服務(wù)熱線(xiàn)
0755-26825352
0755-26825352
18948189678
美國的E. K. Holz在第七屆國際壓鑄年會(huì )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］。根據焊合發(fā)生的部位，他將焊合分成兩種類(lèi)型：沖擊焊合(Impingement Soldering)和沉積焊合(Deposition Soldering)。沖擊焊合是由于充型時(shí)，金屬液流撞擊模具表面而形成，常發(fā)生于內澆口附近。而沉積焊合常發(fā)生于模具表面上金屬液流流速較慢，沒(méi)有沖刷的地方。L. Frommer［2］則認為焊合現象的產(chǎn)生是由于復雜的物理化學(xué)作用和機械作用所致。A. G. Guy在分析鑄造過(guò)程中，模具與液體金屬相接觸而致破壞的原因時(shí)，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(gè)過(guò)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(shí)發(fā)現，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，在模具表面形成化學(xué)反應層，就產(chǎn)生了鑄件粘模現象，粘模最嚴重的是型芯［5］。
波蘭的Wladyslaw Kajoch教授研究了汽車(chē)的齒輪箱殼體與模具的焊合情況［6］，他發(fā)現，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，FeAl，Fe2Al5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，并與鋁合金反應，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(lèi)項的相互作用所致。
美國的Sumanth Shankar在第19屆北美國際壓鑄會(huì )上提出了模具與鑄件間焊合的形成過(guò)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(zhù)，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(guò)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 模具焊合現象示意圖
美國的Yeou-Li Chu認為，壓鑄過(guò)程中焊合現象的產(chǎn)生包括幾個(gè)不同的階段——沖蝕階段、擴散和腐蝕階段、焊合層的生長(cháng)階段，如圖2所示［9］。
圖2 焊合形成的階段
由上可見(jiàn)，目前，人們對于焊合現象的形成機理的認識還很不一致，對于焊合現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(guò)程中的工藝參數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(kāi)展這方面的工作有著(zhù)重大的理論和實(shí)際意義。
2、焊合的試驗研究現狀
研究壓鑄過(guò)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(jìn)行；鋁和鐵元素均發(fā)生互擴散；均是在接近鋁合金熔點(diǎn)的溫度下形成界面結合。
摩擦焊的檢測裝置如圖3所示，它由一個(gè)鋼球和一個(gè)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)座形成穩定的界面層時(shí)所需的最小載荷，則這個(gè)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合層做了探針成分分析，結果表明，鋼球與焊合的鋁合金間存在著(zhù)金屬間化合物層，該層主要由Fe3Al，FeAl和Fe2Al5組成，因而，摩擦焊所得到的界面結合層的化學(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合層的厚度較薄，作者認為這足以說(shuō)明用摩擦焊的方法，來(lái)檢測鋁合金焊合傾向性的強弱是可行的。
但是，模具焊合區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(lái)進(jìn)一步分析工藝因素如溫度、壓射壓力、時(shí)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象導致模具失效的機理，并評價(jià)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，即熱浸鋁試驗［10］，試驗裝置如圖4所示。試驗結果表明，當H13鋼試樣浸入靜止的A390熔體中時(shí)，在模具鋼表面形成了一系列金屬間化合物層，隨著(zhù)浸鋁時(shí)間的延長(cháng)，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(guò)成分分析發(fā)現，浸鋁6 h后，生成的金屬間化合物有τ6(Al4FeSi)，τ5(Al15Fe6Si5)和τ2(Al15Fe6Si5)。而轉動(dòng)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(dòng)的熔體阻止了Al4FeSi的增厚，同時(shí)也抑制了含鐵量較高的Al15Fe6Si5化合物層的形成。他們認為在實(shí)際壓鑄條件下，焊合之所以易于在模具熱節處或正對內澆口處發(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模具具有較強的結合強度。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(shí)，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(jìn)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(jìn)行分析測試，結果表明，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的氧化層，則在沒(méi)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(méi)有氧化層，則在整個(gè)試樣表面上均有金屬間化合物形成，且形成了連續的相層。
美國的Sumanth Shankar為了研究焊合區的組織，將模具鋼分別在A(yíng)l-Si合金和純鋁中進(jìn)行了熱浸鋁試驗，他發(fā)現模具鋼在鋁硅合金中熱浸時(shí)，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］。而當模具鋼在純鋁中熱浸時(shí)，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(jiàn)，鋼材熱浸鋁與壓鑄過(guò)程中的模具熱浸鋁存在著(zhù)類(lèi)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(guò)渡層組織與模具焊合區組織類(lèi)似，主要由金屬間化合物組成。同時(shí)，也可以看出，兩者形成的條件也存在著(zhù)明顯的差異，在模具焊合的形成過(guò)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(guò)程中，模具鋼與鋁熔體相接觸僅有不到1 s的時(shí)間，而熱浸鋁試驗則是模具鋼與鋁熔體在高溫下長(cháng)時(shí)間相接觸。因而，熱浸鋁試驗僅能用來(lái)分析模具鋼與鋁熔體間的冶金反應，根據反應所形成的組織，比較不同鋁合金與模具鋼相互作用的大小，可見(jiàn)，通過(guò)熱浸鋁試驗對模具焊合現象進(jìn)行研究還存在著(zhù)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象。R. Shivpuri教授等人進(jìn)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 ℃)。根據試驗結果，他們發(fā)現，在加速沖蝕試驗中，焊合現象易于發(fā)生。經(jīng)過(guò)1 000次壓鑄后，在A(yíng)390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，金屬間化合物各組分的質(zhì)量分數分別為：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(jìn)行了加速焊合試驗［6］，所用試樣為正對內澆口的型芯。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。加速焊合試驗以后，試驗結果表明，未進(jìn)行任何處理的試樣，在加速焊合試驗中，壓鑄5～7次時(shí)即產(chǎn)生焊合，油中氧化的試樣，經(jīng)13～15次壓鑄時(shí)產(chǎn)生焊合，而在防粘劑中氧化的試樣，經(jīng)過(guò)36～40次的壓鑄后仍未有焊合的跡象。
可見(jiàn)，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(zhuān)門(mén)設計的模具，焊合產(chǎn)生的試驗條件與壓鑄生產(chǎn)中模具焊合現象發(fā)生的條件依然存在著(zhù)較大的差別。因而，目前，人們還沒(méi)有找到更為可靠、有效的試驗方法來(lái)對壓鑄生產(chǎn)中產(chǎn)生的模具焊合現象進(jìn)行研究，還需在定量化的理論研究結果的指導下，在試驗研究方面做出更大的努力。
通過(guò)上述試驗研究，人們對于焊合現象有了以下認識，在模具與鑄件的焊合區存在著(zhù)金屬間化合物層，并且多數研究者都認為，金屬間化合物層的形成是導致焊合發(fā)生的直接原因；不同的鋁合金呈現出不同的焊合傾向性；隨著(zhù)模具服役次數的增加，其與鑄件間的焊合傾向性越來(lái)越大；壓鑄操作的溫度增加，焊合易于發(fā)生；模具正對內澆口處，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。由上述試驗結果可知，人們對焊合現象的認識仍處在感性認識階段，還需要開(kāi)展更系統的試驗研究和更深入的理論研究，進(jìn)一步認識焊合的形成機理及影響因素，以指導人們采取更為可靠、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、結束語(yǔ)
(1) 對焊合現象的理論研究?jì)H處于對焊合形成機理的定性分析階段，需要開(kāi)展深入的定量化研究工作。
(2) 壓鑄過(guò)程中，所形成的金屬間化合物層是導致焊合發(fā)生的直接原因；不同的鋁合金呈現出不同的焊合傾向性；隨著(zhù)模具壓鑄次數的增加，壓鑄操作溫度的增加，焊合易于發(fā)生；模具正對內澆口處，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上，在定量化的理論研究結果的指導下，開(kāi)展進(jìn)一步的試驗研究。
參考文獻
[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，Fajkiel 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)
