壓鑄模與鋁鑄件間焊合的研究現(xiàn)狀

　　焊合是指壓鑄生產(chǎn)中，鑄件與模具發(fā)生相互作用，起模時，鑄件的一部分保留在模具表面，從而造成鑄件缺肉的一種鑄造缺陷。它是壓鑄生產(chǎn)中一個十分有害和棘手的問題，壓鑄模和鋁鑄件焊合的形成和擴展不僅降低鑄件的表面質(zhì)量和尺寸精度，而且可以引起鑄件的報廢，甚至導(dǎo)致模具的早期失效，同時，他還增加了模具的修復(fù)工時和工人的勞動強度，大大降低了勞動生產(chǎn)率。最近，人們對焊合現(xiàn)象開始重視起來，并在實驗室采用一些試驗方法對這一現(xiàn)象進行研究，使人們對焊合現(xiàn)象有了一定的認識。

1、焊合的理論研究現(xiàn)狀

　　目前，關(guān)于焊合現(xiàn)象的形成機理還沒有深入的研究，人們只是根據(jù)這種現(xiàn)象在壓鑄生產(chǎn)中產(chǎn)生的特定條件，提出了一些簡單的假設(shè)和推測，總結(jié)出了一些影響焊合形成及擴展的因素，并針對這些因素，采取了一些措施來防止焊合的形成。

　　美國的E. K. Holz在第七屆國際壓鑄年會上首次全面論述了焊合的形成原因、影響因素和防止措施［1］。根據(jù)焊合發(fā)生的部位，他將焊合分成兩種類型：沖擊焊合(Impingement Soldering)和沉積焊合(Deposition Soldering)。沖擊焊合是由于充型時，金屬液流撞擊模具表面而形成，常發(fā)生于內(nèi)澆口附近。而沉積焊合常發(fā)生于模具表面上金屬液流流速較慢，沒有沖刷的地方。L. Frommer［2］則認為焊合現(xiàn)象的產(chǎn)生是由于復(fù)雜的物理化學(xué)作用和機械作用所致。A. G. Guy在分析鑄造過程中，模具與液體金屬相接觸而致破壞的原因時，認為模具破壞的機理不是電化學(xué)作用，而是包含了以下三個過程：模具材料的溶解，金屬化合物層的形成以及液態(tài)金屬元素往模具中的擴散［3］。D. A. Buckley在研究金屬與鐵表面的粘接時發(fā)現(xiàn)，在研究的所有金屬中，化學(xué)活性較高的鋁元素對鐵具有較強的粘接力［4］。英國的J. M. Birch認為金屬液循環(huán)沖擊模具，模具鋼和鑄造合金產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)，在模具表面形成化學(xué)反應(yīng)層，就產(chǎn)生了鑄件粘�，F(xiàn)象，粘模最嚴重的是型芯［5］。

　　波蘭的Wladyslaw Kajoch教授研究了汽車的齒輪箱殼體與模具的焊合情況［6］，他發(fā)現(xiàn)，在模具基體和焊合的鋁合金之間形成了一系列金屬間化合物Fe3Al，F(xiàn)eAl，F(xiàn)e2Al5和FeAl3，金屬間化合物層的總厚度為25μm。德國的Klein和Wust研究了GDAlSi9Cu3合金的焊合傾向性［7］，他們認為鋁在模具特定部位粘接的主要原因是由于鐵元素從模具擴散至鑄件的界面區(qū)，并與鋁合金反應(yīng)，形成了AlFeSi化合物，強的粘接作用是由于金屬間化合物與同類項的相互作用所致。

　　美國的Sumanth Shankar在第19屆北美國際壓鑄會上提出了模具與鑄件間焊合的形成過程，如圖1所示［8］。高速的鋁熔體射向模具表面，將模具表面的氧化膜、涂料等保護膜沖刷掉(圖1a)，使得鋁熔體與模具鋼基體直接相接觸(圖1b)，接著，模具上的鐵原子溶解入鋁熔體，并形成了金屬間化合物層(圖1c)，通過原子間的相互作用，在金屬間化合物層上面形成了焊合層(圖1d)。

圖1 模具焊合現(xiàn)象示意圖

美國的Yeou-Li Chu認為，壓鑄過程中焊合現(xiàn)象的產(chǎn)生包括幾個不同的階段——沖蝕階段、擴散和腐蝕階段、焊合層的生長階段，如圖2所示［9］。

圖2 焊合形成的階段

　　由上可見，目前，人們對于焊合現(xiàn)象的形成機理的認識還很不一致，對于焊合現(xiàn)象的理論研究才剛剛起步，僅處于定性的分析階段。對于壓鑄過程中的工藝參數(shù)對焊合形成的定量化研究還未進行，而定量化的研究工作可以指導(dǎo)人們采取更為有效的措施，減少焊合在壓鑄生產(chǎn)中的發(fā)生，因而，開展這方面的工作有著重大的理論和實際意義。 

2、焊合的試驗研究現(xiàn)狀

　　研究壓鑄過程中鋁合金與模具間相互作用的常用試驗研究方法有：摩擦焊，加速試驗及熱浸鋁試驗。

2.1摩擦焊

　　為了檢測不同鋁合金的焊合傾向性，Waldyslaw Kajoch教授采用了摩擦焊的方式［6］。他認為，摩擦焊與模具焊合具有許多相似之處，如兩種條件下，鋁合金與鋼直接相接觸；兩種工藝均是在高壓下進行；鋁和鐵元素均發(fā)生互擴散；均是在接近鋁合金熔點的溫度下形成界面結(jié)合。

　　摩擦焊的檢測裝置如圖3所示，它由一個鋼球和一個圓環(huán)座組成，圓環(huán)座的材料為要檢測的鋁合金，測出鋼球和圓環(huán)座形成穩(wěn)定的界面層時所需的最小載荷，則這個最小載荷值反映了鋁合金與模具焊合傾向性的強弱，最小載荷值越小，則越易于形成焊合。對幾種鋁合金檢測的結(jié)果表明，幾種鋁合金與模具形成焊合的傾向性由弱到強的順序是：共晶Al-Si合金，Al-Si-Cu合金，亞共晶Al-Si合金，Al-Mg合金，純Al。

圖3 鋼球與鋁合金環(huán)組成的摩擦副

　　對鋁合金與鋼球的界面結(jié)合層做了探針成分分析，結(jié)果表明，鋼球與焊合的鋁合金間存在著金屬間化合物層，該層主要由Fe3Al，F(xiàn)eAl和Fe2Al5組成，因而，摩擦焊所得到的界面結(jié)合層的化學(xué)成分與實際壓鑄條件下焊合層的成分一致，只是，此種條件下的界面結(jié)合層的厚度較薄，作者認為這足以說明用摩擦焊的方法，來檢測鋁合金焊合傾向性的強弱是可行的。

　　但是，模具焊合區(qū)的金屬間化合物層主要是由于固體模具與液體鋁合金之間的反應(yīng)擴散而形成的，而摩擦焊中所檢測到的金屬間化合物主要是由兩種固態(tài)材料在壓力作用下相互擴散而形成的，兩者所獲得的金屬間化合物層的工藝條件相差較大，因而，用摩擦焊的方法來進一步分析工藝因素如溫度、壓射壓力、時間等等對焊合的影響是不可行的。

2.2熱浸鋁

　　為了研究沖蝕及焊合現(xiàn)象導(dǎo)致模具失效的機理，并評價兩種涂料Cr23C6和TiN抗沖蝕及焊合的能力，M. Yu等人進行了加速腐蝕試驗，即熱浸鋁試驗［10］，試驗裝置如圖4所示。試驗結(jié)果表明，當(dāng)H13鋼試樣浸入靜止的A390熔體中時，在模具鋼表面形成了一系列金屬間化合物層，隨著浸鋁時間的延長，金屬間化合物層的化學(xué)成分發(fā)生變化，化合物層的總厚度增加。通過成分分析發(fā)現(xiàn)，浸鋁6 h后，生成的金屬間化合物有τ6(Al4FeSi)，τ5(Al15Fe6Si5)和τ2(Al15Fe6Si5)。而轉(zhuǎn)動的試樣浸鋁以后，僅形成了兩層金屬間化合物τ6和τ5，且化合物層較薄，這是因為快速流動的熔體阻止了Al4FeSi的增厚，同時也抑制了含鐵量較高的Al15Fe6Si5化合物層的形成。他們認為在實際壓鑄條件下，焊合之所以易于在模具熱節(jié)處或正對內(nèi)澆口處發(fā)生，是因為此處易于形成金屬間化合物層，而且形成的金屬間化合物層τ6與H13模具具有較強的結(jié)合強度。在實際生產(chǎn)條件下，形成的金屬間化合物層的厚度較薄，是由于充型時，高速熔體對模具表面造成沖刷，從而使金屬間化合物層從模具表面上剝離所致。耐磨材料Cr23C6能有效地阻止鋁合金熔體的化學(xué)沖擊，減少模具材料的損失及焊合現(xiàn)象的發(fā)生。

圖4 加速腐蝕試驗裝置示意圖

瑞典的Martin Sundquist教授對三種不同表面狀態(tài)的試樣進行了熱浸鋁試驗［11］，將這三種試樣在690～760 ℃的A380合金中浸蝕60～8 000 s，然后進行分析測試，結(jié)果表明，在有氧化層保護的情況下，只在局部形成了金屬間化合物；如果試樣表面覆蓋有不連續(xù)的氧化層，則在沒有氧化層的地方形成了柱狀的金屬間化合物；如果試樣表面沒有氧化層，則在整個試樣表面上均有金屬間化合物形成，且形成了連續(xù)的相層。

　　美國的Sumanth Shankar為了研究焊合區(qū)的組織，將模具鋼分別在Al-Si合金和純鋁中進行了熱浸鋁試驗，他發(fā)現(xiàn)模具鋼在鋁硅合金中熱浸時，分別形成了η-Fe2Al5，τ5-Fe2SiAl7，τ6-Al4FeSi和τ2-Al15Fe6Si5金屬間化合物層，焊合的鋁合金層要比金屬間化合物層厚得多［8］。而當(dāng)模具鋼在純鋁中熱浸時，僅形成了Fe-Al金屬間化合物層，并且焊合的鋁合金層要比金屬間化合物層薄得多。

　　由上述論述可見，鋼材熱浸鋁與壓鑄過程中的模具熱浸鋁存在著類似之處，首先兩者均是在高溫下，鋁合金熔體與鋼材直接相接觸而形成的。其次，鋼材熱浸鋁所形成的過渡層組織與模具焊合區(qū)組織類似，主要由金屬間化合物組成。同時，也可以看出，兩者形成的條件也存在著明顯的差異，在模具焊合的形成過程中，除了鋁熔體與模具間高溫的作用外，還有高壓的作用。在每一壓鑄循環(huán)過程中，模具鋼與鋁熔體相接觸僅有不到1 s的時間，而熱浸鋁試驗則是模具鋼與鋁熔體在高溫下長時間相接觸。因而，熱浸鋁試驗僅能用來分析模具鋼與鋁熔體間的冶金反應(yīng)，根據(jù)反應(yīng)所形成的組織，比較不同鋁合金與模具鋼相互作用的大小，可見，通過熱浸鋁試驗對模具焊合現(xiàn)象進行研究還存在著很大的局限性。

2.3加速試驗

　　為了研究模具表面噴刷不同的涂料及表面處理抗磨損的作用效果，以及認識因鋁熔體對模具表面的化學(xué)沖擊而引起的沖蝕和焊合等有害現(xiàn)象。R. Shivpuri教授等人進行了加速沖蝕試驗［12］，他們采用金字塔型的試樣，含Si量較高的A390合金，較高的充型速度(50 m/s)及較高的熔煉溫度(730 ℃)。根據(jù)試驗結(jié)果，他們發(fā)現(xiàn)，在加速沖蝕試驗中，焊合現(xiàn)象易于發(fā)生。經(jīng)過1 000次壓鑄后，在A390合金和H13試樣之間形成了一層金屬間化合物層。能譜分析發(fā)現(xiàn)，金屬間化合物各組分的質(zhì)量分數(shù)分別為：wAl=55.73%，wSi=15.64%，wFe=24.35%，與化合物τ6(Al4SiFe)的化學(xué)成分相近。進一步能譜分析表明，與τ6相毗鄰的合金中含鐵量較高，作者認為焊合的產(chǎn)生是由于合金與模具間Fe，Al及Si的相互擴散所致。

　　為了檢測不同表面狀態(tài)的模具表面與壓鑄合金的焊合情況，Wladyslaw Kajoch教授在Buhler H160B-D2冷室壓鑄機上進行了加速焊合試驗［6］，所用試樣為正對內(nèi)澆口的型芯。試樣的狀態(tài)分別為未進行任何處理的試樣、油中氧化的試樣、防粘劑中氧化的試樣。加速焊合試驗以后，試驗結(jié)果表明，未進行任何處理的試樣，在加速焊合試驗中，壓鑄5～7次時即產(chǎn)生焊合，油中氧化的試樣，經(jīng)13～15次壓鑄時產(chǎn)生焊合，而在防粘劑中氧化的試樣，經(jīng)過36～40次的壓鑄后仍未有焊合的跡象。

　　可見，加速試驗由于采用了較高的熔體溫度或沖型速度，或采用了專門設(shè)計的模具，焊合產(chǎn)生的試驗條件與壓鑄生產(chǎn)中模具焊合現(xiàn)象發(fā)生的條件依然存在著較大的差別。因而，目前，人們還沒有找到更為可靠、有效的試驗方法來對壓鑄生產(chǎn)中產(chǎn)生的模具焊合現(xiàn)象進行研究，還需在定量化的理論研究結(jié)果的指導(dǎo)下，在試驗研究方面做出更大的努力。

　　通過上述試驗研究，人們對于焊合現(xiàn)象有了以下認識，在模具與鑄件的焊合區(qū)存在著金屬間化合物層，并且多數(shù)研究者都認為，金屬間化合物層的形成是導(dǎo)致焊合發(fā)生的直接原因；不同的鋁合金呈現(xiàn)出不同的焊合傾向性；隨著模具服役次數(shù)的增加，其與鑄件間的焊合傾向性越來越大；壓鑄操作的溫度增加，焊合易于發(fā)生；模具正對內(nèi)澆口處，焊合易于發(fā)生；涂層和表面處理能有效地防止焊合的發(fā)生等等。由上述試驗結(jié)果可知，人們對焊合現(xiàn)象的認識仍處在感性認識階段，還需要開展更系統(tǒng)的試驗研究和更深入的理論研究，進一步認識焊合的形成機理及影響因素，以指導(dǎo)人們采取更為可靠、有效地措施，最大限度地減少焊合的發(fā)生，減輕焊合在鋁合金壓鑄中的危害。

3、結(jié)束語

　　(1) 對焊合現(xiàn)象的理論研究僅處于對焊合形成機理的定性分析階段，需要開展深入的定量化研究工作。

　　(2) 壓鑄過程中，所形成的金屬間化合物層是導(dǎo)致焊合發(fā)生的直接原因；不同的鋁合金呈現(xiàn)出不同的焊合傾向性；隨著模具壓鑄次數(shù)的增加，壓鑄操作溫度的增加，焊合易于發(fā)生；模具正對內(nèi)澆口處，焊合易于發(fā)生；涂層和表面處理能有效地防止焊合的發(fā)生。

　　(3) 對焊合現(xiàn)象的試驗研究很不夠，需要在尋找更為有效的試驗方法的基礎(chǔ)上，在定量化的理論研究結(jié)果的指導(dǎo)下，開展進一步的試驗研究。 參考文獻

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