鑄造鎂合金防燃技術(shù)的研究和應(yīng)用

摘 要：鑄造鎂合金，在熔化、澆注及冷卻規(guī)程中，鎂合金容易與空氣接觸，發(fā)生氧化甚至燃燒。文章闡述鎂合金防燃技術(shù)的研究與實(shí)際應(yīng)用，為鎂合金防燃起到指導(dǎo)作用。

關(guān)鍵詞：硫磺-硼酸；熔劑；應(yīng)用

1 硫磺-硼酸防燃

硫磺-硼酸防燃是一種傳統(tǒng)的防燃措施。這種防燃方式的原理是：鎂合金液在澆注和冷卻過程中與硫磺反應(yīng)，產(chǎn)生SO2氣體將合金液與空氣中氧氣隔開進(jìn)行保護(hù)；同時合金液與硼酸反應(yīng)在合金液表面形成一層保護(hù)膜，使合金液與空氣隔絕，從而起到保護(hù)作用。其保護(hù)機(jī)理如下：

B2O3+3Mg=3MgO+2B

B2O3+MgO=MgO·B2O3

B+3Mg=Mg3B2

這種方式的保護(hù)效果不佳，原因是保護(hù)膜在充型過程容易破損，將鎂合金暴露在空氣中，不能對鎂合金進(jìn)行完全保護(hù)，不能起到良好的防燃效果。

2 熔劑防燃

熔劑防燃也是一種較為傳統(tǒng)的防燃方式。國內(nèi)常用熔劑為RJ系列熔劑，主要成分是氯鹽和氟鹽，主要成分為MgCl2、CaCl2、MgF2。在熔煉過程中，往坩堝內(nèi)合金液表面撒熔劑，熔劑漂浮在合金液表面，將容易和空氣隔開，起到防燃作用。熔劑保護(hù)熔煉時產(chǎn)生如HCl，Cl2等有毒氣體，造成環(huán)境污染問題。且熔劑防燃的時間較短，每撒一次熔劑約能起到（10～20）min的防燃效果，之后喪失保護(hù)能力，合金液仍與空氣反應(yīng)產(chǎn)生氧化夾雜甚至燃燒。所以，在整個熔煉過程中，要不斷往液面上撒熔劑，容易產(chǎn)生熔劑夾雜。

3 型砂保護(hù)劑防燃

型砂保護(hù)劑主要成分是Fe2O3、S、氟化物、硼化物。其工作原理及各成分的作用如下：

（1）Fe2O3的主要作用有：一是對砂型、砂芯進(jìn)行著色。二是作為耐火材料。其作用在于填補(bǔ)型（芯）表面的空隙和凹坑；隔開型（芯）與金屬液；改進(jìn)金屬液與型（芯）的界面作用，對針孔缺陷有一定抑制作用；防止鑄件的機(jī)械粘砂和化學(xué)粘砂，保證鑄件表面獲得理想的粗糙度。

（2）硫磺。硫磺和鎂液相遇時，首先受熱蒸發(fā)為硫蒸汽，部分在鎂液表面形成MgS保護(hù)膜，大部分硫和氧氣反應(yīng)生成SO2，SO2又和鎂液相遇發(fā)生下列放熱反應(yīng)：

S+O2=SO2↑

3Mg+SO2=2MgO+MgS

MgO+MgS復(fù)合表面膜很致密，具有阻緩鎂氧化作用，但當(dāng)溫度大于760℃，此膜失去保護(hù)作用，SO2與鎂劇烈反應(yīng)生成硫化物夾雜。

（3）硼化物。硼化物的作用在于可以與高溫鎂合金作用生成致密的Mg3B2膜，Mg·B2O是嚴(yán)密的釉質(zhì)保護(hù)膜，也具有保護(hù)作用。

（4）氟化物。NH4F、HF及NH4FBF4與鎂液相遇時即行分解，在鎂液周圍形成NH3與HF保護(hù)氣體。并在鎂液表面形成致密的MgF2膜。

4 惰性氣體防燃

在試驗(yàn)過程中，我們發(fā)現(xiàn)氬氣在760℃以下時，能對鎂合金液起到很好的保護(hù)作用，鎂合金液不發(fā)生氧化和燃燒，液面沒有氧化夾雜的產(chǎn)生。但是，當(dāng)鎂合金液溫度超過760℃時，鎂合金液會產(chǎn)生大量菜花狀的氧化夾雜，甚至發(fā)生燃燒。所以，760℃是氬氣對鎂合金液進(jìn)行良好保護(hù)的一個臨界溫度。

5 SF6和CO2混合氣體防燃

SF6對鎂液的保護(hù)作用原理同一般惰性氣體保護(hù)不同，SF6的作用是使鎂液表面生成很薄、很致密的一層保護(hù)性膜，其反應(yīng)式如下：

2Mg（液）+O2→2MgO（固）

2Mg（液）+O2+SF6→2MgF2（固）+SO2F2

2MgO（固）+SF6→2MgF2（固）+SO2F2

SF6保護(hù)的鎂液表面膜檢測表明，其組分主要是MgO，并有少量的MgF2存在。研究表明，混合氣體中SF6的體積分?jǐn)?shù)達(dá)到0.01%就足以使鎂液表面生成良好的保護(hù)膜。但實(shí)際生產(chǎn)中SF6的含量遠(yuǎn)高于這個比例，這是由于坩堝內(nèi)鎂液的高溫引起液面上氣體熱對流，保護(hù)氣體不易吹到液面，氣體溫度升高時被稀釋及坩堝蓋漏氣等原因，實(shí)際到達(dá)鎂液表面的SF6比供氣量要少得多。鎂液表面有熔渣或攪動都不利于保護(hù)膜形成。

中心在2008年引入了SF6和CO2混合氣體保護(hù)防燃技術(shù)。當(dāng)時正在進(jìn)行機(jī)匣蓋的研制。根據(jù)建議，和參照技術(shù)人員在國外學(xué)到的鎂合金防燃技術(shù)，提出采用SF6和CO2混合氣體對ZE41A鎂合金液進(jìn)行保護(hù)。為此購買了一臺EN-600熱導(dǎo)氣體分析儀，對氣體進(jìn)行混合和加熱。該分析儀器能對兩種氣體進(jìn)行任意比例的混合，并且能在分析儀器內(nèi)對混合氣體加熱。混合并加熱后的氣體可以直接用于鎂合金液的保護(hù)。

引進(jìn)EN-600熱導(dǎo)氣體分析儀后，進(jìn)行了一系列的試驗(yàn)。首先，借鑒國外的防燃方式，將SF6的比例確定為2%，將CO2比例確定為98%，在常溫下進(jìn)行鎂合金液保護(hù)試驗(yàn)。根據(jù)以上方案的結(jié)果，進(jìn)行了一些改進(jìn)。兩種保護(hù)氣體的比例不變，SF6的比例為2%，將CO2比例為98%，在EN-600熱導(dǎo)分析儀中將混合氣體加熱到60℃，用加熱的混合氣體對鎂合金液進(jìn)行保護(hù)。采用該方案后，澆注出來的鑄件表面和體內(nèi)都沒有發(fā)現(xiàn)氧化夾雜，機(jī)加面非常光滑，沒有夾雜缺陷的產(chǎn)生。

在該氣體保護(hù)方案的后期，為了降低鑄件成本，通過反復(fù)試驗(yàn)，將SF6的比例降低到1.5%，將CO2比例提高到98.5%，加熱到60℃對鎂合金液進(jìn)行保護(hù)。經(jīng)過我們對該方案的試驗(yàn)，確定該方案能對鎂合金液起到很好的保護(hù)作用，鑄件在澆注和凝固的過程中不會產(chǎn)生氧化夾雜。所以，最終確定SF6和CO2混合氣體防燃方案為：SF6的比例為1.5%，CO2比例為98.5%，用EN-600熱導(dǎo)分析儀器加熱到60℃進(jìn)行使用。

SF6氣體無毒、無味，但它是使地球氣候變暖的溫室氣體，其溫室作用是CO2的23900倍。為了環(huán)保要求，在歐洲和北美已逐步在限制和禁止使用。所以，后續(xù)需研究和尋找SF6和CO2混合氣體防燃的替代方案。

6 結(jié)束語

通過以上分析和闡述，可以得出以下結(jié)論：

（1）硫磺-硼酸防燃方式不能對鑄造鎂合金起到良好的防燃作用；（2）熔劑防燃方式不能對鑄造鎂合金起到良好的防燃作用；（3）惰性氣體防燃方式不能對鑄造鎂合金起到良好的防燃作用；（4）型砂保護(hù)劑防燃方式能對鑄造鎂合金起到良好的防燃作用；（5）SF6和CO2混合氣體防燃方式能對鑄造鎂合金起到良好的防燃作用，但不環(huán)保，后續(xù)需研究和尋找SF6和CO2混合氣體防燃的替代方案。

參考文獻(xiàn)

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