论镁合金性能与熔炼的探究

　　论文摘要：介绍了镁合金的分类和组织与性质特点，并介绍了镁合金的主要熔炼方法。熔炼设备，熔剂及气体保护熔炼技术，保护性气体有SFCO2、SO2、N2等或它们的混合气体，SF6和CO2是有害气体科学家研究用氩气替代SF6和CO2作为镁合金熔炼保护气体。
　　引言
　　世纪80年代初期，北美汽车制造企业为了达到平均燃油标准，都努力降低汽车自重，以减少燃油消耗。镁合金由于密度小、压铸性能好被认为是降低汽车自重的首选合金，各国都加紧进行镁合金生产及应用研究，镁合金工业因而进入飞速发展阶段。
　　镁合金的组织性能与分类
　　镁合金的分类
　　常用镁合金共有四大系列
　　⑴Mg-Al-Si系列：AS系列具有较好的抗蠕变性，强度高，塑性、韧性好，但充型性能较差，常用于制造工作温度较高的发动机零件，如发动机曲轴等。
　　⑵Mg-Al-Zn系列：AZ系列具有均衡的力学性能和铸造性能，屈服强度高并具有一定的耐盐雾腐蚀能力，适合制造外形复杂的薄壁压铸件，如阀套、离合器壳体等。
　　⑶Mg-Al-Mn系列：AM系列具有优异的韧性和塑性，适合制造受冲击的零部件，如汽车轮毂等。
　　⑷Mg-Al-RE系列：AE系列具有比AS系列更好的抗蠕变性，但易粘模，压铸性能较差，并且稀土成本高，该合金暂时应用范围较小。
　　镁合金的组织与性能特点
　　镁合金在共晶温度时，具有α相单相组织，而在常温下具有α+β组织。镁在α相中有一定的溶解度，而且镁原子半径与铝原子半径相差很大，故能产生很强的固溶强化作用。
　　α与β两相是以离异共晶形态存在，在铸态组织中β相以网状呈现在α相的晶界处，会降低合金的强度和塑性。采取固溶化及淬火处理，消除β相，能提高其机械性能。
　　镁合金不具有时效强化作用，不易进行强化处理。虽然镁在α相中溶解度随温度下降而降低，但由于镁原子在铝中轻易扩散和聚集，即使在常温下也会发生自然时效过程，析出β相。当80℃以上，时效过程更快，故不易用时效强化的热处理方法。
　　镁合金表面有一层由尖晶石构成的膜，因而使合金具有良好的耐海水、大气腐蚀性能。但合金只有在组织中不析出β相时才有此性能，假如是α+β两相组织，则由于β相与α相之间有较大电位差，故有较大电化学腐蚀倾向。
　　系列合金中Zn在合金中溶于α相，并在晶界上形成T相，有效抑制镁原子的扩散和β相的析出。因此其组织稳定性强，应力腐蚀倾向较小。合金中的表面活性元素Be富集于表面，而成为氧化铝膜中的组成物，增大了氧化膜的电阻率，故提高合金抗氧化性。又由于BeO的体积是氧化前Be体积的1.7倍，提高了氧化膜的致密度，因而提高耐蚀性。AS系列合金中的Si、Mn的辅助强化，提高了组织稳定性，减小应力腐蚀倾向，Si也减小了热裂倾向。
　　另外，镁合金还具有其他一些特点，如密度低，但比强度、比刚度高；吸震性好；收缩率均匀一致，具有良好的蠕变强度；缩孔倾向小；流动性好、凝固快；与钢之间的粘附系数低，易脱模；与Fe、Co、Cr、W等元素不溶或微溶，对钢质模具和工具侵蚀作用小；有良好的切削加工性能等优点。
　　镁合金中的杂质元素及影响
　　是主要杂质元素，它可形成针状FeAl3化合物造成合金的脆性。Fe还能使淬火状态的合金在应力作用下更易析出β相，增大其应力腐蚀倾向。同时Ni，Cu都会强烈使其腐蚀速度加快。另外，镁合金中的Zn，Ca，Ce，Nd等对耐蚀性均有负面影响。
　　可与Fe生成Al-Fe-Mn化合物，而减小了Fe的有害作用。但Fe与Mn在合金液中的溶解度的比值小于极限值时，镁合金才能获得良好的耐蚀性。
　　通过固溶强化作用和形成沉淀析出提高镁合金的强度及耐蚀性。
　　镁合金的熔炼
　　镁合金的熔炼特点
　　镁合金液的表面氧化膜是疏松的，而且镁是活泼元素，与氧的结合力强，熔炼时，与大气中氧、水蒸气、氮反应，生成MgO、Mg3N2和H2。MgO、Mg3N2成为杂质，夹杂物处常伴随有缩松和气孔。另为，由于使用熔剂，使得产生熔剂夹杂倾向大，它将成为镁合金铸件腐蚀源。因此，防止这两种夹杂物是一个突出的问题。为了防止镁液与大气的反应，在熔炼的过程中，始终要有覆盖剂保护着，为了去除镁液中的氧化物杂质，要撒入足够量的精炼剂进行精炼，精炼过程中使镁液产生平稳的循环流动，保证精炼剂能充分吸附夹杂物，而后沉淀在坩埚底部。为了提高性能，采取细化晶粒处理。不同类行的镁合金细化处理不同。最好在细化晶粒前后进行两次精炼。
　　镁合金熔剂通常选用熔点低、密度小、粘度适中、化学性能稳定的盐，目前普遍使用的熔剂为无水光卤石添加一些氟化盐和氯化盐。熔炼时熔剂熔化成液态在镁合金液表面均匀铺开形成连续完整的覆盖层，阻止镁合金与空气中的氧气及水发生反应。熔剂在使用过程中会产生大量的刺激性气体，并易造成熔剂夹杂，使合金的力学性能和耐蚀性下降。目前熔剂保护法在国外的应用日渐减少。
　　气体保护熔炼技术开始于20世纪70年代中期，这一技术极大地提高了镁合金的纯净度，目前已为世界各国普遍使用。常用的保护性气体有SFCO2、SO2、N2等或它们的混合气体。SF6是有害气体，其温室效应是CO2的24000倍，将来会被禁用。研究表明用0.2%~0.3%体积分数的SO2与干燥空气混合可起到良好的熔炼保护作用，并且没有明显的异味。德国OTTUJUN公司与大众汽车公司合作研究用氩气替代SF6和CO2作为镁合金熔炼保护气体，已取得良好的效果，目前正在生产试验阶段。法国Rrochot研制成功了由CO2氧化性气体+氩气+氙气组成的保护性气体。另外加入0.001%~0.003%的Be可在合金液表面形成一层致密的保护性氧化膜，有效防止合金液进一步氧化。
　　由于在熔炼过程中镁液与氧及水蒸气产生燃烧反映，因而要非凡注重安全。一旦产生漏镁燃烧事故时，切忌泼水。若漏得不严重，应立即吊出坩锅铸锭，或将其放入盛有干燥粉MgO的容器内；若漏镁严重，可直接撒入大量干燥熔剂覆盖燃烧的液面。
　　熔炼设备
　　镁合金的熔炼设备主要包括预热及装料设备。熔炼炉。保护性气体混合装置。
　　镁合金料熔炼前必须预热到150℃以上，少量的合金料可放在炉盖上预热，大量的则需要用预热机预热。德国史杰克公司开发的镁锭预热加料机安装有可转动的加料盘，可放置24块镁锭。
　　镁合金熔炼炉有单室熔炼炉、双室熔炼炉、3室熔炼炉和低压铸造炉等。单室熔炼炉是指熔炼保温在同一炉内进行，熔炉容积根据生产能力选择，适合生产砂型铸件和小批量压铸件。双室熔炼炉的熔化炉、保温炉各自独立工作，通过能加热的U形管输送金属液，熔炼时产生的熔渣大部分浮在熔化炉金属液的表面，而U形管是从熔化炉的中部吸取金属液，这有效地保证了保温炉中金属液的纯净度。3室熔炼炉包括熔化炉、中间保温炉和供液炉，中间保温炉起到平衡压力和2次集渣的作用，使金属液更加纯净。并且由于供液炉温度较底有利于实现CO2气体保护。低压铸造炉，镁合金低压铸造炉同铝合金低压铸造炉相似，只是镁合金低压铸造炉在坩埚内外均有压力，所以坩埚壁不会因压力差而变形。低压铸造炉用氩气作为熔炼保护性气体及坩埚内压力气体，用压缩空气作为坩埚外压力气体。
　　多数镁合金熔炼炉采用电阻加热，少数用燃气加热，燃气加热比较经济，但燃气中的水气凝聚有和镁液发生反应的危险。
　　结束语
　　我国镁资源丰富，菱镁砂矿储量约27亿t，居世界首位。青海湖也储有丰富的高品质镁资源，辽宁大石桥、海城、岫岩都有着丰富的镁矿资源。
　　我们应进一步开发镁资源，同时开发镁合金压铸件市场，挖掘镁合金压铸件在我国汽车、通讯、电子等方面都有很大的应用潜力。