第四章铸造镁合金熔炼

1、南昌航空大学铸造工程系主要内容复习与回顾主要内容复习与回顾o变质处理变质处理o浮游法精炼浮游法精炼o锆对镁合金有什么影响？o稀土对镁合金有什么影响？o在几类镁合金中，为什么Mg-Al类合金必须进行孕育处理，锆在Mg-Al类合金能否起孕育作用？o铸造镁合金固溶处理时为什么要分段加热？南昌航空大学铸造工程系第四章 铸造镁合金熔炼p铸镁熔炼的物理化学及工艺特性铸镁熔炼的物理化学及工艺特性p铸镁合金熔炼工艺铸镁合金熔炼工艺南昌航空大学铸造工程系4-1 铸镁熔炼的物理化学及工艺特性南昌航空大学铸造工程系镁合金熔炼时的物理化学特性镁镁-氧反应氧反应p 镁与氧的化学亲和力很大，生成的氧化膜是疏松的。p 温度

2、高于500时氧化加速，超过熔点后，其氧化速度激增，会发生剧烈氧化而燃烧，放出大量的热量，甚至可达2850，引起镁的大量汽化，燃烧加剧而爆炸。p 根据镁易氧化的特点，熔化时必须采取防止氧化、燃烧的措施，如采用熔剂覆盖或用防护性气氛采用熔剂覆盖或用防护性气氛。 南昌航空大学铸造工程系铝合金融体铝合金融体 镁合金融体镁合金融体空气空气( (放热反应放热反应 - -加速氧化过程加速氧化过程) )空气空气薄薄、富有弹性富有弹性、致密的致密的保护性保护性 Al2O3- -氧化膜氧化膜厚厚、破裂破裂、无保护性的无保护性的 MgO- -氧化膜氧化膜氧化和蒸发氧化和蒸发镁合金融体镁合金融体铝合金融体铝合金融体铝

3、合金与镁合金氧化膜比较南昌航空大学铸造工程系镁-水反应 Mg+H2O MgO+H2 Mg+2H2O Mg(OH)2+H2 p 相同条件下，镁与水之间的反应，要比镁与氧之间的反应更激烈p 当熔融镁与水接触时，不仅因生成MgO放出大量的热，而且反应产物氢与周围大气中的氧迅速作用生成水，水又受热急剧汽化膨胀，结果导致猛烈的爆炸猛烈的爆炸。南昌航空大学铸造工程系p镁与氮反应生成Mg3N2的膜，此膜是多孔的，反应比Mg-O2、Mg-H2O反应缓慢得多，且会优先进行，因此在高温下氮气对镁而言基本上可算一种无害的气体。p镁与CO2、CO发生反应生成Mg2C+MgO(或MgO+C)。镁与CO2反应生成的表面膜

4、具有一定防护作用。镁与其它物质间的反应南昌航空大学铸造工程系镁与硫相遇时，硫即蒸发（硫的沸点为444.6），并在镁液表面形成致密的MgS膜。硫蒸气遇氧后即生成SO2, SO2与镁液相遇时，即发生下列放热反应：3Mg + SO2 2MgO + MgS 2Mg + SO2 2MgO + S生成的2MgO + MgS复合表面膜近似致密，具有阻缓镁液氧化的作用。但如温度高于750时，此膜将不再能起保护作用，SO2将与镁液反应剧烈同时生成大量硫化物夹杂。镁与其它物质间的反应（续）南昌航空大学铸造工程系镁与硼酸硼酸(H3BO3)受热后即脱水变成硼酐(B2O3)，B2O3遇镁液及其表面上生成的MgO即发生下

5、列反应： B2O3+3Mg 3MgO+2B B2O3+MgO MgOB2O3还原出的硼即与镁液反应生成致密的Mg3B2膜，后一反应中生成的MgOB2O3也能在镁液表面上形成严密的釉质保护膜。镁与其它物质间的反应（续）南昌航空大学铸造工程系非金属夹杂物 氧化夹杂氧化夹杂 镁液很易与大气中的氧、水气、氮反应而生成不溶于镁液的、难熔的MgO等化合物，它们混入铸型后即成为“氧化夹杂”。 熔剂夹杂熔剂夹杂 由于熔镁时使用熔剂，操作不当时，熔剂随同镁液混入铸型即成为“熔剂夹杂”。因熔剂中的MgCl2吸湿性很强，露出铸件表面的熔剂夹杂很易吸收大气中的水分发生反应： MgCl2+2H2O Mg(OH)2+2H

6、Cl Mg+2HCl MgCl2+H2铸造镁合金熔炼的工艺特性-概述南昌航空大学铸造工程系p 孕育处理孕育处理孕育处理对合金的晶粒大小和机械性能有很大影响，且对镁液中的氧化夹杂亦有一定的影响。p 安全安全 镁液很易与氧、水气等作用而发生燃烧，甚至发生爆炸，因此熔镁过程中的安全也是一个很突出的问题。概述（续）南昌航空大学铸造工程系p 精炼方法精炼方法精炼属于内部熔剂法，即依靠熔剂在金属液内部吸附夹杂。p 精炼温度精炼温度精炼温度尽可能低以减少镁液的氧化，一般为710740。p 精炼静置精炼静置精炼以后应静置1015min，使镁液中的熔渣较充分地沉淀。p 二次精炼二次精炼二次精炼在孕育后，时间较短

7、，仅起去除孕育时可能产生的氧化夹杂的辅助作用。铸造镁合金的精炼特点南昌航空大学铸造工程系镁合金熔炼的保护技术保护方法类别保护机理应用范围熔盐保护法 Mg，K的氯盐混合物融盐层直接物理隔离精炼、单件小批量铸造生产合金化保护 Ca，RE，Be 元素等形成致密氧化膜后物理隔离适合特殊镁合金铸件的生产气体保护法 1、CO2，SO2，SF6，BF3，F-C-O-H化合物2、 N2，Ar1、与合金反应形成致密保护膜2、隔离空气熔炼、浇注时的熔体保护；热处理保护用各种物理化学方法，将熔体与大气隔离，达到阻燃目的！用各种物理化学方法，将熔体与大气隔离，达到阻燃目的！南昌航空大学铸造工程系 熔化温度熔化温度 应

8、低于所熔金属的熔点，使熔剂在熔炼过程中保持液态。 密度密度 与金属液间应有较大的密度差，使熔剂混入金属液时易于排出。 粘度粘度 粘度一般应小些，使表面覆盖熔剂层被推开后能较快地闭合 夹杂物与湿度夹杂物与湿度 不应带有对金属液质量有害的杂质及夹杂物，熔剂吸湿性要小。 化学稳定性化学稳定性 熔炼时不与合金液、坩埚及炉气间发生反应；不挥发，不分解。对熔剂性能的要求南昌航空大学铸造工程系 无水光卤石无水光卤石 成分为4452%MgCl2、3246%KCl，余为其它氯盐。一般用于洗涤熔炼工具。 RJ-1熔剂熔剂 成分为9295%无水光卤石及58%BaCl2，一般仅用于洗涤坩埚，或用作固定式坩埚熔炼的覆盖

9、熔剂。 RJ-2熔剂熔剂 成分为RJ-1熔剂+35%CaF2，用于固定式坩埚熔炼。 RJ-3熔剂熔剂 成分为75%无水光卤石、1520%CaF2、710%MgO。用作可提出式坩埚熔炼时的熔剂。镁合金用熔剂的种类南昌航空大学铸造工程系p 一是熔剂粉尘和高温分解出Cl2、HCl和蒸发的盐雾，造成严重的公害；p 二是铸件容易出现熔剂夹杂，降低抗蚀性和机械性能。熔剂熔炼存在的问题南昌航空大学铸造工程系镁合金熔炼气体保护的种类保护气体保 护 机 理应用特点SF62Mg(L)O2SF62MgF2(S)SO2F22MgO(S)SF62MgF2(S)SO2F2 保护效果好，但存在严重环境问题CO2Mg(L)C

10、O2 MgOC(无定型)无定型碳可抑制镁蒸发，但高温保护效果不佳SO23MgSO22MgOMgS 2MgSO22MgOS 保护效果较好，有刺激性气味南昌航空大学铸造工程系 在含SF6气氛下熔炼，液面生成MgF2+MgO膜，MgF2的致密度系数=1.32，故使表面膜致密，可起保护作用。p Mg(SF6+空气) 的作用：保护作用更强。p Mg(SF6+CO2)的作用：比用空气作载体更好。p 保护气氛中湿度的影响：空气或CO2气体干燥。 镁合金熔炼时SF6保护机理南昌航空大学铸造工程系不同温度下保护型混合气体的最佳成分不同温度下保护型混合气体的最佳成分 温度/混合气体推荐成分（体积分数，%）保护效果

11、650705Air+(0.040.2)SF6非常好65070575Air+25CO2+0.2SF6非常好70576050Air+50CO2+0.3SF6非常好南昌航空大学铸造工程系镁合金熔炼气体保护的新发展p保护气体：保护气体：SO2CO2p主要成分：主要成分：SO2：1.05.0%，CO2: 15.020.2%， N2: 79.0%，p保护机理：保护机理：n SO2：生成生成MgSMgO保护膜保护膜隔绝空气隔绝空气n CO2：生成无定型碳抑制：生成无定型碳抑制Mg蒸发蒸发南昌航空大学铸造工程系保护气体在线发生技术原理 定量给料固体粉料流量控制洁净空气源混合保护气体温度控制仪表反应器反应器单质

12、的S和C，在大气中的燃点分别为400和700。经实验室研究确定，当反应器温度控制在750左右时，S和C迅速地发生燃烧，几乎完全消耗掉，没有熔体的污染问题 。固体料SCS O2 SO2C O2 CO2空气O2N2SO2 CO2(O2)N2南昌航空大学铸造工程系应用情况新型镁合金轮毂挤压铸造线镁合金压铸单元镁合金压铸单元南昌航空大学铸造工程系过热孕育法过热孕育法 在生产中发现把Mg-Al类镁合金（如ZM5）熔化和加热到850950，保持1015min左右，然后迅速冷却到浇注温度，尽快浇注，即可使晶粒细化。 因温度过高，增加了镁液的氧化；延长了熔炼时间，使熔化生产率降低；降低镁合金的抗蚀性，由于温度

13、过高，使镁液中的铁量急剧增加，铁是有害杂质。 Mg-Al类镁合金的孕育处理南昌航空大学铸造工程系p 原理 在Mg-Al类合金液中加入含碳物质后，它与合金液起反应生成碳，新生态碳与铝进一步形成大量弥散的Al4C3质点，即增多了结晶晶核，使晶粒得到细化。p 方法 常用的加碳孕育法是加碳酸镁。 MgCO3 MgO+CO2 2Mg+CO2 2MgO+C 3C+4Al Al4C3加碳孕育法南昌航空大学铸造工程系Mg-Zn类合金中加入锆能使晶粒显著细化。凝固过程中，锆在镁液中的溶解度随温度下降而降低，使得大量难熔的锆质点从合金液中弥散析出，增加了镁合金结晶时的晶核，使晶粒细化。Mg-Zn类合金的孕育处理南

14、昌航空大学铸造工程系镁合金中的气体主要是氢。除气方法有：p 吹惰性气体氩或氮吹惰性气体氩或氮p 加六氯乙烷加六氯乙烷铸镁合金的除气南昌航空大学铸造工程系4-2 铸造镁合金的熔炼工艺南昌航空大学铸造工程系铸镁合金熔炉简介铸镁合金熔炉简介-坩埚炉坩埚炉（1）分类）分类p 熔化炉熔化炉 采用燃料加热，升温较快，多用作熔化炉。p 保温炉保温炉 电加热炉便于控制温度，常用作保温炉，也用来当熔化炉。（2）坩埚材料）坩埚材料p 熔镁时常采用钢板焊接坩埚，钢板一般为20号钢。南昌航空大学铸造工程系无芯工频感应电炉p 热效率高；p 熔化生产率高；p 在熔化中无烟尘、无燥声；p 工作环境温度低；p 电磁搅动作用易

15、使合金 成分均匀，且有精炼作用。南昌航空大学铸造工程系准备坩埚新坩埚应用熔剂试熔8h不漏方可用来熔化镁合金。准备炉料回炉料一般为炉料重量的6080%，新金属料则占2040%。新金属料以纯镁、纯铝、纯锌加入，Mn以AlMn中间合金形式加入。预热坩埚将坩埚加热至暗红色（约400500），在其内壁及底部均匀地撒一层粉状RJ-2熔剂，按回炉料、纯镁及纯铝次序装入预热至150200的炉料，并在炉料上撒一层RJ-2熔剂。 ZM5镁合金的熔炼工艺南昌航空大学铸造工程系4. 熔化熔剂 在另一坩埚炉中熔化RJ-1熔剂或光卤石，保温在750800范围内。浇包及熔化工具进入镁液前应先在此熔剂中洗涤，充分预热，彻底去

16、除所吸附的水分和粘附的氧化渣。5. 加中间合金 炉料熔化后，在700730加入预热的Al-Mn和Al-Be中间合金，待其熔化后加入纯锌。ZM5镁合金的熔炼工艺（续）南昌航空大学铸造工程系6. 精炼 炉料全部熔化后，除去液面上的脏熔剂，换上新熔剂，然后在720740进行精炼，精练约58min左右，直到镁液表面不再有白色氧化物从熔池下部翻上来，液面呈现光亮的镜面为止。7.孕育处理 在720740孕育处理，用钟罩将占炉料重0.3-0.4%的小块菱镁矿分批压入镁液。 8.二次精炼 孕育处理后，在720740进行，约23min，直至镁液表面呈光亮镜面为止。再浇注断口试样，检查晶粒度及有无氧化夹杂，确定精

17、炼及孕育效果。升温至760780静置1015min即可浇注。ZM5镁合金的熔炼工艺（续）南昌航空大学铸造工程系 在含锆镁合金熔炼中，加锆工艺是生产中影响质量的关键问题。镁合金中加锆存在下列各种困难：p 锆的熔点高，密度大；锆的熔点高，密度大；p 锆的化学活性强，锆的化学活性强，锆在高温下易和大气或炉气中的气体反应，形成的化合物也不溶于镁液中，使锆的损耗增加；p 许多元素阻碍增加锆，许多元素阻碍增加锆，锆能和镁液中的许多元素等形成化合物，它们不溶于镁液中，沉淀在坩埚底部，MgO也会使镁液中的锆析出沉淀，这些都降低了合金液中的含锆量。含锆镁合金的熔炼工艺概述南昌航空大学铸造工程系p 方法 一般用含

18、锆化合物或中间合金加锆。p 采用Mg-Zr中间合金加锆的优点：l 使用方便；l 非金属夹杂少；l 合金化效果较好。p 含锆镁合金的熔炼 含锆ZM1合金熔炼工艺与ZM5大致相同，只是孕育处理由MgCO3换成了Zr来细化晶粒。加锆及熔炼工艺南昌航空大学铸造工程系 尽量减少稀土的烧损，提高锆的回收率 p采用不含MgCl2或含MgCl2含量低的熔剂；p采取较低的加入温度，一般为740 或750 以下；p尽量缩短熔炼时间和熔化后的停放时间；p采用漏勺将稀土迅速沉入熔池深处。含稀土镁合金熔炼工艺的关键南昌航空大学铸造工程系1坩埚在每次使用前应进行严格检查； 2如发生镁液着火，严禁用水扑灭。 小火源可用干砂，铸镁用型砂来扑灭；当火源大