鎂合金熔鑄工藝特點(diǎn)及典型熔煉工藝

1、鎂合金熔鑄工藝特點(diǎn)及典型熔煉工藝在熔煉鎂合金過(guò)程中必須有效地防止金屬的氧化或燃燒,可以通過(guò)在金屬熔體表面撒熔劑或無(wú)熔劑工藝來(lái)實(shí)現(xiàn).通常添加微量的金屬鈹和鈣來(lái)提高鎂熔體的抗氧化性.熔劑熔煉和無(wú)熔劑熔煉是鎂合金熔煉與澆注過(guò)程的兩大類基本工藝.1970年之前,熔煉鎂合金主要是采用熔劑熔煉工藝.熔劑能去除鎂中雜質(zhì)并且能在鎂合金熔體表面形成一層保護(hù)性薄膜,隔絕空氣.然而熔劑膜隔絕空氣的效果并不十分理想,熔煉過(guò)程中氧化燃燒造成的鎂損失還是比較大.此外,熔劑熔煉工藝還存在一些問(wèn)題,一方面容易產(chǎn)生熔劑夾雜,導(dǎo)致鑄件力學(xué)性能和耐蝕性下降,限制了鎂合金的應(yīng)用;另一方面熔劑與鎂合金液反應(yīng)生成腐蝕性煙氣,破壞熔煉設(shè)備

2、,惡化工作環(huán)境.為了提高熔化過(guò)程的安全性和減少鎂合金液的氧化,20世紀(jì)70年代初出現(xiàn)了無(wú)熔劑熔煉工藝,在熔煉爐中采用六氟化硫(SF6)與氮?dú)?N2)或干燥空氣的混合保護(hù)氣體,從而避免液面和空氣接觸.混合氣體中SF6的含量要慎重選擇.如果SF6 含量過(guò)高,會(huì)侵蝕坩鍋降低其使用壽命;如果含量過(guò)低,則不能有效保護(hù)熔體.總的來(lái)說(shuō),無(wú)論是熔劑熔煉還是無(wú)熔劑熔煉,只要操作得當(dāng),都能較好地生產(chǎn)出優(yōu)質(zhì)鑄造鎂合金.1熔煉保護(hù)工藝(1)熔劑保護(hù)熔煉工藝將熔體表面與氧氣隔絕是安全地進(jìn)行鎂合金熔煉的最基本要求.早期曾嘗試采用氣體保護(hù)系統(tǒng),但效果并不理想.后來(lái),人們開(kāi)發(fā)了熔劑保護(hù)熔煉的工藝.鎂合金用熔劑見(jiàn)表7.3.在熔

3、煉過(guò)程中,必須避免坩鍋中熔融爐料出現(xiàn)搭橋現(xiàn)象,將余下的爐料逐漸添加到坩鍋內(nèi),保持合金熔體液面平穩(wěn)上升,并將熔劑輕輕撒在熔體表面.每種鎂合金都有各自的專用熔劑,必須嚴(yán)格遵守供應(yīng)商規(guī)定的熔劑使用指南.在熔化過(guò)程中,必須防止?fàn)t料局部過(guò)熱.采用熔體氯化工藝熔煉鎂合金時(shí),必須采取有效措施收集Cl2.在澆注前,要對(duì)熔體仔細(xì)撇渣,去氧化物,特別是影響抗蝕性的氯化物.澆注后,通常將硫粉撒在熔體表面以減輕其在凝固過(guò)程中的氧化.(2)無(wú)熔劑保護(hù)工藝壓鑄技術(shù)中采用熔劑熔煉工藝會(huì)帶來(lái)一些操作上的困難,特別是在熱壓室壓鑄中,這種困難更加嚴(yán)重.同時(shí),熔劑夾雜是鎂合金鑄件最常見(jiàn)的缺陷,嚴(yán)重影響鑄件的力學(xué)性能和耐蝕性,大大阻

4、礙了鎂合金的廣泛應(yīng)用.20世紀(jì)70 年代初,無(wú)熔劑熔煉工藝的開(kāi)發(fā)成功是鎂合金應(yīng)用領(lǐng)域中的一個(gè)重要突破,對(duì)鎂合金工業(yè)的發(fā)展有著革命性的意義.1)氣體保護(hù)機(jī)理如上所述,純凈的N2,Ar,Ne 等惰性氣體雖然能對(duì)鎂及其合金熔體起到一定的阻燃和保護(hù)作用,但效果并不理想.N2易與鎂反應(yīng),生成Mg3N2 粉狀化合物,結(jié)構(gòu)疏松,不能阻止反應(yīng)的進(jìn)行.Ar和Ne等惰性氣體雖然與Mg不反應(yīng),但無(wú)法阻止鎂的蒸發(fā).大量試驗(yàn)研究表明,CO2,SO2,SF6 等氣體對(duì)鎂及其合金熔體可以起到良好的保護(hù)作用,其中以SF6的效果最佳.熔體在干燥純凈的CO2中氧化速度很低.高溫下CO2與鎂的化學(xué)反應(yīng)方程式為2Mg(L)+CO2=

5、2 MgO(S)+C反應(yīng)產(chǎn)物為無(wú)定型碳,它可以填充與氧化膜的間隙處,提高熔體表面氧化膜的致密性,此外還能強(qiáng)烈地抑制鎂離子透過(guò)表面膜的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng),從而抑制鎂的氧化.SO2與鎂的化學(xué)反應(yīng)方程式為3Mg(L)+SO2=2 MgO(S)+ MgS(S)反應(yīng)產(chǎn)物在熔體表面形成一薄層較致密的MgS/ MgO復(fù)合膜,可以抑制鎂的氧化.20世紀(jì)70年代,SF6的保護(hù)效果沒(méi)有得到認(rèn)可前,人們廣泛采用SO2氣體來(lái)抑制鎂合金的氧化與燃燒.SF6是一種人工制備的無(wú)毒氣體,相對(duì)分子質(zhì)量為164.1,密度是空氣的4倍,發(fā)生化學(xué)反應(yīng)可能產(chǎn)生有毒氣體,在常溫下及其穩(wěn)定.含SF6的混合氣體與鎂可以發(fā)生一系列的復(fù)雜反應(yīng).2Mg(L

6、)+O2=2 MgO(S)2Mg(L)+O2+SF6=2 MgF2(S)+ SO2+ F22MgO(S)+SF6=2 Mg F2(S)+ SO2+ F2MgF2的致密度高,它與MgO一起可形成連續(xù)致密的氧化膜,對(duì)熔體起到良好的保護(hù)作用.應(yīng)當(dāng)注意的是,采用含SF6保護(hù)氣氛時(shí),一定不能含有水蒸氣,否則水分的存在會(huì)大大加劇鎂的氧化,還會(huì)產(chǎn)生有毒的HF氣體.然而,各種氣體對(duì)鎂合金熔體的保護(hù)效果可能與合金系有關(guān).M.H.Kim等開(kāi)展了保護(hù)性氣體對(duì)Mg-Ca系合金熔體氧化特性影響的研究,發(fā)現(xiàn)Ar,N2,和CO2三種氣體中N2的保護(hù)效果最好.流速較小時(shí),CO2與鎂合金熔體反應(yīng)生成的氧化層具有雙層多孔性結(jié)構(gòu),

7、表層富碳,內(nèi)層富氧,不能抑制Mg-Ca系合金熔體的氧化與燃燒.顯然,Kim與其他人的研究結(jié)果相悖.2)SF6保護(hù)氣氛目前,人們?cè)阪V合金熔煉與生產(chǎn)過(guò)程中廣泛采用SF6保護(hù)氣氛.SF6保護(hù)氣氛是一種非常有效的保護(hù)氣氛,能顯著降低熔煉損耗,在鑄錠生產(chǎn)行業(yè)和壓鑄工業(yè)中得到普遍應(yīng)用.實(shí)驗(yàn)研究表明,含0.01vol.%SF6的混合氣體可有效地保護(hù)熔體,但實(shí)際操作中,為了補(bǔ)充SF6與熔體反應(yīng)與泄漏造成的損耗,SF6的濃度要高些.在配置混合氣體時(shí),一般應(yīng)采用多管道,多出口分配,盡量接近液面且分配均勻,并且需要定期檢查管道是否堵塞和腐蝕.采用SF6保護(hù)氣氛熔煉合金時(shí),應(yīng)盡可能提高澆注溫度,熔體液面高度和給料速度

8、的穩(wěn)定性,以避免破壞液面上方SF6氣體的濃度.此外要注意保護(hù)氣體與坩鍋發(fā)生反應(yīng),否則反應(yīng)產(chǎn)物(FeF3,Fe2O3)將與鎂發(fā)生劇烈反應(yīng).SF6保護(hù)氣氛主要有兩種,一種時(shí)干燥空氣與SF6的混合物,另一種時(shí)干燥空氣與CO2 和SF6的混合物.SF6保護(hù)氣氛中SF6濃度較低(1.72)vol.%,且無(wú)毒無(wú)味.壓鑄溫度比較低,且金屬熔體密封性好,SF6濃度較低的空氣混合物就可以提供保護(hù)(通常小于0.25 vol%).在熔劑熔煉工藝中,細(xì)小的金屬顆粒會(huì)陷入坩鍋底部的熔渣中而難以回收,因而熔體損耗較高.在無(wú)熔劑工藝中,由于沒(méi)熔劑,坩鍋底部熔渣量大大減少,從而熔體損耗相對(duì)較低.由于在鎂合金熔煉溫度下SF6會(huì)

9、緩慢分解和與其他元素發(fā)生反應(yīng)生成SO2,HF和SF4等有毒氣體,在815還會(huì)產(chǎn)生劇毒的S2F10,但S2F10在300350會(huì)分解出SF6和SF4,因此鎂合金的熔煉溫度一般不超過(guò)800.SF6濃度低于0.4 vol.%的保護(hù)氣氛便能對(duì)鎂合金熔體提供有效保護(hù),因而產(chǎn)生的有毒氣體可以忽略.表7.12列出了SF6氣體的技術(shù)要求.SF6價(jià)格高且存在潛在的溫室效應(yīng),因而要盡量控制SF6的排放量.保護(hù)性氣氛中SF6的濃度不容許超過(guò)2vol.%,否則會(huì)引起坩鍋損耗.特別是在高溫下,SF6濃度超過(guò)某一特定的體積分?jǐn)?shù)時(shí),坩鍋內(nèi)可能發(fā)生劇烈反應(yīng)甚至爆炸,因此必須對(duì)混合氣體中SF6濃度進(jìn)行嚴(yán)格控制.此外,帶蓋的坩鍋

10、不能采用純SF6氣氛進(jìn)行保護(hù).SF6是影響鎂合金壽命周期指標(biāo)(LCA)的主要因素,也是制約鎂合金成為21世紀(jì)綠色材料的關(guān)鍵因素.2000年,國(guó)際鎂協(xié)會(huì)(IMA)呼吁鎂界人士重視開(kāi)發(fā)保護(hù)性氣體以代替SF6.1.3.1熔化工具及原料的準(zhǔn)備新坩堝在使用前須經(jīng)沒(méi)有滲透及X射線檢驗(yàn)，證明無(wú)滲漏及影響使用的缺陷后方可使用。舊坩堝應(yīng)在清除熔渣及氧化皮后檢查是否完好，如發(fā)現(xiàn)下述情況應(yīng)予以報(bào)廢；坩堝外表有白色氧化皮或干燥熔劑（表明該處已經(jīng)燒穿，滲漏）。坩堝局部嚴(yán)重凹陷或壁厚減薄至原來(lái)的1/2。錘擊坩堝的聲音嘶?。ū砻饔辛鸭y或過(guò)燒之處）。清除錠模，預(yù)熱至120150，冷卻至7080，噴涂料（質(zhì)量分?jǐn)?shù)為：10%滑石

11、粉、5%硼酸、2.4%水玻璃，余量為水），在預(yù)熱至120200待用。主要金屬原材料鎂、鋁、鋅等最好采用一級(jí)品。稀土金屬直接加入，錳和鋯制成中間金屬直接加入，鈹以Al-Be中間合金或鈹氟酸鈉（NaBeF3）形式加入。配料時(shí)對(duì)爐料應(yīng)先吹砂，出去表面上的腐蝕物及熔劑、沙粒、氧化皮等，以防止它們與鎂熔液反應(yīng)和硅、鐵、氫、氧化夾雜等進(jìn)入熔液中。純鎂錠啟封后應(yīng)先除油和吹砂后才能用于配料。配料時(shí)（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）新金屬占20%40%，回爐料占8060%。1.3.2AZ91合金熔煉工藝1.熔劑法：將坩堝預(yù)熱至暗紅色（400500），在坩堝內(nèi)壁及底部均勻地撒謊桑一層粉狀RJ-2（或RJ-1）熔劑。爐料預(yù)熱至150以上

12、，一次加入回爐料、鎂錠、鋁錠，并在爐料上撒一層RJ-2熔劑，裝料時(shí)熔劑用量約占爐料重量的1%2%。升溫熔煉，當(dāng)熔液溫度高達(dá)700720時(shí)，加入中間合金及鋅錠。在裝料及熔煉過(guò)程中，一旦煩心愛(ài)你熔液露出并燃燒，應(yīng)立即補(bǔ)撒RJ-2熔劑。爐料全部熔化后，猛烈攪拌58min，以使成分均勻。接著澆注光譜試樣，進(jìn)行爐前分析。如果成分不合格，可加料調(diào)整，直至合格。將熔液升溫至730，出去熔渣，并撒上一層RJ-2熔劑保溫，進(jìn)行變質(zhì)處理。即將占爐料總重量0.4%的菱鎂礦（使用前破碎成10mm左右的小塊）分作23包，用鋁箔包好，分批裝于鐘罩內(nèi)，緩慢壓入熔液深度2/3處，并平穩(wěn)地水平移動(dòng)，使熔液沸騰，直至變制劑全部分

13、解（時(shí)間約為612min）；如采用C2Cl6和變質(zhì)處理，加入量為爐料總重量的0.5%0.8%，處理溫度為740760。變質(zhì)處理后，出去表面熔渣，撒以新的RJ-2熔劑，調(diào)整溫度至710730，進(jìn)行精煉。攪拌熔液1030min，使熔液自下而上翻滾，不斷飛濺，并不斷在熔液的波峰撒以精煉劑。精煉劑的用量視精煉結(jié)束后，清除合金液表面、坩堝壁、澆嘴及擋板上的熔渣，然后撒上RJ-2熔劑。將熔液升溫至755770，保溫靜置2060min，澆注斷口試樣，檢查斷口，以成致密，銀白色為合格。否則，需重新變質(zhì)和精煉。合格后將熔液調(diào)至澆注溫度（通常為720780），出爐澆注。精煉后升溫靜置的目的是減小熔液的密度和粘度，

14、以加速熔渣的沉析，也使熔渣能有效充分的時(shí)間從鎂熔液中沉淀下來(lái)，不致混入鑄件中。過(guò)熱對(duì)晶粒細(xì)化也有利，必要時(shí)間可過(guò)熱至800840，在快速冷卻至澆注溫度，以改善晶粒細(xì)化效果。熔煉好的熔液靜置結(jié)束后應(yīng)在1h內(nèi)澆注完，否則需要重新澆注試樣，檢查斷口，檢查合格方可繼續(xù)澆注，不合格需重新變質(zhì)、精煉。如斷口檢查重復(fù)兩次不合格，該熔液只能澆錠，不能澆注鑄件。整個(gè)熔煉過(guò)程（不包括精煉）熔劑消耗約占爐料總重量的3%5%。2.無(wú)熔劑熔煉（氣體）法：20世紀(jì)70年代初，無(wú)熔劑熔煉技術(shù)的開(kāi)發(fā)與應(yīng)用引起了人們的關(guān)注。其中保護(hù)氣體（SF6、CO2）的應(yīng)用對(duì)于鎂合金熔煉技術(shù)的發(fā)展具有重要意義。無(wú)熔劑法的原材料及精煉工具準(zhǔn)備

15、基本上與熔劑精煉時(shí)相同，不同之處在于：使用SF6、CO2等保護(hù)性氣體，C2Cl6變質(zhì)精煉，氬氣補(bǔ)充吹洗，其技術(shù)要求如表4-4所示。對(duì)熔煉工具清理干凈，預(yù)熱至200300噴涂料。配料時(shí)二、三級(jí)回爐料總重量的40%，其中三級(jí)回爐料不得大于20%。表1-4無(wú)熔劑熔煉用氣體及C2Cl6的技術(shù)要求名稱技術(shù)要求（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）SF6水分3010-4%；CF0.1%；酸度（以HF表示）510-4%；可水解氟化物（以HF表示）1510-4%；生物試驗(yàn)合格CO2純度99.9%Ar純度99.9%C2Cl6工業(yè)一級(jí)首先將熔液坩堝預(yù)熱至暗紅，約500600，裝滿經(jīng)預(yù)熱的爐料，裝料順序?yàn)椋汉辖疱V、鎂錠、鋁錠、回爐料、中間合

16、金及鋅等（如無(wú)法一次裝完，可留部分錠料或小塊回爐料待合金熔化后分批加入），蓋上防護(hù)罩，通入防護(hù)氣體，升溫熔化（第一次送入SF6氣體時(shí)間可取46min）。當(dāng)熔液升溫至700720時(shí)，攪拌25min,以使成分均勻，之后清除爐渣，澆注光譜試樣。當(dāng)成分不合格時(shí)進(jìn)行調(diào)整，直至合格。升溫730750并保溫，其質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.1%的C2Cl6自沉式變質(zhì)精煉劑進(jìn)行處理，其配方見(jiàn)表1-5.表1-5自沉式精煉變質(zhì)劑配方編號(hào)成分組成/gC2Cl6石墨Zn13031418250523283100104555精煉變質(zhì)處理后除渣，并在730750用流量為12L/min的氬氣補(bǔ)充精煉（吹洗）24min(吹頭應(yīng)插入熔液下部)，通氬氣量以