于熔融铝合金和钢基体之间单次接触循环所导致的，下述的铝液循环浸泡试验证明了这一点。

图6铝沉积层与抛光模具钢（左侧）喷丸模具钢（右侧）界面的横截面

循环浸泡试验的设置时根据一些前期的试验确定的，通过这些试验收集了带有测量装置的试样和红外热像仪记录的数据（图7），并用于校准数值模拟的温度分布（图8）。在试样的中间高度进行热电偶和红外记录，以获得中间区域的温度信息（端帽位置的温度最高）。数值模拟同样

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