镁合金熔炼原理与工艺

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1、镁合金熔炼原理与工艺1.镁合金熔液与周围介质的作用1.1镁与氧的作用镁与氧的亲和力要比铝与氧的亲和力大�通常金属与氧的亲和力可由它们的氧化物生成热和分解压来判断。氧化物的生成热越大�分解压越小�则与氧的亲和力就越强。镁与1g原子氧相比和时�放出598J的热�而铝放出531J的热。镁和铝的另一区别是�没被氧化后表面形成疏松的氧化膜�其致密度系数α=0.79�Al2O3的α=1.28��这种不致密的表面膜�不能阻碍反应物质的通过�使氧化得以不断进行�其氧化动力学曲线呈直线式�而不是抛物线式�可见氧化速率与时间无关

2、�氧化过程完全由反应界面所控制。镁的氧化与温度关系很密切�温度较低时�镁的氧化速率不大�温度高于500℃�氧化速率加快�当温度超过熔点650℃时�其氧化速率急剧增加�一旦遇氧就会发生激烈的氧化而燃烧�放出大量的热。反应生成的氧化镁绝热性能很好�使反应界面所产生的热不能及时的向外扩散�进而提高了界面上的温度�这样恶性循环必然会加速镁的氧化�燃烧反应更加剧烈。反应界面的温度越来越高�甚至可达2850℃�远高于镁的沸点�1107℃�引起镁熔液大量气化�甚至导致发生爆炸。在金属中添加微量的金属铍�w�Be�=0.00

3、2%~0.01%�,可提高镁熔液的抗氧化性能。由于铍是镁的表面活性元素�富集于镁熔液表面�致使表面含铍量约为合金中含铍量的10倍�并优先氧化�氧化铍的致密度系数α=1.71�故氧化铍充填于氧化镁膜的孔隙中�形成致密的复合氧化膜。但铍的加入量不易过多�过多会引起晶粒粗化�降低力学性能�并加大热裂倾向。当温度高于750℃时�铍对镁的抗氧化作用大为降低。而镁合金的熔炼温度一般均高于750℃�因此用铍防止镁合金氧化仅是一种辅助措施。1.1.1镁与水的作用镁无论是固态还是液态均能与水发生反应�其反应方程式见�1-1�和

4、式�1-2�。在室温下�反应速度缓慢�随着温度升高�反应速度加快�并且Mg�OH�2会分解为水及MgO�高温时只发生式�1-1�的反应。在相同条件下�镁与水之间的反应�要比镁与氧之间的反应更加激烈。Mg+H2O=MgO+H2↑+Q�1-1�Mg+2H2O=Mg�OH�2+H2↑+Q�1-2�当熔融镁与水接触时�不仅因生成氧化镁放出大量的热�而且反应产物氢与周围大气中的氧迅速作用生成生成水�水又受热急剧气话膨胀�结果导致猛烈的爆炸�引起镁熔液的剧烈燃烧与飞溅。所以�熔炼镁合金时�与熔液相接处的炉料、工具、熔剂等

5、均应干燥。镁与水的反应也是镁熔液中氢的主要来源�它与镁合金铸件的主要缺陷—缩松的产生有密切关系。1.1.2镁与氮气的作用镁与N2发生式�1-3�的反应。在室温下反应速度极慢�当镁处于液态时�反应速度加快�温度高于1000℃时�反应很激烈。不过此反应比Mg-O、Mg-H2O反应要缓慢的多。反应产物Mg3N2系粉状化合物�不能阻止式�1-3�反应继续进行�同时Mg3N2膜也不能防止镁的蒸发�所以氮气不能阻止镁熔液的氧化和燃烧。3Mg+N2=Mg3N2�1-3�1.1.3镁与氩、氦、氖等惰性气体的作用氩、氦、氖等惰

6、性气体均不与镁发生化学反应�可防止镁熔液的燃烧。但在这些气氛中�镁熔液不能生成防护性的表面膜�故不能阻止镁的蒸发�而镁在熔点以上有较高的蒸汽压。1.1.4镁与某些防护性气体的作用1.镁与CO2的作用一般认为CO2与镁在高温下产生式�1-4�的反应。2Mg+CO2=2MgO+C�无定型�试验表明�处于各种温度下的镁�在干燥、纯净的CO2中�其氧化速率均很低�这与表面膜中出现了无定型碳密切相关。这种无定型碳存在与氧化膜的孔隙中�提高了镁表面的膜致密度系数�使α=1.03~1.05.带正电荷的无定型碳�还能强烈的抑

7、制镁离子2+�Mg�透过表面膜的扩散运动�故也能抑制镁的氧化。在干燥、纯净的CO2中�在700℃左右镁熔液表面形成晶莹的有金属色泽的薄膜�此膜具有一定的塑性�但随着温度的升高�表面膜逐渐变厚�变硬�致密度逐渐降低�所后发生开裂�失去了保护作用�镁开始燃烧。此外�CO2含有混合空气或水气时�CO2的防护性将下降。2.镁与二氧化硫的作用SO2对镁熔液也有一定的防护作用。SO2与镁熔液发生式�1-5�和式�1-6�的反应�并在镁熔液表面生成很薄而致密的带有金属色泽的MgS·MgO复合表面膜�可抑制镁的氧化。当SO2

8、从气氛中消失时�该表面膜就会破裂�镁熔液即发生燃烧�如果温度高于750℃此时膜也将破裂�起不到保护的作用�相反SO2将与镁熔液发生剧烈反应生成大量硫化物夹杂。国外有资料报道�在SO2气氛下熔炼镁�若在熔液表面上出现“菜花头”状的燃点时�有可能发生爆炸。用SO2作防护性气氛曾发生过爆炸事故�现在很少用。3Mg+SO2=2MgO+MgS�1-5�2Mg+SO2=2MgO+S�1-6�MgS+4SO2+4