变形镁合金的熔炼技术_夏德宏

中国有色金属报/2011年/7月/21日/第008版

镁业

变形镁合金的熔炼技术

夏德宏

变形镁合金是一种优越的金属材料。变形镁合金材料的生产主要通过挤压、轧制和锻造等工艺手段实现。变形镁合金优异的性能以及在不同领域的特殊用途使其成为镁合金材料研究与开发领域中不可缺少的一个重要组成部分。但限制镁合金广泛应用的主要问题之一是,镁合金在熔炼和加工过程中极容易氧化燃烧,使镁合金的生产难度增大。镁合金熔炼技术研究在很大程度上是防氧化研究,这包括对熔炼所使用的溶剂的研究和气体保护防燃研究。

镁熔体性质很活泼,容易和周围介质中的氧气、氮气和水分反应,其中在镁合金熔炼过程中最常见、危害最大的是镁与氧的反应,因此,在镁合金熔炼技术中可以采用熔剂保护熔炼,利用低熔点的无机化合物在较低的温度下熔化成液态,在镁合金液面铺开,阻止镁液与空气接触,从而起到保护液态镁熔体,防止镁与氧等反应气进行反应的作用。目前国内常使用的保护熔剂是商品化的RJ系列熔剂。其中,用得最为广泛的是RJ22熔剂。一种新的溶剂JDMF,此覆盖剂能够长时间静置而不破碎下沉,延长熔剂的保护时间、减少熔剂的用量、减少有害气体的产生。但是氯盐和氟盐的使用会造成环境污染,寻找合适的替代品是开发镁合金液保护熔剂的努力目标。

惰性气体保护是利用Ar、N2、He等无色、无味的惰性稀有气体,覆盖于熔体表面形成惰性气体层,防止镁的氧化。等惰性气体主要用于不需经常开启的密闭系统作为保护气体,一般情况下需混人少量的SO2等反应性气体,以阻止镁的蒸发,提高其防燃效果。在密闭条件下可起到良好的保护作用。但在高压下存在一定的风险。

反应性气体保护是利用与镁反应的气体在消耗掉少量金属镁后,在表面形成致密膜层防止进一步氧化的方法。在高温下CO2可与镁反应生成无定型C、MgO,无定型C填充到疏松多孔的夕膜的MgO空隙中,在熔体表面形成致密度系数大于由其组成的复合膜。抑制镁穿过表面膜扩散的作用,降低了镁的蒸发,有效防止熔体的氧化。SO2可以与液态镁反应形成致密度系数为1.26得固体MgS,从而有效阻止熔体与炉气之间的反应,起到防氧化作用。SF6是一种无色、无嗅、无毒的气体,在镁合金液面会生成含有MgF2的致密氧化膜,阻止镁合金液的进一步氧化,通常将SF6和干燥的空气、CO2混合使用,该工艺已经相当成熟。但是温室效应很高。

研究表明,在550~575℃的镁合金表面,FK会产生热变化,产生CO和具有高反应活性的氟烃游离基,能与未被保护的镁表面和镁蒸汽反应产生保护膜所必须的MgF2和CO2。在未密闭的铸造操作中和在除渣或加料时,FK与新鲜的液态镁接触可全部发生反应,形成保护物质在镁的熔炼保护中,FK比SF6在更低的浓度对镁或镁合金有更好的保护性。FK与不同的气体混合使用有不同的保护作用,NovecTM612镁合金保护液对镁合金有良好的保护效果,完全可以代替SF6作为镁合金的保护气体。

变形镁合金熔炼时经常加入熔剂来防止熔体氧化。熔剂在熔体表面造成绝缘层,既防止熔体氧化又可除去熔体中的固态和气态非金属夹杂物。通常选择的熔剂氧化亲和性高于镁合金,主要是碱金属和碱土金属的氯化盐和氟化盐。溶剂密度与液态金属存在一定差值以便及时排出,净化能力可靠,形成隔绝氧化层能力强且物、化性能稳定,而且吸附非金属夹杂物能力强,且要求可操作性强。

传统的熔炼设备分为火焰反射炉和干锅炉,目前新开发的集熔化与压铸为一体的封闭型镁合金生产系统,熔炼在密封的坩埚内进行,通过固定的吸管将镁合金液送入压铸型腔底部,坩埚及压铸型腔内都通有氩气,不用SF6气体保护,效果非常明显。合金熔炼还开发出了单室、双室、三室熔炼炉。单室熔炼炉是熔化、保温和镁液出炉都在一个坩埚内完成,适于非流水线生产的砂型铸造或小

批量压铸。双室炉的坩埚内有一隔板把坩埚内的空间分隔成两部分,隔板下部有孔将两熔池连通,双室炉中的一个熔池(坩埚)用于熔化镁锭,向另一个熔池(坩埚)提供镁合金液,同时起集渣作用;另一个熔池(坩埚)保温,并直接向压铸机提供镁合金液。三室炉的熔化室温度较低,向压铸机提供镁液的供液室温度较高,中间室的温度由熔化室一侧到供液室一侧逐渐升高,熔化室温度低有利于CO2气体保护,中间室是密闭的,平衡熔化室和供液室之间压差,同时也起到第二次集渣的作用。

镁合金液的质量很大程度上决定了镁合金的力学性能和抗腐蚀性能,镁合金液的质量检测包括:化学成分、洁净度、显微组织、含气量等。最近发展的检测镁合金液洁净度的真空过滤法,通过测量过滤片上收集的夹杂物数量,评判镁合金液的洁净度。断口检测是炉前检测的有效手,段通过测试夹杂断口与总断口数的比值及夹杂物情况,评判镁合金液的洁净度。超声波法根据接收到的超声信号判断夹杂物的情况。

变形镁合金熔炼具有许多特点,需要针对其特点对熔炼技术进行深入研究,需要进一步理解镁合金熔炼的保护机制,建立镁合金熔炼保护的评价体系,加强对高性能镁合金熔炼工艺的研究是扩大镁合金应用范围的需要,研制出更为经济、实用、无污染的镁合金熔炼保护方法,提高镁合金利用率、降低生产成本。