鎂合金熔劑凈化行為及理論研究.pdf

1、鎂合金以其獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)和豐富的資源，正廣泛的應(yīng)用在汽車工業(yè)、通訊電子業(yè)、航空航天業(yè)等領(lǐng)域。但是鎂合金由于燃點(diǎn)低、電位低、氧化膜不具有保護(hù)性等缺點(diǎn)，使其品質(zhì)較差影響到力學(xué)性能和抗腐蝕性能。 鐵被認(rèn)為是強(qiáng)烈降低鎂合金耐蝕性的有害元素，而且鐵在鎂及其合金的熔煉、加工、運(yùn)輸、處理過(guò)程中又不可避免。傳統(tǒng)的加錳除鐵技術(shù)存在Fe／Mn比難以控制等缺點(diǎn)。而目前熔劑化除鐵雖有采用，但研究都不深入不系統(tǒng)。 稀土作為鎂合金常見(jiàn)的合金化元素得到廣

2、泛應(yīng)用。但是含稀土的鎂合金不能用含MgCl<,2>的熔劑進(jìn)行凈化處理，因?yàn)镸gCl<,2>會(huì)與活潑的稀土元素作用導(dǎo)致昂貴稀土的大量損耗。而采用不含或含有較少量Mgcl<,2>的熔劑則凈化效果較差。含稀土鎂合金的凈化問(wèn)題是一個(gè)亟待解決的課題。 熔劑與鎂熔體在精煉過(guò)程中，發(fā)生復(fù)雜的物化作用，關(guān)于熔劑-熔體系統(tǒng)中結(jié)構(gòu)、界面、物質(zhì)傳輸?shù)确矫娴难芯款H為不足，嚴(yán)重制約著鎂合金熔劑凈化技術(shù)的發(fā)展和凈化理論的建立。 在上述背景下，本文采

3、用電感耦合等離子直讀光譜儀(ICP)、光學(xué)顯微鏡(OM)、金相圖像分析儀、帶能譜分析(EDAX)的掃描電子顯微鏡(SEM)、x射線衍射儀(XRD)、力學(xué)性能試驗(yàn)機(jī)、電化學(xué)測(cè)試系統(tǒng)等分析手段，研究了JDFe-1、JDFe-2除鐵復(fù)合熔劑和JDLa、JDCe稀土復(fù)合熔劑凈化對(duì)鎂合金Az91雜質(zhì)含量、組織形貌、相組成、力學(xué)性能、抗腐蝕性能和鑄造流動(dòng)性等的影響規(guī)律；采用RTW- O5型熔體物性綜合測(cè)定儀和差熱分析儀(DTA)等分析手段研究了添加

4、劑硼化物和稀土氯化物對(duì)熔劑工藝、工作性能的影響規(guī)律。并深入分析了雙活性加硼除鐵機(jī)制和動(dòng)態(tài)抑制稀土損耗機(jī)理。基于以上科學(xué)試驗(yàn)，最后從動(dòng)力學(xué)和熱力學(xué)兩個(gè)方面初步構(gòu)建了鎂合金熔劑凈化理論。 試驗(yàn)表明，所開(kāi)發(fā)的含B<,2>O<,3>的JDFe-1熔劑和含Na<,2>B<,4>O<,7>的JDFc-2熔劑是優(yōu)良的鎂合金除鐵復(fù)合熔劑，凈化處理后可使鎂合金廢舊料中的鐵含量大幅度降低至0.005％以下，達(dá)到AZ91D所規(guī)定的鐵含量限制水平。而

5、且硼化物除鐵熔劑具有優(yōu)良的去除非金屬夾雜物的作用。JDFe-1和JDFe-2熔劑凈化處理AZ91后，鐵含量和非金屬夾雜含量的大幅度降低使鎂合金的力學(xué)性能提高。鎂合金的抗腐蝕性能則因鐵含量的減少而顯著提高。 熱力學(xué)分析和計(jì)算表明，硼化物熔劑加入鎂熔體后，被置換出的活性硼原子與雜質(zhì)鐵原子結(jié)合形成FeB沉淀進(jìn)入熔渣，從而實(shí)現(xiàn)除鐵的作用。同時(shí)利用短路原電池原理和混合電位理論構(gòu)建了Mg-Fe微電偶腐蝕模型，從電化學(xué)角度解釋了Fe劇烈降低M

6、g抗腐蝕性能的原因。 針對(duì)含稀土鎂合金的凈化難題，開(kāi)發(fā)了含稀土化合物的復(fù)合凈化熔劑JDLa(含LaCl<,3>)和JDCe(含CeCl<,3>)。稀土熔劑JDLa或JDCe凈化處理AZLa或AZCe合金使合金中的稀土La或Ce損耗均低于6％。含LaCl<,3>或CeCl<,3>的稀土熔劑凈化處理鎂合金可使合金的抗拉強(qiáng)度和延伸率提高及抗腐蝕性增強(qiáng)，這是稀土熔劑凈化后合金中稀土含量與夾雜含量交互影響的結(jié)果。 熱力學(xué)計(jì)算和分析

7、表明，稀土熔劑中的稀土化合物L(fēng)aCl<,3>或CeCl<,3>可使反應(yīng)3(MgCl<,2>)+2［RE］=2(RECl<,3>)+3［Mg］向右進(jìn)行的趨勢(shì)減弱，從而動(dòng)態(tài)抑制熔劑凈化過(guò)程中合金中昂貴稀土的損耗。利用雙膜理論構(gòu)建了稀土熔劑動(dòng)態(tài)抑制稀土損耗模型。 為進(jìn)一步研究鎂合金熔劑凈化機(jī)理，選擇JDFe-2和JDLa熔劑對(duì)其物化性質(zhì)進(jìn)行了分析。Na<,2>B<,4>0<,7>增加除鐵熔劑JDFe-2的密度和粘度，LaCl<,3>對(duì)

8、稀土熔劑JDLa密度和粘度影響不大。Na<,2>B<,4>0<,7>增加JDFe-2熔劑的表面張力，添加劑LaCl<,3>減小JDLa熔劑的表面張力，但幅度小于0.01N．m<’-1>。隨著溫度的升高，熔劑的密度、粘度和表面張力都減小。添加劑Na<,2>B<,4>0<,7>或LaCl<,3>降低JDFe-2或JDLa熔劑的鋪展能力。熔劑鋪展能力的變化是熔劑粘度和表面張力變化共同作用的結(jié)果。 從熔劑結(jié)構(gòu)角度，分析了添加劑對(duì)熔劑物化

9、性質(zhì)影響的原因。添加劑Na<,2>B<,4>0<,7>玻璃體的網(wǎng)絡(luò)狀復(fù)雜結(jié)構(gòu)增加了離子或分子堆積的致密度，而熔融狀態(tài)下玻璃體中強(qiáng)鍵的存在增加了各質(zhì)點(diǎn)間在流動(dòng)時(shí)所產(chǎn)生的內(nèi)摩擦力，即增大了熔劑的粘度；熔劑表面張力的增加與［B0<,3>］基團(tuán)的存在有關(guān)。半徑較大、遷移速度小的La<’3+>離子的引入是LaCl<,3>增加JDLa熔劑粘度、減小熔劑表面張力的主要原因。 基于以上科學(xué)試驗(yàn)和理論分析，建立了界面張力作用下，鎂合金熔體中夾雜物