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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(rèn)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(jī)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(rèn)為模具破壞的機(jī)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(kuò)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(qiáng)的粘接力［4］。英國的J. M. Birch認(rèn)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(yán)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(rèn)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(kuò)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(qiáng)的粘接作用是由于金屬間化合物與同類項(xiàng)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(hù)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(rèn)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(kuò)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(jī)理的認(rèn)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(jìn)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(shí)際意義。
2、焊合的試驗(yàn)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(yàn)研究方法有：摩擦焊，加速試驗(yàn)及熱浸鋁試驗(yàn)。
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(rèn)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(jìn)行；鋁和鐵元素均發(fā)生互擴(kuò)散；均是在接近鋁合金熔點(diǎn)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(qiáng)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(qiáng)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(shí)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(rèn)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(qiáng)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(kuò)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(kuò)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(jìn)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(jī)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(jìn)行了加速腐蝕試驗(yàn)，即熱浸鋁試驗(yàn)［10］，試驗(yàn)裝置如圖4所示。試驗(yàn)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?yàn)榭焖倭鲃拥娜垠w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(rèn)為在實(shí)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?yàn)榇颂幰子谛纬山饘匍g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(qiáng)的結(jié)合強(qiáng)度。在實(shí)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(yàn)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(jìn)行了熱浸鋁試驗(yàn)［11］，將這三種試樣在690～760 ℃的A380合金中浸蝕60～8 000 s，然后進(jìn)行分析測試，結(jié)果表明，在有氧化層保護(hù)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(jìn)行了熱浸鋁試驗(yàn)，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(yàn)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(yàn)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(yàn)對模具焊合現(xiàn)象進(jìn)行研究還存在著很大的局限性。
2.3加速試驗(yàn)
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(rèn)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(jìn)行了加速沖蝕試驗(yàn)［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(yàn)結(jié)果，他們發(fā)現(xiàn)，在加速沖蝕試驗(yàn)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?jǐn)?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(jìn)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(rèn)為焊合的產(chǎn)生是由于合金與模具間Fe，Al及Si的相互擴(kuò)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(jī)上進(jìn)行了加速焊合試驗(yàn)［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(jìn)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(yàn)以后，試驗(yàn)結(jié)果表明，未進(jìn)行任何處理的試樣，在加速焊合試驗(yàn)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(yàn)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(yàn)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(yàn)方法來對壓鑄生產(chǎn)中產(chǎn)生的模具焊合現(xiàn)象進(jìn)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(yàn)研究方面做出更大的努力。
通過上述試驗(yàn)研究，人們對于焊合現(xiàn)象有了以下認(rèn)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(rèn)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(yàn)結(jié)果可知，人們對焊合現(xiàn)象的認(rèn)識仍處在感性認(rèn)識階段，還需要開展更系統(tǒng)的試驗(yàn)研究和更深入的理論研究，進(jìn)一步認(rèn)識焊合的形成機(jī)理及影響因素，以指導(dǎo)人們采取更為可靠、有效地措施，違禁詞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(jī)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(yàn)研究很不夠，需要在尋找更為有效的試驗(yàn)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(jìn)一步的試驗(yàn)研究。
參考文獻(xiàn)
[1] Holz E K. Trouble-Shooting Aluminium Die Casting Quality Problems. 7th SDCE Int. Die Casting Congress， Chicago，1972:Paper No.4372
[2] Frommer L，Leiby G. Druckgiess-Tchnik. Berlin， Heldeberg， New York，1965:323
[3] Guy A G. Introduction to Materials Science. New York，1972:517～520
[4] Buckley D A. Adhesion of Metals to a Clearn Iron Surface Studied with LEED and Auger Emission Spectroscope. Wear.1972，20:89～92
[5] Birch J M， Booth S E， Hill T B. Prevention of Soldering with Surface Coating of Dies. 16th SDCE Int. Die Casting Congress， Detriot，1991:Paper Detriot-T91-023
[6] Kajoch W，F(xiàn)ajkiel A. Testing The Soldering Tendencles of Aluminium Die Casting Alloys. 16th SDCE Int. Die Casting Congress， Detriot，1991:Paper Detriot-T91-034
[7] Wang L， Makhlouf M and Apelian D. Aluminium Die Casting Alloys: Alloy Composition， Microstructure， and Properties-Performance Relationsships. Int Mat. Rev.，1995，40(6):221～237
[8] Shanker S， Apelian D. Die Soldering-A Metallurgical Analysis of The Molten Aluminium/Die Interface Reactions. NADCA Transactions，1997，ParperT97-085
[9] Venkatesan K， Shivpuri R. An Investigation of The Effects of Process Parameters on the Washout In Die Casting Dies. NADCA Trans-actions.1995，Paper T95-106
[10] Yu M， Shivpuri R， Rapp R A. Effect of Molten Aluminium on H13 Dies and Coatings. J. of Mater. Eng. and Perf.，1995，4(2):175～181
[11] Sundquist M， Hongmark S. Effects of Liquid Alminium on Hot Work Tool Steel. Tribology International，1993，26(2):129～134
[12] Shivpuri R， Yu M， Venkatesan K， et al. A Study of Erosion in Die Cating Dies by A Multiple Pin Accelerated Erosion Test. J. of Mater. Eng. and Perf.，1995，4(2):145～153 (end)
