A1镁合金熔炼过程中的阻燃保护方法及进展_徐静2012.6

作者简介:徐静(1976-),女,工程师,主要从事有色冶炼设计及咨询

工作。

镁合金熔炼过程中的阻燃保护方法及进展

徐 静

(长沙有色冶金设计研究院有限公司,湖南长沙 410011)

摘 要:综述了镁合金熔炼过程中的熔剂保护、气体保护及合金化阻燃保护的研究现状及进展。熔剂保护和气体保护是目前国内外应用最为广泛的镁合金阻燃方法,但同时带来了环境污染等问题。研制经济、实用、无污染的镁合金熔炼保护方法将有利扩大镁合金的生产。关键词:镁合金;熔炼;阻燃技术

中图分类号:T B331 文献标识码:A 文章编号:1003-5540(2012)03-0038-04

镁合金具有比重小、比强度和比刚度高、阻尼性能好、切削加工性能好等优点,因此正在逐渐取代塑胶材料,应用越来越广泛。镁合金主要应用在航空

航天领域,随着汽车、电子工业的迅猛发展,镁合金正在得到更加广泛的应用,预计镁合金将成为21世纪的重要轻质高强度材料[1]。但是一些阻碍镁合金大规模生产的关键技术还没有解决,镁合金在熔炼过程中发生的氧化燃烧就是其中之一。多年来人们一直致力于寻找阻止镁合金在熔炼过程中氧化燃烧的方法,现在基本的阻燃方法有三种[2]:熔剂保护、气体保护和合金化阻燃保护。本文主要对镁合金熔炼过程中的熔剂保护、气体保护和合金化阻燃保护

的基本原理及最新研究进行了论述,以期反映当前镁合金熔炼阻燃技术的研究现状和发展趋势,有利于将来扩大镁合金的生产。

1 熔剂保护

熔剂保护的机理就是用低熔点的无机化合物在

较低的温度下熔化成为液态,在镁合金液面上铺开,隔绝合金液与空气的接触,从而起到保护作用。目前国内常使用的保护熔剂是商品化的RJ 系列熔剂(见表1)[3]

,其中用得最为广泛的是RJ-2熔剂,熔剂的主要成分是氯盐和氟盐。国外某些航空企业所使用的熔剂成分与国内RJ 系列熔剂大致相同[4]。

表1 RJ 系列熔剂的化学成分

牌号主要成分/%

杂质/%

氯化镁氯化钾氯化钡氟化钙氧化镁氯化钙

氯化钠+氯化钙

不溶物氧化镁水光卤石44~5236~46---7

11522RJ-140~4634~40515~815---81151152RJ-238~4632~405~83~5--81151153RJ-334~4025~36-15~207~10-8115-3RJ-432~3832~3612~158~10--81151153RJ-524~3020~2628~3113~15--81151152RJ-6

-54~56

14~16

115~215

-

27~29

8

115

115

2

对于RJ-2溶剂,各主要组成物在熔剂中的作用分别为:M gCl 2是镁合金熔剂中的主要成分,对M gO 、M g 3N 2等夹杂物具有良好的吸附作用,与M gO 结合组成复杂化合物,形成致密、牢固的

MgCl 2#MgO,有效去除氧化夹渣;KCl 能降低熔剂的表面张力和粘度,改善熔剂的铺开性能,使熔剂能均

匀覆盖在镁合金液体表面;NaCl 与MgCl 2、KCl 组成三元系,降低熔剂的熔点[5]。熔剂保护使用较方便,生产成本低,保护使用效果好,适合于中小企业的生产,在我国,镁合金产品的生产基本上都是采用熔剂保护法。

38

湖南有色金属

HU NA N N ON FERROU S M ET AL S

第28卷第3期2012年6月

采用熔剂保护,由于种种原因,总免不了在合金液中混入少量的熔剂。这些溶剂在浇注过程中随着合金液流入到铸件中,成为夹杂,损害了合金强度,造成废品,成为镁合金铸件生产过程中的一个瓶颈。

不仅如此,由于熔剂的主要成分是氯化盐,所以在高温下会与合金液作用产生大量有毒的氯气和氯化氢气体,造成了生产环境的恶劣,不仅危害到工人的身体健康,而且腐蚀生产设备,极大地污染了大气环境。镁合金生产厂家每年不得不花费大量经费来进行污染治理,并且还要对生产车间采取防腐措施,大大提高了镁合金产品的生产成本[6]。

鉴于目前溶剂保护镁合金熔炼存在的问题,因此寻找氯盐和氟盐的代用材料、减少氯盐和氟盐的使用量、减少污染、提高环保效果是镁合金溶剂保护熔炼的努力目标。美国研究出了一种轻覆盖熔剂[7],该覆盖熔剂不含密度和熔点都高的钡盐(如BaCl2),容易与镁合金液分离,对镁铝锌合金(如AZ88)压铸前的熔炼保护效果良好,所生产的镁合金压铸件夹渣少,纯净度高。上海交通大学研制出JDMF覆盖剂的JDMJ精炼剂[5],通过加入发泡剂可使熔剂发泡变成多孔物质,从而降低其密度。据介绍,发泡剂还能产生惰性气体,使保护方式由单一的熔剂保护变为熔剂-气体复合保护,并减少了有害气体排放。作为开发无污染、高效率的镁合金保护熔剂,熔剂-气体复合保护无疑是一个发展方向。

2气体保护

气体保护法的机理是在合金液的表面覆盖一层惰性气体或者能与镁反应生成致密氧化膜的气体,隔离空气中的氧,从而起到保护作用。60年代末,美国的M ichigen大学镁合金熔炼研究小组在广泛试验的基础上[8],找到了一种适合镁合金熔炼保护的气体SF6。SF6的作用是使镁合金液面生成很薄、很致密的一层保护性膜,反应方程式为:

2Mg(液)+O2y2MgO(固)

2Mg(液)+O2+SF6y2Mg F2(固)+SO2+F2

2MgO(固)+SF6y2MgF2(固)+SO2+F2

1999年,国际镁业协会(IMA)发布了SO2和SF6气体的替代品研究计划,在全世界范围内进行招标,挪威的一家私立研究机构SINTEF与挪威科技大学共同获得了国际镁协的资助,主要研究一些氟化物和氟碳化物(H FC-134a、H FE7100等)的保护性能。澳大利亚昆士兰大学矿产与材料工程系的Cashion等人也开展了类似的研究工作,系统地研究了HFC-134a的保护效果和工艺特性[9]。以此为基础,于2000年由澳大利亚的澳洲镁业公司(AM C)和铸造金属生产协作研究中心(CAST)申请了被称为AM-cover保护方法的专利,应用证明AM-cov-er的保护效果优于SF6保护系统,大大降低了温室气体产生和减少了保护费用,显著地降低了成本。其不足之处是H FC-134a仍有一定的温室效应,地球温室化系数(GWP)约为1300。

2009年,清华大学熊守美和陈晓等人[10],发明了通过在镁合金熔炼炉内通入由三氟碘甲烷(分子式CF3I)气体和稀释气体组成的混合气体进行镁合金熔炼保护。在混合气体中,三氟碘甲烷和稀释气体的纯度为工业用纯度,稀释气体为干燥的N2、CO2、Ar2和压缩空气中的一种或多种。根据镁合金熔炼炉的密封情况,采用不同比例的混合气体和通气方式,在无密封或密封的熔炼炉中熔炼镁合金时,采用含三氟碘甲烷的混合气体进行熔炼保护,都具有良好的保护效果,与SF6的保护相比,更具有环保优势,而且熔炼保护工艺简单,具有很好的工业应用前景。

2002年,MilbrathD提出了一种GWP近似为1的化学物质FlurinatedKetones,代替SF6作为镁合金保护气体。这种物质的分子式为C3F7C(O)C2F5,是沸点为4910e的液体,具有毒性低、化学性质稳定、对环境无影响、便于运输等优点[11,12]。它被命名为Novec TM612,目前已商品化,正在日本和欧洲打开市场。Novec T M612在工业生产规模的镁熔炼保护测试中显示,它作为保护剂具有和SF6一样好的效果,而它的排放物没有健康和安全问题,同时它的温室效应低,GWP(温室效应)值与CO2一样,在大气中的寿命短,对全球变暖的影响可以忽略。所以该种镁保护液正成为SF6合适的替代物。但这一保护系统相对于前面所述的几种保护方法,操作比较繁杂,工艺设备较多。

虽然国内外学者在致力于开发能够替代SF6的保护气体方面作了大量的研究工作,并且取得了一定的进步,但是离真正能够用于生产方面还有一定的差距。到目前为止,国际上认为采用SF6混合气体保护镁合金熔液的方法是最好的。采用这种方法后,原先为了阻止镁合金熔液氧化而采取的加铍工艺可以取消,因为加铍或不加铍对混合气的保护作用并无变化,这样可以避免由于加铍可能引起镁合金

39

第3期徐静:镁合金熔炼过程中的阻燃保护方法及进展