对于常用的卧式冷室压铸机而言，压铸冲头的功能主要是将浇入熔杯（又称熔缸、压室）内的金属液压射到压铸模型腔。由于压铸冲头和熔杯是一对耦合件，其配合间隙要求最大间隙为０．１ｍｍ，如果间隙太小，则使压铸冲头与熔杯互卡，若间隙太大，则使金属液飞溅，影响铸造效果。若想获得优质铸件，必须使压铸冲头在熔杯里平稳顺畅推动液体金属进入压铸模型腔，这对压铸冲头提出特殊的要求。因此，研究提高压铸机冲头的使用寿命，对降低生产成本、节约资源，有着积极的意义。压铸具有生产效率高、工序简单、铸件公差等级高、表面粗糙度低、力学性能好等优点，在汽车、家电、通讯等行业得到了广泛应用。压铸冲头的质量和使用寿命将直接影响压铸生产的效率与成本。
１ 压铸冲头材料及其热处理工艺
研究者在提高压铸冲头耐磨性方面做了很多工作，如一些高性能耐磨材料不断被研制出来，耐磨材料新技术、新工艺和结构优化后的新产品也在不断地得到开发和应用。除了研究与开发高性能压铸模使用材料外，表面改性也是提高热作模具钢的质量、改善模具使用性能和延长模具寿命的一种重要方法。常用的表面强化技术有：喷涂、沉积、镀层、化学热处理和激光等，目前主要应用这些强化技术对压铸冲头的表面进行工艺处理。
１．１ 冲头材料
１．１．１ 珠光体球墨铸铁
常用的压铸冲头材料为珠光体球墨铸铁、普通中碳钢。珠光体球墨铸铁的化学成分见表１，其硬度（ＨＲＣ）为２０～２８。此种材料虽然具有一定的耐磨性，但在实际压铸过程中，由于承受连续不断的高温冲击作用，使其耐磨性、抗疲劳性以及强度下降，导致损坏失效。
１．１．２ Ｈ１３钢
Ｈ１３钢是Ｃ－Ｃｒ－Ｍｏ－Ｓｉ－Ｖ型钢。在Ｈ１３钢为基础上，降低Ｃｒ含量，增加Ｍｏ含量，加入Ｖ 元素，即保持合金元素总量，降低Ｃｒ含量，提高Ｗ、Ｍｏ、Ｖ、Ｎｂ元素等含量，从而提高其热强性。ＨＭ１（３Ｃｒ３Ｍｏ３Ｗ２Ｖ）、ＣＨ７５（４Ｃｒ３Ｍｏ２ＶＳｉ）、ＴＭ（４Ｃｒ３Ｍｏ２ＷＭｎＶＮｂ）及ＨＤ（４Ｃｒ３Ｍｏ２ＶＮｉＮｂＢ）等均属于这一类钢材。
固溶处理后，将会析出Ｍ２３Ｃ６、Ｍ７Ｃ３、ＭＣ等碳化物，产生时效硬化效果。由于我国缺Ｎｉ，故研发了低Ｎｉ奥氏体热作模具钢５Ｍｎ１５、６Ｍｎ１４Ｃｒ３Ｍｏ２Ｖ 及ＡＨ 钢等。国外在高热强模具钢领域新发展的钢有瑞典的ＱＲＯ９０，美国的Ｈ１０Ａ、Ｈ２５、Ｈ２６ 及日本的ＱＤＨ、ＹＨＤ３、ＹＨＤ２６、ＹＨＤ２８、ＤＨ７６、５Ｍｎ１５Ｎｉ５Ｃｒ８Ｍｏ２Ｖ２钢等。
１．１．４ 铍青铜
铍青铜材料具有良好的高温性能以及耐磨性和导热性，使之应用于冲头，在冲头表面形成的氧化铍具有良好的润滑效果，既提高了冲头的寿命，也保护了压室。鉴于铍青铜材料的诸多优点，国内相关科研院所、企业等对铍青铜做了很多研究。此材料被国外压铸厂家普遍用来制作冲头，但由于国内铍青铜的生产质量较差，且整体压室在国内没有得到广泛应用，故铍青铜材料未得到大量应用，还处于试验研究阶段。
１．１．５ 合金球墨铸铁
合金球墨铸铁材料由于高强度、高硬度和优良的耐磨性能，近年来被应用于压铸冲头，其抗拉强度和硬度（ＨＢ）分别达到了９２０ＭＰａ和２８０，与传统的压铸冲头相比，寿命得到大幅度提升。
１．２ 压铸冲头的表面热处理工艺
对压铸冲头进行表面热处理，可以获得高耐磨性和高抗疲劳性，延长压铸冲头的寿命。
１．２．１ 高温淬火工艺
某些中碳合金钢如Ｈ１３钢，进行高温淬火处理，能增加淬火材料组织中板条马氏体的相对数量，提高材料的热强性、热疲劳抗性和断裂韧度。在应用中，普通球化退火被高温淬火高温回火代替，然后再进行普通的淬火和回火，这种工艺能在几乎不降低冲击韧度的前提下得到最大的断裂韧度，硬度也高于普通热处理。
１．２．２ 强烈淬火技术
强烈淬火是采用高压喷淬或高速搅拌使试件在马氏体转变区域进行快速而均匀的冷却的技术，在试件整个表面形成一个均匀的具有较高压应力的硬壳，避免常规淬火在马氏体转变区域进行快速冷却产生畸变过大和开裂的问题。强烈淬火技术的优点如下：①与油淬的零件相比使用寿命提高３～４倍；②用低成本的碳钢或低合金钢替代合金钢或高合金钢；③用水或水溶性介质替代油；④工艺非常稳定，易于实现自动化生产。虽然强烈淬火的冷却速度极快，但可避免开裂，减少畸变，并可显著提高钢的力学性能，延长零件使用寿命，且还有节能、高效、环保等优点，是一种应用前景广阔的热处理技术。
１．２．３ 超深冷处理
超深冷处理是常规热处理的延伸，指以液氮为制冷剂对材料在－１９０～－２３０ ℃的环境下进行处理的方法。由于奥氏体在低温环境下易分解，使材料缺陷（如微孔、内应力集中区域等）产生塑性流动而形成组织细化，因此将金属置于超低温环境下，材料的部分奥氏体会转化成马氏体，内应力因而消除。在超低温时由于组织体积收缩，铁晶格常数缩小而加强碳原子析出的驱动力，于是马氏体的基体析出大量超微细碳化物，这些超微细结晶体会使物料的强度提高，同时改善耐磨性与韧性。近些年来，国内外已对超深冷处理进行了广泛的研究，并在模具钢上得到应用，处理过的模具钢使用寿命得到明显提高。但是由于此种技术对某些材料的作用机理及工艺稳定性方面的研究不够深入，致使超深冷处理未能在工业上获得广泛应用。
２ 压铸冲头的表面处理
２．１ 表面渗氮
传统的渗氮处理是把工件放入密封容器中，通以流动的氨气并加热，保温较长时间后，氮气热分解产生活性氮原子，不断吸附到工件表面，并扩散渗入工件表层内，从而改变表层的化学成分和组织，获得优良的表面性能。尽管盐浴渗氮、气体渗氮等传统表面渗氮工艺已经在工业上取得了较好的应用，但是由于这些工艺所使用的材料往往具有毒性、易爆炸，在实际应用中会对操作人员及环境带来危害，从而限制了这些工艺的应用。目前等离子渗氮是渗氮研究的重点，等离子渗氮技术处理的部件表面具有韧性和挠性，处理后的工件不需进行表面精加工，与传统渗氮工艺相比，该工艺时间短且温度低，减少了变形且有益于环保。等离子渗氮还可以避免复合层的形成以及控制扩散层的质量。
２．２ 激光表面处理
激光表面处理工艺主要有激光相变硬化、激光熔融及激光表面冲击３类。激光熔融又包括激光表面熔融、激光表面合金化。目前对压铸冲头激光表面处理的研究主要有：①激光表面融合Ｎｉ、Ｃｒ等元素，在压铸冲头圆柱侧面形成硬度高、耐磨损性能好的合金化区域，见图１；②激光熔覆技术，激光熔敷层的材料为Ｆｅ基、Ｎｉ基、Ｃｏ基自熔合金或ＷＣ陶瓷颗粒增强耐磨合金材料，冲头本体的材料为铸铁、碳钢或合金钢。激光熔覆层与冲头本体通过冶金结合方式连接，激光熔覆层的硬度是冲头本体硬度的１．５～３．０倍，热膨胀系数差别小，实现压铸冲头的再循环使用，有利于节能环保，见图２；③仿生材料正向着复合化、智能化、能动化和环境化的趋势发展，给材料的制备及应用带来革命性进步。
２．３ 表面气相沉积强化
气相沉积属于原子沉积类，其基本特点是沉积均以原子、离子、分子和离子簇等原子尺度的颗粒形态在材料表面沉积，形成外加覆盖层。如覆盖层通过化学反应形成，则称为化学气相沉积（ＣＶＤ）；如果覆盖层通过物理方法形成，则称为物理气相沉积（ＰＶＤ）。对于表面气象沉积的研究主要是在模具表面形成一层陶瓷涂层，在陶瓷涂覆前进行等离子渗氮，可提高陶瓷涂层与基体结合力，对热作模具寿命的提高效果显著，得到了广泛研究。由于陶瓷涂层与基体热膨胀性能的差异，因此有人提出一种复合涂层系统，此系统除了使压铸模表面具有抗焊合、抗熔损、耐氧化、耐磨损等功能外，最大的特点是减少热量向模具钢的传递，减缓模具钢的温度变化，以提高模具钢的热疲劳抗力。
３ 压铸冲头结构设计方面的改进研究
现有的压铸冲头通常结构为一个圆柱侧面，由于压铸冲头要在压室里反复运动，压铸冲头与压室之间需存在一个合理的配合间隙。然而，由于此配合间隙的存在，在进行压铸或挤压铸造时，金属熔液会在该间隙中凝固形成金属颗粒，从而导致压铸冲头的卡死及磨损，影响设备的工作效率。基于此，研究者设计了几种防卡死及耐磨的压铸冲头结构。
３．１ 冲头圆柱侧面防卡死结构
基于压铸冲头与压室的配合间隙易流出金属液，产生金属颗粒导致压铸冲头卡死的问题，一些研究者发明了带有人字形槽的压铸冲头（见图３）、带有环形槽的压铸冲头（见图４），这两种压铸冲头结构具有能对形成于冲头与压室之间间隙的凝固金属产生刮削作用并使之被刮削流出的作用。
３．２ 冲头圆柱侧面耐磨结构
３．２．１ 压铸冲头本体
压铸冲头本体采用４５号钢，表层焊接新型镍合金，该合金层具有良好的自润滑性和适宜的强度和耐腐蚀性，对于压铸冲头的使用寿命的延长有明显作用。压铸冲头结构见图５。
３．２．２ 可更换结构的压铸冲头
由于压铸冲头的圆柱侧面易磨损，国外研究者对于压铸冲头的侧面采用可更换结构，此种结构具有高耐磨、高强度等特点，易于更换，有益于降低生产成本且节能环保，结构见图６。
４ 仿生技术在压铸冲头中的应用及前景
仿生学（Ｂｉｏｎｉｃｓ）具有鲜明的创新性和应用性，是通过学习、模仿、复制和再造生物系统的结构、功能、工作原理及控制机制，来改进现有的或创造新的机械、仪器、建筑和工艺过程，仿生学为工程技术提供新的设计理念、工作原理和系统构成。
４．１ 仿生技术在压铸冲头中的应用
环文蛤贝壳生存在海洋环境中，经受着海水和泥沙的反复冲蚀，但其表面的棱柱层能在不断的磨损中保持完整。通过对环文蛤贝壳表面棱柱层的观察发现，其棱柱层表面存在大量的孔洞，而这些孔洞在冲蚀过程中能够将磨粒收纳，这被称之为自修复功能。受此启发，研制了带有密封环的仿生自润滑压铸冲头（见图７）。此压铸冲头的工作原理为：压铸冲头在往复工作过程中，冲头本体受到热应力的作用，由于受热的不均匀性，使仿生孔洞内的润滑剂逐渐排出，以实现其自润滑的目的；除此之外，一些通过密封环的微小磨粒及压铸冲头表面磨损所形成的磨粒，既可以减小冲头表面的磨损，也可以将仿生孔洞内的部分润滑剂挤出，从而提高冲头的使用寿命。
４．２ 仿生技术在压铸冲头中的应用前景
压铸冲头材料的选择、热处理工艺的改进、表面强化技术的应用以及结构的改进，在一定程度上对压铸冲头的寿命延长起到一定的作用，但单一的改进对行业的促进是有限的。材料的表面硬度值通常被用为衡量材料耐磨性的重要指标之一，所以在某些情况下，为了提高材料的耐磨性通常将提高材料的硬度作为首选的解决方法，但此方法易引起对磨面的磨损破坏，反而增大了压铸生产的成本与不便。应用强化技术对热作模具的整个表面进行工艺上的处理，但处理后模具表面的硬化层厚度较薄，往往在生产过程中很快就会被磨损掉而丧失对模具本身的保护作用，降低了模具在各种工况条件下使用的有效性。近几年的研究表明，一些具有非光滑表面结构的生物往往具有良好的减阻耐磨特性。
比如某些土壤动物不仅具有优良的挖掘特性和脱土功能，而且长期穿行于砂石和土壤中，但他们的体表却不因为磨损而破坏，这不仅与其自身的修复功能有关，更与其体表结构和微观组织密不可分，典型动物有穿山甲、蚯蚓、蜣螂、蝼蛄等；天空中飞行的鸟类，经过长期的进化，它们的体表羽毛结构也并没有退化形成光滑表皮或者翼膜；某些海洋生物，像深海鲨鱼之类的海洋生物，在水中的游动速度非常惊人，这与其体表结构有很大的关系。此外，还有常年经受海底泥沙冲蚀的壳类动物，它们的体表形貌与生存环境有着紧密的联系。对它们的体表形态进行观察发现，这些动物的体表都呈现非光滑形态。基于仿生学原理，利用生物单元仿生或生物多元耦合仿生，将某些生物体的耐磨、耐腐蚀、抗疲劳、自愈合、自修复等优良生物功能运用于压铸冲头，必然会对压铸冲头的发展产生巨大的推动。
压铸冲头远景：
激光表面处理技术（激光表面融合、熔覆等技术）与仿生学相结合，在压铸冲头材料表面进行激光仿生耦合设计，从而提高压铸冲头的表面性能，延长压铸冲头使用寿命。压铸冲头易磨损部位采用可更换结构，可大大增加冲头的耐磨性，为压铸厂家增加收益且有利于环保。仿生学以其明显的结构优异性，使其与压铸冲头材料耦合设计，成为压铸冲头研发的一个重要方向。
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