CN106153815B - 一种镁合金石膏型气体保护阻燃效果实验设备及实验方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种镁合金石膏型气体保护阻燃效果实验设备及实验方法，属于合金熔炼浇注领域，本发明的实验设备内包括陶瓷棒、第一加热及控温装置、石膏型、陶瓷腔，石膏型具有多个镁液流入孔和通气孔，镁液流入孔与陶瓷通道一一对应，石膏型经陶瓷通道分别与陶瓷腔相通，通气孔位于石膏型顶端，用于与实验设备相通，实验设备分别与抽真空系统和保护气体注入系统相连。采用本发明的技术方案进行实验，便于对罐中负压和保护气体流量进行精确测量，以确保镁合金铸件生产安全性和薄壁件精密成形，适应于气体保护下镁合金铸件低压铸造的工艺参数实验。本发明的实验环境与气体保护下镁合金低压铸造浇注环境相似度高，操作性好，且安全可靠。

Description

一种镁合金石膏型气体保护阻燃效果实验设备及实验方法

技术领域

本发明涉及一种阻燃效果实验技术，尤其涉及一种镁合金石膏型气体保护阻燃效果实验设备及实验方法，属于合金熔炼浇注领域。

背景技术

镁合金因具有比重轻(与塑料相近)、比强度高、比刚度接近于铝合金、阻尼性、导热性、切削加工性、铸造性能好，电磁屏蔽能力强、尺寸稳定、资源丰富、容易回收等一系列优点，在汽车工业、通讯电子和航空航天等领域有着广泛的应用空间。近年来，随着汽车行业的轻量化，环保化需求以及镁合金研发技术和回收利用技术的不断进步，促进了镁合金应用的快速发展。由于镁合金熔体活性高，铸造过程中很容易发生燃烧，因此，铸造过程中必须对液面进行阻燃处理。

在现有镁合金液面保护方法中，气体保护具有阻燃效果好、保护方法简单、快捷等特点，特别适合于镁合金铸造。上海交通大学发明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。清华大学发明了一种防止镁合金氧化燃烧的气体保护方法，所述方法是在熔炼镁或镁合金的同时，在熔炼炉内通入由六氟丙烯气体和稀释气体组成的混合气体进行熔炼保护。清华大学和贵州安吉航空精密铸造有限责任公司发明了一种镁合金熔模铸造气体保护装置，该装置为一罩体，其壁面上靠近开口端设置有进气孔，而靠近封闭端设置有出气孔，并在其上设置有浇口窗及浇口窗盖板，以上发明，均没有考虑铸造过程中保护气体流量对流动液面阻燃效果的影响。

河南理工大学发明了一种镁合金石膏型的铸造方法，该方法包括：将镁合金熔炼除渣；将石膏铸型预热；用1-10％六氟化硫和90-99％氩气的混合气体、1～5Kpa的气压对下罐进行1～2分钟打压；对上罐抽真空,达到规定负压值,将1-10％六氟化硫和90-99％氩气的混合气体注入上罐,升到规定负压值；用压力为10～80KPa的气压对下罐进行加压,实现加压浇注。镁合金复杂薄壁件石膏型铸造采用气体保护时，由于石膏型腔中充满保护气体，镁合金充型时，液面前沿保持适当的保护气体背压便于对熔体进行保护，但是背压不能过大，否则对液面推进形成阻力，从而影响熔体对型腔细节部位的复制以及造成冷隔、汇流焊缝等充型缺陷。但是镁合金石膏型浇注是在密封环境下进行，液面阻燃效果不便于观察，且镁液较多。

发明内容

为克服现有技术中由于保护气体加入量不当而导致镁合金复杂薄壁件难以成形及冷隔、汇流焊缝较多的技术问题，本发明提供一种镁合金石膏型气体保护阻燃效果实验设备及实验方法。

本发明的具体技术方案中一种镁合金石膏型气体保护阻燃效果实验设备，其特征在于，所述实验设备内部具有腔体，所述腔体内具有陶瓷棒、第一加热及控温装置、石膏型、陶瓷腔；

所述陶瓷棒与所述陶瓷腔匹配，能够插入所述陶瓷腔内，并且能够在所述陶瓷腔内做上下运动，所述陶瓷腔用于容纳用于浇注的熔体；

所述石膏型设置于所述陶瓷腔外侧，并置于所述第一加热及控温装置内，所述石膏型内置石膏型腔，石膏型腔内设有多个镁液流入孔和通气孔，所述多个镁液流入孔分别与多个第一、第二陶瓷通道一一对应连通，所述石膏型腔经所述第一、第二陶瓷通道分别与所述陶瓷腔相通，所述通气孔位于所述石膏型腔顶端，用于与实验设备内部腔体相通；

所述实验设备上部设有密封盖板与外部隔离；

所述实验设备分别与抽真空系统和保护气体注入系统相连。

更进一步地，所述通气孔的孔大小可调节。

更进一步地，多个所述第一、第二陶瓷通道分别设有陶瓷过滤网。

更进一步地，所述陶瓷腔外侧与所述石膏型接触面为圆锥状结构，所述石膏型设置在所述陶瓷腔的外圆锥面上。

更进一步地，所述密封盖板上设有观察窗和气压表。

更进一步地，多个所述第一、第二陶瓷通道为对称分布，所述实验设备还包括液面扰动毛细管、坩埚和第二加热及控温装置，所述液面扰动毛细管与所述陶瓷腔相通，所述坩埚位于所述第二加热及控温装置内，所述坩埚设有坩埚倾转机构，所述坩埚和所述第二加热及控温装置具有陶瓷水口，所述陶瓷水口置于所述陶瓷腔上方。

更进一步地，所述第一陶瓷通道置于所述石膏型的型腔上端，所述第二陶瓷通道置于所述石膏型的型腔下端，所述实验设备还包括陶瓷密封板，所述陶瓷密封板放置在所述陶瓷腔的上端。

本发明的具体技术方案中一种利用上述镁合金石膏型气体保护阻燃效果实验设备进行实验的方法，其特征在于，所述方法包含如下步骤：

步骤1、将镁合金熔化并精炼获得相应熔体；

步骤2、在步骤1中制得的熔体液面上施加保护剂，并将熔体温度控制在700℃～750℃；

步骤3、将陶瓷腔和石膏型通电加热，温度控制在100℃～300℃；

步骤4、向实验设备内部腔体注入SF6气体，SF6气体流量为3-5mL/s，压力增加至10-30KPa时，将步骤2中获得的熔体快速浇入陶瓷腔；

步骤5、浇注结束后，记录液面前沿气压变化，并提取液面前沿气体进行成分分析；

步骤6、液面稳定后，缓慢扰动液面，观察液面阻燃效果；

步骤7、当步骤6中的熔体从陶瓷腔流入石膏型后，立即提取陶瓷棒端面上的氧化膜。

本发明的具体技术方案中一种利用上述镁合金石膏型气体保护阻燃效果实验设备进行实验的方法，其特征在于，所述方法包含如下步骤：

步骤1、将镁合金熔化并精炼获得相应熔体；

步骤2、待步骤1中制得的熔体温度达到700℃～750℃时，将熔体浇入陶瓷腔中并施加保护剂，同时对石膏型通电加热，温度控制在100℃～300℃；

步骤3、对实验设备内部腔体缓慢抽真空，负压达到-10KPa到-20KPa时，注入SF6气体，SF6气体流量为3-5mL/s，最终压力维持在负压-5KPa到-10KPa；

步骤4、缓慢将步骤2中的熔体送入石膏型中充型，制得试件；

步骤5、待两侧试件凝固后，提取陶瓷棒端面上的氧化膜，并对石膏型内浇注试件进行分析。

本发明所提供的一种镁合金石膏型气体保护阻燃效果实验设备及实验方法具有如下优点：

一、能够测试不同保护气氛液面扰动下的阻燃效果，通过对氧化保护膜厚度和相组成分析，获得镁合金液面最佳阻燃效果时保护气体流量，从而避免镁合金液充型时因氧化而在熔体中产生氧化夹杂等。

二、能够进行密闭负压环境下阻燃效果实验，通过对试样表面附着颗粒的XRD检测、试样纵、横截面显微组织分析和内部夹杂分析等，获得罐中负压和保护气体流量对试样表面氧化及熔体流动性的影响规律，为实际铸造时提供最佳罐中负压和保护气体流量以有利于薄壁件的精密成形。

因此采用本发明的实验设备及实验方法，便于对罐中负压和保护气体流量进行精确测量，以确保镁合金铸件生产安全性和薄壁件精密成形，适应于气体保护下镁合金铸件低压铸造的工艺参数实验。按该实验设备及实验方法进行镁合金气体保护实验，实验环境与气体保护下镁合金低压铸造浇注环境相似度高，操作性好，且安全可靠。

附图说明

图1为本发明实施例一的实验设备的结构图；

图2为本发明实施例一的实验设备局部放大图；

图3为本发明实施例二的实验设备的结构图。

具体实施方式

下面结合说明书附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例仅用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

实施例一：

如图1和图2所示，本实施例记载了一种镁合金石膏型气体保护阻燃效果实验设备，该实验设备1内置有陶瓷棒6、加热及控温装置9、陶瓷腔13、石膏型11、坩埚16、加热及控温装置19。陶瓷棒6与陶瓷腔13相匹配，并置于陶瓷腔13内，并可在陶瓷腔13内上下运动，陶瓷腔13的内侧为圆柱状，陶瓷腔13的外侧为上小下大的圆锥状结构(锥度为1:20)，石膏型11套在陶瓷腔13外圆锥面上实现紧密配合，从而防止镁液沿缝隙渗漏，并置于加热及控温装置9内。石膏型11内置石膏型腔14，石膏型腔14为圆筒状结构，并在石膏型腔14中部设有多孔与多个陶瓷通道10、15分别一一对应连通。陶瓷通道10、15总计有4-6个，并沿径向均匀分布。通过陶瓷通道10、15,实现石膏型腔14与陶瓷腔13相通，且在陶瓷通道10、15的入口处设置陶瓷过滤网以防止熔体表面覆盖着氧化物卷入液流浇入石膏型腔14中。通气孔位于石膏型腔14顶端，用于与实验设备1内部腔体相通，通气孔可调节孔大小。坩埚16位于加热及控温装置19内，并设有坩埚倾转机构17，用于使坩埚16倾转，坩埚16和加热及控温装置19上具有特制的陶瓷水口18，使熔体倒入陶瓷腔13中，陶瓷水口18位于陶瓷腔13上方。

实验设备1的上部采用密封盖板4与外部隔离，为了便于对保护气体的阻燃效果进行观察和记录，采用LBS-16A高速同步摄影机对流动液面情况作同步拍照，在密封盖板4上装有便于拍照的观察窗2和气压表3，通过气压表3可记录密封腔内的气压变化。在实验设备1右侧设有保护气体管道5与保护气体注入系统连通，左侧设有抽真空管道7和液面扰动毛细管8分别与抽真空系统连通，为了模拟液面前沿保护气体扰动或液面扰动对液面阻燃效果的影响，通过液面扰动毛细管8对陶瓷腔13抽气(图2中12位置)或向下缓慢拉动陶瓷棒6，观察液面阻燃效果，另外还可通过液面扰动毛细管8提取液面前沿气体进行成分分析。为了提取液面氧化膜，将陶瓷棒6向下拉动到与陶瓷通道10、15下端平齐，并通过陶瓷过滤网以及调节通气孔大小来控制流入石膏型腔14的液流速度，使陶瓷棒6上端面的液面氧化薄膜保持完整以便于分析。

利用上述实施例中的实验设备1进行实验，步骤如下：

步骤1、镁合金在大坩埚中熔化并精炼，然后用Φ100mm×300mm小坩埚16舀出后液面施加保护剂，置于实验设备1内部腔体挂钩上并通电保温，温度控制在700℃～750℃，同时对陶瓷腔13和石膏型11通电加热，温度控制在100℃～300℃；

步骤2、将陶瓷棒6向上推到陶瓷通道10、15上方，然后对实验设备1内部腔体注入SF₆气体，SF₆气体流量为3-5mL/s，压力增加至10-30KPa时，将坩埚16倾斜通过特制的陶瓷水口18快速对准陶瓷腔13，快速浇入；

步骤3、浇注结束后，记录液面前沿气压变化，并通过液面扰动毛细管8提取液面前沿气体进行成分分析；

步骤4、待液面稳定后，向下缓慢拉动陶瓷棒6或通过液面扰动毛细管8对陶瓷腔13抽气(图2中12位置)，观察液面阻燃效果；

步骤5、将陶瓷棒6向下拉动到与陶瓷通道10、15下端平齐，待液体完全流入石膏型腔14时，立即抽出陶瓷棒6，提取陶瓷棒6上端面的氧化膜。

申请人发现，采用本实施例中的保护气体成分和压力(SF6气体流量为3-5mL/s，最终压力维持在负压-5KPa到-10KPa)，阻燃效果要明显高于其他成分和压力。

实施例二

本发明技术方案的另一个实施例，如图3所示，该实验设备1内置有陶瓷棒6、加热及控温装置9、石膏型11、陶瓷腔13。陶瓷棒6与陶瓷腔13相匹配，并可在陶瓷腔13内上下运动。陶瓷腔13的外侧为上小下大的圆锥状结构(锥度为1:20)，石膏型11套在陶瓷腔13外圆锥面上实现紧密配合，从而防止镁液沿缝隙渗漏，且置于加热及控温装置9内。陶瓷腔13在舀入熔体后上端放置陶瓷密封板20。石膏型11内置石膏型腔14，石膏型腔14为小圆筒状结构，在石膏型11中左右各有一个型腔，左、右型腔中分别在上部或下部位置设有3-4孔，该孔与多个陶瓷通道10或15分别一一对应连通。经陶瓷通道10或15，左、右石膏型腔14分别与陶瓷腔13相通，且在陶瓷通道10、15的入口处设置陶瓷过滤网以防止熔体表面覆盖着氧化物卷入液流浇入石膏型腔14中。通气孔位于石膏型腔14顶端，用于与实验设备1内部腔体相通，通气孔可调节孔大小。

实验设备1的上部采用密封盖板4与外部隔离，在密封盖板4上装有便于拍照的观察窗2和气压表3。在实验设备1右侧设有保护气体管道5与保护气体注入系统连通，左侧设有抽真空管道7，抽真空管道7与抽真空系统连通。为了模拟低压铸造浇注环境，将陶瓷棒6下拉，将镁液倒入陶瓷腔13，并保证熔体液面在陶瓷通道15下方，施加保护剂后上端放置陶瓷密封板20，对实验设备1内部腔体抽真空及注入保护气体，使实验设备1内维持一定负压。为了实验准确性，熔体从陶瓷腔13流入石膏型腔前，均在陶瓷通道10、15入口处设置陶瓷过滤网以防止熔体表面覆盖着氧化物卷入液流浇入石膏型腔14中。

利用上述实施例中的实验设备1进行实验，步骤如下：

步骤1、镁合金在大坩埚中熔化并精炼，同时将陶瓷棒6下移，温度达到700℃～750℃时，将熔体浇入陶瓷腔13中使液面在陶瓷通道15下方，并施加保护剂(如硫磺，RJ熔剂)，陶瓷腔13上端盖上陶瓷密封板20，同时对石膏型11通电加热，温度控制在100℃～300℃；

步骤2、对实验设备1内部腔体缓慢抽真空，负压-(10-20)KPa时，注入SF6气体，SF6气体流量为3-5mL/s，最终压力维持在-(5-10)KPa；

步骤3、缓慢向上移动陶瓷棒6，陶瓷棒6上端与陶瓷通道15下端平齐时，熔体缓慢流入陶瓷腔13右侧石膏型腔14中；

步骤4、再缓慢向上移动陶瓷棒6，直到陶瓷棒6上端面与陶瓷通道10下端平齐，液体完全流入陶瓷腔13左侧石膏型腔14中；

步骤5、待两侧试件凝固后，抽出陶瓷棒6，提取陶瓷棒6上端面的氧化膜，并对左右两侧浇注试件进行分析。

下面详细介绍一种石膏型镁合金复杂薄壁件，平均壁厚2.0mm试样的实验过程：

1、原料选择：镁合金为ZM₆，石膏型成分配比(质量分数)为：15％～20％的石英粉、6％～8％的滑石粉、60％～85％的α半水石膏、18％～25％的MgS0₄，外加水及其他材料，保护气体为SF₆气体；

2、按步骤1将镁合金熔炼除渣后，熔体温度为750℃时浇入陶瓷腔13，施加保护剂，石膏型11套入陶瓷腔13外圆锥面，盖上陶瓷密封板20，石膏型11预热到300℃；

3、对实验设备1内部腔体缓慢抽真空，负压-15KPa时，注入SF₆气体，SF₆气体流量为3mL/s，最终压力维持在-10KPa；

4、缓慢向上移动陶瓷棒6，分别对石膏型腔14左、右两侧型腔充型，待两侧试件凝固后，抽出陶瓷棒6，提取陶瓷棒6上端面的氧化膜，并对左右两侧浇注试件进行分析。

本发明的实验设备结构巧妙，利用毛细管形成扰动可以逼真模仿正常浇注过程中的扰动情况，此外，采用特定锥度的陶瓷腔外侧面，能够在有效将熔体注入石膏型腔的同时，避免熔体流出，此外，这种构造方式便于和石膏型更紧密地配合，并且在需要取出时，更容易取出。另外，本发明可以容易地进行反复的阻燃效果调试，而不需要做过多的调整。

虽然上面结合本发明的优选实施例对本发明的原理进行了详细的描述，本领域技术人员应该理解，上述实施例仅仅是对本发明的示意性实现方式的解释，并非对本发明包含范围的限定。实施例中的细节并不构成对本发明范围的限制，在不背离本发明的精神和范围的情况下，任何基于本发明技术方案的等效变换、简单替换等显而易见的改变，均落在本发明保护范围之内。

Claims (9)

1.一种镁合金石膏型气体保护阻燃效果实验设备，其特征在于，所述实验设备(1)内部具有腔体，所述腔体内具有陶瓷棒(6)、第一加热及控温装置(9)、石膏型(11)、陶瓷腔(13)；

所述陶瓷棒(6)与所述陶瓷腔(13)匹配，能够插入所述陶瓷腔(13)内，并且能够在所述陶瓷腔(13)内做上下运动，所述陶瓷腔(13)用于容纳用于浇注的熔体；

所述石膏型(11)设置于所述陶瓷腔(13)外侧，并置于所述第一加热及控温装置(9)内，所述石膏型(11)内置石膏型腔(14)，石膏型腔(14)内设有多个镁液流入孔和通气孔，所述多个镁液流入孔分别与多个第一、第二陶瓷通道(10、15)一一对应连通，所述石膏型腔(14)经所述第一、第二陶瓷通道(10、15)分别与所述陶瓷腔(13)相通，所述通气孔位于所述石膏型腔(14)顶端，用于与实验设备(1)内部腔体相通；

所述实验设备(1)上部设有密封盖板(4)与外部隔离；

所述实验设备(1)分别与抽真空系统和保护气体注入系统相连。

2.根据权利要求1所述的镁合金石膏型气体保护阻燃效果实验设备，其特征在于，所述通气孔的孔大小可调节。

3.根据权利要求1所述的镁合金石膏型气体保护阻燃效果实验设备，其特征在于，多个所述第一、第二陶瓷通道(10、15)分别设有陶瓷过滤网。

4.根据权利要求1所述的镁合金石膏型气体保护阻燃效果实验设备，其特征在于，所述陶瓷腔(13)外侧与所述石膏型(11)接触面为圆锥状结构，所述石膏型(11)设置在所述陶瓷腔(13)的外圆锥面上。

5.根据权利要求1所述的镁合金石膏型气体保护阻燃效果实验设备，其特征在于，所述密封盖板(4)上设有观察窗(2)和气压表(3)。

6.根据权利要求1至5中任一项所述的镁合金石膏型气体保护阻燃效果实验设备，其特征在于，多个所述第一、第二陶瓷通道(10、15)为对称分布，所述实验设备(1)还包括液面扰动毛细管(8)、坩埚(16)和第二加热及控温装置(19)，所述液面扰动毛细管(8)与所述陶瓷腔(13)相通，所述坩埚(16)位于所述第二加热及控温装置(19)内，所述坩埚(16)设有坩埚倾转机构(17)，所述坩埚(16)和所述第二加热及控温装置(19)具有陶瓷水口(18)，所述陶瓷水口(18)置于所述陶瓷腔(13)上方。

7.根据权利要求1至5中任一项所述的镁合金石膏型气体保护阻燃效果实验设备，其特征在于，所述第一陶瓷通道(10)置于所述石膏型(11)的型腔上端，所述第二陶瓷通道(15)置于所述石膏型(11)的型腔下端，所述实验设备(1)还包括陶瓷密封板(20)，所述陶瓷密封板(20)放置在所述陶瓷腔(13)的上端。

8.一种利用权利要求6所述的镁合金石膏型气体保护阻燃效果实验设备进行实验的方法，其特征在于，所述方法包含如下步骤：

步骤1、将镁合金熔化并精炼获得相应熔体；

步骤2、在步骤1中制得的熔体液面上施加保护剂，并将熔体温度控制在700℃～750℃；

步骤3、将陶瓷腔和石膏型通电加热，温度控制在100℃～300℃；

步骤4、向实验设备内部腔体注入SF₆气体，SF₆气体流量为3-5mL/s，压力增加至10-30KPa时，将步骤2中获得的熔体快速浇入陶瓷腔；

步骤5、浇注结束后，记录液面前沿气压变化，并提取液面前沿气体进行成分分析；

步骤6、液面稳定后，缓慢扰动液面，观察液面阻燃效果；

步骤7、当步骤6中的熔体从陶瓷腔流入石膏型后，立即提取陶瓷棒端面上的氧化膜。

9.一种利用权利要求7所述的镁合金石膏型气体保护阻燃效果实验设备进行实验的方法，其特征在于，所述方法包含如下步骤：

步骤1、将镁合金熔化并精炼获得相应熔体；

步骤2、待步骤1中制得的熔体温度达到700℃～750℃时，将熔体浇入陶瓷腔中并施加保护剂，同时对石膏型通电加热，温度控制在100℃～300℃；

步骤3、对实验设备内部腔体缓慢抽真空，负压达到-10KPa到-20KPa时，注入SF₆气体，SF₆气体流量为3-5mL/s，最终压力维持在负压-5KPa到-10KPa；

步骤4、缓慢将步骤2中的熔体送入石膏型中充型，制得试件；

步骤5、待两侧试件凝固后，提取陶瓷棒端面上的氧化膜，并对石膏型内浇注试件进行分析。