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的壓力沖擊，隨之帶來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的冷熱疲勞，使模具工作環境惡劣、工作條件苛刻。鋁合金壓鑄模具的試驗壽命比較低，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。

為了解決這個問題人們提出了很多表面處理技術，其中表面氮化處理比較多，也提高了使用壽命。但是，至今還沒看到利用控制氮化質量提高使用壽命，只是提到氮化層中的化合物層、脈狀組織影響使用壽命。通過分析明確了氮化層中化合物層和脈狀組織是產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量能夠提高鋁合金壓鑄模具的使用壽命。

1.取樣

利用常規氣體氮化方法處理的鋁合金壓鑄模具澆口套使用壽命過低，需要分析氮化質量對使用壽命的影響，為此取了原始氮化層狀態和失效后氮化層狀態，進行了對比分析。如圖1所示，從壁厚45mm圓通狀澆口套取原始氮化層狀態的外圓弧和失效后氮化層狀態的內圓弧，以便對比分析兩種氮化層狀態。

（a）澆口套    （b）內圓弧（失效面）   （c）外圓弧

圖1失效澆口套取樣部位

2.分析結果

（1）失效內圓弧宏觀狀態

利用體式顯微鏡觀察到的內圓弧宏觀狀態如圖2所示，澆口套內壁面產生了嚴重的微裂紋和掉塊。

（a）                                       （b）

圖2 內圓弧宏觀狀態

（2）原始氮化層和失效氮化層狀態

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（見圖3a）、化合物層（白亮層）達到10~12μm（見圖3b）、擴散層中脈狀組織密集、氮化層中高硬度區達到150μm左右（見圖4）。

（a）外圓弧（100×）   （b）外圓弧（500×）

圖3  原始氮化層

圖4  外圓弧氮化層參數

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

（a）內圓弧（50×）  （b）內圓弧（100×）  （c）內圓弧（500×）

圖5 失效氮化層狀態

3.分析與討論

非工作面外圓弧氮化狀態反映該零部件的原始氮化狀態，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，說明原始氮化處于過氮化狀態。化合物層是又硬又脆的組織，與其他部位膨脹系數差距比較大，受到外力沖擊和冷熱沖擊時容易破裂，工作面內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，已經看不到化合物層。

擴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。脈狀組織形成網狀時，更容易出現破裂掉塊現象。氮化工件尖角部位容易出現過氮化網狀脈狀組織，經常出現自動破裂掉塊現象。氮化層高硬度區過厚，即氮化層硬度梯度不平緩時，容易造成應力集中，韌性降低，脆性加大，助長氮化層破裂掉塊。氮化層質量沒能達到良好控制，出現化合物層過厚、脈狀組織過密、氮化層硬度梯度不平緩是澆口套發生早期失效的主要原因。

4.氮化層質量控制

通過大量快速熱鍛機模具早期失效原因分析發現，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程基本一樣。我們改進快速熱鍛機模具氮化層質量后，明顯提高了使用壽命，圖6、圖7為氮化層質量控制氮化效果。我們利用現生產氮化爐，適當改進澆口套氮化層質量后，明顯提高了使用壽命，保證了澆口套現生產順利進行。

（a）控制氮化 100×     （b）控制氮化 500×

圖6 氮化層質量控制氮化

圖7  控制氮化氮化層參數

5.結語

（1）過厚的化合物層、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）氮化層質量控制是提高各種熱作模具使用壽命的重要途徑。