[发明专利]超声凝聚净化镁合金中非金属夹杂物的方法

说明书

技术领域

本发明属于材料科学领域，特别涉及一种超声凝聚净化镁合金中非金属夹杂物的方法。

背景技术

低密度、高比强、高比刚等诸多优点使得镁合金在航空航天工业、军工领域、交通领域、3C领域得到越来越广泛的应用，但镁合金应用中存在的主要问题包括耐蚀性差、塑性变形性能差和强度不高等，这些都直接或间接与镁合金熔体的纯净度不高有关。镁合金熔体在熔炼与铸造过程中易氧化和易燃烧，其所产生的大量非金属化合物难以与镁合金熔体良好分离，镁合金熔体纯净度差是限制镁合金材料服役性能和应用领域的主要因素之一，因此，镁合金熔体净化研究始终受到人们的高度重视，是镁合金研究热点也是难点。

镁合金熔体中的夹杂物种类多样，根据成分和结构不同分为非金属夹杂物和金属夹杂物。非金属夹杂物有镁的氮氧化合物(如MgO，Mg₃N₂)，金属卤化物(如NaCl，CaCl₂，KCl等)，铝钙基碳化物(如Al₄C₃，CaC)，镁基硫化物和镁铝基氟化物(如MgS，MgF₂，AlF₃，MgSO₄等)；金属夹杂物有α-Fe粒子，Mn-Fe金属化合物(如MnAl₆；Fe₂(Si，B)；Fe₃(Al，Si)；MnAl₄或MnAl₆；(Fe，Mn)₃Si；(Fe，Mn)₅Si₃等)。由于金属镁的高化学活性及生成氧化膜的疏松性(α<1)，镁合金夹杂物的主要部分是MgO(占80％以上)，夹杂物一般以薄膜状、粒子状或簇状的形态残留在镁合金铸件的基体或晶界上。这些夹杂物不仅降低镁合金的力学性能，而且对合金的断裂韧性能、疲劳性能和电化学性能均有严重影响，因此，研究镁合金中夹杂物的行为以及如何采取有效措施在镁合金熔炼和铸造过程中最大限度减少氧化夹杂物和气体含量是当前工业合金生产中十分重要的问题，也是铸造工作者应着力解决的一项重要课题。

目前工业上通常在大气中熔炼镁合金，其采取的主要净化方法有熔剂沉降法、气体浮游精炼法和过滤器过滤法等方法。熔剂沉降法是目前镁合金工业生产中普遍采用的净化方法。目前镁合金最常用的精炼熔剂主要是由MgCl₂、KCl、CaF₂、BaCl₂等卤盐按一定比例混合组成。经过熔剂与熔液的充分接触来润湿夹杂物，使夹杂物团聚并与熔剂结合形成大颗粒，随同熔剂一同沉淀在坩埚底部而达到与金属液分离的目的。目前国内常使用的熔剂是商品化的RJ系列(RJ-1～RJ-7)。该方法存在的问题是，熔剂主要成分MgCl₂的密度与镁液密度很相近，若熔剂用量或精炼温度不当，形成熔剂夹杂可能会增加，并且熔剂精炼操作时间长(30～40min)，精炼后的熔体也需经过较长时间的静置操作，一般1m深的熔体需要静置1h，生产效率很低。而且，这些熔剂在高温下易挥发，并产生一些HCl和Cl₂等有毒气体，大量熔剂的使用会产生严重环境污染和设备腐蚀问题。对于黏度较大的含Zr和含稀土的镁合金，其熔剂沉降分离需要更多的时间，效率更低，而且还严重降低Zr和稀土合金的实收率。气体浮游精炼法主要是用来除气的方法，是通入气体在镁液内产生大量外来气泡(P_H2＝0)，镁液中的氢不断进入气泡，直到气泡中P_H2增加到与镁液中的[H]符合Sieverts定律[H]＝K(P_H2)^1/2时才达到平衡，氢即随浮出气泡逸入大气中，同时夹杂也会随气泡一起排出。采用惰性气体(如Ar或N₂)时，一般不会引入二次污染，但通气时间长(约30min)，且效果一般不如活性气体(Cl₂)，但也有人认为Ar除气效果比C₂Cl₆好。气体为活性气体(HCl)时，实际是通过通入Cl₂或C₂Cl₆产生HCl气体实现除氢，效果较好；但由于对环境污染和对设备等腐蚀严重，以及可能产生MgCl₂二次污染熔体。目前工业上镁合金熔体精炼工艺主要采用熔剂沉降与气体浮游精炼相结合的方法；工业实践已经表明，即使如此，氧化夹杂物仍然是降低铸造产品成品率的最主要因素(约占50％以上)。物理过滤精炼是采用钢丝网(或钢丝绒)或者采用对镁熔体惰性的泡沫陶瓷过滤器进行过滤实现镁熔体净化的方法；前者是可供选择的经济可行的净化方法，但难以去除细小夹杂物；后者存在的问题是难以找到对镁熔体具有耐久性的泡沫陶瓷材料，所以未能得到工业应用。此外，还有真空除气法，但未在生产中获得实际应用。另外，采用添加合金元素也可以实现除气和造渣效果，但一般来说添加这些合金元素主要是实现变质和细化效果。