压铸模与铝铸件焊合区的特征及形成机理

　　祝汉良郭景杰贾均

　　摘要模具焊合区的表面上，存在着一定数量的显微孔洞、显微凹陷及裂纹等表面缺陷，大大增加了模具与铸件间的真实接触面积，焊合区的截面主要由焊合的铝合金、过渡层、氮化层及钢基体组成。对模具与铸件不同的焊合模式及形成机理进行了分析，将焊合分为物理化学焊合、机械焊合和混合焊合，并分析了压铸生产中焊合的形成及扩展过程。

　　关键词：压铸模铝铸件焊合形成机理

　　betweenDieCastingDieandAluminumAlloyCasting

　　(HarbinInstituteofTechnology)

　　KeyWords:DieCastingDie圆筒冷冲模设计，AluminumAlloyCasting，Soldering，FormationMechanism，

　　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

　　，对焊合区的特征及焊合的形成机理还认识不清。因而，开展这方面的研究工作有着重要的理论和实际意义。

　　1材料及试验方法

　　用来分析模具焊合区特征的失效模具为生产电度表铝底壳PD101×4f的压铸模，冲压毕业设计。该模具使用4万次左右就失效了，模具材质为3Cr2W8V钢。

　　在SuperProbe-723型电子探针分析仪上进行成分分析，操作电压为20kV，电子束流大小为2×10

　　mA。在S-570型扫描电镜上观察焊合区模具的表面状态，操作电压为20kV。

　　2试验结果

　　2.1焊合的表观形貌

　　图1为切割试样前失效模具焊合的表观形貌，由图可见，在型腔表面有严重的焊合现象，银白色的铝合金粘附在模具表面，而模具上未粘附铝的地方则呈黑色。

　　图1失效模具焊合的表观形貌

　　铝压铸模Fig.1Apparentmorphologyofsolderingintheiluredie

　　2.2焊合区的表面特征

　　模具焊合区的表面状态如图2所示。由图可见，模具表面存在着大量的显微孔洞、凹陷和凹坑。模具一般焊合区的表面存在着一定数量的孔洞以及大量的凹陷(见图2a)，大孔洞的尺寸约3.6μm，多数孔洞的尺寸在2.0μm左右。孔洞纵向较深，而凹陷则比较浅，且相互连接。对于模具正对内浇口的表面不仅存在着大量的孔洞和凹陷，而且还有较大尺寸的裂纹(见图2b)，孔洞相互连接且呈蜂窝状，有些地方形成了大尺寸的凹坑，凹坑尺寸一般为4～10μm。

　　a.模具一般部位焊合b.模具正对内浇口处

　　区的表面状态焊合区的表面状态

　　图2失效模具焊合区的表面状态

　　Fig.2Sucestateofsolderingregionintheiluredie

　　2.3焊合区的截面特征及成分分析

　　图3为模具焊合截面的背散射及铝元素的面分布照片，可见，焊合区的截面主要由四部分组成：焊合的铝合金，过渡层，氮化层和钢基体。过渡层最厚处可达10μm，其化学成分(质量分数)为23.73%的Al，59.36%的Fe，3.59%的Cr，12.96%的W及0.36%的V。

　　a.背散射照片(物理化学焊合)b.Al的面分布(物理化学焊合)c.背散射照片(机械焊合)d.Al的面分布(机械焊合)

　　图3焊合区的EPMA分析

　　Fig.3MicroanalysisofsolderingregionbyEPMA

　　从图3中还可以看出，焊合主要有两种模式，一种焊合是铝合金与模具表面粘连在一起(图3a和图3b)，另一种是铝合金楔入模具表面裂纹内，从而形成铸件与模具的焊合(图3c和图3d)。图4为模具钢与铝合金形成的第一种焊合界面的显微形貌，可以清楚的看出，铝合金与模具接触处紧紧地连接在一起，并形成了连续相，同时，还可以发现，焊合界面是不连续的、间断的，在焊合的铝合金一侧存在着许多孔隙。

　　图4压铸模与铝合金焊合界面的显微形貌

　　Fig.4Intecemorphologyofsolderingbetweendiecasting

　　dieandaluminumcastingalloy

　　3讨论

　　3.1焊合的形成机理及分类

　　对于第一种焊合，模具与合金的表面原子形成了金属键。因而，此种焊合主要由原子间的化学相互作用形成，此种焊合称为物理化学焊合。压铸过程中，铸件与模具形成了相互作用的接合界面，界面接合强度的大小主要取决于模具与铝合金真实接触面积的大小。当接合界面的强度大于铝铸件表层组织的强度时，将形成物理化学焊合，表现在起模时，起模力将铸件与模具分离于铸件一侧。

　　对于第二种焊合，充型时，铝液在高压作用下，渗入模具表面的裂纹内，并接下来凝固，从而在铝铸件与模具间产生了机械咬合作用，因而，焊合主要由铝铸件与模具间的机械相互作用形成，此种焊合称为机械焊合。同时，在铝铸件与模具的直接接触处，必然也存在着原子间的化学相互作用，当直接接触面积较大时，注塑模毕业设计。焊合将是化学相互作用和机械相互作用共同起作用的结果，则称此种焊合为混合焊合。因而，根据焊合模式及其形成机理，可以将焊合分为三类：物理化学焊合、机械焊合和混合焊合。

　　3.2焊合的形成及扩展过程

　　新模具投入压铸生产中，伴随着压铸模次的增加，模具的表面状态将发生变化，焊合将越来越易于发生，其与铸件发生焊合的方式也将有所不同。图5为压铸生产中，模具的表面状态随压铸模次的增加而发生变化的示意图。对于刚投入压铸生产的新模具来说，由于液态金属的表面张力，模具表面覆盖的氧化物和涂料以及液态金属的凝固收缩作用，使凝固后的固体铸件和模具间的直接接触面积很少，因而，铸件与模具间发生化学相互作用的原子数很少，不形成明显的焊合现象，但在合金与模具直接接触处，发生Al和Fe原子的相互扩散。随着压铸循环的继续进行，模具表面的凹陷和凹坑的数量及尺寸增加，金属与模具间的直接接触面积大大增加，模具表面的铝浓度进一步增加，铸件与模具间的化学相互作用大大增加，此时铸件与模具可形成明显的物理化学焊合现象。当模具服役一定时间之后，模具表面形成了大尺寸的裂纹和龟裂，模具与铸件间的化学相互作用与机械相互作用都进一步增强，使得焊合更易于发生。随着裂纹的扩展，机械相互作用进一步增加，模具与铸件间产生了严重的焊合现象，生产出来的铸件已完全报废，模具也不能再继续使用。

　　由上述分析可见，压铸生产中，焊合的形成过程可以分为三个阶段。首先，铝合金液充型时，对模具表面造成冲刷，使模具表面的涂料等被冲掉，裸露出模具基体。其次，铝合金液与模具基体间发生复杂的物理化学作用。接着，铝合金液冷却凝固，并在模具与铸件间形成焊合区，导致焊合的发生。

　　4结论

　　(1)失效模具一般部位焊合区的模具表面上，含有一定数量的孔洞及大量的浅的凹陷，失效模具正对内浇口处焊合区的模具表面，则含有蜂窝状的孔洞，较大尺寸的凹坑及裂纹。

　　(2)失效模具焊合区的截面主要由焊合的铝合金、过渡层、氮化层及钢基体组成，过渡层主要由Fe和Al元素组成，另外，还有Cr，W，V等化学元素。

　　(3)根据焊合模式及其形成机理，焊合可以分为物理化学焊合、机械焊合和混合焊合。

　　(4)压铸生产中，焊合的形成过程可以分为三个阶段，新模具投入压铸生产后，最先发生的是铸件与模具间的化学相互作用。本课题为美国Emerson公司博士基金资助项目

　　作者单位：祝汉良郭景杰贾均(工业大学)

　　参考文献

　　2金蕴林，许宝成最新实用压铸技术：兵器工业出版社，

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