铝压铸模的表面处理组合方案

参数速查表

一、基体预处理与硬度控制

组合方案的第一道关口是基体状态。H13钢板（冷轧或热轧）经淬火+两次回火后，硬度控制在44–48 HRC。硬度低于44 HRC时，渗氮扩散层承载能力不足，在60–90 MPa压射比压下型腔易塌陷；高于48 HRC则韧性下降，热疲劳裂纹萌生加快。淬火加热温度1020–1050 ℃，回火温度560–580 ℃，保温2 h×2次，确保残余奥氏体充分转变。加工余量按单边0.3–0.5 mm预留，渗氮前型腔粗加工至Ra 1.6 μm，避免深切削刀痕成为渗氮层应力集中源。基体表面清洁度直接决定渗氮均匀性，加工后须用丙酮超声清洗15 min，去除切削液残留。硬度检测按每件模具三点法，测点距型腔边缘≥10 mm，取平均值记录。

二、气体渗氮层制备

渗氮是组合方案的核心承载层。采用气体渗氮，温度520–540 ℃，保温时间12–16 h，氨分解率控制在25%–35%，获得0.08–0.15 mm渗氮层，表面硬度900–1100 HV。温度超过540 ℃会触发H13基体过回火，基体硬度每升高10 ℃约下降1–1.5 HRC，必须严格控温。渗氮层由表面化合物层（白亮层，厚5–12 μm）和扩散层组成，化合物层脆性较大，对压铸模而言宜控制在8 μm以内，过厚易在热冲击下剥落。渗氮后随炉缓冷至200 ℃以下出炉，避免急冷开裂。渗氮层深度用金相法抽检，每炉取随炉试块1件，测点3处。渗氮后型腔尺寸涨大量约0.01–0.02 mm，精密配合面须在渗氮前预留该余量。

三、PVD涂层沉积

PVD涂层承担抗铝液粘附和抗冲刷功能。渗氮件经抛光至Ra 0.2–0.4 μm后进入镀膜工序，采用阴极电弧离子镀沉积CrAlN涂层，厚度2–4 μm，沉积温度450–480 ℃。温度上限受基体回火温度约束，480 ℃下保温时间须控制在2 h以内，防止渗氮层和基体硬度同步衰减。沉积前离子轰击清洗10–15 min，偏压600–800 V，提高膜基结合力。CrAlN在650–680 ℃铝液中化学稳定性好，不易与铝生成金属间化合物，是铝压铸模的适配涂层。涂层厚度超过4 μm时内应力上升，热循环中易起皮；低于2 μm则耐磨储备不足。沉积后检测膜厚（球磨法）和结合力（划痕法，临界载荷≥40 N），每批次抽检2件。

四、抛光与型腔表面完整性

抛光决定脱模阻力和涂层附着质量。渗氮+PVD后的型腔按Ra 0.2–0.4 μm控制，抛光方向沿脱模方向单向进行，避免交叉纹路形成铝粘附锚点。抛光过度会磨穿2–4 μm涂层，露出渗氮层甚至基体，该处即成为粘铝起点，因此抛光余量须控制在涂层厚度的一半以内，即单边不超过1–2 μm。型腔圆角处用羊毛轮配合1 μm金刚石研磨膏手工修整，圆角半径不小于0.5 mm。抛光后表面用放大镜（10×）全检，不允许有划痕、麻点和涂层剥落。分型面配合间隙控制在0.02–0.05 mm，间隙过大铝液钻入形成飞边，过小则合模冲击损伤涂层边缘。

五、组合方案的工艺衔接与寿命验证

组合方案的价值在于工序衔接的窗口控制。渗氮后至PVD沉积之间的间隔不超过24 h，暴露空气中渗氮层表面会氧化，氧化膜削弱膜基结合力，超时须重新离子轰击清洗。PVD后至试模的间隔同样控制在48 h内，涂层表面吸附水分和脱模剂残留会影响首件质量。寿命验证以压铸件数计：未处理H13模具在650–680 ℃铝液、60–90 MPa比压下典型寿命约3–5万模次；渗氮+PVD组合方案可提升至8–15万模次，提升幅度2–3倍。生产中每5000模次检查一次涂层磨损，发现局部露底即安排补镀。模具预热180–220 ℃再接触铝液，减少热冲击对渗氮层和涂层的损伤。

常见问题

Q：渗氮层硬度做到1100 HV以上是否更好？

A：不必。超过1100 HV时化合物层脆性显著上升，铝压铸的热冲击工况下易剥落，900–1100 HV是硬度与韧性的平衡区间。

Q：PVD沉积温度能否提高到500 ℃以上以改善膜质？

A：不能。H13回火温度560–580 ℃，500 ℃以上长时间沉积会使基体硬度从44–48 HRC下降，渗氮层支撑减弱，沉积温度须压在480 ℃以内。

Q：涂层局部磨穿后能否直接补镀？

A：不能直接补镀。须先退除残余涂层、重新抛光至Ra 0.2–0.4 μm、离子轰击清洗后再沉积，否则新旧膜界面结合力不足。

Q：渗氮后尺寸涨大0.01–0.02 mm如何补偿？

A：在渗氮前精加工时按单边预留0.01–0.02 mm余量，渗氮后以抛光修整到位，精密配合面不可渗氮后强行磨削，会破坏渗氮层。

Q：组合方案对压铸铝液温度有无上限要求？

A：有。铝液温度长期超过680 ℃时CrAlN涂层与渗氮层的热失配应力增大，涂层寿命明显缩短，建议控制在650–680 ℃区间。