变形镁合金锭的基本铸造工艺参数是速度、温度、冷却水压和结晶器高度,个的可调可控力度大,结晶器一旦制造完毕,它的高度就定下来了。此外,还有一些未纳入制度的相对不太重要的参数,它们也对铸锭组织、裂纹敏感性、致密度、表面品质有一定的影响,例如结晶器锥度、内表面粗糙度、水孔大小、水的喷射角度,铸造漏斗直径、孔径、孔数、沉入熔体深度,等等。
在不同的铸造速度时,铸造速度越大,冷却强度也大,液穴深度随着变小。结晶器高度变小时,强却强度也随着变弱。
在铸造镁合金圆锭时,在一般情况下,采用高一些结晶器,可以避免通心裂纹。加高结晶器高度,如果调低铸造速度,则表面会产状淬火裂纹。对于热脆性较敏感的合金,若采用低结晶器,相应降低铸造速度,但此时锭表面的冷隔成层缺陷却会增多,同时还可能产生横向裂纹。因此,应合理确定结晶器高度与铸造速度,一旦结晶器高度确定了,也就可以选定铸造速度,铸得既无裂纹,表面品质又好的锭坯。
铸造速度一定时,结晶器越高液穴也越深,但当结晶器高度大于200mm后,提高结晶器高度,液穴的变化也不十分明显。
提高结晶器高度,也即相对降低了凝固速度,可延长金属中间化合物的生长时间。结晶器越高,对镁合金金属中间化合物尺寸的增大和数量的增多影响也越明显。在铸造200mm×800mm扁锭时,中间金属化合物的偏析与结晶器高度的关系见表1。
综合各方面的因素,当铸造直径350mm~690mm锭时,结晶器高度以145mm~250mm为佳;铸造200mm×800mm扁锭的适宜结晶器高度为250mm;铸造260mm×960mm的结晶器高度为300mm。
MB15合金的热裂纹敏感性较大,对水冷强度非常敏感,可采取推迟二次水冷方法,不但不会产生热裂纹,而且铸锭表面品质也有所提高。
面聊了铸造镁合金的熔炼,现在来谈谈变形镁合金的熔炼。熔炼变形镁合金多用反射炉,其炉型与铝合金熔炼的相当。镁合金的熔炼过程为:烘炉、洗炉、配料、装炉、熔化、扒渣、加合金元素、转炉、精炼、静置。
烘炉
新筑砌炉和中修反射炉在熔炼前烘炉。严格按烘炉曲线进行烘炉,时间不短于264h:由室温缓慢地在109h内升至300℃,在300℃保温24h,然后均匀地在25h内升至400℃,保温48h,再在58h内升至900℃完成烘炉。超过240h的停炉后也务必烘炉,时间不短于72h。烘炉很重要,对炉的寿命有重要影响。
洗炉
新炉与中修后的反射炉在使用前都要进行一次洗炉,以防合金杂质含量升高与去除砖缝中的一部分非金属夹杂及气态夹杂物,在所熔炼合金转组时也应洗一次炉,例如由熔炼Mg-Al-Zn-Mn系合金转熔Mg-Mn系或Mg-Zr系合金,由Mg-Mn系合金转熔Mg-Zr系合金都要洗炉。洗炉用重熔用镁锭或熔剂,装炉量达炉容积的1/2处,升温至760℃~800℃,充分搅拌两次,静置几分后放尽。
配料
按车间配料标准配料,所有原辅材料务必清洁干燥,无混料,复化料一般不大于40%,所用的镁锭、铝锭、锌锭、混合铈稀土、锆氟酸钾、氯化锰等的品质与化学成分都应符合有关标准。
装炉、熔化及扒渣
装炉前与炉底均匀地铺一层粉状二号熔剂(质量%:38~46Mgcl2、32~40KCl、5~8BaCl2、3~5CaF2),然后装料,先装碎的,后装镁锭,后装大块废料,装得尽可能密实平整,装完后撒一层薄的二号熔剂,升温熔化,炉内气氛应呈微还原性。
在熔炼过程中应严防镁的燃烧,一旦燃烧,立即用二号熔剂熄灭。炉料化平后,扒次渣,扒渣宜平稳,熔体温度升到750℃~770℃时扒第二次渣,渣要把扒尽,但又尽可能地不带出或少带出溶融镁。扒完渣后搅拌一次,静置几分钟后取样分析,取样温度(℃):MB1、MB8合金的780~800,MB2、MB3、MB5、MB7合金的720~740,MB15合金的780~800。在熔炼过程中按有关规程加入合金化元素,但铝锭、锌锭可随同炉料一起装料,生产MB15合金时,可用纯锆盐,也可用混合锆盐(K2ZrF6+CaF6+LiCl)或Mg-Zr中间合金加锆,加纯锆盐(K2ZrF6、K2ZrCl6、ZrCl4)时熔体温度900℃~920℃,以后两种方式加锆的温度800℃~920℃。
转炉
经炉前化学分析熔体成分合格温度为750℃~780℃时即可进行转炉,装熔体转入静置炉进行精炼。转炉方法有:静压差法,适于两个炉膛不位于同一水平上,打开流口,熔体便可自动流出;虹吸法;离心泵法;电磁泵法。中国当前多用种方法。
精炼
镁合金熔体总或多或少地含有一些非金属夹杂物和气体(主要是氢),因此进行精炼,以去除这些异物,提高合金的各项性能。精炼温度730℃~760℃,精炼熔剂用量为约10kg每吨镁合金熔体,精炼时间约10min。
除Mg-Li合金外,其他合金均可以用五号熔剂(质量%)精炼:20~35MgCl2、16~29KCl、8~12BaCl2、14~23MgF2、0.5~8.0BaO3。精炼后向熔体表面撒一层精炼剂,静置60min后铸造。
含锆的镁合金不用含Al和Mn的氟化物的熔剂精炼,可用四号熔剂;不采用二号熔剂精炼Mg-Mn系和Mg-RE系合金,因为会有熔剂夹杂存在。应尽量缩短含锂和稀土合金的熔炼与精炼时间,以减少烧损,必要时还要补料。对熔炼炉与静置炉应及时清炉,熔炼炉转炉完了和静置炉铸造终了都要清炉。用五号熔剂的精炼时间不短于60min,它可用于精炼所有的变形镁合金。
镁及镁合金熔体易与氧、氮、水气等发生反应,镁与1g氧化合释放598J热,而铝释放的为531J,比镁释放的低11.2%。通常,氧化物生成热越大,分解压越低,则与氧的亲和力越强。由氧化物生成热和分解压数值可知,镁与氧的亲和力比铝与氧的大,镁与氧的氧化膜MgO疏松,致密度系数α=0.79,比Al2O3的1∶28小得多,没有保护作用。温度较低时,镁的氧化速率不大,500℃时显著加快,超过700℃则急剧上升,熔体一旦遇氧就会发生急剧氧化而燃烧,放出大量的热。反热生成的MgO绝热性能好,反应界面产生的热不能及时向外散发,从而提高界面温度,造成恶性循环加速镁的氧化,燃烧反应更加激烈。当界面反应温度镁的沸点1107℃时,熔体大量气化,发生爆炸。
无论是固态镁还是液态镁均能与水发生反应,生成MgO并放出H2,H2又与O2化合生成水,水又受热急剧汽化,会导致猛烈的爆炸。因此,熔炼镁合金的炉料、工具、熔剂等均应干燥。
镁可与N2反应生成Mg3N2,不过Mg-N2反应比Mg-O2反应缓慢得多。镁与氩、氦、氖等不发生化学反应,可防止镁熔体燃烧,但不能阻止镁的蒸发。因此,在熔炼镁合金时采取有效的措施防止其氧化、燃烧与爆炸,目前的措施有熔剂熔炼工艺与无熔剂熔炼工艺。然而熔剂形成的膜层隔绝空气的效果并不十分理想。