CN1299858C

CN1299858C - 镁合金低压铸造方法

Info

Publication number: CN1299858C
Application number: CNB2005100460877A
Authority: CN
Inventors: 马志毅; 李立善; 申泽骥; 冯志军
Original assignee: Shenyang Research Institute of Foundry Co Ltd
Current assignee: Shenyang Research Institute of Foundry Co Ltd
Priority date: 2005-03-24
Filing date: 2005-03-24
Publication date: 2007-02-14
Anticipated expiration: 2025-03-24
Also published as: CN1663709A

Abstract

镁合金低压铸造方法，是在镁合金低压铸造过程中，在镁合金熔炼时，在低压铸造机压力罐中的坩埚盖上和坩埚内放置坩蜗内用保护剂、炉腔用保护剂和补充保护剂。坩埚内用保护剂由硫磺粉和硼酸粉配制成，或由硫磺粉、硼酸和镁砂混合配制成；炉腔用保护剂由硫磺粉或黄铁矿粉与炭粉组合构成，补充保护剂为硫磺粉或黄铁矿粉，或者是硫磺粉和黄铁矿粉与硼酸的混合物；盛装有坩埚内用保护剂的容器侧壁上有出气口，设置在坩埚内，坩埚内用保护剂和炉腔用保护剂装在敞口容器内，放置在坩埚盖上。本发明能确保镁合金低压铸造安全运行，提高镁合金铸件质量，降低生产成本，减少对环境污染。

Description

镁合金低压铸造方法

技术领域

本发明涉及一种铸造技术，特别是涉及一种镁合金低压铸造技术。

背景技术

当今世界对环保和节能的要求越来越高。镁合金作为最轻，比强度最高又容易回收的工程结构材料，近年来在汽车、电子、电工、体育、体闲用品和日用消费品等轻工产品中得到越来越广的应用。汽车自重减少10％，燃油消耗减少6-8％，减轻质量就意味着减少燃料消耗并减少排放污染物。汽车轻量化已经成为国内外汽车工业主要发展趋势。镁合金作为比强度最高的工程材料，已成为世界最令人瞩目的绿色环保工程材料。世界各大汽车公司都把用镁合金制造零件作为重要发展方向。各国的汽车厂商正极力争取采用镁合金零件的多少来作为自身车辆领先的标志。在航空、航天和军工领域镁合金也倍受关注。因为汽车每减重一磅，可节省3美元。而民用飞机、战斗机和航天器每减重一磅，节省的费用分别是300，3000和30000美元。飞行器采用镁合金获得的经济效益是汽车的几个数量级。上世纪中期，因腐蚀问题，镁合金在航空工业中的应用曾一度有所减少，后来由于镁合金工艺技术的发展，高纯镁合金的出现，以及镁合金表面处理技术的进步，镁合金在航空、航天和军工中的应用又开始增加。美国等军事大国投入大量的人力、物力，开发军用镁合金新材料、新技术，以满足飞行器用镁合金构件的要求。例如WE43和WE54两个牌号镁合金，不但具有良好的高温性能，且耐蚀性优异，主要用于军事工业和航空业。镁合金技术进步促进了应用的发展。例如FalconGAR-1空对空导弹使用镁合金构件量达到90％以上，Bael46型飞机采用的镁合金件数量超过200件。镁合金铸造业已成为世界制造业中发展最快的新兴产业。

镁合金铸件的生产以低压铸造方法为优选方法。由于低压铸造充型过程是自下而上进行的，液面上升平稳，可以有效减少镁的氧化，气体含量大大减少，铸件的氧化夹杂和气孔率非常的低。对于形状复杂的耐压铸件一般采用低压铸造工艺。德国开发的金属型低压铸造技术生产的镁合金轮毂已大批投放市场。同重力铸造铸件比，低压铸造镁合金件不但尺寸精度高，所需要的后续加工少，能铸更薄，更复杂的件，而且铸件力学性能，特别是抗疲劳性能，显著优于重力铸造铸件。

镁合金低压铸造工艺设备的开发是在铝合金低压铸造工艺设备的基础上进行的。镁合金与铝合金铸造工艺的最大不同是镁液极易氧化、燃烧，其低压铸造设备的设计必须考虑防燃保护问题。

目前已采用的镁合金低压铸造方法主要有：

SF6混合气体气压充型，坩埚加压法。(U.S.Patent Feb.23，1988 Sheet 2 of 44,726,414)

该方法采用SF₆混合气体代替压缩空气，给坩埚内金属液施加压力，充添铸型，坩埚要加密封盖。在常规的气压充型铝合金低压铸造中，压缩空气的压力施加于炉膛内，坩埚内外承受同样压力。由于SF6气体对电阻炉炉膛内的镍铬耐热合金炉丝有较强的腐蚀作用，并且与炉膛中的硅系耐火材料发生反应，SF6混合气体不能直接加到炉膛中。此方法设备结构比较简单，控制系统和操作方式与铝合金低压铸造基本相同。缺点使坩埚在高温下承压，需要加厚，使用寿命低(见图1)。

SF₆混合气体气压充型，坩埚与炉膛间加隔离(U.S.Patent Feb.23，1988 Sheet2 of 44,726,414)

该方法是在坩埚与炉膛间加钢制隔离层，在隔离层内外同时加压，内侧加SF6混合气体，外侧加压缩空气。这样可避免镁液坩埚内外产生压差。此法在加压到卸压过程中要控制SF6混合气体和压缩空气同步和等压，控制系统复杂(见图2)。

SF₆混合气体气压充型，炉膛加压，加热元件装保护管

此法可避免镁液坩埚内外产生压差，同时炉膛中要避免使用硅系耐火材料。

惰性气体气压泵充型

用气压泵充型可避免镁液坩埚承压，但坩埚内镁合金液面的防燃保护问题要有适当解决方案。如用SF6混合气体保护，要解决SF6气体对电阻炉炉膛内的镍铬耐热合金炉丝有较强的腐蚀作用，并且与炉膛中的硅系耐火材料发生反应的问题；用氮气或氩气保护效果不好。气压泵充型的每次充型的镁液量受气压泵容量限制，只适用于小件。

电磁泵充型

电磁泵充型是镁合金低压铸工艺的最新发展动向。根据铝合金电磁泵充型经验，充型比气压充型更平稳，更有利于减少氧化夹杂。美国的电磁泵制造商CMI Novacast有限公司正在进行镁合金低压铸造用电磁泵开发，用于实际生产尚待时日。我国开发的电磁泵充型镁合金低压铸造技术正在试验之中。电磁泵充型要求供应镁液的保温炉内镁液面保持一定液位高度，因而只适用于小件。

发明内容

本发明的目的，是为每炉浇注一件的大型镁合金铸件低压铸造提供一种防燃保护效果好，可提高镁合金铸造质量，减少对环境污染，且生产成本低的镁合金低压铸造方法。

采用的技术方案是：

镁合金低压铸造方法，是在镁合金低压铸造过程中，在镁合金熔炼时，在低压铸造机压力罐中的坩埚盖上放置保护气体产生物质。保护气体生成物包括：坩埚内用保护剂、炉腔用保护剂和补充保护剂。坩埚内用保护剂由硫磺粉和硼酸粉或硫磺粉、硼酸和镁砂混合配制成。炉腔用保护剂由硫磺粉或黄铁矿粉与炭粉组合构成，也可以是硫磺粉、黄铁矿粉、碳粉三者的组合物，炭粉为木炭粉或焦炭粉。补充保护剂为硫磺粉或黄铁矿粉，或者是硫磺粉和黄铁矿粉与硼酸的混合物。

保护气体生成物质的放置方法是：

A、坩埚内用保护剂放置在侧开口桶形容器内，侧开口桶形容器设置在坩埚内，其上端与坩埚盖固定连接，其下端位于镁合金液面上方。侧开口桶形容器的侧壁上设有开口，以便与镁合金液面上方气氛相通。侧开口桶形容器的壁具有良好的隔热作用，容器内盛装的坩埚内用保护剂的温度在盖上并锁紧低压铸造机的密封盖之前低于硫磺的沸腾温度。

B、炉腔用保护剂装在敞口的浅盘内，使炉腔用保护剂与炉内气氛充分接触，盛装有炉腔用保护剂的敞口浅盘可设置在坩埚盖上任意可放位置。

C、补充保护剂装在上开口桶形容器内，该上开口桶形容器壁具有隔热作用。盛装有补充保护剂的上开口桶形容器设置在坩埚盖上，在低压铸造加压充型开始之前，该上开口桶形容器内盛装的补充保护剂的温度低于400-450℃，在低压铸造加压充型开始时，该上开口桶形容器内的补充保护剂温度达到或超过400-450℃。

本发明方法的原理是使保护剂中的活性成分与炉气中的氧发生反应，使炉气呈非氧化性；并且使炉气中含量体积分数不少于1％的二氧化硫。二氧化硫会与镁熔体发生下列反应：

反应结果在镁合金液表面生成很薄而且比较致密的带有金属色泽的MgS·MgO复合表面膜，可以抑制镁液的进一步氧化。

保护气体生成物质的用量：

坩埚内用保护剂中的硼酸的作用是降低硫磺粉氧化反应的激烈程度，同时能维持在盖上低压铸造机密封盖之前能不断氧化燃烧。硫磺粉的用量应当使其在盖上低压铸造机的密封盖之前不会燃烧耗尽。硼酸粉的混入量在满足上述氧化速度要求的条件下任意的，通常采用硫磺比硼酸1∶0.28-4。当采用硫磺粉、硼酸和镁砂三者混合时，镁砂的作用是隔热和吸热，减缓硫磺的燃烧速度，镁砂的加入量按堆积体积计算，是硫磺和硼酸混合物体积的0.5-2倍。坩埚内用保护剂的用量主要掌握其中硫磺的用量。硫磺的用量与镁坩埚容量，镁液面到坩埚盖之间的空间大小，该空间的敞开程度，从坩埚内用保护剂放置到盖上低压铸造机的密封盖10所需时间有关；镁坩埚容量越大，镁液面到坩埚盖之间的空间大小越大，该空间的敞开程度越大，从坩埚内用保护剂放置到盖上低压铸造机的密封盖10所需时间越长，硫磺的用量越多。对于盛满的300公斤容量的镁坩埚，从坩埚内用保护剂放置到盖上低压铸造机的密封盖10所需时间为2-5分钟的情况下，硫磺的适合用量为70g-120g。

炉腔用保护剂的作用是使盖上并锁紧低压铸造机的密封盖后的熔炉上方炉气为非氧化性气氛，同时炉气中的SO₂含量体积分数不少于1％。炉腔用保护剂各组分的用量与被低压铸造机的密封盖10封闭在低压铸造机熔炉密封腔中的空气质量有关，每1000g空气应用的炉腔用保护剂中的硫不少于40g，碳不少于50g。炉腔用保护剂的用量还与安置并卡紧铸型19操作速度有关，从盖上密封盖10到开始低压充型的时间长，炉腔用保护剂的用量要多些。对于炉容量为300公斤的镁合金低压铸造机，通常炉腔用保护剂的用量为：其中碳含量80g-100g，硫含量50g-130g。

补充保护剂的作用是在低压铸造充型过程中确保新充入的压缩空气中的氧被硫化合，使炉气保持非氧化性。补充保护剂的用量与铸造铸件时的总浇注质量及浇注充型和保压时间有关；总浇注质量越大，充型和保压时间越长，补充保护剂的用量越多；对于炉容量为300公斤的镁合金低压铸造机，补充保护剂中的硫含量是70g-140g，补充保护剂中的硼酸用量没有限制，可以不加，也可以按硫磺加入量的1-3倍加入。

镁合金低压铸造方法，包括下述工艺步骤：

1、当低压铸造机主机的坩埚中的镁合金液精炼好，在SF₆混合气体气保护条件下，把温度调节到浇注温度时，把称量好的坩埚内用保护剂装在侧开口桶形容器内，该容器的侧壁上有开口，容器的上端固定在坩埚盖上，其下端位于坩埚内，并在镁合金液面的上方。然后盖上容器盖。图3中18为进气管，20为排气管。

2、把称量好的炉腔用保护剂和补充保护剂分别装在敞口的浅盘内和上开口桶形容器内，放在坩埚盖上适当位置。

3、停止六氟化硫混合保护气体供应，断开保护气体连接管。

4、放置低压铸造机的密封圈8。

5、打开升液管孔6的盖和观察、清渣孔盖4。

6、盖上并锁紧低压铸造机的密封盖10。

7、安放准备好的升液管9。

8、安置并卡紧铸型19。

9、开始常规的低压铸造充型操作。

10、卸压时，废气经卸压管排入常规的含硫废气净化装置。

本发明能确保镁合金低压铸造安全运行，提高镁合金铸件质量，降低生产成本，减少对环境污染。

附图说明

图1、图2是已知两种镁合金低压铸造示意图。

图3是本发明的镁合金低压铸造一种实施例示意图。

具体实施方式

实施例一

镁合金低压铸造机的主机包括保温炉11、坩埚12、密封盖10、压力罐13、升液管9和铸型19。保温炉11装设在压力罐13内，并由工字型支架予以支撑。保温炉11一侧壁上有通气口14。坩埚12装设在保温炉11内，坩埚12的上端凸沿15与保温炉11的上端口搭接。

当坩埚中的镁合金液精炼好，温度调到浇铸温度时，开始放置保护气体生成物质，即坩埚内用保护剂1、炉腔用保护剂2和补充保护剂3。坩埚内用保护剂1由100g硫磺粉和200g硼酸均匀混合构成。坩埚内用保护剂1装入内腔高径比为2的侧开口桶形容器5内。侧开口桶形容器5为不锈钢制双层筒，夹层中充填隔热材料珍珠岩粉，侧开口桶形容器5的侧壁上有开口。侧开口桶形容器5从坩埚盖16上的侧开口桶形容器5通孔插入坩埚12内，侧开口桶形容器5下端位于镁合金液面上方。盖上侧开口桶形容器5的上盖。

炉腔用保护剂2由80g硫磺粉和80g干燥的木炭粉组成，放入200×100mm的浅盘容器17中，具体是先把80g硫磺粉均匀撒于浅盘中，再把80g干燥木炭粉均匀撒于硫磺粉上。装有炉腔用保护剂2的浅盘容器17放置在坩埚盖16上。

补充保护剂3由40g硫磺粉、60g硼酸、100g黄铁矿粉组成。补充保护剂分装于两个上开口桶形容器内。上开口桶形容器为内腔高径比为1。该容器由4mm厚不锈制成，侧壁喷涂有色合金生产用常规T-3涂料。具体是先把40g硫磺粉、60g硼酸混合均匀，分放于两个桶底，再把100g黄铁矿粉分成2份，均匀覆盖于两个上开口桶形容器内的硫磺粉和硼酸的混合物上，然后再在两个上开口桶形容器内覆盖5mm厚的50-70目石英砂，两个盛补充保护剂3的上开口桶形容器分别放在坩埚盖16上位于升液管孔6两侧180mm处。

然后停止六氟化硫混合保护气体的供应，断开保护气体连接管7。放置低压铸造机压力罐13的密封圈8。打开升液管孔6的盖和观察、清渣孔盖4。盖上并锁紧低压铸造机的密封盖10。安放好升液管9，安装并卡紧铸型19。然后开始常规的低压铸造充型操作。

实施例二

实施例二与实施例一基本相同，其不同之处在于：坩埚内用保护剂1由70g硫磺粉与250g硼酸混合制成；炉腔用保护剂2由100g黄铁矿粉和100g干燥的木炭粉组成；补充保护剂3是由100g硫磺粉和300g硼酸组成，在盛补充保护剂3的容器内覆盖20mm厚的100-200目的石英砂，两个盛装补充保护剂3的上开口桶形容器设置在坩埚盖上升液管孔6两侧，距升液管孔230mm处。

实施例三

实施例三与实施例一基本相同，不同之处在于：坩埚内用保护剂1由120g硫磺粉、100g硼酸和200g 70-140目的镁砂混合制成；炉腔用保护剂2由50g硫磺粉、100焦炭粉和150g黄铁矿粉组成，先把100g焦炭粉均匀撒于浅盘中的硫磺粉上，然后把150g黄铁矿粉均匀撒在最上面；补充保护剂3由160g黄铁矿粉组成，外加80g，70-140目石英砂，置于黄铁矿粉上，两个盛装补充保护剂3的上开口桶形容器分别放在坩埚盖16上观察孔和升液管孔6中心连线的两侧，距升液管孔200mm处。

Claims

1、镁合金低压铸造方法，是在镁合金低压铸造过程中，在镁合金熔炼时，在低压铸造机压力罐中的坩埚盖上放置保护性气体生成物质，其特征在于所述的保护气体生成物质，包括坩埚内用保护剂(1)、炉腔用保护剂(2)和补充保护剂(3)；坩埚内用保护剂(1)由硫磺粉和硼酸粉或硫磺粉、硼酸和镁砂混合配制成；炉腔用保护剂(2)由硫磺粉或黄铁矿粉与炭粉组合构成，也可以是硫磺粉、黄铁矿粉、碳粉三者的组合物，炭粉为木炭粉或焦炭粉；补充保护剂(3)为硫磺粉或黄铁矿粉，或者是硫磺粉和黄铁矿粉与硼酸的混合物；盛装有坩埚内用保护剂(1)的侧开口桶形容器(5)上设有上盖，且侧壁上有开口，侧开口桶形容器(5)设置在坩埚(12)内，其上端与坩埚盖(16)固定连接，其下端位于镁合金液面上方；炉腔用保护剂(2)装在敞口的浅盘容器(17)内，浅盘容器(17)放置在坩埚盖(16)上；补充保护剂(3)装在上开口桶形容器内，且放置在坩埚盖(15)上。

2、根据权利要求1所述的镁合金低压铸造方法，其特征在于所述的硫磺与硼酸的重量比为1∶0.28-4。

3、根据权利要求1所述的镁合金低压铸造方法，其特征在于：对于盛满300kg容量的镁坩埚，从坩埚内用保护剂(1)放置到盖上低压铸造机的密封盖(10)所需时间为2-5分钟的情况下，坩埚内用保护剂(1)的硫的含量为70-120g；炉腔用保护剂(2)的碳含量为80-100g、硫含量为50-130g；补充保护剂(3)的硫含量为70g-140g。

4、根据权利要求1所述的镁合金低压铸造方法，其特征在于：坩埚内用保护剂(1)由100g硫磺粉和200g硼酸均匀混合构成；坩埚内用保护剂装入内腔高径比为2的侧开口桶形容器(5)内，侧开口桶形容器(5)为不锈钢制双层筒，夹层中充填隔热材料，侧开口桶形容器(5)的侧壁上有开口；炉腔用保护剂(2)由80g硫磺粉和80g干燥的木炭粉组成，放入200×100mm的浅盘容器(17)中，具体是先把80g硫磺粉均匀辅于浅盘容器(17)中，再把80g干燥木炭粉均匀撒于硫磺粉上；补充保护剂(3)由40g硫磺粉和100g黄铁矿粉组成，外加60g硼酸，补充保护剂(3)分装于两个上开口桶形容器内，上开口桶形容器的内腔高径比为1，该容器由4mm厚不锈制成，侧壁喷涂有色合金生产用常规T-3涂料，具体是先把40g硫磺粉、60g硼酸混合均匀，分放于两个上开口桶形容器底，再把100g黄铁矿粉分成两份，均匀覆盖于两个上开口桶形容器内的硫磺粉和硼酸的混合物上，然后再在两个上开口桶形容器内覆盖5mm厚的50-70目石英砂，两个盛补充保护剂(3)的上开口桶形容器分别放在坩埚盖(16)上，位于升液管孔(6)两侧180mm处。

5、根据权利要求1所述的镁合金低压铸造方法，其特征在于：坩埚内用保护剂(1)由70g硫磺粉与250g硼酸混合制成；炉腔用保护剂(2)由100g黄铁矿粉和100g干燥的木炭粉组成；补充保护剂(3)是由100g硫磺粉组成，外加300g硼酸，分装在两个上开口桶形容器内，在盛补充保护剂(3)的上开口桶形容器内覆盖20mm厚的100200目的石英砂；两个盛装补充保护剂(3)的上开口桶形容器设置在坩埚盖上升液管孔6两侧，距升液管孔230mm处。

6、根据权利要求1所述的镁合金低压铸造方法，其特征在于：坩埚内用保护剂(1)由120g硫磺粉、100g硼酸和200g 70-140目的镁砂混合制成；炉腔用保护剂(2)由50g硫磺粉、100焦炭粉和150g黄铁矿粉组成，先把100g焦炭粉均匀撒于浅盘中的硫磺粉上，然后把150g黄铁矿粉均匀撒在最上面；补充保护剂(3)由160g黄铁矿粉组成，外加80g，70-140目石英砂，置于黄铁矿粉上，两个盛装补充保护剂的桶形容器分别放在坩埚盖(16)上观察孔和升液管孔中心连线的两侧，距升液管孔200mm处。