CN103820653A

CN103820653A - 镁合金熔体气体保护方法

Info

Publication number: CN103820653A
Application number: CN201410056775.0A
Authority: CN
Inventors: 刘文才; 吴国华; 梅俊; 张扬; 丁文江
Original assignee: Shanghai Jiaotong University
Current assignee: Shanghai Jiaotong University
Priority date: 2014-02-19
Filing date: 2014-02-19
Publication date: 2014-05-28

Abstract

本发明公开了一种镁合金熔体气体保护方法；所述方法包括在镁合金进行熔炼、撇去熔体表面浮渣、搅拌、精炼、扒渣、浇注的同时进行喷吹气体保护的步骤；其在镁合金熔体表面形成致密保护膜速度更快、所需最低浓度更低，表现出更好的保护效果。特别地，本发明气体保护方法的全球变暖潜能值(GWP)仅为SF₆的0.02～0.1，大气寿命仅为SF₆的0.1％～0.5％，可大幅度降低镁合金熔炼过程对环境的污染。因此，本发明具有绿色环保的特点，方法简单，适合实验和工业应用。

Description

镁合金熔体气体保护方法

技术领域

本发明涉及金属熔体处理技术领域，具体涉及一种镁合金熔体气体保护方法。

背景技术

航空、航天和武器装备等由于特殊的工作环境，结构减重和结构承载与功能一体化是其发展的重要方向，镁合金具有密度小、比强度和比刚度高、抗震性能优良和切削加工性能好等优点，在航空航天和国防军事工业领域具有广阔的应用前景，被誉为21世纪资源与环境可持续发展的绿色材料，已成为世界各国普遍关注的焦点。镁是地球上储量最丰富的元素之一，而我国是镁资源和镁合金生产大国，镁和镁合金锭产量占世界总产量的一半以上。大量采用镁合金制造航天器和武器装备零部件可达到最大的减重效果，将是未来航空航天和国防军事工业发展的重要方向。不过，镁的化学性质活泼，镁合金与氧极易反应生成氧化镁，放出大量的反应热，特别是在高温时，镁合金容易氧化燃烧，所以，镁合金在熔炼时必须进行阻燃保护。

目前常用的镁合金熔体保护方法主要有：熔剂保护法、合金化阻燃法和气体保护法。最初的镁合金熔炼保护常由熔剂来完成，该方法利用低熔点的无机化合物在较低温度下熔化，覆盖在镁熔体表面，阻止熔体与空气的接触，起到保护作用。熔剂保护法的保护效果明显，但是它产生的夹杂物混入合金液后会严重损害产品的力学性能和抗腐蚀性能。此外，熔剂在高温下会产生并挥发出Cl₂、HCl和HF等气体，不仅严重腐蚀生产设备，而且会对人体健康造成危害。在气体保护法发展成熟之后，熔剂保护法已被逐渐取代。

合金化阻燃是指在镁合金中加入Ca、Be和稀土等元素，在熔炼过程中使液态镁合金表面形成一层致密的氧化膜，阻止氧化进一步发生。从理论上讲，合金化阻燃比熔剂保护和气体保护效果更为理想，因为它在熔炼过程中不引入新的杂质。但是，加入过多的合金元素，会影响镁合金的性能，如过多的Ca会增大合金的脆性，过多的Be会增大镁合金晶粒并引起热裂。因此，合金化阻燃虽然是镁合金熔炼保护的一个很有前景的研究方向，但是现阶段仍无法满足大规模工业应用的要求。

气体保护是目前国外镁合金行业普遍采用的技术，其保护机理是在镁熔体表面覆盖一层惰性气体或能与镁反应生成致密氧化膜的气体，阻止镁熔体发生剧烈氧化燃烧。根据是否与镁熔体发生反应，保护气体可以分为惰性气体和反应性气体两种：惰性气体主要是指He和Ar；反应性气体包括N₂、CO₂、BF₃、SO₂和SF₆等。综合研究表明，SF₆和CO₂的混合气体是保护效果最为理想的气体，但SF₆的温室效应作用巨大，其全球变暖潜能值(简称GWP)为23900，即其温室效应能力是CO₂的23900倍，且非常稳定，不易分解，大气寿命达3200年，是最严重的温室气体之一，对生态造成严重危害。随着人类对环境问题的日益关注，以欧盟为代表的国家和地区正逐步限制或禁止使用SF₆，《京都议定书》也号召减少SF₆等温室气体的排放，这已经对镁合金产业形成了新的挑战。因此，寻找镁合金熔体的新型保护气体是镁合金研究领域面临的关键技术难题之一。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术中的缺陷，提供一种镁合金熔体气体保护方法。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

本发明提供一种镁合金熔体气体保护方法，所述方法包括在镁合金进行熔炼、撇去熔体表面浮渣、搅拌、精炼、扒渣、浇注的同时进行喷吹气体保护的步骤。该喷吹气体的方式对熔体进行保护，防止其氧化燃烧。

优选的，所述气体是通过耐高温的气管喷吹到镁合金熔体表面，气管不与镁合金熔体接触。

优选的，所述气体为含氟烷烃化合物和载气的混合气体。

优选的，所述含氟烷烃化合物为CF₃CH₂F(HFC-134a)、C₃F₇COC₂F₅(FK)、C₄F₉OCH₃(HFE7100)、C₄F₉OC₂H₅(HFE7200)、CH₂F₂(HFC-32)、CH₃CHF₂(HFC-152a)中的一种或几种的混合。更优选为CH₂F₂(HFC-32)和CH₃CHF₂(HFC-152a)，其形成保护膜速度更快。

优选的，所述载气为空气、CO₂或氮气。

优选的，所述含氟烷烃化合物在载体中的体积百分比浓度为0.1～10％。

优选的，所述含氟烷烃化合物与载气的混合气体流量根据镁合金熔体表面积而定。

优选的，所述含氟烷烃化合物与载气的混合气体流量为0.1～10升／分钟。

与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：

1、含氟烷烃化合物(CF₃CH₂F(HFC-134a)、C₃F₇COC₂F₅(FK)、C₄F₉OCH₃(HFE7100)、C₄F₉OC₂H₅(HFE7200)、CH₂F₂(HFC-32)、CH₃CHF₂(HFC-152a))均为环保型熔体保护气体，其全球变暖潜能值(GWP)仅为SF₆的0.02～0.1，大气寿命仅为SF₆的0.1％～0.5％，可大幅度降低镁合金熔炼过程对环境的污染。

2、与常规SF₆保护气体相比，本发明含氟烷烃化合物(CF₃CH₂F(HFC-134a)、C₃F₇COC₂F₅(FK)、C₄F₉OCH₃(HFE7100)、C₄F₉OC₂H₅(HFE7200)、CH₂F₂(HFC-32)、CH₃CHF₂(HFC-152a))形成保护膜速度更快、所需最低浓度更低，表现出更好的保护效果，并且本发明气体的热稳定性低，分解温度低，在熔炼温度时已分解完全，在保护气氛中存在大量活性氟原子，与新鲜镁熔体发生反应，迅速形成以MgF₂为主的致密保护膜。

附图说明

通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1为AZ91镁合金熔炼时采用传统SF₆／CO₂气体进行保护的表面氧化膜形貌照片；

图2为AZ91镁合金熔炼时采用本发明CH₃CHF₂(HFC-152a)／CO₂气体进行保护的表面氧化膜形貌照片；

图3为Mg-10Gd-3Y-0.5Zr镁合金熔炼时采用传统SF₆／CO₂气体进行保护的表面氧化膜形貌照片；

图4为Mg-10Gd-3Y-0.5Zr镁合金熔炼时采用本发明CH₂F₂(HFC-32)／N₂气体进行保护的表面氧化膜形貌照片；

图5为ZK60镁合金熔炼时采用传统SF₆／CO₂气体进行保护的表面氧化膜形貌照片；

图6为ZK60镁合金熔炼时采用本发明CF₃CH₂F(HFC-134a)／空气进行保护的表面氧化膜形貌照片。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明的保护范围。

实施例1

本实施例涉及一种镁合金AZ91熔炼时的气体保护方法；具体包括如下步骤：对3公斤AZ91镁合金原料进行常规的熔炼、撇去熔体表面浮渣、搅拌、精炼、扒渣、浇注等，同时采用喷吹CH₃CHF₂(HFC-152a)／CO₂气体的方式对熔体进行保护，CH₃CHF₂(HFC-152a)和CO₂的体积比为CH₃CHF₂(HFC-152a)∶CO₂＝1∶1000，吹气流量为10升/分钟。

传统方法：对3公斤AZ91镁合金原料进行常规的熔炼、撇去熔体表面浮渣、搅拌、精炼、扒渣、浇注等，同时采用喷吹SF₆／CO₂(体积比SF₆∶CO₂=1∶1000)气体的方式对熔体进行保护，吹气流量为10升／分钟。

从不同气体保护方法处理后AZ91合金表面氧化膜形貌图1和2可以看出，相对传统的SF₆／CO₂气体保护方法，经本发明气体保护方法处理的合金表面氧化膜更致密，同时，经计算本发明气体CH₃CHF₂(HFC-152a)的全球变暖潜能值(GWP)仅为SF₆的0.03，大气寿命仅为SF₆的0.15％，大幅度降低镁合金熔炼过程对环境的污染。

实施例2

本实施例涉及一种高强耐热稀土镁合金Mg-10Gd-3Y-0.5Zr熔炼时的气体保护方法；具体包括如下步骤：对5公斤Mg-10Gd-3Y-0.5Zr镁合金原料进行常规的熔炼、撇去熔体表面浮渣、搅拌、精炼、扒渣、浇注等，同时采用喷吹CH₂F₂(HFC-32)／N₂气体的方式对熔体进行保护，CH₂F₂(HFC-32)和N₂的体积比为CH₂F₂(HFC-32)∶N₂＝1∶10，吹气流量为0.1升／分钟。

传统方法：对5公斤Mg-10Gd-3Y-0.5Zr镁合金原料进行常规的熔炼、撇去熔体表面浮渣、搅拌、精炼、扒渣、浇注等，同时采用喷吹SF₆／CO₂(体积比SF₆∶CO₂=1∶10)气体的方式对熔体进行保护，吹气流量为0.1升／分钟。

从不同气体保护方法处理后Mg-10Gd-3Y-0.5Zr合金表面氧化膜形貌图3和4可以看出，相对传统的SF₆／CO₂气体保护方法，经本发明气体保护方法处理的合金表面氧化膜更致密，同时，经计算本发明气体CH₂F₂(HFC-32)的全球变暖潜能值(GWP)仅为SF₆的0.05，大气寿命仅为SF₆的0.2％，大幅度降低镁合金熔炼过程对环境的污染。

实施例3

本实施例涉及一种传统商业镁合金ZK60熔炼时的气体保护方法；具体包括如下步骤：对8公斤ZK60镁合金原料进行常规的熔炼、撇去熔体表面浮渣、搅拌、精炼、扒渣、浇注等，同时采用喷吹C₄F₉OCH₃(HFE7100)／空气的方式对熔体进行保护，C₄F₉OCH₃(HFE7100)和空气的体积比为CF₃CH₂F(HFC-134a)∶空气＝1∶500，吹气流量为5升／分钟。

传统方法：对8公斤ZK60镁合金原料进行常规的熔炼、撇去熔体表面浮渣、搅拌、精炼、扒渣、浇注等，同时采用喷吹SF₆／CO₂(体积比SF₆∶CO₂=1∶500)气体的方式对熔体进行保护，吹气流量为5升／分钟。

从不同气体保护方法处理后ZK60合金表面氧化膜形貌图5和6可以看出，相对传统的SF₆／CO₂气体保护方法，经本发明气体保护方法处理的合金表面氧化膜更致密，同时，经计算本发明气体CF₃CH₂F(HFC-134a)的全球变暖潜能值(GWP)仅为SF₆的0.1，大气寿命仅为SF₆的0.5％，大幅度降低镁合金熔炼过程对环境的污染。

以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本发明的实质内容。

Claims

1.一种镁合金熔体气体保护方法，其特征在于，所述方法包括在镁合金进行熔炼、撇去熔体表面浮渣、搅拌、精炼、扒渣、浇注的同时进行喷吹气体保护的步骤。

2.如权利要求1所述的镁合金熔体气体保护方法，其特征在于，所述气体是通过耐高温的气管喷吹到镁合金熔体表面，气管不与镁合金熔体接触。

3.如权利要求1或2所述的镁合金熔体气体保护方法，其特征在于，所述气体为含氟烷烃化合物和载气的混合气体。

4.如权利要求3所述的镁合金熔体气体保护方法，其特征在于，所述含氟烷烃化合物为CF₃CH₂F、C₃F₇COC₂F₅、C₄F₉OCH₃、C₄F₉OC₂H₅、CH₂F₂、CH₃CHF₂中的一种或几种的混合。

5.如权利要求3所述的镁合金熔体气体保护方法，其特征在于，所述载气为空气、CO₂或氮气。

6.如权利要求3所述的镁合金熔体气体保护方法，其特征在于，所述含氟烷烃化合物在载体中的体积百分比浓度为0.1～10％。

7.如权利要求6所述的镁合金熔体气体保护方法，其特征在于，所述含氟烷烃化合物与载气的混合气体流量为0.1～10升／分钟。