压铸模与铝铸件间焊合的研究现状

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 

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。 

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。

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］。


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。

2、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。

2.1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。


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

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。