第四章鑄造鎂合金熔煉

主要內(nèi)容復(fù)習(xí)與回顧變質(zhì)處理浮游法精煉鋯對鎂合金有什么影響？稀土對鎂合金有什么影響？在幾類鎂合金中，為什么Mg-Al類合金必須進(jìn)行孕育處理，鋯在Mg-Al類合金能否起孕育作用？鑄造鎂合金固溶處理時為什么要分段加熱？第四章鑄造鎂合金熔煉鑄鎂熔煉的物理化學(xué)及工藝特性鑄鎂合金熔煉工藝§4-1鑄鎂熔煉的物理化學(xué)及工藝特性鎂合金熔煉時的物理化學(xué)特性鎂-氧反應(yīng)鎂與氧的化學(xué)親和力很大，生成的氧化膜是疏松的。溫度高于500℃時氧化加速，超過熔點后，其氧化速度激增，會發(fā)生劇烈氧化而燃燒，放出大量的熱量，甚至可達(dá)2850℃，引起鎂的大量汽化，燃燒加劇而爆炸。根據(jù)鎂易氧化的特點，熔化時必須采取防止氧化、燃燒的措施，如采用熔劑覆蓋或用防護(hù)性氣氛。鋁合金融體

鎂合金融體空氣(放熱反應(yīng)-----加速氧化過程)空氣薄、富有彈性、致密的保護(hù)性Al2O3-氧化膜厚、破裂、無保護(hù)性的

MgO-氧化膜氧化和蒸發(fā)鎂合金融體鋁合金融體鋁合金與鎂合金氧化膜比較鎂-水反應(yīng)

Mg+H2O＝MgO+H2Mg+2H2O＝Mg(OH)2+H2

相同條件下，鎂與水之間的反應(yīng)，要比鎂與氧之間的反應(yīng)更激烈當(dāng)熔融鎂與水接觸時，不僅因生成MgO放出大量的熱，而且反應(yīng)產(chǎn)物氫與周圍大氣中的氧迅速作用生成水，水又受熱急劇汽化膨脹，結(jié)果導(dǎo)致猛烈的爆炸。鎂與氮反應(yīng)生成Mg3N2的膜，此膜是多孔的，反應(yīng)比Mg-O2、Mg-H2O反應(yīng)緩慢得多，且會優(yōu)先進(jìn)行，因此在高溫下氮?dú)鈱︽V而言基本上可算一種無害的氣體。鎂與CO2、CO發(fā)生反應(yīng)生成Mg2C+MgO(或MgO+C)。鎂與CO2反應(yīng)生成的表面膜具有一定防護(hù)作用。鎂與其它物質(zhì)間的反應(yīng)鎂與硫相遇時，硫即蒸發(fā)（硫的沸點為444.6℃），并在鎂液表面形成致密的MgS膜。硫蒸氣遇氧后即生成SO2,SO2與鎂液相遇時，即發(fā)生下列放熱反應(yīng)：3Mg+SO2＝2MgO+MgS2Mg+SO2＝2MgO+S生成的2MgO+MgS復(fù)合表面膜近似致密，具有阻緩鎂液氧化的作用。但如溫度高于750℃時，此膜將不再能起保護(hù)作用，SO2將與鎂液反應(yīng)劇烈同時生成大量硫化物夾雜。鎂與其它物質(zhì)間的反應(yīng)（續(xù)）鎂與硼酸硼酸(H3BO3)受熱后即脫水變成硼酐(B2O3)，B2O3遇鎂液及其表面上生成的MgO即發(fā)生下列反應(yīng)：

B2O3+3Mg＝3MgO+2BB2O3+MgO＝MgO?B2O3還原出的硼即與鎂液反應(yīng)生成致密的Mg3B2膜，后一反應(yīng)中生成的MgO?B2O3也能在鎂液表面上形成嚴(yán)密的釉質(zhì)保護(hù)膜。鎂與其它物質(zhì)間的反應(yīng)（續(xù)）非金屬夾雜物

①氧化夾雜

鎂液很易與大氣中的氧、水氣、氮反應(yīng)而生成不溶于鎂液的、難熔的MgO等化合物，它們混入鑄型后即成為“氧化夾雜”。

②熔劑夾雜由于熔鎂時使用熔劑，操作不當(dāng)時，熔劑隨同鎂液混入鑄型即成為“熔劑夾雜”。因熔劑中的MgCl2吸濕性很強(qiáng)，露出鑄件表面的熔劑夾雜很易吸收大氣中的水分發(fā)生反應(yīng)：

MgCl2+2H2O→Mg(OH)2+2HClMg+2HCl→MgCl2+H2↑鑄造鎂合金熔煉的工藝特性-概述孕育處理孕育處理對合金的晶粒大小和機(jī)械性能有很大影響，且對鎂液中的氧化夾雜亦有一定的影響。安全鎂液很易與氧、水氣等作用而發(fā)生燃燒，甚至發(fā)生爆炸，因此熔鎂過程中的安全也是一個很突出的問題。概述（續(xù)）精煉方法精煉屬于內(nèi)部熔劑法，即依靠熔劑在金屬液內(nèi)部吸附夾雜。精煉溫度精煉溫度盡可能低以減少鎂液的氧化，一般為710～740℃。精煉靜置精煉以后應(yīng)靜置10～15min，使鎂液中的熔渣較充分地沉淀。二次精煉二次精煉在孕育后，時間較短，僅起去除孕育時可能產(chǎn)生的氧化夾雜的輔助作用。鑄造鎂合金的精煉特點鎂合金熔煉的保護(hù)技術(shù)保護(hù)方法類別保護(hù)機(jī)理應(yīng)用范圍熔鹽保護(hù)法Mg，K的氯鹽混合物融鹽層直接物理隔離精煉、單件小批量鑄造生產(chǎn)合金化保護(hù)Ca，RE，Be元素等形成致密氧化膜后物理隔離適合特殊鎂合金鑄件的生產(chǎn)氣體保護(hù)法1、CO2，SO2，SF6，BF3，F(xiàn)-C-O-H化合物2、

N2，Ar1、與合金反應(yīng)形成致密保護(hù)膜2、隔離空氣熔煉、澆注時的熔體保護(hù)；熱處理保護(hù)用各種物理化學(xué)方法，將熔體與大氣隔離，達(dá)到阻燃目的?、偃刍瘻囟葢?yīng)低于所熔金屬的熔點，使熔劑在熔煉過程中保持液態(tài)。

②密度與金屬液間應(yīng)有較大的密度差，使熔劑混入金屬液時易于排出。

③粘度粘度一般應(yīng)小些，使表面覆蓋熔劑層被推開后能較快地閉合

④夾雜物與濕度不應(yīng)帶有對金屬液質(zhì)量有害的雜質(zhì)及夾雜物，熔劑吸濕性要小。

⑤化學(xué)穩(wěn)定性熔煉時不與合金液、坩堝及爐氣間發(fā)生反應(yīng)；不揮發(fā)，不分解。對熔劑性能的要求無水光鹵石

成分為44～52%MgCl2、32～46%KCl，余為其它氯鹽。一般用于洗滌熔煉工具。RJ-1熔劑

成分為92～95%無水光鹵石及5～8%BaCl2，一般僅用于洗滌坩堝，或用作固定式坩堝熔煉的覆蓋熔劑。RJ-2熔劑

成分為RJ-1熔劑+3～5%CaF2，用于固定式坩堝熔煉。RJ-3熔劑

成分為75%無水光鹵石、15～20%CaF2、7～10%MgO。用作可提出式坩堝熔煉時的熔劑。鎂合金用熔劑的種類一是熔劑粉塵和高溫分解出Cl2、HCl和蒸發(fā)的鹽霧，造成嚴(yán)重的公害；二是鑄件容易出現(xiàn)熔劑夾雜，降低抗蝕性和機(jī)械性能。熔劑熔煉存在的問題鎂合金熔煉氣體保護(hù)的種類保護(hù)氣體保護(hù)機(jī)理應(yīng)用特點SF62Mg(L)＋O2＋SF6＝2MgF2(S)＋SO2F22MgO(S)＋SF6＝2MgF2(S)＋SO2F2

保護(hù)效果好，但存在嚴(yán)重環(huán)境問題CO2Mg(L)＋CO2＝MgO＋C(無定型)無定型碳可抑制鎂蒸發(fā)，但高溫保護(hù)效果不佳SO23Mg＋SO2＝2MgO＋MgS

2Mg＋SO2＝2MgO＋S保護(hù)效果較好，有刺激性氣味

在含SF6氣氛下熔煉，液面生成MgF2+MgO膜，MgF2的致密度系數(shù)α=1.32，故使表面膜致密，可起保護(hù)作用。

Mg—(SF6+空氣)的作用：保護(hù)作用更強(qiáng)。

Mg—(SF6+CO2)的作用：比用空氣作載體更好。保護(hù)氣氛中濕度的影響：空氣或CO2氣體干燥。

鎂合金熔煉時SF6保護(hù)機(jī)理不同溫度下保護(hù)型混合氣體的最佳成分溫度/℃混合氣體推薦成分（體積分?jǐn)?shù)，%）保護(hù)效果650～705Air+(0.04～0.2)SF6非常好650～70575Air+25CO2+0.2SF6非常好705～76050Air+50CO2+0.3SF6非常好鎂合金熔煉氣體保護(hù)的新發(fā)展保護(hù)氣體：SO2＋CO2主要成分：SO2：1.0～5.0%，CO2:15.0～20.2%，

N2:79.0%，保護(hù)機(jī)理：

SO2：生成MgS·MgO保護(hù)膜－隔絕空氣

CO2：生成無定型碳－抑制Mg蒸發(fā)保護(hù)氣體在線發(fā)生技術(shù)原理

定量給料固體粉料流量控制潔凈空氣源混合保護(hù)氣體溫度控制儀表反應(yīng)器單質(zhì)的S和C，在大氣中的燃點分別為400℃和700℃。經(jīng)實驗室研究確定，當(dāng)反應(yīng)器溫度控制在750℃左右時，S和C迅速地發(fā)生燃燒，幾乎完全消耗掉，沒有熔體的污染問題。固體料SCS＋

O2

＝SO2C＋

O2

＝CO2空氣O2N2SO2CO2(O2)N2應(yīng)用情況新型鎂合金輪轂擠壓鑄造線鎂合金壓鑄單元過熱孕育法在生產(chǎn)中發(fā)現(xiàn)把Mg-Al類鎂合金（如ZM5）熔化和加熱到850～950℃，保持10～15min左右，然后迅速冷卻到澆注溫度，盡快澆注，即可使晶粒細(xì)化。

因溫度過高，增加了鎂液的氧化；延長了熔煉時間，使熔化生產(chǎn)率降低；降低鎂合金的抗蝕性，由于溫度過高，使鎂液中的鐵量急劇增加，鐵是有害雜質(zhì)。

Mg-Al類鎂合金的孕育處理

原理在Mg-Al類合金液中加入含碳物質(zhì)后，它與合金液起反應(yīng)生成碳，新生態(tài)碳與鋁進(jìn)一步形成大量彌散的Al4C3質(zhì)點，即增多了結(jié)晶晶核，使晶粒得到細(xì)化。方法常用的加碳孕育法是加碳酸鎂。

MgCO3→MgO+CO2↑2Mg+CO2→2MgO+C3C+4Al→Al4C3加碳孕育法Mg-Zn類合金中加入鋯能使晶粒顯著細(xì)化。凝固過程中，鋯在鎂液中的溶解度隨溫度下降而降低，使得大量難熔的鋯質(zhì)點從合金液中彌散析出，增加了鎂合金結(jié)晶時的晶核，使晶粒細(xì)化。Mg-Zn類合金的孕育處理鎂合金中的氣體主要是氫。除氣方法有：

吹惰性氣體氬或氮

加六氯乙烷鑄鎂合金的除氣§4-2鑄造鎂合金的熔煉工藝鑄鎂合金熔爐簡介-坩堝爐（1）分類熔化爐

采用燃料加熱，升溫較快，多用作熔化爐。保溫爐

電加熱爐便于控制溫度，常用作保溫爐，也用來當(dāng)熔化爐。（2）坩堝材料熔鎂時常采用鋼板焊接坩堝，鋼板一般為20號鋼。無芯工頻感應(yīng)電爐熱效率高；熔化生產(chǎn)率高；在熔化中無煙塵、無燥聲；工作環(huán)境溫度低；電磁攪動作用易使合金成分均勻，且有精煉作用。準(zhǔn)備坩堝新坩堝應(yīng)用熔劑試熔8h不漏方可用來熔化鎂合金。準(zhǔn)備爐料回爐料一般為爐料重量的60～80%，新金屬料則占20～40%。新金屬料以純鎂、純鋁、純鋅加入，Mn以Al～Mn中間合金形式加入。預(yù)熱坩堝將坩堝加熱至暗紅色（約400～500℃），在其內(nèi)壁及底部均勻地撒一層粉狀RJ-2熔劑，按回爐料、純鎂及純鋁次序裝入預(yù)熱至150～200℃的爐料，并在爐料上撒一層RJ-2熔劑。

ZM5鎂合金的熔煉工藝4.熔化熔劑在另一坩堝爐中熔化RJ-1熔劑或光鹵石，保溫在750～800℃范圍內(nèi)。澆包及熔化工具進(jìn)入鎂液前應(yīng)先在此熔劑中洗滌，充分預(yù)熱，徹底去除所吸附的水分和粘附的氧化渣。5.加中間合金

爐料熔化后，在700～730℃加入預(yù)熱的Al-Mn和Al-Be中間合金，待其熔化后加入純鋅。ZM5鎂合金的熔煉工藝（續(xù)）6.精煉爐料全部熔化后，除去液面上的臟熔劑，換上新熔劑，然后在720～740℃進(jìn)行精煉，精練約5～8min左右，直到鎂液表面不再有白色氧化物從熔池下部翻上來，液面呈現(xiàn)光亮的鏡面為止。7.孕育處理

在720～740℃孕育處理，用鐘罩將占爐料重0.3-0.4%的小塊菱鎂礦分批壓入鎂液。8.二次精煉

孕育處理后，在720～740℃進(jìn)行，約2～3min，直至鎂液表面呈光亮鏡面為止。再澆注斷口試樣，檢查晶粒度及有無氧化夾雜，確定精煉及孕育效果。升溫至760～780℃靜置10～15min即可澆注。ZM5鎂合金的熔煉工藝（續(xù)）

在含鋯鎂合金熔煉中，加鋯工藝是生產(chǎn)中影響質(zhì)量的關(guān)鍵問題。鎂合金中加鋯存在下列各種困難：鋯的熔點高，密度大；鋯的化學(xué)活性強(qiáng)，鋯在高溫下易和大氣或爐氣中的氣體反應(yīng)，形成的化合物也不溶于鎂液中，使鋯的損耗增加；許多元素阻礙增加鋯，鋯能和鎂液中的許多元素等形成化合物，它們不溶于鎂液中，沉淀在坩堝底部，MgO也會使鎂液中的鋯析出沉淀，這些都降低了合金液中的含鋯量。含鋯鎂合金的熔煉工藝概述方法

一般用含鋯化合物或中間合金加鋯。

采用Mg-Zr中間合金加鋯的優(yōu)點：

使用方便；非金屬夾雜少；合金化效果較好。

含鋯鎂合金的熔煉

含鋯ZM1合金熔煉工藝與ZM5大致相同，只是孕育處理由MgCO3換成了Zr來細(xì)化晶粒。加鋯及熔煉工藝

盡量減少稀土的燒損，提高鋯的回收率采用不含MgCl2或含MgCl2含量低的熔劑；采取較低的加入溫度，一般為740℃或750℃以下；盡量縮短熔煉時間和熔化后的停放時間；采用漏勺將稀土迅速沉入熔池深處。含稀土鎂合金熔煉工藝的關(guān)鍵1．坩堝在每次使用前應(yīng)進(jìn)行嚴(yán)格檢查；2．如發(fā)生鎂液著火，嚴(yán)禁用水撲滅。小火源可用干砂，鑄鎂用