鎂合金中的雜質及凈化技術

白潔+陳博宇

【摘 要】鎂合金元素在制備過程中由于表面吸附潮氣、水分或者在加入爐料時引入水分或氧化物，都會造成一定的雜質產生從而影響鎂合金純度。本文將對鎂合金純度檢測進行論述，通過對合金中雜質成分分析的方法，對鎂合金中的純凈度進行評價。鎂合金純凈度檢測技術的完善，對未來提高鎂合金純凈度的發展有很大的意義。

【關鍵詞】合金形貌；鑄態組織；雜質原子沉降；熔煉優化

一、前言

在當前的研究成果中，一般認為鎂合金雜質主要有兩個方面的來源：一是類是熔化過程中產生的內生雜質，這些雜質在合金凝固過程中會形成不同的析出物；另一類則是外生雜質，即由于偶然的化學作用或者是一般的機械作用下外界在接觸到熔體時產生。鎂合金中的雜質一旦超出一定標準就會對鎂合金本身的性能產生嚴重影響，例如會降低鎂合金的耐腐蝕性能，或者增加鎂合金脆性。

二、鎂合金中雜質的分析

（一）判斷鎂合金熔體中雜質元素的動力學特性

在鎂合金熔體中，雜質的分布和運動具有一定的規律性，因此想要了解鎂合金的純凈度，可以通過對鎂合金的雜質含量進行測算，從而得出判斷。在鎂合金熔體進行低溫靜置的過程中，雜質顆粒受到溫度、熔體阻力的影響會出現不斷沉降，并具有向坩堝底部運動方向性。在雜質顆粒的沉降過程中，其沉降速度會不斷增大，同時形成一定的聚合。因此在對雜質進行評價之前，首先要對鎂合金熔體中雜質的運動規律進行判斷和分析，才能夠使評價結果更加準確。而判斷分析的主要依據就是鎂合金熔體中雜質顆粒所受到的熔體阻力計算。在圓球狀雜質顆粒的運動規律中，可以通過鎂合金熔體的粘度系數、密度、沉降速度、球體直徑等相關數據統計進行阻力系數的計算，從而得到圓球狀雜質顆粒在鎂合金中的阻力情況和運動規律，為下一步試驗論證做好準備。

（二）開展實驗論證

實驗器材的準備中，電阻爐、熔煉坩堝、溫度測量都是必不可少的內容。本文在實驗中選擇了極具代表性的井式電阻爐、氧化鎂材質熔煉坩堝以及鎳鉻-鎳硅熱電偶溫度測量儀，從而保證了實驗過程中雜質不會被二次引入，提升實驗的精準度。首先將坩堝放置于井式電阻爐中，并接入電熱偶，連接溫度調節控制儀。再將坩堝上方進行密封，保證氣體不會對內部產生影響。本文所選用的實驗原料為粗鎂鑄錠，并使其具有鎂錳中間合金形式，選用二氧化碳以及六氟化硫的混合氣體為保護氣體。首先利用碳化硼以及無水乙醇放置于燒杯中進行攪拌，并作為涂料涂抹在坩堝和所使用實驗工具的表面之上，在對坩堝進行150℃的預熱處理，使涂料涂層的導熱性能、附著強度、耐火性都有所提升。使熔煉合金能夠在坩堝一側與軸線相平行，再使用線進行切割，從而獲取一定規格的熔煉合金圓柱體，并按照單位要求進行分割處理，形成若干圓柱試樣。利用砂紙對圓柱試樣進行水磨，并使用無水乙醇進行表面沖洗，再將吹干后的試樣放置于X射線光譜儀下進行觀察，從而測定合金內部的成分。

（三）合金元素的成分分析

利用直讀光譜儀對所制備的圓柱試樣的成分進行分析，并在多個位置進行檢測。通過分析可知，在試樣當中，隨著錳元素的不斷增加，鐵元素則不斷減少，而硅元素雖然也呈現出一定的下降趨勢，但是下降幅度較小，且體現出反復波動的特點。因此可知，隨著錳元素的增加，會促使鎂合金中鐵元素和硅元素出現一定程度的下降。通過對鐵、硅含量分析的結果可知，當錳元素含量控制在2.5wt%時，對于鎂合金純凈度的提升最佳，而當錳元素超過了這個數值之后，在EDS能譜圖中可以清晰地看出，鎂合金熔煉坩堝底部的雜質開始出現增多現象，且隨著錳的增長而逐漸增加，同時還伴隨有大顆粒雜質析出。而當雜質析出越多，表明鎂合金的熔體純凈度就越低。

三、鎂合金純凈度技術

（一）原材料純度的影響

為了提高鎂合金純度，在合金熔煉過程中，選擇高純度優質的原料是確保合金熔體純度提升的前提和關鍵。例如，制備鎂合金的常見原料包括：鋅、鋯、鋁等，往往會搭配純度高達99.98%的原鎂進行鎂合金制備，從而獲得較高純度的鎂鋁合金、鎂鋅合金、鎂鋯合金等。對于含有一定雜質的合金產品來說，雜質去除的工藝往往比較復雜而且會增加成本。鎂合金熔體中的雜質含量越少，則雜質去除工藝難度越大，附加成本也越高。因此在合金生產中，需要決策者將生產要求、生產目的與合金原料選擇、成本控制等諸多因素合理化考量，從而完成實際生產的效益權衡。

（二）熔煉工藝的影響

除了原料需要達到一定標準之外，熔煉工藝的提升也是制備高純度鎂合金的關鍵。在熔煉鎂合金的過程中，熔煉所選用的工具、設備以及所選用的熔劑中鐵、硅、錳等元素的多少最終都會對鎂合金產品的純凈度產生決定性的影響。因此需要針對性地對鎂合金熔煉工藝進行優化和提升。例如選用新型的熔煉設備，在熔煉過程中盡量減少熔煉的中間環節，從而使雜質的帶入環境得到相應的控制，進一步通過工藝優化使鎂合金的純凈度得以進一步提升。就目前的技術手段來看，優化鎂合金熔煉工藝尚處于起步階段，其發展和提升存在巨大的空間，工藝技術的研究任重而道遠。

（三）鎂合金熔體凈化工藝的影響

所謂鎂合金凈化工藝就是通過一定手段將鎂合金中的雜質去除，從而提高鎂合金的純凈度。一般來說，鎂合金凈化工藝有物理方法或者是化學方法兩大類。從技術層面來講，目前的凈化方法包括：熔劑凈化、氣體保護凈化和沉降凈化等。其中，熔劑法是目前冶金工業中最為常見的化學純凈化方法之一。溶劑法是利用鎂合金中熔劑、鎂熔體、雜質界面張力不同來實現凈化。在一定條件下，鎂熔體中的熔劑會與雜質元素產生反應，進而生成不熔性的金屬化合物，因此將這類物質加入到鎂合金溶液中，可以使鎂合金達到純凈化的目的。

氣體保護凈化法是利用氣泡將熔體當中的氣體和部分雜質去除。一般來說，氣體保護凈化是向鎂合金熔體表面吹入如二氧化碳、二氧化硫、六氟化硫等氣體作為主要的保護氣體，在溶液表面形成氣體保護膜，從而可以避免空氣中氧氣、水蒸氣與鎂合金發生接觸，從而防止劇烈氧化反應的發生。與此同時，鎂熔體在分壓差的作用之下，會使熔體中的氫以均勻分散的特點向氣體內擴散，形成氣泡，并聚集成為細小的氣泡群，浮出液面。氣泡在鎂合金中去除氣體的過程中，也會使雜質得到去除。

沉降凈化法是通過靜置的方法，使鎂合金熔體與熔體內的雜質產生分離。由于普通鎂合金熔體的密度比一般雜質小，因此在合金熔煉的標準溫度之下，經過一段時間的靜置，會使得密度較大的雜質向坩堝底部沉降。在實際操作中，由于雜質的體積非常小，因此沉降法無法保證雜質能夠在足夠短的時間內完成分離。因此，一般會選用加入熔劑的方法，利用其吸附作用，使雜質集聚，增大體積，促進沉降。

四、結論

鎂合金中的雜質除了會影響鎂合金本身特性之外，還會對鎂合金產品質量產生影響，過多的雜質最終會造成產品的質量成本上升。

【參考文獻】

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