鑄造鎂合金防燃技術的研究和應用

摘 要：鑄造鎂合金，在熔化、澆注及冷卻規程中，鎂合金容易與空氣接觸，發生氧化甚至燃燒。文章闡述鎂合金防燃技術的研究與實際應用，為鎂合金防燃起到指導作用。

關鍵詞：硫磺-硼酸；熔劑；應用

1 硫磺-硼酸防燃

硫磺-硼酸防燃是一種傳統的防燃措施。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，產生SO2氣體將合金液與空氣中氧氣隔開進行保護；同時合金液與硼酸反應在合金液表面形成一層保護膜，使合金液與空氣隔絕，從而起到保護作用。其保護機理如下：

B2O3+3Mg=3MgO+2B

B2O3+MgO=MgO·B2O3

B+3Mg=Mg3B2

這種方式的保護效果不佳，原因是保護膜在充型過程容易破損，將鎂合金暴露在空氣中，不能對鎂合金進行完全保護，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的防燃方式。國內常用熔劑為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。熔劑保護熔煉時產生如HCl，Cl2等有毒氣體，造成環境污染問題。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，之后喪失保護能力，合金液仍與空氣反應產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，容易產生熔劑夾雜。

3 型砂保護劑防燃

型砂保護劑主要成分是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、砂芯進行著色。二是作為耐火材料。其作用在于填補型（芯）表面的空隙和凹坑；隔開型（芯）與金屬液；改進金屬液與型（芯）的界面作用，對針孔缺陷有一定抑制作用；防止鑄件的機械粘砂和化學粘砂，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，首先受熱蒸發為硫蒸汽，部分在鎂液表面形成MgS保護膜，大部分硫和氧氣反應生成SO2，SO2又和鎂液相遇發生下列放熱反應：

S+O2=SO2↑

3Mg+SO2=2MgO+MgS

MgO+MgS復合表面膜很致密，具有阻緩鎂氧化作用，但當溫度大于760℃，此膜失去保護作用，SO2與鎂劇烈反應生成硫化物夾雜。

（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是嚴密的釉質保護膜，也具有保護作用。

（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

在試驗過程中，我們發現氬氣在760℃以下時，能對鎂合金液起到很好的保護作用，鎂合金液不發生氧化和燃燒，液面沒有氧化夾雜的產生。但是，當鎂合金液溫度超過760℃時，鎂合金液會產生大量菜花狀的氧化夾雜，甚至發生燃燒。所以，760℃是氬氣對鎂合金液進行良好保護的一個臨界溫度。

5 SF6和CO2混合氣體防燃

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

2Mg（液）+O2→2MgO（固）

2Mg（液）+O2+SF6→2MgF2（固）+SO2F2

2MgO（固）+SF6→2MgF2（固）+SO2F2

SF6保護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的體積分數達到0.01%就足以使鎂液表面生成良好的保護膜。但實際生產中SF6的含量遠高于這個比例，這是由于坩堝內鎂液的高溫引起液面上氣體熱對流，保護氣體不易吹到液面，氣體溫度升高時被稀釋及坩堝蓋漏氣等原因，實際到達鎂液表面的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膜形成。

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

引進EN-600熱導氣體分析儀后，進行了一系列的試驗。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%，在常溫下進行鎂合金液保護試驗。根據以上方案的結果，進行了一些改進。兩種保護氣體的比例不變，SF6的比例為2%，將CO2比例為98%，在EN-600熱導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行保護。采用該方案后，澆注出來的鑄件表面和體內都沒有發現氧化夾雜，機加面非常光滑，沒有夾雜缺陷的產生。

在該氣體保護方案的后期，為了降低鑄件成本，通過反復試驗，將SF6的比例降低到1.5%，將CO2比例提高到98.5%，加熱到60℃對鎂合金液進行保護。經過我們對該方案的試驗，確定該方案能對鎂合金液起到很好的保護作用，鑄件在澆注和凝固的過程中不會產生氧化夾雜。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熱導分析儀器加熱到60℃進行使用。

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。為了環保要求，在歐洲和北美已逐步在限制和禁止使用。所以，后續需研究和尋找SF6和CO2混合氣體防燃的替代方案。

6 結束語

通過以上分析和闡述，可以得出以下結論：

（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，但不環保，后續需研究和尋找SF6和CO2混合氣體防燃的替代方案。

參考文獻

[1]中國機械工程協會鑄造分會.鑄造工藝學[M].機械工業出版社，1996：35-36.

[2]鎂合金鑄造技術發展[J].鑄造，2001，9：522-523.