萬(wàn)元元，樊富友，陳明，程遠(yuǎn)勝

(1.中國(guó)兵器工業(yè)第五九研究所，重慶 400039;2.長(zhǎng)沙機(jī)電產(chǎn)品研究開(kāi)發(fā)中心，長(zhǎng)沙 410100;3.哈爾濱工業(yè)大學(xué)，哈爾濱 150001)

鎂合金作為一種新型的工程材料，以其密度低，比強(qiáng)度高，減振和抗沖擊性好，易切削加工，電磁屏蔽能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，廣泛用于汽車、通信、國(guó)防和航空航天行業(yè)，被譽(yù)為“21世紀(jì)的綠色工程材料”[1－2]。隨著工業(yè)技術(shù)的發(fā)展，鎂合金工程應(yīng)用日益增多，隨著國(guó)內(nèi)外武器裝備輕量化要求的提高，鎂合金在武器裝備上的應(yīng)用需求十分迫切[3－4]。在AZ91D鎂合金/鋼雙金屬仿生鑲嵌鑄造工藝中，通過(guò)模擬模仿植物葉片、蜻蜓翅膀等天然生物體的形態(tài)與結(jié)構(gòu)，采用Q235A鋼制備仿生鑄造增強(qiáng)單元體，來(lái)增加鎂合金構(gòu)件的強(qiáng)度和使用性能，達(dá)到大幅度減重的目的[5－6]。

鎂合金在熔煉過(guò)程中很容易氧化燃燒，生成大量的氧化物雜質(zhì)，降低鎂合金熔體的純凈度，使得鎂合金構(gòu)件的性能嚴(yán)重降低。文中的鎂合金構(gòu)件生產(chǎn)工序復(fù)雜，生產(chǎn)周期長(zhǎng)，需要740℃的鎂合金熔體在開(kāi)放坩堝中放置4～6 h，而且構(gòu)件充型性有限。由此，在長(zhǎng)時(shí)間的鑄造過(guò)程中，必須保持鎂合金熔體純凈度和熔體品質(zhì)的爐前精確檢測(cè)，保證其力學(xué)性能穩(wěn)定，充型順暢完整。

文中針對(duì)鎂合金/鋼仿生鑲嵌鑄造構(gòu)件的生產(chǎn)過(guò)程，研制了一套鎂合金/鋼仿生鑲嵌鑄造件用AZ91D鎂合金的品質(zhì)控制系統(tǒng)方法。該方法通過(guò)控制原料及輔助材料的品質(zhì)、熔體潔凈度、熔煉鑄造保護(hù)等方法，得到了高純凈度的AZ91D鎂合金。

1 實(shí)驗(yàn)方法

采用80 kW的200 kg電阻爐熔煉AZ91D鎂合金，使用自制精煉劑對(duì)合金熔體進(jìn)行精煉，并用手提式澆包進(jìn)行澆注。在整個(gè)生產(chǎn)過(guò)程中，通過(guò)檢測(cè)原料純鎂錠的純凈度，在熔煉過(guò)程中采用SF6，CO2混合氣體進(jìn)行防護(hù)，用斷口法爐前控制熔體純凈度，改進(jìn)熔鑄過(guò)程等手段優(yōu)化了鎂合金/鋼仿生鑲嵌鑄造件用AZ91D鎂合金的生產(chǎn)過(guò)程。

2 結(jié)果及分析

2.1 原材料品質(zhì)控制

目前我國(guó)GB/T 3499—2003《原生鎂錠》中，僅對(duì)原生鎂錠的化學(xué)成分、表面品質(zhì)和規(guī)格制定了標(biāo)準(zhǔn)，但是沒(méi)有對(duì)鎂錠的夾雜物含量做出相關(guān)規(guī)定，這導(dǎo)致原生鎂錠中的熔劑夾雜參差不齊，增加了鎂合金錠生產(chǎn)過(guò)程中的品質(zhì)控制難度。由此，文中的控制方法采用GB/T 26284—2010《變形鎂合金熔劑、氧化夾雜試驗(yàn)方法》中的檢測(cè)方法和A級(jí)產(chǎn)品的標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)原料鎂錠進(jìn)行檢測(cè)和篩選。

在熔劑的選擇方面，目前國(guó)內(nèi)市場(chǎng)上生產(chǎn)的鎂合金覆蓋劑和精煉劑主要為RJ系列熔劑，而RJ系列熔劑的生產(chǎn)方法主要分為以下2種。

1)將熔劑的各成分鹽類化合物按比例混料和磨料后就進(jìn)行分裝銷售。此種熔劑價(jià)格低廉，熔劑密度變化大，在熔煉過(guò)程中分層嚴(yán)重，使其保護(hù)性和精煉效果很差，間接地增加了合金熔體中的熔體加入量，降低了合金品質(zhì)。

2)將熔劑各成分配比完成，再進(jìn)行一次重熔和研磨，然后才分裝銷售。此種熔體價(jià)格稍貴，但是由于其相比前者增加了重熔過(guò)程，使得其成分更均勻，熔點(diǎn)降低，能更好地與MgO夾雜物進(jìn)行裹覆而除渣，不額外增加熔體中熔劑的用量，間接地提高了合金品質(zhì)。

在熔劑的預(yù)處理方面，由于RJ系列熔劑的主要作用成分為無(wú)水MgCl2，但是其在空氣中極易吸水生成MgCl2·6H2O，發(fā)生潮解失效并增重，所以對(duì)儲(chǔ)存周期較長(zhǎng)的庫(kù)存熔劑，在使用前都需要進(jìn)行烘干處理。由于熔劑烘干過(guò)程參數(shù)涉及到生產(chǎn)成本增加等問(wèn)題，因此文中對(duì)熔劑烘干過(guò)程參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化，將RJ-2熔劑在室溫放置12 h后，在不同烘干溫度和時(shí)間配合下的熔劑減重結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 RJ-2熔劑烘干實(shí)驗(yàn)結(jié)果Table1 Drying experiment results of RJ-2 flux

由表1的結(jié)果可以看出，熔劑在生產(chǎn)車間中室溫放置12 h后，熔劑的吸潮增重達(dá)到6%以上，如果熔劑不經(jīng)烘干就投入使用，不僅會(huì)間接增加熔劑使用量，而且還可能發(fā)生安全事故。隨著烘烤溫度的增加，熔劑的減重比增加明顯。在400℃ ×3 h條件下，能獲得最大的減重，但減重比的增加量已變得較低，僅為0.05%，所以綜合考慮生產(chǎn)成本和使用性能等因素，RJ-2熔劑較好的烘干過(guò)程參數(shù)為300℃×3 h。

2.2 熔煉保護(hù)及精煉過(guò)程改進(jìn)

文中采用了SF6，CO2混合氣體進(jìn)行防護(hù)，使用RJ-2熔劑加氟鹽作為精煉熔劑。由于AZ91D鎂合金的熔煉溫度一般低于760℃，而SF6在此溫度下有較好的保護(hù)效果，其原理是SF6氣體會(huì)在鎂熔體表面與鎂生成高致密度的MgF2氧化膜，起到隔絕熔體和空氣的作用。針對(duì)此現(xiàn)狀，設(shè)計(jì)了如圖1所示的坩堝內(nèi)部保護(hù)氣體釋放裝置。

圖1 保護(hù)氣體釋放裝置Fig.1 Release device of protective gas

如圖1所示，保護(hù)氣體釋放裝置一共包含4個(gè)部分:導(dǎo)管、分流管、氣圈和支架。其中導(dǎo)管連接外部氣源和保護(hù)氣體釋放裝置;分流管將導(dǎo)管中的氣體平均分為4股支流;支架是為了固定氣圈在坩堝中的位置;氣圈是混合氣體釋放和臨時(shí)儲(chǔ)存的地方，其中分布了8個(gè)對(duì)稱吹氣孔，以使氣體與熔體液面呈45°角接觸，保證混合保護(hù)氣體的均勻性和連續(xù)性。另外，由于該生產(chǎn)流程較長(zhǎng)，隨著澆注的進(jìn)行，鎂合金熔體液面逐漸降低，所以筆者通過(guò)更換保護(hù)氣體釋放裝置中的導(dǎo)管，并在坩堝上沿加裝鎖管螺栓，如圖2所示，使得此裝置能夠隨著熔體液面的降低而調(diào)整位置，達(dá)到最佳的熔體保護(hù)效果。

圖2 改進(jìn)后的保護(hù)氣體釋放裝置Fig.2 Improved release device of protective gas

為了配合保護(hù)氣體釋放裝置，得到高純度AZ91D鎂合金，筆者結(jié)合鎂合金鑄造的工藝特點(diǎn)進(jìn)行了一系列熔鑄工藝試驗(yàn)，試驗(yàn)工藝參數(shù)見(jiàn)表2。不同試驗(yàn)工藝所得鎂合金產(chǎn)品的恒溫恒濕檢測(cè)結(jié)果見(jiàn)表3。

表2 熔鑄試驗(yàn)工藝參數(shù)比較Table2 Comparison of technology parameters of melting experiments

表3 恒溫恒濕檢測(cè)結(jié)果Table3 Results of constant temperature and humidity tests

熔鑄試驗(yàn)3號(hào)所得AZ91D合金的恒溫恒濕檢測(cè)結(jié)果如圖3所示。由表2、表3和圖3可知，用SF6+CO2混合氣體保護(hù)熔體，RJ-2熔劑+氟化鈣(質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%)進(jìn)行精煉的合金純凈度要好于單純的RJ-2熔劑保護(hù)和精煉，產(chǎn)品沒(méi)有出現(xiàn)大直徑的熔劑夾雜及小熔劑點(diǎn)帶狀分布。混合氣體保護(hù)加熔劑精煉過(guò)程主要優(yōu)點(diǎn)在于:一方面通過(guò)引入保護(hù)氣體降低了保護(hù)熔劑的使用量;另一方面在精煉劑中添加了比重較大的氟化鈣，增加了熔劑造渣后的密度，使渣液分離速度加快，得到了較好的精煉效果。

圖3 熔鑄試驗(yàn)3號(hào)恒溫恒濕檢測(cè)Fig.3 Constant temperature and humidity tests results of the No.3 sample

2.3 爐前熔體純凈度檢測(cè)

目前在文獻(xiàn)報(bào)道中提及的鎂合金熔體夾雜物爐前檢測(cè)方法主要有:超聲波法、電感區(qū)域法、真空過(guò)濾取樣法、光亮度法和斷口法。前3種檢測(cè)方法需要專門設(shè)備和豐富的現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)經(jīng)驗(yàn)才能實(shí)現(xiàn)，實(shí)施難度較大。斷口檢測(cè)法是一種對(duì)事件的統(tǒng)計(jì)方法，通過(guò)測(cè)定夾雜出現(xiàn)的頻率來(lái)評(píng)價(jià)合金的潔凈度狀況，此方法設(shè)備簡(jiǎn)單，對(duì)于測(cè)試經(jīng)驗(yàn)要求低[7－11]。文中結(jié)合文獻(xiàn)中介紹的斷口檢測(cè)法，再根據(jù)爐前斷口檢測(cè)數(shù)據(jù)與合金恒溫恒濕檢測(cè)結(jié)果，設(shè)計(jì)出的斷口模具如圖4所示，并進(jìn)行生產(chǎn)試驗(yàn)，得到了爐前熔體純凈度檢測(cè)相關(guān)數(shù)據(jù)。

圖4 爐前斷口模具Fig.4 Fracture sample mold

爐前斷口試樣制備在精煉完成后30 min內(nèi)進(jìn)行，主要考察斷口試樣檢測(cè)面上的熔劑點(diǎn)數(shù)量和大小。熔劑點(diǎn)的檢出方法為:將斷口試樣在干凈的壓鎂機(jī)上制作出斷口試樣，然后迅速在斷口處噴涂濃度為250 g/L的鉻酸，鉻酸將迅速與腐蝕產(chǎn)物中的氫氧化物反應(yīng)，同時(shí)產(chǎn)生大量的氫氣和黑色的鉻酸鹽，直至鉻酸消耗完全，反應(yīng)結(jié)束。在該反應(yīng)過(guò)程中，氯鹽(溶劑)的存在起到電解質(zhì)的作用，它能加速反應(yīng)進(jìn)行。由于鉻酸與鎂將產(chǎn)生鈍化現(xiàn)象而不繼續(xù)發(fā)生反應(yīng)，因此該方法對(duì)沒(méi)有溶劑夾雜處的鎂合金不會(huì)造成腐蝕。反應(yīng)完成后，觀察斷口處的黑色熔劑點(diǎn)大小及分布。3次熔鑄試驗(yàn)的爐前斷口檢測(cè)結(jié)果見(jiàn)表4。

表4 爐前斷口檢測(cè)結(jié)果Table4 Results of fracture tests

熔鑄試驗(yàn)2號(hào)、3號(hào)AZ91D鎂合金斷口對(duì)比如圖5所示。

由圖5和表4可知，使用混合氣體保護(hù)加自制熔劑精煉生產(chǎn)仿生鑲嵌鑄造用高純度AZ91D鎂合金斷口試樣不存在大直徑熔劑夾雜，小熔劑點(diǎn)分布也較少。

圖5 熔鑄試驗(yàn)2號(hào)、3號(hào)斷口對(duì)比Fig.5 Fracture morphologies of No.3 and No.2 specimen

3 結(jié)語(yǔ)

1)采用GB/T 26284—2010中的方法和A級(jí)產(chǎn)品的標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)原料鎂錠進(jìn)行檢測(cè)和篩選，能提高原料品質(zhì);對(duì)精煉熔劑進(jìn)行350℃ ×3 h的烘干，能間接降低熔劑的用量，提高鎂合金純凈度。

2)用SF6+CO2混合氣體保護(hù)熔體，RJ-2熔劑+氟化鈣(5%)作為精煉劑，精煉效果好，得到符合GB/T 26284—2010標(biāo)準(zhǔn)的A級(jí)產(chǎn)品。

3)使用新型爐前斷口判別法，能快速地檢驗(yàn)出合金熔體潔凈度狀況，借助此方法可以減少鎂合金熔體夾雜物的含量，有助于提高成品率，降低鎂合金/鋼仿生鑲嵌鑄造件生產(chǎn)成本。

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