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。
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。
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
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。
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。
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。
3、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。
(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。
参考文献
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