压铸模与铝铸件间焊合的研究现状

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焊合是指压铸生产中，铸件与模具发生相互作用，起模时，铸件的一部分保留在模具表面，从而造成铸件缺肉的一种铸造缺陷。它是压铸生产中一个十分有害和棘手的问题，压铸模和铝铸件焊合的形成和扩展不仅降低铸件的表面质量和尺寸精度，而且可以引起铸件的报废，甚至导致模具的早期失效，同时，他还增加了模具的修复工时和工人的劳动强度，大大降低了劳动生产率。最近，人们对焊合现象开始重视起来，并在实验室采用一些试验方法对这一现象进行研究，使人们对焊合现象有了一定的认识。
1、焊合的理论研究现状
, _9 M7 d3 h7 U" R' I( J目前，关于焊合现象的形成机理还没有深入的研究，人们只是根据这种现象在压铸生产中产生的特定条件，提出了一些简单的假设和推测，总结出了一些影响焊合形成及扩展的因素，并针对这些因素，采取了一些措施来防止焊合的形成。
# Z5 q3 j7 }& @" s4 e美国的E. K. Holz在第七届国际压铸年会上首次全面论述了焊合的形成原因、影响因素和防止措施［1］。根据焊合发生的部位，他将焊合分成两种类型：冲击焊合(Impingement Soldering)和沉积焊合(Deposition Soldering)。冲击焊合是由于充型时，金属液流撞击模具表面而形成，常发生于内浇口附近。而沉积焊合常发生于模具表面上金属液流流速较慢，没有冲刷的地方。L. Frommer［2］则认为焊合现象的产生是由于复杂的物理化学作用和机械作用所致。A. G. Guy在分析铸造过程中，模具与液体金属相接触而致破坏的原因时，认为模具破坏的机理不是电化学作用，而是包含了以下三个过程：模具材料的溶解，金属化合物层的形成以及液态金属元素往模具中的扩散［3］。D. A. Buckley在研究金属与铁表面的粘接时发现，在研究的所有金属中，化学活性较高的铝元素对铁具有较强的粘接力［4］。英国的J. M. Birch认为金属液循环冲击模具，模具钢和铸造合金产生化学反应，在模具表面形成化学反应层，就产生了铸件粘模现象，粘模最严重的是型芯［5］。
波兰的Wladyslaw Kajoch教授研究了汽车的齿轮箱壳体与模具的焊合情况［6］，他发现，在模具基体和焊合的铝合金之间形成了一系列金属间化合物Fe3Al，FeAl，Fe2Al5和FeAl3，金属间化合物层的总厚度为25μm。德国的Klein和Wust研究了GDAlSi9Cu3合金的焊合倾向性［7］，他们认为铝在模具特定部位粘接的主要原因是由于铁元素从模具扩散至铸件的界面区，并与铝合金反应，形成了AlFeSi化合物，强的粘接作用是由于金属间化合物与同类项的相互作用所致。
' p1 _4 E- v4 D& j% D, l3 [美国的Sumanth Shankar在第19届北美国际压铸会上提出了模具与铸件间焊合的形成过程，如图1所示［8］。高速的铝熔体射向模具表面，将模具表面的氧化膜、涂料等保护膜冲刷掉(图1a)，使得铝熔体与模具钢基体直接相接触(图1b)，接着，模具上的铁原子溶解入铝熔体，并形成了金属间化合物层(图1c)，通过原子间的相互作用，在金属间化合物层上面形成了焊合层(图1d)。

图1 模具焊合现象示意图美国的Yeou-Li Chu认为，压铸过程中焊合现象的产生包括几个不同的阶段——冲蚀阶段、扩散和腐蚀阶段、焊合层的生长阶段，如图2所示［9］。
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6 G! ~9 `1 s0 }: y( {, ?图2 焊合形成的阶段由上可见，目前，人们对于焊合现象的形成机理的认识还很不一致，对于焊合现象的理论研究才刚刚起步，仅处于定性的分析阶段。对于压铸过程中的工艺参数对焊合形成的定量化研究还未进行，而定量化的研究工作可以指导人们采取更为有效的措施，减少焊合在压铸生产中的发生，因而，开展这方面的工作有着重大的理论和实际意义。
4 F' p. k, d* P* b2、焊合的试验研究现状
研究压铸过程中铝合金与模具间相互作用的常用试验研究方法有：摩擦焊，加速试验及热浸铝试验。
% h  ^, D4 G3 b' T; G6 ~( M2.1摩擦焊
为了检测不同铝合金的焊合倾向性，Waldyslaw Kajoch教授采用了摩擦焊的方式［6］。他认为，摩擦焊与模具焊合具有许多相似之处，如两种条件下，铝合金与钢直接相接触；两种工艺均是在高压下进行；铝和铁元素均发生互扩散；均是在接近铝合金熔点的温度下形成界面结合。
摩擦焊的检测装置如图3所示，它由一个钢球和一个圆环座组成，圆环座的材料为要检测的铝合金，测出钢球和圆环座形成稳定的界面层时所需的最小载荷，则这个最小载荷值反映了铝合金与模具焊合倾向性的强弱，最小载荷值越小，则越易于形成焊合。对几种铝合金检测的结果表明，几种铝合金与模具形成焊合的倾向性由弱到强的顺序是：共晶Al-Si合金，Al-Si-Cu合金，亚共晶Al-Si合金，Al-Mg合金，纯Al。
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3 N& {4 {" D, t8 Y# _: ^. d: d图3 钢球与铝合金环组成的摩擦副对铝合金与钢球的界面结合层做了探针成分分析，结果表明，钢球与焊合的铝合金间存在着金属间化合物层，该层主要由Fe3Al，FeAl和Fe2Al5组成，因而，摩擦焊所得到的界面结合层的化学成分与实际压铸条件下焊合层的成分一致，只是，此种条件下的界面结合层的厚度较薄，作者认为这足以说明用摩擦焊的方法，来检测铝合金焊合倾向性的强弱是可行的。
但是，模具焊合区的金属间化合物层主要是由于固体模具与液体铝合金之间的反应扩散而形成的，而摩擦焊中所检测到的金属间化合物主要是由两种固态材料在压力作用下相互扩散而形成的，两者所获得的金属间化合物层的工艺条件相差较大，因而，用摩擦焊的方法来进一步分析工艺因素如温度、压射压力、时间等等对焊合的影响是不可行的。
2.2热浸铝
! u& L9 m7 x2 ?/ d为了研究冲蚀及焊合现象导致模具失效的机理，并评价两种涂料Cr23C6和TiN抗冲蚀及焊合的能力，M. Yu等人进行了加速腐蚀试验，即热浸铝试验［10］，试验装置如图4所示。试验结果表明，当H13钢试样浸入静止的A390熔体中时，在模具钢表面形成了一系列金属间化合物层，随着浸铝时间的延长，金属间化合物层的化学成分发生变化，化合物层的总厚度增加。通过成分分析发现，浸铝6 h后，生成的金属间化合物有τ6(Al4FeSi)，τ5(Al15Fe6Si5)和τ2(Al15Fe6Si5)。而转动的试样浸铝以后，仅形成了两层金属间化合物τ6和τ5，且化合物层较薄，这是因为快速流动的熔体阻止了Al4FeSi的增厚，同时也抑制了含铁量较高的Al15Fe6Si5化合物层的形成。他们认为在实际压铸条件下，焊合之所以易于在模具热节处或正对内浇口处发生，是因为此处易于形成金属间化合物层，而且形成的金属间化合物层τ6与H13模具具有较强的结合强度。在实际生产条件下，形成的金属间化合物层的厚度较薄，是由于充型时，高速熔体对模具表面造成冲刷，从而使金属间化合物层从模具表面上剥离所致。耐磨材料Cr23C6能有效地阻止铝合金熔体的化学冲击，减少模具材料的损失及焊合现象的发生。
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图4 加速腐蚀试验装置示意图瑞典的Martin Sundquist教授对三种不同表面状态的试样进行了热浸铝试验［11］，将这三种试样在690～760 ℃的A380合金中浸蚀60～8 000 s，然后进行分析测试，结果表明，在有氧化层保护的情况下，只在局部形成了金属间化合物；如果试样表面覆盖有不连续的氧化层，则在没有氧化层的地方形成了柱状的金属间化合物；如果试样表面没有氧化层，则在整个试样表面上均有金属间化合物形成，且形成了连续的相层。
美国的Sumanth Shankar为了研究焊合区的组织，将模具钢分别在Al-Si合金和纯铝中进行了热浸铝试验，他发现模具钢在铝硅合金中热浸时，分别形成了η-Fe2Al5，τ5-Fe2SiAl7，τ6-Al4FeSi和τ2-Al15Fe6Si5金属间化合物层，焊合的铝合金层要比金属间化合物层厚得多［8］。而当模具钢在纯铝中热浸时，仅形成了Fe-Al金属间化合物层，并且焊合的铝合金层要比金属间化合物层薄得多。
* \) z2 p3 [: [9 V. D- P) O% c8 k0 U由上述论述可见，钢材热浸铝与压铸过程中的模具热浸铝存在着类似之处，首先两者均是在高温下，铝合金熔体与钢材直接相接触而形成的。其次，钢材热浸铝所形成的过渡层组织与模具焊合区组织类似，主要由金属间化合物组成。同时，也可以看出，两者形成的条件也存在着明显的差异，在模具焊合的形成过程中，除了铝熔体与模具间高温的作用外，还有高压的作用。在每一压铸循环过程中，模具钢与铝熔体相接触仅有不到1 s的时间，而热浸铝试验则是模具钢与铝熔体在高温下长时间相接触。因而，热浸铝试验仅能用来分析模具钢与铝熔体间的冶金反应，根据反应所形成的组织，比较不同铝合金与模具钢相互作用的大小，可见，通过热浸铝试验对模具焊合现象进行研究还存在着很大的局限性。
2.3加速试验
( v$ |4 D& \( G为了研究模具表面喷刷不同的涂料及表面处理抗磨损的作用效果，以及认识因铝熔体对模具表面的化学冲击而引起的冲蚀和焊合等有害现象。R. Shivpuri教授等人进行了加速冲蚀试验［12］，他们采用金字塔型的试样，含Si量较高的A390合金，较高的充型速度(50 m/s)及较高的熔炼温度(730 ℃)。根据试验结果，他们发现，在加速冲蚀试验中，焊合现象易于发生。经过1 000次压铸后，在A390合金和H13试样之间形成了一层金属间化合物层。能谱分析发现，金属间化合物各组分的质量分数分别为：wAl=55.73%，wSi=15.64%，wFe=24.35%，与化合物τ6(Al4SiFe)的化学成分相近。进一步能谱分析表明，与τ6相毗邻的合金中含铁量较高，作者认为焊合的产生是由于合金与模具间Fe，Al及Si的相互扩散所致。
. u4 ?4 R& ?: ?: O  Z为了检测不同表面状态的模具表面与压铸合金的焊合情况，Wladyslaw Kajoch教授在Buhler H160B-D2冷室压铸机上进行了加速焊合试验［6］，所用试样为正对内浇口的型芯。试样的状态分别为未进行任何处理的试样、油中氧化的试样、防粘剂中氧化的试样。加速焊合试验以后，试验结果表明，未进行任何处理的试样，在加速焊合试验中，压铸5～7次时即产生焊合，油中氧化的试样，经13～15次压铸时产生焊合，而在防粘剂中氧化的试样，经过36～40次的压铸后仍未有焊合的迹象。
0 Y3 p8 C& @  Q9 k1 A$ j6 A8 v2 f可见，加速试验由于采用了较高的熔体温度或冲型速度，或采用了专门设计的模具，焊合产生的试验条件与压铸生产中模具焊合现象发生的条件依然存在着较大的差别。因而，目前，人们还没有找到更为可靠、有效的试验方法来对压铸生产中产生的模具焊合现象进行研究，还需在定量化的理论研究结果的指导下，在试验研究方面做出更大的努力。
通过上述试验研究，人们对于焊合现象有了以下认识，在模具与铸件的焊合区存在着金属间化合物层，并且多数研究者都认为，金属间化合物层的形成是导致焊合发生的直接原因；不同的铝合金呈现出不同的焊合倾向性；随着模具服役次数的增加，其与铸件间的焊合倾向性越来越大；压铸操作的温度增加，焊合易于发生；模具正对内浇口处，焊合易于发生；涂层和表面处理能有效地防止焊合的发生等等。由上述试验结果可知，人们对焊合现象的认识仍处在感性认识阶段，还需要开展更系统的试验研究和更深入的理论研究，进一步认识焊合的形成机理及影响因素，以指导人们采取更为可靠、有效地措施，最大限度地减少焊合的发生，减轻焊合在铝合金压铸中的危害。
9 Y' w! c5 s- v( ^$ [5 D3 i& K- Q3、结束语
(1) 对焊合现象的理论研究仅处于对焊合形成机理的定性分析阶段，需要开展深入的定量化研究工作。
(2) 压铸过程中，所形成的金属间化合物层是导致焊合发生的直接原因；不同的铝合金呈现出不同的焊合倾向性；随着模具压铸次数的增加，压铸操作温度的增加，焊合易于发生；模具正对内浇口处，焊合易于发生；涂层和表面处理能有效地防止焊合的发生。
( ~1 P! o, |* Y(3) 对焊合现象的试验研究很不够，需要在寻找更为有效的试验方法的基础上，在定量化的理论研究结果的指导下，开展进一步的试验研究。
0 g, K; R* T2 @' X! R$ }  S文章关键词： 压铸、铸件