CN110860675A - 一种铸造过程中镁合金熔体的保护方法 - Google Patents

一种铸造过程中镁合金熔体的保护方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种铸造过程中镁合金熔体的保护方法，将全氟液体封装在软胶囊中，在镁合金熔体浇注到模具型腔之前，将全氟液体软胶囊放到铸造型腔中，之后密闭铸造型腔，软胶囊在模具或熔体高温条件下破裂，全氟液体溢出气化形成全氟气体，全氟气体与铸型中的空气原位混合形成全氟气体镁合金熔体保护气体，其中空气作为载气，镁合金熔体在全氟气体保护气体的保护下完成充型，从而显著减少镁合金熔体在铸造充型过程中的氧化。与目前镁合金熔体在铸造过程中的保护方法相比，本发明更加简单有效，解决了常规镁合金保护气体难以有效进入密闭铸造型腔的难题，同时最大程度降低了含氟物质的使用量，降低了铸造成本与温室气体排放。

Description

一种铸造过程中镁合金熔体的保护方法
技术领域
本发明涉及镁合金冶金技术领域，具体地，涉及一种铸造过程中镁合金熔体的保护方法。
背景技术
镁合金具有比重轻、比强度和比刚度高的特性，在节能减排方面具有重要作用。随着人们对能源和环境问题的日益关注，作为轻量化材料，镁合金的应用正受到前所未有的重视。然而，镁合金与氧气亲和力高、生成的氧化镁结构疏松，高温下镁合金会发生严重的氧化、燃烧。为了防止镁合金在高温下发生氧化燃烧，国内外通常采用熔剂保护法、合金元素法和气体保护法对镁合金熔体进行保护。气体保护法是目前应用最广的镁合金熔炼保护方法。工业上常用的保护气体有SF6和SO2等。SO2由于腐蚀性大、泄漏易造成环境污染，上世纪70年代以来，工业上普遍采用SF6混合气体的气体保护技术。然而，上世纪末，温室效应导致的环境问题引起人们的关注，SF6是一种严重的温室效应气体，其温室效应约为CO2的23900倍，属于1997年京都议定书中规定要逐步淘汰的气体。欧美等发达国家已经立法，在2010年前逐步限制和停止使用SF6，国际镁业协会(IMA)也确定镁工业界于2015年前实现SF6的零排放。在这样一个背景下，研究者开始寻找优质、高效、环保的保护气体和保护技术，以替代现有的SF6气体保护技术。研究结果表明含氟气体与载气(通常为氮气、二氧化碳、干燥空气)按照一定比例混合时都能起到很好的保护效果，只是含氟气体的比例有所差异。这些含氟气体包括：二氟甲烷(HFC-32)、五氟乙烷(HFC-125)、四氟乙烷(HFC-134a)、二氟乙烷(HFC-152a)、七氟丙烷(HFC-227ea)、甲氧基-九氟丁烷(HFE-7200)、二氢十氟戊烷(HFC-43-10mee)等。
镁合金在含氟气体保护下完成熔化及熔体处理之后，通常通过铸造的方式完成结构件成型。与熔化及熔体处理时的保护类似，镁合金熔体铸造过程中的保护对最终镁合金结构件的内部质量也有着重要的决定性作用，然而这方面的研究却很少。如压铸过程中，镁合金熔体浇注到压铸室时即裸露在空气中，由于熔体与空气中氧气充分接触，短时间即会产生大量氧化皮，所产生的氧化皮在随后的压铸中会卷入铸件内部，造成铸件内部氧化皮夹杂，严重降低了压铸件的内部质量。再如，在低压铸造过程中，虽然可以在模具闭合之前在升液管内通入保护气体，但由于升液管中空气对流和模具闭合过程中空气的流动，保护气体很容易稀释到空气中，从而显著降低保护效果。因此，如何在铸造充型过程中有效保护镁合金熔体是目前镁合金铸造领域需要解决一个技术难题。
全氟液体包括全氟-2-甲基-3戊酮(全氟己酮)，全氟-4-甲基-2-戊烯，全氟-2-甲基-2-戊烯，全氟-2-甲基-2、3-环氧戊烷，全氟-2-甲基-丁酮，全氟双异丙基酮，全氟-2、4-二甲基-3-庚烯，全氟-3-异丙基-4-甲基-2-戊烯，全氟-2、4-二甲基-3-乙基-2-戊烯中一种或者他们的混合物。全氟液体常温下为清澈、无色、无味的液体，通常作为灭火剂、清洗剂和溶剂使用。全氟液体含氟量较高，能够与镁合金熔体发生化学反应形成MgF2与MgO形成致密膜层，从而能够有效隔离镁合金熔体和空气中的氧气，起到阻止镁合金熔体与氧气进一步反应的作用。但由于常温下全氟液体为液态(沸点为40～60℃)，使用时需先气化再与载气混合使用，难以对全氟液体含量进行精确控制。而常规含氟气体常温下即为气体，可直接与载气混合使用，操作方便且含量可以精确控制。因此，工业上不采用全氟液体对镁合金熔体进行保护。
发明内容
针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种铸造过程中镁合金熔体的保护方法。具体提供一种镁合金熔体在铸造充型过程中的保护方法，以显著减少镁合金熔体在铸造充型过程产生氧化皮夹杂的倾向，达到提升镁合金构件内部质量的目的。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的：
本发明提供一种铸造过程中镁合金熔体的保护方法，包括如下步骤：
S1、制备全氟液体软胶囊；
S2、在镁合金熔体浇注到铸造型腔之前，将全氟液体软胶囊放置于铸造型腔中，并快速密闭铸造型腔，所述全氟液体软胶囊在铸造模具和/或熔体的高温条件下破裂，全氟液体溢出气化后与铸造型腔中的空气原位混合形成全氟气体与空气的混合气体，即镁合金熔体保护气体；所述全氟气体是指全氟液体的气体状态。
S3、镁合金熔体在保护气体的保护下完成铸造成型。
优选地，步骤S1中，所述全氟液体软胶囊采用常规软胶囊材质和常规压制法(模压法)或滴制法制备。两种方法工艺成熟，成本较低。但不限于这两种方法。
所述全氟液体软胶囊以全氟液体为包含物，囊壳为现有常规材料制备，包括胶料、增塑剂、水、附加剂。
所述制备成软胶囊主要具有以下两个作用：(1)便于全氟液体存放和定量使用；(2)便于全氟液体的液滴穿过炙热空气而不立即发生气化，有效延缓全氟液体的气化过程，待软胶囊接触到高温模具或熔体发生破裂时，全氟液体的液滴开始气化，便于全氟液体在密闭空间原位形成全氟气体与空气的混合气体，即镁合金熔体保护气体。
所述软胶囊破裂后，胶囊壁被碳化吸附在模具壁上，不会影响铸件内部质量。
优选地，步骤S1中，所述全氟液体软胶囊中，全氟液体种类选自全氟-2-甲基-3戊酮(全氟己酮)，全氟-4-甲基-2-戊烯，全氟-2-甲基-2-戊烯，全氟-2-甲基-2、3-环氧戊烷，全氟-2-甲基-丁酮，全氟双异丙基酮，全氟-2、4-二甲基-3-庚烯，全氟-3-异丙基-4-甲基-2-戊烯，全氟-2、4-二甲基-3-乙基-2-戊烯中一种或者多种的混合物。
优选地，步骤S2中，当进行砂型低压铸造时，所述全氟液体软胶囊通过升液管放置于铸造型腔中。
优选地，步骤S2中，当进行高压铸造时，所述全氟液体软胶囊直接放置在压铸料筒靠近模具的一端，即靠近压铸模具内浇口的位置。
优选地，步骤S2中，所述全氟液体溢出气化后，全氟气体体积为铸造型腔密闭空间的0.05％～2.00％。当全氟气体含量达到0.05％时，即可有效阻止镁合金熔体与空气中氧气发生剧烈化学反应；当全氟气体含量达到2.0％时，即可完全阻止镁合金熔体与空气中的氧气发生剧烈化学反应；进一步提高含量时，全氟气体会在镁合金熔体填充模具型腔时继续与其发生化学反应生成MgF2，导致MgF2膜层卷入镁合金铸件中，此外还会造成全氟液体浪费，提高铸造成本和铸造过程中温室气体排放。
优选地，所述全氟气体含量选用与镁合金和铸造工艺有关，一般而言，采用Mg-Al系合金低压铸造时，全氟气体含量控制在0.05～0.5％；采用Mg-RE系合金低压铸造时，全氟气体含量控制在0.5～1.0％；采用镁合金压铸时，全氟气体含量控制在1.5～2.0％。
与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：
1、本发明借助全氟液体软胶囊，将全氟液体输送到模具型腔内部，巧妙的在镁合金熔体填充铸造型腔之前，在相对密闭的铸造型腔内部原位形成了以空气为载气的全氟气体镁合金熔体保护气体，该保护气体能够在铸造充型过程中，有效的保护镁合金熔体，减少镁合金熔体充型过程中的氧化，从而提高了镁合金构件的内部质量。
2、该方法简单有效，可以解决常规保护气体难以有效的进入密闭铸造型腔的难题，提高了镁合金熔体的保护效果；同时最大程度的减少了含氟物质的使用量，降低了使用成本，减少了温室气体的排放。
具体实施方式
下面结合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，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本发明的保护范围。
实施例1-2与对比例1-3中，全氟液体以全氟-2-甲基-3戊酮(全氟己酮)为例进行说明。全氟液体气化后的体积等于全氟液体质量除以气化后气体密度，如全氟己酮气化后的体积等于全氟己酮质量M(单位g)除以其气化后的气体密度0.0136(单位g/cm3)，即为73.5M cm3。
需要说明的是，本发明选择其他非实施例提供的方法将全氟液体制备成软胶囊后，都能达到相同或相似的效果。
实施例1
本实施例为全氟液体软胶囊镁合金熔体保护方法在镁合金砂型低压铸造条件下的具体应用。
1、采用常规软胶囊材质和压制法制备全氟液体软胶囊，每个软胶囊中含有1.0g全氟己酮，具体方法如下：
a)制备软胶囊胶液：按照明胶7份、甘油3份、糖醇2份、焦糖色0.1份、二氧化钛0.05份、胭脂红0.002份、纯水8份的配比称取各组分，放入化胶罐中，加热搅拌至完全溶解，抽真空至胶液无气泡，调整胶液浓度值1.3万mPa.s，然后再用100目滤布过滤，得到胶液，胶液放入储胶桶55℃保温备用。
b)压丸、定型、干燥：将全氟己酮放入软胶囊压丸机储料桶中，将步骤1制备好的胶液放入压丸机储胶桶中，开动压丸机将全氟己酮按照1.0g定量压制成软胶囊：压丸时控制压丸机温度为30℃、喷体温度20℃，压制是的转速为1.5转/分钟；成型后先将软胶囊进行定型，再干燥至胶皮水分至7％即可，定型时的温度为20℃，相对湿度为30％，定型时间为1.5小时；干燥时温度为15℃，相对湿度为20％。
2、按照常规方法进行VW103K镁稀土合金熔炼与熔体处理，按照常规方法制备砂型模具、粉刷涂料、烘烤模具、合模，将低压铸造工作台面置于镁合金熔体上方并完成低压铸造前的相关准备工作，然后将合模后的砂型模具从上方放到低压铸造平台，在砂型模具下表面距离低压铸造平台上表面10～15cm时，将适量的全氟液体软胶囊放入升液管内，全氟液体软胶囊数量可以根据V·P/73.5进行计算，其中V为模具闭合后型腔的体积，单位cm3，P为全氟液体在保护气体中的含量，取1.0％；加入全氟液体软胶囊后3～5秒内将整个砂型模具放到低压铸造平台上，此时，升液管、铸造型腔联通，形成一个相对密闭的空间；全氟液体软胶囊落入升液管内部与镁合金熔体表面接触时，软胶囊破裂，全氟己酮迅速气化，与升液管和铸造型腔内的空气原位混合形成含全氟己酮气体的镁合金熔体保护气体。
3、VW103K镁稀土合金熔体在保护气体的保护下和低压压力下完成充型、凝固，获得镁合金铸件。该方法能够有效的减少合金中的氧化皮含量，特别是减少两股液流交汇时卷入的氧化皮含量，从而有效的改善铸件内部质量。
实施例2
本实施例为全氟液体软胶囊镁合金熔体保护方法在镁合金高压铸造(压铸)条件下的具体应用。
1、采用实施例1的方法制备全氟液体软胶囊，每个软胶囊中含有1.0g全氟己酮。
2、按照常规方法进行AE44镁合金的熔化，采用定量泵将AE44镁合金熔体从熔化炉浇注到压铸机压室内，然后进行高压压铸。在压铸模合模之后、镁合金熔体浇注之前，将适量全氟液体软胶囊放入压室深处、靠近压铸模内浇口的位置，全氟液体软胶囊表皮在压室高温作用下破裂，全氟液体溢出气化，气化后全氟己酮体积膨胀，与压室内的空气原位混合形成全氟己酮镁合金熔体保护气体。全氟液体软胶囊数量可以根据V·P/73.5进行计算，其中V为模具闭合后型腔体积与压室体积之和，单位cm3，P为全氟液体在保护气体中的含量，取2.0％。
3、待软胶囊投放3～5秒之后，压室内即形成全氟己酮保护气体，然后将AE44镁合金熔体通过定量泵浇注到压室中，镁合金熔体在全氟己酮保护气体覆盖下在压室内铺开，该过程与没有保护气体时相比，镁合金熔体的氧化倾向显著降低。此外，在后续压铸充型过程中，镁合金熔体在保护气体的保护下充型，铸件内部的氧化皮含量也会显著降低。因此，采用全氟液体软胶囊镁合金熔体保护方法可以有效的降低镁合金压铸件内部的氧化皮含量，提高铸件内部品质。
实施例3
本实施例为全氟液体软胶囊镁合金熔体保护方法在镁合金砂型低压铸造条件下的具体应用。
1、采用实施例1的方法制备全氟液体软胶囊，每个软胶囊中含有1.0g全氟己酮。
2、按照常规方法进行AZ91D镁合金熔炼与熔体处理，按照常规方法制备砂型模具、粉刷涂料、烘烤模具、合模，将低压铸造工作台面置于镁合金熔体上方并完成低压铸造前的相关准备工作，然后将合模后的砂型模具从上方放到低压铸造平台，在砂型模具下表面距离低压铸造平台上表面10～15cm时，将适量的全氟液体软胶囊放入升液管内，全氟液体软胶囊数量可以根据V·P/73.5进行计算，其中V为模具闭合后型腔的体积，单位cm3，P为全氟液体在保护气体中的含量，取0.05％；加入全氟液体软胶囊后3～5秒内将整个砂型模具放到低压铸造平台上，此时，升液管、铸造型腔联通，形成一个相对密闭的空间；全氟液体软胶囊落入升液管内部与镁合金熔体表面接触时，软胶囊破裂，全氟己酮迅速气化，与升液管和铸造型腔内的空气原位混合形成含全氟己酮气体的镁合金熔体保护气体。
3、AZ91D镁合金熔体在保护气体保护下和低压压力下完成充型、凝固，获得镁合金铸件。该方法能够有效的减少合金中的氧化皮含量，特别是减少两股液流交汇时卷入的氧化皮含量，从而有效的改善铸件内部质量。
实施例4
本实施例与实施例1的方法基本相同，不同之处仅在于：步骤1中，采用常规软胶囊材质和压制法制备全氟液体软胶囊，每个软胶囊中含有1.0g全氟-4-甲基-2-戊烯。该方法同样能够有效的减少合金中的氧化皮含量，特别是减少两股液流交汇时卷入的氧化皮含量，从而有效的改善铸件内部质量。
实施例5
本实施例与实施例1的方法基本相同，不同之处仅在于：步骤1中，采用常规软胶囊材质和压制法制备全氟液体软胶囊，每个软胶囊中含有1.0g全氟双异丙基酮。该方法同样能够有效的减少合金中的氧化皮含量，特别是减少两股液流交汇时卷入的氧化皮含量，从而有效的改善铸件内部质量。
对比例1
本对比例为直接采用全氟液体液滴在砂型低压铸造条件下保护镁合金熔体的具体应用，旨在说明软胶囊具有延缓全氟液体气化的作用。
1、按照常规方法进行VW103K镁稀土合金熔炼与熔体处理，按照常规方法制备砂型模具、粉刷涂料、烘烤模具、合模，将低压铸造工作台面置于镁合金熔体上方并完成低压铸造前的相关准备工作，然后将合模后的砂型模具从上方放到低压铸造平台，在砂型模具下表面距离低压铸造平台上表面10～15cm时，将适量全氟己酮液滴滴入升液管内，全氟己酮液体质量可以根据V·P/73.5进行计算，其中V为模具闭合后型腔的体积，单位cm3，P为全氟液体在保护气体中的含量，取2.0％；加入全氟己酮液滴3～5秒内将整个砂型模具放到低压铸造平台上，此时，升液管、铸造型腔联通，形成一个相对密闭的空间。
2、VW103K镁稀土合金熔体在低压压力下完成充型、凝固，获得镁合金铸件。与不添加气体保护措施类似，VW103K铸件内部氧化皮含量较多，特别是在两股液流交汇处极易卷入氧化皮。
3、直接采用全氟己酮液滴保护镁合金熔体效果差的原因分析：全氟己酮液滴在滴入升液管以及液滴在升液管内部下落过程中，受到热空气和熔体热辐射的加热作用，1～2秒内即完全气化，气化过程中在空气热对流和砂型模具下放到低压铸造平台过程中气流的冲击作用下，全氟己酮气体全部或者大部分溢出到模具密闭空间以外，无法在密闭空间原位形成有效的含全氟己酮气体的镁合金熔体保护气体，进而无法在镁合金熔体低压充型过程中对其进行有效保护。本对比例很好说明了软胶囊的第二个作用：软胶囊能够便于全氟液体液滴穿过炙热空气而不立即发生气化，有效延缓了全氟液体气化过程，待软胶囊接触到高温模具或熔体发生破裂时，全氟液体液滴才开始气化，便于全氟气体在密闭空间原位形成全氟气体镁合金熔体保护气体。
对比例2
本实施例为全氟液体软胶囊镁合金熔体保护方法在镁合金砂型低压铸造条件下的具体应用，旨在说明全氟气体含量的影响。
1、采用实施例1的方法制备全氟液体软胶囊，每个软胶囊中含有1.0g全氟己酮。
2、按照常规方法进行VW103K镁稀土合金熔炼与熔体处理，按照常规方法制备砂型模具、粉刷涂料、烘烤模具、合模，将低压铸造工作台面置于镁合金熔体上方并完成低压铸造前的相关准备工作，然后将合模后的砂型模具从上方放到低压铸造平台，在砂型模具下表面距离低压铸造平台上表面10～15cm时，将适量的全氟液体软胶囊放入升液管内，全氟液体软胶囊数量可以根据V·P/73.5进行计算，其中V为模具闭合后型腔的体积，单位cm3，P为全氟液体在保护气体中的含量，取3.0％；加入全氟液体软胶囊后3～5秒内将整个砂型模具放到低压铸造平台上，此时，升液管、铸造型腔联通，形成一个相对密闭的空间；全氟液体软胶囊落入升液管内部与镁合金熔体表面接触时，软胶囊破裂，全氟己酮迅速气化，与升液管和铸造型腔内的空气原位混合形成保护气体。
3、VW103K镁稀土合金熔体在保护气体保护和低压压力下完成充型、凝固，获得镁合金铸件。与不采用全氟己酮保护工艺相比，尽管铸件内部氧化皮含量显著下降，但在两股液流交汇处仍存在清晰分界面，分界面氟含量较高，为MgF2膜层。即当使用过量全氟液体时，在镁合金熔体充型过程中，过量的全氟液体与镁合金熔体反应形成连续的MgF2保护膜层，连续的MgF2保护膜层卷入铸件内部也会显著降低铸件性能。因此，全氟液体使用不宜过量，即原位形成的镁合金熔体保护气体中全氟气体的含量不宜超过2％。
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化或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本申请的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。

Claims (7)

1.一种铸造过程中镁合金熔体的保护方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1、制备全氟液体软胶囊；
S2、在镁合金熔体浇注到铸造型腔之前，将全氟液体软胶囊放置于铸造型腔中，并快速密闭铸造型腔，所述全氟液体软胶囊在铸造模具和/或熔体的高温条件下破裂，全氟液体溢出气化后与铸造型腔中的空气原位混合形成全氟气体与空气的混合气体，即镁合金熔体保护气体；S3、镁合金熔体在保护气体的保护下完成铸造成型。
2.根据权利要求1所述的铸造过程中镁合金熔体的保护方法，其特征在于，步骤S1中，所述全氟液体软胶囊采用常规软胶囊材质和常规压制法或滴制法制备。
3.根据权利要求1或2所述的铸造过程中镁合金熔体的保护方法，其特征在于，步骤S1中，所述全氟液体软胶囊中，全氟液体种类选自全氟-2-甲基-3戊酮，全氟-4-甲基-2-戊烯，全氟-2-甲基-2-戊烯，全氟-2-甲基-2、3-环氧戊烷，全氟-2-甲基-丁酮，全氟双异丙基酮，全氟-2、4-二甲基-3-庚烯，全氟-3-异丙基-4-甲基-2-戊烯，全氟-2、4-二甲基-3-乙基-2-戊烯中一种或者多种的混合物。
4.根据权利要求1所述的铸造过程中镁合金熔体的保护方法，其特征在于，步骤S2中，当进行砂型低压铸造时，所述全氟液体软胶囊通过升液管放置于铸造型腔中。
5.根据权利要求1所述的铸造过程中镁合金熔体的保护方法，其特征在于，步骤S2中，当进行高压铸造时，所述全氟液体软胶囊直接放置在压铸料筒靠近铸造模具的一端，即铸造型腔的靠近铸造模具内浇口的位置。
6.根据权利要求1所述的铸造过程中镁合金熔体的保护方法，其特征在于，步骤S2中，所述全氟液体溢出气化后，形成的全氟气体体积为铸造型腔密闭空间的0.05％～2.00％。
7.根据权利要求6所述的铸造过程中镁合金熔体的保护方法，其特征在于，所述全氟气体体积含量与镁合金和铸造工艺有关，采用Mg-Al系合金低压铸造时，全氟气体含量控制在0.05～0.5％；采用Mg-RE系合金低压铸造时，全氟气体含量控制在0.5～1.0％，采用其他镁合金压铸时，全氟气体含量控制在1.5～2.0％。
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