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镁合金熔炼的原料与准备

2020-07-30

制备镁合金零件的工艺可分四大类:铸造冶金法,快速凝固/粉末冶金法,喷射沉积法,半固态成形法。除这4种方法,还有用各种压力加工塑性成形工艺生产的镁及镁合金半成品(板、带、管、棒、型材与锻件)制造的零部件。但用半成品制造的零部件仅占总镁合金件的15%左右,而在前4类零部件中,用铸造冶金法生产的又占95%以上。因此,用铸造冶金法生产镁合金零件占总量的80%强。而在铸造冶金法制造的镁合金件中,用压铸法生产的竟占90%左右。


不管是制备压力加工的镁合金锭还是生产镁合金零件,熔炼是一道极为关键的工序,因为它对熔体品质进而对材料与铸件的性能有着决定性的影响。不管是原材料品质,还是熔剂、熔炼工艺和设备、工具等的品质都对熔体品质有影响,同时与其他常用金属相比,镁的化学性能活泼得多,其熔体极易与氧、氮、水等发生化学反应,发生燃烧与爆炸的机率也更大些,镁及镁合金的腐蚀性能对杂质元素如铁、镍、铜等非常敏感。因此,在熔炼镁合金时必须严格遵守操作规程、熟记安全规程、精心操作。


1、原材料

配制镁合金的金属原料有镁、锭、铝锭、锌锭与中间合金(镁-锰、镁-锆、镁-钕、铝-铍、铝-镁-铍、铝-镁-锰)、混合稀土等,以及铍氟酸钠,回炉工艺废料。它们的品质、化学成分与级别应符合各自的标准。各种镁合金的回炉料与工艺废料都可以作为同牌号合金炉料的组成部分,不过同时使用一级和二级回炉料时,其用量之和不得大于炉料总质量的80%,同时使用二级和三级回炉料时,其用量不得超过炉料总质量的40%。待装炉的各种炉料应洁净干燥,没有油、氧化物、沙土和明显的锈蚀。生产不同牌号铸件与铸锭时,应特别注意,不得混料,特别是含锆的镁合金不得与含铝的镁合金料混淆。


2、熔剂

由于镁及镁合金在熔炼过程中易氧化与烧损严重,需用熔剂保护,这种熔剂称为覆盖剂。镁合金熔体中的氧化夹杂物、熔剂夹渣和气体溶解度比铝合金熔体的高得多。因此,为获得高品质的熔体,必须对其进行精炼净化,起净化作用的物质被称为精炼剂。它对镁熔体起精炼净化作用,对夹杂物应有良好的润湿、吸附能力,并利用熔剂与镁熔体的密度差,把金属夹杂物随同熔剂自熔体中排除。


当前应用的镁合金熔剂大都是碱土金属氯化物和氟化物如MgCl2、KCl、BaCl2、CAF2、MgO、CaCl2的混合盐。一般来说,以MgCl2为主要成分的熔剂用于Mg-Al-Zn、Mg-Mn和Mg-Zn-Zr系合金的熔炼,而对于含有Ca、La、Ce、Nd、Th等元素的合金,应用不含MgCl2的专用熔剂。在镁合金熔炼过程中还使用硫磺、硼酸HBO3、氟化物(NH4BF4、NH4HF、NH4F)和烷基磺酸钠RSONa以防止镁熔体在浇铸和充型时的氧化和燃烧。硫与镁熔体接触时形成SO2保护气体,沸点为444.6℃,另外镁可与硫生成MgS膜,减缓熔体氧化。硼酸受热脱水生成B2O3,与Mg反应生成致密的Mg3B2保护膜。氟化物与镁接触后分解出HF和NH3等保护气体,不过这些气体有毒,且有强腐蚀性,因此现在多RSONa,可与镁反应生成SO2和CO2,并能与镁生成MgS致密保护膜。


3、配料

应根据国家标准、厂内标准与车间配料标准做好配料工作,为了减轻镁合金的氧化与防止其燃烧,可向配料中添加小于0.002%Be,也可以添加微量Ca,它们可在熔体表面形成致密氧化层,例如含Ca的AZ91合金的表面层由三层组成:最外层为CaO,中间层为CaO与MgO的混合物,最内层主要为Al2O3。它们能防止氧渗入。是Mg-Zn系、Mg-Re系、Mg-Th系等合金的晶粒细化剂,在配料中不可或缺,常以中间合金形式加入,可按车间配料标准添加,新料添加7%-10%中间合金,回炉料按3.5%~5%中间合金。配制ZM6合金时,以Mg-Nd中间合金形式加入,Nd含量为25%~40%,Nd是指其含量不小于85%的混合稀土,其中Pr+Nd之和不小于95%;配制ZM5合金炉料时,大型厚壁铸件的铝含量取下限值,对薄壁铸件取上限值。


4、炉料及辅助材料

炉料及辅助材料应洁净无水分,油封镁锭除油后,应进行喷砂处理并预热至150℃以上,回炉料也应作喷砂处理与预热到150℃以上。熔剂可外购也可以自制,使用前都应于120℃~150℃干燥1h~2h。洗涤熔剂光卤石或RJ-1置于坩埚内加热至750℃~780℃,其量不得少于坩埚容量的80%,在使用过程中应经常打捞熔渣。若熔渣太多洗不净工具时,应换新的洗涤液。洗涤熔剂在连续熔炼20炉后应全部更新,也可用43%NaCl+57%MgCl2的熔剂作为洗涤液。变质剂可用破碎的粒度为10mm的天然菱镁矿配制,配制后预热到100℃~150℃,保温2h,也可以用轻质碳配钙取代菱镁矿。使用六氯乙烷时需压成圆柱体,压实密度为1.8g/cm3左右。配制防护剂时,按1∶1比混匀硫磺粉与硼酸,碾碎过70目筛再结块,保存于有盖的干燥容器内。


5、熔炼炉与坩埚

熔炼镁合金大都采用间接加热式坩埚炉,其结构与熔炼铝合金的坩埚炉相似,但由于它们的物理化学性能有较大差异,因而坩埚材料与炉衬材料也大相径庭,而且对炉结构也应作适当修改。


熔炼炉的种类和规格主要取决于铸造规模,小型铸造车间通常采用升出式坩埚炉,大规模铸造车间则采用一系列坩埚炉,在坩埚内进行熔炼、处理、稳定化和存储,熔体从一个坩埚转注到另一个,然后从最后的坩埚直接浇注或手工浇注于铸型中。熔体转注应平稳,防止湍流,以免氧化。当前,间接加热式坩埚熔烧法因热效率低,已很少采用,无芯感应电炉虽然初始成本较高,但运行成本较低,占有用空间也小。


熔炼镁合金的坩埚常用含碳量小于0.12%的低碳钢焊制而成,钢中的杂质铜和镍严重降低镁合金抗蚀性,其含量应分别小于0.10%。熔炼之前应精心准备坩埚。坩埚容量一般为35kg~350kg,旧坩埚可继续使用,但其最小壁厚应不小于有关规程的规定。应定期清除坩埚底部的残渣,因为它的热导率较低,可能产生过热,引发安全事故;还必须定期用水浸泡坩埚,清除结垢。


6、熔炼浇注工具
生产镁合金铸件用的工具除浇包外,还有撇渣勺、残渣盘、搅拌器、精炼勺、钟形罩、熔剂铲等,它们都是用与坩埚化学成分相同的钢制成的。准确控制镁合金熔体温度非常重要,可用铁-康铜或镍铬-镍铝型热电偶测量,采用低碳钢或无镍不锈钢管保护热电偶。