鎂合金熔煉之熔煉工藝特點(diǎn)

來源：塑膠五金網(wǎng)發(fā)布時(shí)間：2014-08-12 09:25:22點(diǎn)擊率：

　　在熔煉鎂合金過程中必須有效地防止金屬的氧化或燃燒，可以通過在金屬熔體表面撒熔劑或無熔劑工藝來實(shí)現(xiàn)。通常添加微量的金屬被和鈣來提高鎂熔體的抗氧化性。熔劑熔煉和無熔劑熔煉是鎂合金熔煉與澆注過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)性能和耐腐蝕性下降，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，惡化工作環(huán)境。為了提高熔化過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)了無熔齊I1熔煉工藝，在熔煉爐中采用六氟化硫(SF)與氮?dú)?N)或干燥空氣的混合保護(hù)氣體，從而避免液面和空氣接觸?；旌蠚怏w中SF6的含量要慎重選擇，如果SF6含量過高，會侵蝕坩堝降低其使用壽命;如果含量過低，則不能有效保護(hù)熔體?？偟膩碚f，無論是熔劑熔煉還是無熔劑熔煉，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。

　　10.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，人們開發(fā)了熔劑保護(hù)熔煉的工藝。鎂合金用熔劑見表12-3。在熔煉過程中，必須避免坩堝中熔融爐料出現(xiàn)“搭橋”現(xiàn)象，將余下的爐料逐漸添加到坩堝內(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。在熔化過程中，必須防止?fàn)t料局部過熱。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C12。在澆注前，要對熔體仔細(xì)撇渣，去氧化物，特別是影響抗腐蝕性的氯化物。

　　澆注后，通常將硫粉撒在熔體表面以減輕其在凝固過程中的氧化。

　?、跓o熔劑保護(hù)工藝。壓鑄技術(shù)中采用熔劑熔煉工藝會帶來一些操作上的困難，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常見的缺陷，嚴(yán)重影響鑄件的力學(xué)性能和耐腐蝕性，大大地阻礙了鎂合金的廣泛應(yīng)用。20世紀(jì)70年代初，無熔劑熔煉工藝的開發(fā)成功是鎂合金應(yīng)用領(lǐng)域中的一個重要突破，對鎂合金工業(yè)的發(fā)展有著革命性的意義。

　?、贇怏w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Mg反應(yīng)，生成Mg尹2粉狀化合物，結(jié)構(gòu)疏松，不能阻止反應(yīng)的進(jìn)行。A:和Ne等惰性氣體雖然與Mg不反應(yīng)，但無法阻止鎂的蒸發(fā)。

　　大量試驗(yàn)研究表明，CO2' SO2' S凡等氣體對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。

　　熔體在干燥純凈的CO:中氧化速度很低。高溫下CO:與鎂的化學(xué)反應(yīng)方程式為 2MgO+CO2=2MgO⑤+C 反應(yīng)產(chǎn)物為無定型碳，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表面膜的擴(kuò)散運(yùn)動，從而抑制鎂的氧化。

　　SO2與Mg的化學(xué)反應(yīng)方程式為 3Mg的+S02=2MgO⑧+MgS國反應(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)效果沒有得到認(rèn)可前，人們廣泛采用SO2氣體來抑制鎂合金的氧化與燃燒。

　　S凡是一種人工制備的無毒氣體，相對分子質(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，在常溫下極其穩(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)+02=2MgO(S) 2Mg(L)+02+SF6=2MgF2(S)+SO2+F2 2MgO(S)+SF6=2MgF2(S)+S02+F2 MgF2的致密度高，它與MgO一起可形成連續(xù)致密的氧化膜，對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，否則水分的存在會大大加劇Mg的氧化，還會產(chǎn)生有毒的HF氣體。

　　.SF6保護(hù)氣氛。目前，人們在鎂合金熔煉與生產(chǎn)過程中廣泛采用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，含體積分?jǐn)?shù)0.01%S凡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，SF。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的穩(wěn)定性，以避免破壞液面上方SF6氣體的濃度。還要注意保護(hù)氣體與坩堝發(fā)生反應(yīng)，否則反應(yīng)產(chǎn)物中eF3. Fe20)將與Mg發(fā)生劇烈反應(yīng)。

　　S凡保護(hù)氣氛主要有兩種，一種是干燥空氣與SF6的混合物，另一種是干燥空氣與Co:和SF6的混合物。在熔劑熔煉工藝中，由于沒熔劑，坩堝底部熔渣量大大減少，從而熔體損耗相對較低。由于在鎂合金熔煉溫度下SF6會緩慢分解和與其他元素發(fā)生反應(yīng)生成S02, HF和SF4等有毒氣體，在815℃還會產(chǎn)生劇毒的S2F10，但S2F10在300-350℃會分解出SF6和S凡，因此，鎂合金的熔煉溫度一般不超過8000C o S凡濃度體積分?jǐn)?shù)低于0.4%的保護(hù)氣氛便能對鎂合金熔體提供有效保護(hù)，產(chǎn)生的有毒氣體可以忽略。

　　SF6價(jià)格高且存在潛在的溫室效應(yīng)，因而要盡量控制S凡的排放量。保護(hù)性氣氛中SF6的濃度不允許超過體積分?jǐn)?shù)2%，否則會引起坩堝損耗。特別是在高溫下，SF6濃度超過某一特定的體積分?jǐn)?shù)時(shí)，坩堝內(nèi)可能發(fā)生劇烈反應(yīng)甚至爆炸，因此，必須對混合氣體中SF6濃度進(jìn)行嚴(yán)格控制。此外，帶蓋的坩堝不能采用純SF6氣氛進(jìn)行保護(hù)。SF6是影響鎂合金壽命周期指標(biāo)〕C習(xí)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，國際鎂協(xié)會住M助呼吁鎂界人士重視開發(fā)保護(hù)性氣體以代替SF6四、鎂合金的型砂工藝鎂合金的型砂工藝，一般說來，可以按照其他金屬所用的基本工藝來做，但是，要考慮到鎂合金在熔融狀態(tài)下能夠迅速氧化，密度及熱容量低等特點(diǎn)。目前，在鎂合金的砂型鑄造中，為了防止鎂液的燃燒且出于環(huán)保及人員健康考慮，一般采用烷基磺酸鈉無毒型砂。這種型砂通過生產(chǎn)考驗(yàn)，充分證明可以取代氟附加物型砂而用于鑄造鎂合金。而且該砂具有氣味小、工藝性能好、較好的透氣性、成本低及貨源廣等優(yōu)點(diǎn)，深受企業(yè)好評。

　　但對烷基磺酸鈉若控制不好，也容易使鑄件產(chǎn)生較多的鑄造缺陷。本文介紹控制烷基磺酸鈉型砂的混砂工藝、配制要點(diǎn)及保存使用等的控制要點(diǎn)，并就實(shí)際生產(chǎn)中可能出現(xiàn)的一些問題作了探討，供有關(guān)人員參考。

　　1.烷基磺酸鈉型砂的成分和配制鎂合金的密度約為鋁的2/3，鐵的1/4，因而金屬在型腔中的壓力相當(dāng)?shù)?。為了讓型砂產(chǎn)生的氣體自由排入大氣，型砂必須有好的透氣性。否則，產(chǎn)生的氣體將入侵金屬液，形成鑄件缺陷。

　　烷基磺酸鈉型砂的成分如表12-4 混砂工藝在很大程度上影響著型砂的強(qiáng)度，需要精心操作。

　　下面介紹烷基磺酸鈉型砂的配制過程。配砂前先檢查設(shè)備是否運(yùn)轉(zhuǎn)正常，先加入石英砂、膨潤土、硼酸干混5-7min，再加入烷基磺酸鈉混合9-10min，加入水混合8 -10min。如果需要加入甘油，則和水?dāng)嚢杓尤搿＜尤敫视偷睦碛捎腥?①減少型砂的水含量;②通過減緩水分蒸發(fā)的速度而增加型砂的工作時(shí)間;③作為和硼酸配合使用的防燃劑，形成一種對鎂液具有保護(hù)作用的硼酸醋類化合物。

　　2.烷基磺酸鈉型砂及其特性 ①烷基磺酸鈉是一種碳鏈較長的碳氮化合物，在水中呈淺黃色液體。在分子上有兩個磺酸根時(shí)則為雙磺結(jié)構(gòu)，有兩個以上的即為多磺結(jié)構(gòu)。因此，一個烷基磺酸鈉分子，在高溫裂解過程中不只是裂解產(chǎn)生一個S02，而是多個so:分子。同時(shí)也裂解產(chǎn)生一定量的Co:氣體，構(gòu)成一種較強(qiáng)的保護(hù)氣氛。此外，在高溫澆注過程中，裂解的產(chǎn)物與高分子烷烴類似，有氣態(tài)的乙烯、乙烷、丙烯、丙烷等碳?xì)浠衔铩Ｌ兼溤跀嗔褧r(shí)，有一部分碳和氫被空氣中氧或磺酸根中的氧氧化生成一定的Co:和水蒸氣。在高溫金屬液澆注的過程中，在靠近鑄件表面型砂殼層中，由于缺氧，烷基碳鏈斷裂時(shí)會產(chǎn)生一定量的游離碳，使型砂結(jié)殼層變黑和松散易碎，對復(fù)雜的鎂鑄件冷卻收縮創(chuàng)造了有利條件。

　?、谂鹚岬淖饔谩Ｅ鹚崾前咨蹱罴?xì)小晶粒，是一種弱酸，加熱后多次脫水，生成硼醉。硼醉能提高濕強(qiáng)度，但加入量過大，則透氣性下降。此外，硼酸和鎂合金液體表面接觸生成致密的硼化鎂保護(hù)膜，使鎂鑄件冷卻結(jié)晶過程中不氧化燃燒，和烷基磺酸鈉相互配合使用，起到必不可少的防燃保護(hù)作用。

　?、叟驖櫷恋淖饔?。膨潤土作為主要的私結(jié)劑，當(dāng)被水潤濕后具有較高的濕態(tài)鉆結(jié)力，當(dāng)與其他組分合理配合時(shí)，使型砂具有較高的韌性。若私土量過高，有效膨潤土也比較多，達(dá)到調(diào)勻所需的加水量就得增加，由此導(dǎo)致適宜水分過高。水分和膨潤土增高，均使型砂韌性提高，造型時(shí)難以緊實(shí)，是促進(jìn)機(jī)械私砂的因素。

　?、芡榛撬徕c型砂的物理性能比較好。烷基磺酸鈉型砂的濕透氣不小于80,濕壓強(qiáng)度為0.4-0.6MPa，水分為4.5%-.5.5%o 3.烷基磺酸鈉型砂的存放使用烷基磺酸鈉呈弱堿性，應(yīng)存放于耐酸堿的容器中，避免長期和鐵器接觸。啟用整捅供應(yīng)的烷基磺酸鈉時(shí)，應(yīng)該在前兩天轉(zhuǎn)入分離捅進(jìn)行靜置，并在使用前將浮于其上的不皂化物和鈉鹽撇凈再使用。因?yàn)椴辉砘锖枯^高時(shí)，其防燃性能則明顯降低，同時(shí)對型砂工藝性能也有所影響。捅底的沉淀物不可使用。

　　加入適量水時(shí)，應(yīng)考慮所加烷基磺酸鈉中所含水量，且終符合水分性能指標(biāo)。水分性能指標(biāo)，在夏季和干燥天氣應(yīng)控制在上限，冬季和陰雨天氣控制在下限。為減緩水分蒸發(fā)速度，并改善型砂的工藝性能，可以在型砂中加入質(zhì)量比為0.1%--0.2%的甘油。加入甘油時(shí)，應(yīng)事先將甘油配成甘油和水的混合液，并攪拌均勻。造型用砂應(yīng)干燥且無煤屑和其他雜物，特別是煤，能引起鑄件表面氣孔和皮下氣孔。

　　通常在造型時(shí)分為面砂和填砂他有叫背砂砌，面砂是新混碾的型砂，而填砂則用重新混碾的回用砂。使用回用砂時(shí)，由于型砂中成分燒損，則無須加入膨潤土，只需補(bǔ)加0.1%-0.3%領(lǐng)量分勁、0.2%-0.4%的烷基磺酸鈉及適量水即可，混砂的時(shí)間略比新砂配制的時(shí)間少。一般型砂使用一次以后，在型砂中形成了燒死材料，使型砂出現(xiàn)砂團(tuán)，砂粒變粗，所以需要添加一定量的新砂。但新砂不宜添加太多，添加量太多時(shí)，容易引起濕強(qiáng)度和干強(qiáng)度的下降，導(dǎo)致型砂熱性能變壞。由于混砂時(shí)的機(jī)械作用會引起型砂溫度的上升，砂溫升高，影響水私土私結(jié)劑膜的鉆結(jié)力，從而造成鑄造缺陷，因此，配好砂后應(yīng)至少停放lh。型砂溫度要求不大于400C。配制好的型砂應(yīng)蓋上濕麻袋，防止造成型砂失水，導(dǎo)致造型時(shí)產(chǎn)生垮砂和沖砂缺陷。

　　4.生產(chǎn)中常出現(xiàn)的問題 ①若烷基磺酸鈉長期存放于鐵捅中，會使捅體產(chǎn)生腐蝕，生成深褐色懸浮液。用這種烷基磺酸鈉配制型砂，澆注的鑄件冒口有明火燃燒潤爍街，鑄件打箱后冒口呈嚴(yán)重?zé)g狀皺皮，鑄件質(zhì)量也受到影響。在澆注過程中，型腔內(nèi)隨著澆注溫度的不斷升高，客觀上對保護(hù)氣體的防燃性能要求更高，但實(shí)際上保護(hù)氣體的濃度反而由高逐漸減弱降低，致使防燃?xì)夥詹蛔愣a(chǎn)生這種現(xiàn)象。為避免這種情況，在鑄件的厚大復(fù)雜的型腔表面和澆冒口周圍，需要撒一層薄薄的硫磺粉。在砂型中，硫一接近液體金屬就能在溫度比較低的情況下?lián)]發(fā)成硫蒸氣。在澆注過程中，硫迅速奪取型腔空氣中的氧生成so:保護(hù)氣氛，so:又和金屬反應(yīng)形成表面外加的保護(hù)，提高防燃作用。更重要的是S能和鎂液表面作用，生成硫化鎂保護(hù)膜，使鑄件表面增強(qiáng)抗氧化能力。

　?、阪V合金鑄件表面發(fā)現(xiàn)燃燒灰斑。灰斑大都在液流流路上和內(nèi)澆口附近及鑄件的上面及側(cè)面。嚴(yán)重者用肉眼就可發(fā)現(xiàn)有一個個黑點(diǎn)，內(nèi)有黑灰色粉末。產(chǎn)生的原因可能為:①鎂液澆注時(shí)由于液流紊亂，或者澆注系統(tǒng)設(shè)計(jì)不合理，無阻流緩沖及撇渣單元，鎂液在澆注過程中就要產(chǎn)生沖撞、噴射，產(chǎn)生氧化燃燒，燃燒質(zhì)點(diǎn)Mgo)進(jìn)入型腔，上浮私附在鑄型上表面;②烷基磺酸鈉在高溫缺氧的情況下，形成碳化層。當(dāng)有一部分多次使用的回用砂時(shí)，這種碳化層將會使鑄件產(chǎn)生燃燒。但是，碳化層很難清除。這就需要合理設(shè)計(jì)鑄件澆注系統(tǒng)，金屬液進(jìn)入型腔應(yīng)該平穩(wěn)無沖擊現(xiàn)象。

　?、弁榛撬徕c型砂的透氣性比較高，但濕強(qiáng)度卻偏低，原因是烷基磺酸鈉能夠使水的表面活性化，降低了水的表面張力。

　　它能夠滲透到膨潤土的細(xì)小顆粒中去，使膨潤土固體粒子之間的表面張力小于它內(nèi)部之間的表面張力，從而破壞了固體微粒之間的內(nèi)聚力，使顆粒破裂成微小質(zhì)點(diǎn)分散到型砂中。這時(shí)，微粒外層都包有一層親水性的活性分子吸附膜，由于活性分子在顆粒表面膜上都具有同一方向性，因而產(chǎn)生極性電荷，使顆粒之間具有排斥力，結(jié)果破壞了膨潤土的私結(jié)作用。因此，對于混碾后或堆放待使用的型砂中的水分蒸發(fā)速度很快，型砂表面層干散的也更明顯。在造型或修型的時(shí)間過長，型腔表面的水分蒸發(fā)快，給造型工帶來一定困難。

　　在烷基磺酸鈉型砂鎂合金鑄造中，其質(zhì)量控制是提高鑄件質(zhì)量的重要環(huán)節(jié)，只有在型砂配制的各個環(huán)節(jié)對其成分、水分等綜合因素進(jìn)行合理控制，才能保證型砂的品質(zhì)，進(jìn)而提高鑄件，獲得較好的經(jīng)濟(jì)效益。

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