專利名稱：鎂合金熔煉保護(hù)氣體及其保護(hù)方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種鎂合金熔煉保護(hù)氣體；本發(fā)明還涉及一種鎂合金熔煉氣體保護(hù)方 法。
背景技術(shù)：
鎂合金在熔煉過程中極易氧化燃燒，因此合金熔煉過程必須采取防氧化燃燒措 施，主要有熔劑保護(hù)法和氣體保護(hù)法。熔劑保護(hù)法成本低廉、使用方便、保護(hù)效果好，但存在產(chǎn)生大量有毒氣體，熔體耗 損大，易造成“熔劑夾渣”，鑄件質(zhì)量一般等缺點(diǎn)。氣體保護(hù)法是一種先進(jìn)的熔體保護(hù)技術(shù)，是目前生產(chǎn)高純度、高品質(zhì)鎂合金的關(guān) 鍵技術(shù)，目前被國外多數(shù)生產(chǎn)廠家使用。SF6混合氣體保護(hù)法工業(yè)應(yīng)用十分成功，但SF6的高 溫室效應(yīng)是(X)2的23900倍，并能在大氣中長(zhǎng)期存在3200年，是一種非常有害的溫室氣體， 是全球氣候變暖的重要潛在因素，已被環(huán)保部門限制使用。因此，減少SF6的消耗和散逸， 尋找SF6替代保護(hù)氣體是目前鎂工業(yè)界的一個(gè)重要研究課題。

發(fā)明內(nèi)容
針對(duì)SF6混合氣體保護(hù)法的上述不足，本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是提出一種能 有效替代SF6,同時(shí)具備良好的工藝性、環(huán)保性和經(jīng)濟(jì)性，可以滿足鎂合金熔煉工業(yè)化生產(chǎn) 需要的鎂合金熔煉保護(hù)氣體。本發(fā)明所要解決的另一技術(shù)問題是提出一種使用上述鎂合金熔煉保護(hù)氣體的鎂 合金熔煉氣體保護(hù)方法。為了解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明提供的鎂合金熔煉保護(hù)氣體，其組分及其體積百 分含量分別為CHClF2 0.2-5.0%;CO2 20-99% ；余量為壓縮空氣。各組分中，CHClF2主要起保護(hù)作用，是最重要的組份，CO2和空氣主要起稀釋作用， 用于分散保護(hù)氣體提高其均勻性，CO2兼具一定的保護(hù)作用。本發(fā)明提供的鎂合金熔煉氣體保護(hù)方法，將壓力為0. 12-0. 5MPa的上述鎂合金熔 煉保護(hù)氣體輸送到鎂合金熔液表面，形成由MgCHMgF2組成的連續(xù)、致密的混合保護(hù)膜。本發(fā)明上述鎂合金熔煉氣體保護(hù)方法中，鎂合金熔煉保護(hù)氣體總流量為鎂合金熔 液表面到爐蓋之間密閉體積的3% -20%。本發(fā)明上述鎂合金熔煉氣體保護(hù)方法中，鎂合金熔煉保護(hù)氣體中的各組分氣體經(jīng) 過減壓、流量控制、均勻混合、氣體分配等環(huán)節(jié)輸送到鎂合金熔液表面，通過形成具有保護(hù) 作用的MgCHMgF2組成的連續(xù)、致密的混合保護(hù)膜，起到防止鎂燃燒的效果。氣體保護(hù)過程是一個(gè)氧、氟原子穿過保護(hù)膜向內(nèi)擴(kuò)散，鎂原子穿過保護(hù)膜向外擴(kuò)散的動(dòng)態(tài)平衡過程。鎂的化學(xué)性質(zhì)極其活潑，電負(fù)性值為1. 31。氟、氧的氧化能力很強(qiáng)，電負(fù)性值分別 為3. 98和3. 44。液態(tài)鎂合金與氧、氟原子接觸會(huì)發(fā)生劇烈的反應(yīng)Mg+0 = MgO, Mg+2F = MgF2。MgO所占的體積比金屬本身要小，所形成的氧化膜是疏松的，其它非主要元素與氧、氟 的反應(yīng)可基本忽略。在接觸初期，熔融鎂與含氟混合氣接觸，主要生成含微量MgF2的MgO非晶層，這層 保護(hù)膜很薄，且結(jié)構(gòu)疏松，不能阻止鎂原子鉆出表面膜繼續(xù)蒸發(fā)。隨著時(shí)間的延長(zhǎng)，鉆出表 面的鎂與含氟混合氣體繼續(xù)生成MgF2和MgO，膜厚度逐漸增加；隨著膜厚度的增加，表面膜 能阻止鎂原子鉆出繼續(xù)蒸發(fā)，也能阻止氧原子鉆入與鎂繼續(xù)發(fā)生反應(yīng)，表現(xiàn)為表面膜中氧 含量不再顯著增加；而氟原子半徑很小，電負(fù)性大，能通過表面膜中的空隙穿過，并與鎂液 繼續(xù)反應(yīng)生成MgF2,逐漸形核并長(zhǎng)大，直到整個(gè)鎂合金液表面被完全覆蓋，此時(shí)表面膜能很 好地阻止鎂原子鉆出繼續(xù)蒸發(fā)。同時(shí)，非晶MgF2和MgO開始結(jié)晶，晶粒逐漸長(zhǎng)大，表面膜中 出現(xiàn)裂紋或孔洞，鎂蒸汽逸出，與保護(hù)氣氛形成片狀物。(X)2與鎂在高溫下發(fā)生如下反應(yīng) Mg+1/2C02 = Mg0+1/2C(無定型)，這種無定型碳存在于氧化膜的間隙處，提高了鎂表面膜 的致密系數(shù)，同時(shí)帶正電荷的無定型碳還能抑制鎂離子透過表面膜的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)，抑制鎂的 氧化。因此，通過混合氣體與熔融鎂發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，使疏松的MgO膜轉(zhuǎn)化為由MgCHMgF2組 成的連續(xù)、致密的混合膜，起到防止鎂燃燒的效果。使用時(shí)，坩堝內(nèi)加滿爐料后，蓋上爐蓋，并保持良好的密封性，防止混合氣體 大量外泄。待爐溫升高到400°C時(shí)，開始通入保護(hù)氣體。調(diào)整進(jìn)氣壓力一致，并保持在 0. 15MPa-0. 之間，按照所需比例調(diào)整流量計(jì)的旋鈕，通入氣體的總流量為液面到爐蓋 之間密閉空間3% -20%。若鎂合金液面時(shí)常有火苗出現(xiàn)，可以適當(dāng)增大氣體總流量。將本發(fā)明鎂合金熔煉氣體保護(hù)方法應(yīng)用到鎂合金熔煉過程，達(dá)到了很好的保護(hù)效 果，熔鑄產(chǎn)品質(zhì)量好，熔體燒損率低于10%。CHClF2氣體溫室效應(yīng)較SF6氣體降低95%以 上，減少了有害氣體排放，工作環(huán)境更加清潔環(huán)保。CHClF2氣體成本較SF6氣體降低70%以 上，具有顯著的經(jīng)濟(jì)性。


圖1是本發(fā)明氣體保護(hù)方法的原理圖。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施例，進(jìn)一步闡述本發(fā)明。這些實(shí)施例應(yīng)理解為僅用于說 明本發(fā)明而不用于限制本發(fā)明的保護(hù)范圍。在閱讀了本發(fā)明記載的內(nèi)容之后，本領(lǐng)域技術(shù) 人員可以對(duì)本發(fā)明作各種改動(dòng)或修改，這些等效變化和修飾同樣落入本發(fā)明權(quán)利要求所限 定的范圍。如圖1所示，本發(fā)明一優(yōu)選實(shí)施例提供的鎂合金熔煉氣體保護(hù)方法中，涉及供氣 系統(tǒng)、配比及流量控制系統(tǒng)、氣體混合系統(tǒng)和氣體分配系統(tǒng)，其中供氣系統(tǒng)包括3個(gè)壓縮氣源、3個(gè)減壓閥、3個(gè)進(jìn)氣壓力表。3個(gè)壓縮氣源包括保護(hù) 氣體CHClF2和稀釋氣體CO2、干燥空氣，負(fù)責(zé)提供鎂合金熔煉所需氣體，且氣體必須是干燥 的。3個(gè)減壓閥負(fù)責(zé)將3個(gè)壓縮氣源提供的氣體調(diào)整到規(guī)定的壓力，并由3個(gè)進(jìn)氣壓力表顯不。配比及流量控制系統(tǒng)包括3個(gè)進(jìn)氣流量計(jì)，負(fù)責(zé)將各氣體調(diào)整到所需的流量，通 過流量的調(diào)節(jié)控制各氣體的配比和進(jìn)氣總流量。由于保護(hù)氣體和稀釋氣體流量差異較大， 因此所需流量計(jì)的規(guī)格也不一致。CHClF2氣體流量計(jì)用于小流量范圍控制，(X)2和干燥空氣 氣體流量計(jì)用于大流量范圍控制。氣體混合系統(tǒng)包括混合罐及內(nèi)部管路，負(fù)責(zé)將上述3種密度差異大、流量差異大 的氣體混合均勻。氣體分配系統(tǒng)包括1個(gè)出氣壓力表、1個(gè)出氣流量計(jì)、1個(gè)爐蓋、1根出氣銅管。出 氣壓力表負(fù)責(zé)顯示出氣壓力，出氣流量計(jì)負(fù)責(zé)調(diào)整出氣流量，爐蓋和出氣銅管負(fù)責(zé)把混合 氣體分配到熔煉爐內(nèi)，爐蓋放置在熔煉爐坩堝上方固定使用，在爐蓋下方有4個(gè)以上出氣 嘴，保證混合氣體能更均勻地覆蓋在鎂熔體表面，出氣銅管可以移動(dòng)使用，用于撲滅局部著 火點(diǎn)。以一次熔煉260kg鎂合金為例，設(shè)備為電阻坩堝爐，坩堝直徑約550mm，液面到爐 蓋之間密閉空間約5X104cm3。步驟1 準(zhǔn)備工作(1)檢查爐蓋在上次使用后變形是否嚴(yán)重，出氣嘴是否通暢。(2)檢查壓力表、流量計(jì)是否正常工作，檢查氣路管道是否通暢，檢查氣瓶是否有 足夠的氣體。 (3)各個(gè)氣路管道按圖1所示連接。步驟2 熔煉(1)按工藝要求配制鎂合金材料。(2)坩堝內(nèi)加滿爐料后，蓋上爐蓋，保證熔煉爐氣密性良好。(3)待爐溫升高到400°C時(shí)，開始通入保護(hù)氣體。(4)按照步驟3要求調(diào)節(jié)。(5)熔煉過程中，如需打開爐蓋上的合頁小門進(jìn)行操作，須用出氣銅管對(duì)著暴露在 外的液面進(jìn)行氣體補(bǔ)償。此時(shí)，應(yīng)適當(dāng)增加CO2或空氣的流量。(6)臨澆鑄前，先關(guān)閉氣瓶氣閥，再取下爐蓋，拆除接口。除爐蓋外均用小車運(yùn)離熔 煉現(xiàn)場(chǎng)，爐蓋溫度比較高，需遠(yuǎn)離操作區(qū)域放置。(7)在變質(zhì)和精煉時(shí)，由于液體有劇烈攪動(dòng)和爐蓋開啟，混合氣體會(huì)大量散逸，須 撒熔劑覆蓋。步驟3 氣體調(diào)節(jié)及控制方法(1)調(diào)整進(jìn)氣壓力一致，并保持在0. 2MPa左右，但不許超過0. 5MPa。(2)氣體流量調(diào)解過程中，流量應(yīng)由小向大調(diào)，避免氣流瞬時(shí)過大損壞流量計(jì)。(3)通入氣體的總流量為液面到爐蓋之間密閉體積的3% -20%。(4)爐溫 400°C _600°C時(shí)，氣體流量為=CHClF2 20ml/min ；CO2 400ml/min ；壓縮空 氣 1600ml/min。(5)爐溫 600°C _720°C時(shí)，氣體流量為=CHClF2 40ml/min ；CO2 400ml/min ；壓縮空 氣 1600ml/min。(6)爐溫 720°C _740°C時(shí)，氣體流量為CHC1F2 100ml/min ；CO2 3000ml/min ；壓縮空氣 3000ml/min。(7)爐溫 740V _800°C時(shí)，氣體流量為=CHClF2 150ml/min ；CO2 6000ml/min ；壓縮 空氣 3000ml/min。(8)若鎂合金液面時(shí)常有火苗出現(xiàn)，可以適當(dāng)增大氣體總流量。
權(quán)利要求
1.一種鎂合金熔煉保護(hù)氣體，其組分及其體積百分含量分別為 CHClF2 0. 2-5. 0% ；CO2 20-99% ；余量為壓縮空氣。
2.一種鎂合金熔煉氣體保護(hù)方法，其特征是，將權(quán)利要求1所述的壓力為0. 12-0. 5MPa 的鎂合金熔煉保護(hù)氣體輸送到鎂合金熔液表面，形成由MgCHMgF2組成的連續(xù)、致密的混合 保護(hù)膜。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的鎂合金熔煉氣體保護(hù)方法，其特征是，鎂合金熔煉保護(hù)氣體 總流量為鎂合金熔液表面到爐蓋之間密閉體積的3% -20%。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種鎂合金熔煉保護(hù)氣體，其組分及其體積百分含量分別為CHClF2 0.2-5.0％；CO2 20-99％；余量為壓縮空氣。本發(fā)明還公開了一種鎂合金熔煉氣體保護(hù)方法，將壓力為0.12-0.5MPa的鎂合金熔煉保護(hù)氣體輸送到鎂合金熔液表面，形成由MgO+MgF2組成的連續(xù)、致密的混合保護(hù)膜。本發(fā)明上述保護(hù)氣體和方法同時(shí)具備良好的工藝性、環(huán)保性和經(jīng)濟(jì)性，可用于鎂合金熔煉和澆注過程，滿足鎂合金熔煉試驗(yàn)和工業(yè)化生產(chǎn)的需要。
文檔編號(hào)C22C1/02GK102094130SQ20091020032
公開日2011年6月15日 申請(qǐng)日期2009年12月11日 優(yōu)先權(quán)日2009年12月11日
發(fā)明者侯正全, 李寶輝, 王小冬, 邱立新, 陳斌 申請(qǐng)人:上海航天精密機(jī)械研究所