仿生镶嵌铸造用高纯度AZ91D镁合金生产控制研究

万元元，樊富友，陈明，程远胜

(1.中国兵器工业第五九研究所，重庆 400039;2.长沙机电产品研究开发中心，长沙 410100;3.哈尔滨工业大学，哈尔滨 150001)

镁合金作为一种新型的工程材料，以其密度低，比强度高，减振和抗冲击性好，易切削加工，电磁屏蔽能力强等优点，广泛用于汽车、通信、国防和航空航天行业，被誉为“21世纪的绿色工程材料”[1－2]。随着工业技术的发展，镁合金工程应用日益增多，随着国内外武器装备轻量化要求的提高，镁合金在武器装备上的应用需求十分迫切[3－4]。在AZ91D镁合金/钢双金属仿生镶嵌铸造工艺中，通过模拟模仿植物叶片、蜻蜓翅膀等天然生物体的形态与结构，采用Q235A钢制备仿生铸造增强单元体，来增加镁合金构件的强度和使用性能，达到大幅度减重的目的[5－6]。

镁合金在熔炼过程中很容易氧化燃烧，生成大量的氧化物杂质，降低镁合金熔体的纯净度，使得镁合金构件的性能严重降低。文中的镁合金构件生产工序复杂，生产周期长，需要740℃的镁合金熔体在开放坩埚中放置4～6 h，而且构件充型性有限。由此，在长时间的铸造过程中，必须保持镁合金熔体纯净度和熔体品质的炉前精确检测，保证其力学性能稳定，充型顺畅完整。

文中针对镁合金/钢仿生镶嵌铸造构件的生产过程，研制了一套镁合金/钢仿生镶嵌铸造件用AZ91D镁合金的品质控制系统方法。该方法通过控制原料及辅助材料的品质、熔体洁净度、熔炼铸造保护等方法，得到了高纯净度的AZ91D镁合金。

1 实验方法

采用80 kW的200 kg电阻炉熔炼AZ91D镁合金，使用自制精炼剂对合金熔体进行精炼，并用手提式浇包进行浇注。在整个生产过程中，通过检测原料纯镁锭的纯净度，在熔炼过程中采用SF6，CO2混合气体进行防护，用断口法炉前控制熔体纯净度，改进熔铸过程等手段优化了镁合金/钢仿生镶嵌铸造件用AZ91D镁合金的生产过程。

2 结果及分析

2.1 原材料品质控制

目前我国GB/T 3499—2003《原生镁锭》中，仅对原生镁锭的化学成分、表面品质和规格制定了标准，但是没有对镁锭的夹杂物含量做出相关规定，这导致原生镁锭中的熔剂夹杂参差不齐，增加了镁合金锭生产过程中的品质控制难度。由此，文中的控制方法采用GB/T 26284—2010《变形镁合金熔剂、氧化夹杂试验方法》中的检测方法和A级产品的标准，对原料镁锭进行检测和筛选。

在熔剂的选择方面，目前国内市场上生产的镁合金覆盖剂和精炼剂主要为RJ系列熔剂，而RJ系列熔剂的生产方法主要分为以下2种。

1)将熔剂的各成分盐类化合物按比例混料和磨料后就进行分装销售。此种熔剂价格低廉，熔剂密度变化大，在熔炼过程中分层严重，使其保护性和精炼效果很差，间接地增加了合金熔体中的熔体加入量，降低了合金品质。

2)将熔剂各成分配比完成，再进行一次重熔和研磨，然后才分装销售。此种熔体价格稍贵，但是由于其相比前者增加了重熔过程，使得其成分更均匀，熔点降低，能更好地与MgO夹杂物进行裹覆而除渣，不额外增加熔体中熔剂的用量，间接地提高了合金品质。

在熔剂的预处理方面，由于RJ系列熔剂的主要作用成分为无水MgCl2，但是其在空气中极易吸水生成MgCl2·6H2O，发生潮解失效并增重，所以对储存周期较长的库存熔剂，在使用前都需要进行烘干处理。由于熔剂烘干过程参数涉及到生产成本增加等问题，因此文中对熔剂烘干过程参数进行了优化，将RJ-2熔剂在室温放置12 h后，在不同烘干温度和时间配合下的熔剂减重结果见表1。

表1 RJ-2熔剂烘干实验结果Table1 Drying experiment results of RJ-2 flux

由表1的结果可以看出，熔剂在生产车间中室温放置12 h后，熔剂的吸潮增重达到6%以上，如果熔剂不经烘干就投入使用，不仅会间接增加熔剂使用量，而且还可能发生安全事故。随着烘烤温度的增加，熔剂的减重比增加明显。在400℃ ×3 h条件下，能获得最大的减重，但减重比的增加量已变得较低，仅为0.05%，所以综合考虑生产成本和使用性能等因素，RJ-2熔剂较好的烘干过程参数为300℃×3 h。

2.2 熔炼保护及精炼过程改进

文中采用了SF6，CO2混合气体进行防护，使用RJ-2熔剂加氟盐作为精炼熔剂。由于AZ91D镁合金的熔炼温度一般低于760℃，而SF6在此温度下有较好的保护效果，其原理是SF6气体会在镁熔体表面与镁生成高致密度的MgF2氧化膜，起到隔绝熔体和空气的作用。针对此现状，设计了如图1所示的坩埚内部保护气体释放装置。

图1 保护气体释放装置Fig.1 Release device of protective gas

如图1所示，保护气体释放装置一共包含4个部分:导管、分流管、气圈和支架。其中导管连接外部气源和保护气体释放装置;分流管将导管中的气体平均分为4股支流;支架是为了固定气圈在坩埚中的位置;气圈是混合气体释放和临时储存的地方，其中分布了8个对称吹气孔，以使气体与熔体液面呈45°角接触，保证混合保护气体的均匀性和连续性。另外，由于该生产流程较长，随着浇注的进行，镁合金熔体液面逐渐降低，所以笔者通过更换保护气体释放装置中的导管，并在坩埚上沿加装锁管螺栓，如图2所示，使得此装置能够随着熔体液面的降低而调整位置，达到最佳的熔体保护效果。

图2 改进后的保护气体释放装置Fig.2 Improved release device of protective gas

为了配合保护气体释放装置，得到高纯度AZ91D镁合金，笔者结合镁合金铸造的工艺特点进行了一系列熔铸工艺试验，试验工艺参数见表2。不同试验工艺所得镁合金产品的恒温恒湿检测结果见表3。

表2 熔铸试验工艺参数比较Table2 Comparison of technology parameters of melting experiments

表3 恒温恒湿检测结果Table3 Results of constant temperature and humidity tests

熔铸试验3号所得AZ91D合金的恒温恒湿检测结果如图3所示。由表2、表3和图3可知，用SF6+CO2混合气体保护熔体，RJ-2熔剂+氟化钙(质量分数为5%)进行精炼的合金纯净度要好于单纯的RJ-2熔剂保护和精炼，产品没有出现大直径的熔剂夹杂及小熔剂点带状分布。混合气体保护加熔剂精炼过程主要优点在于:一方面通过引入保护气体降低了保护熔剂的使用量;另一方面在精炼剂中添加了比重较大的氟化钙，增加了熔剂造渣后的密度，使渣液分离速度加快，得到了较好的精炼效果。

图3 熔铸试验3号恒温恒湿检测Fig.3 Constant temperature and humidity tests results of the No.3 sample

2.3 炉前熔体纯净度检测

目前在文献报道中提及的镁合金熔体夹杂物炉前检测方法主要有:超声波法、电感区域法、真空过滤取样法、光亮度法和断口法。前3种检测方法需要专门设备和丰富的现场检测经验才能实现，实施难度较大。断口检测法是一种对事件的统计方法，通过测定夹杂出现的频率来评价合金的洁净度状况，此方法设备简单，对于测试经验要求低[7－11]。文中结合文献中介绍的断口检测法，再根据炉前断口检测数据与合金恒温恒湿检测结果，设计出的断口模具如图4所示，并进行生产试验，得到了炉前熔体纯净度检测相关数据。

图4 炉前断口模具Fig.4 Fracture sample mold

炉前断口试样制备在精炼完成后30 min内进行，主要考察断口试样检测面上的熔剂点数量和大小。熔剂点的检出方法为:将断口试样在干净的压镁机上制作出断口试样，然后迅速在断口处喷涂浓度为250 g/L的铬酸，铬酸将迅速与腐蚀产物中的氢氧化物反应，同时产生大量的氢气和黑色的铬酸盐，直至铬酸消耗完全，反应结束。在该反应过程中，氯盐(溶剂)的存在起到电解质的作用，它能加速反应进行。由于铬酸与镁将产生钝化现象而不继续发生反应，因此该方法对没有溶剂夹杂处的镁合金不会造成腐蚀。反应完成后，观察断口处的黑色熔剂点大小及分布。3次熔铸试验的炉前断口检测结果见表4。

表4 炉前断口检测结果Table4 Results of fracture tests

熔铸试验2号、3号AZ91D镁合金断口对比如图5所示。

由图5和表4可知，使用混合气体保护加自制熔剂精炼生产仿生镶嵌铸造用高纯度AZ91D镁合金断口试样不存在大直径熔剂夹杂，小熔剂点分布也较少。

图5 熔铸试验2号、3号断口对比Fig.5 Fracture morphologies of No.3 and No.2 specimen

3 结语

1)采用GB/T 26284—2010中的方法和A级产品的标准，对原料镁锭进行检测和筛选，能提高原料品质;对精炼熔剂进行350℃ ×3 h的烘干，能间接降低熔剂的用量，提高镁合金纯净度。

2)用SF6+CO2混合气体保护熔体，RJ-2熔剂+氟化钙(5%)作为精炼剂，精炼效果好，得到符合GB/T 26284—2010标准的A级产品。

3)使用新型炉前断口判别法，能快速地检验出合金熔体洁净度状况，借助此方法可以减少镁合金熔体夹杂物的含量，有助于提高成品率，降低镁合金/钢仿生镶嵌铸造件生产成本。

[1]陈振华.镁合金[M].北京:化学工业出版社，2004.

[2]陈强.合金加工流变学及其应用[M].北京:冶金工业出版社，2012.

[3]康鸿跃，陈善华，马永平，等.镁合金在军事装备中的应用[J].世界金属，2008(1):61－64.

[4]唐全波，黄少东，伍太宾.镁合金在武器装备中的应用分析[J].兵器材料科学与工程，2007(2):69－71.

[5]洪筠，钱志辉，任露泉.多元耦合仿生可拓模型及其耦元分析[J].吉林大学学报(工学版)，2009，39(3):726－731.

[6]尚广瑞，任露泉，杨晓东，等.Cu-Zn合金仿生耦合表面的疏水性能[J].吉林大学学报(工学版)，2007，37(5):1126－1131.

[7]HU Henry，LUO Alan.Inclusions in Molten Magnesium and potention Assessment Techniques[J].JOM，1996(10):47－51.

[8]MANSFIELD T L.Ultrasonic Technology for Measuring Molten Aluminium Quality[J].Light Metals，1982:969 －981.

[9]DUPUIS C，DUMONT R.The Impact of LIMCA Technology on the Optimization of Metal Cleanliness[J].Light Metals，1993:997 －1001.

[10]MAITION J P，PAINCHAND F.On-line Metal cleanness Determination in Molten Aluminium Alloys Using the LIMCAⅡAnalyzer[J].Light Metals，1994:915 －920.

[11]GROTE D E.Testing for Molten Metal Cleanliness[J].Die Casting Engineer，1989(6):18－26.