CN106148721B

CN106148721B - 一种净化镁或镁合金熔体的装置和方法

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Publication number: CN106148721B
Application number: CN201510152055.9A
Authority: CN
Inventors: 陈荣石; 马跃群; 柯伟
Original assignee: Institute of Metal Research of CAS
Current assignee: Institute of Metal Research of CAS
Priority date: 2015-03-31
Filing date: 2015-03-31
Publication date: 2018-07-31
Anticipated expiration: 2035-03-31
Also published as: CN106148721A

Abstract

本发明公开了一种净化镁或镁合金熔体的装置和方法，属于金属熔体净化技术领域。该装置包括筒状容器和隔板，隔板将容器分隔为腔室Ⅰ和腔室Ⅱ，隔板下部留有使腔室Ⅰ和腔室Ⅱ相连通的通道；所述腔室Ⅱ的连通口处或其上方设置筛网，或者腔室Ⅰ和腔室Ⅱ的连通口处或其上方都设置筛网；净化方法是利用浸没在熔剂内的筛网结构将熔体在熔剂内强制弥散分布，形成了大量熔剂环绕包裹少量镁熔体的状态，从而促成了熔剂对镁熔体内非金属夹杂物的良好吸附捕获；净化后的镁或镁合金熔体自然上浮到熔剂表面富集，使熔剂和镁熔体分层，获得净化的镁或镁合金熔体。本发明可快速批量净化镁或镁合金熔体，得到的熔体纯净度高，制备的产品内部夹杂少，冶金质量优。

Description

一种净化镁或镁合金熔体的装置和方法

技术领域

本发明涉及金属熔体净化技术领域，具体涉及一种净化镁或镁合金熔体的装置和方法。

背景技术

镁及其合金因具有密度小、比强度高、电磁屏蔽性强、阻尼和减震性能高、导热性能优良、尺寸稳定性高、优良的铸造性能、良好的加工性能、储量丰富等一系列优良特性，已经在最近二十年间得到高速发展。但是最近几年镁合金产品的产销量开始出现停滞不前的趋势，而且产品大多只能用作非结构件，其中一个重要原因是镁化学性质活泼，在合金冶炼及浇铸过程中难免产生或带入非金属夹杂物，严重影响了镁合金的力学性能、铸造性能及耐腐蚀性能。

镁合金中的非金属夹杂物以镁的氧、氮化物为主，如MgO、Mg₃N₂等。由于非金属夹杂物与镁基体在性能上有较大的差别，所以在镁基体变形过程中，夹杂物周围就会产生愈来愈大的应力集中，从而使夹杂物本身开裂或使夹杂物同基体的连接遭到破坏，并导致材料的断裂。研究表明，非金属夹杂物对材料强度及与断裂过程密切相关的诸如延伸率、断面收缩率、断裂韧性和疲劳抗力等一系列材料性能具有显著影响。此外，非金属夹杂物在合金液凝固时有时会析出气体，在夹杂物周围经常会伴生气孔、浇铸不足或缩松等铸造缺陷；非金属夹杂物对产品的表面或耐蚀性能也有不良影响，例如使用镁合金材料压铸成形的笔记本电脑外壳，一段时间后表面会因夹杂物吸潮导致出现一些凸起或脱落后形成凹坑。

因此，降低非金属夹杂物的含量、进一步提高镁合金纯净度也就成为继续扩大镁合金应用规模的一个关键所在。

不同于钢铁或铝合金等材料，镁合金熔体的净化有较大难度。因为镁合金非金属夹杂物的密度仅比镁或镁合金熔体的密度略大，但相差不大，非金属夹杂物往往悬浮于镁熔体中，需要很长时间的静置操作才能沉降分离其中的大部分。针对镁合金中非金属夹杂物的特点，也产生了较多的镁合金净化方法，例如熔剂精炼净化法、过滤净化法、吹气净化法、超声波或电磁净化法、复合净化法等。

熔剂精炼净化法的原理是在精炼过程中对熔体进行搅拌的同时撒入熔剂，使非金属夹杂物与液态的熔剂充分接触并被熔剂润湿包裹，在随后的保温静置过程中，因为熔剂包裹的非金属夹杂物比重大会慢慢穿过熔体在熔体底部沉降聚集。经过熔剂精练后，可使非金属夹杂物含量大幅降低。最常用的熔剂主要是由MgCl₂、KCl、CaF₂和BaCl₂等卤盐按比例混合组成。国内外熔剂种类繁多(《铸造技术》2010年31卷第1期，104～108)，如美国Dow230、220，德国ElrasalB、ElrasalC和英国MZ、Z系列，国内为含氯盐或氟盐的RJ系列。近几年来，国内出现了自主开发的精炼剂，比如上海交通大学研制的镁合金精炼剂(CN01142611、CN03128916、CN03129383、CN200510110204)等。熔剂精炼净化由于成本低、操作简便、效果好而被工业界广泛使用。

简易过滤净化法有钢丝棉(曲卫涛主编，《铸造工艺学》第237页)、不锈钢丝网(《特种铸造及有色合金》2005年第25卷第6期，333～334)、多层编制钢丝网(《铸造设备研究》2008年第5期，53～56)、打孔钢板(CN200710078417)等，这些方法的优点是不容易堵塞，易于实施。泡沫陶瓷过滤净化法(CN02145312、CN03142627)的熔体净化机理有机械拦截、稳流整流、滤饼再过滤、对夹杂物同性吸附等(《铸造设备研究》2007年第8期，42～46)。

吹气净化法或称旋转喷吹法(《中国有色金属学报》2008年第18卷第9期，1622～1627)的原理是利用吹头的快速旋转作用在熔体深处形成快速运动的气液涡流，使通入熔体的气体被破碎成细小的气泡群，气泡在上浮过程中，不仅携带熔体中的氢气，还能吸附部分氧化夹杂，起到除气及除杂的作用。

超声波净化法(《东北大学学报(自然科学版)》2011年第32卷第3期，396～399)的原理是向镁合金熔体中通入20±2kHz的高频声波，夹杂物微粒在声交互作用力和旁力的作用下形成凝聚物，再通过静置沉降分离达到除杂的目的。电磁净化法(《轻合金加工技术》2013年4卷第7期，14～17)的原理是利用镁合金熔体和非金属夹杂物的导电性差异来进行杂质分离的；在磁场作用下，由于镁合金熔体整体所受的电磁力可等效为非金属夹杂物受相反方向的电磁排斥力作用，从而使其运动到镁合金熔体边缘，起到净化作用。

上述镁合金熔体的净化方法中，都还存在一些缺点。例如：①熔剂精炼净化法存在净化不彻底、净化效率低的问题；②简易过滤净化法的缺点是过滤介质表面不能吸附尺寸细小的夹杂物，比较依赖熔体的洁净度，一般配合熔剂净化法使用；③泡沫陶瓷过滤净化法存在易堵塞、一般需要预热、成本高等问题，目前仅停留在实验室阶段；④吹气净化法单独使用时除气效果较好，但是除杂效率较低；⑤超声波净化法和电磁净化法虽在实验室取得了一定的净化效果，但由于净化效果有限及外加场实施的局限性未能大规模推广应用。

发明内容

针对目前镁合金熔体净化存在的不足之处，本发明的目的在于提供一种净化镁或镁合金熔体的装置和方法，采用本发明装置和方法可快速批量净化镁或镁合金熔体得到的镁熔体纯净度大幅提高，制备的产品内部夹杂少，冶金质量优。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

一种净化镁或镁合金熔体的装置，包括筒状容器和隔板，其中：所述隔板置于容器内并将容器分隔为腔室Ⅰ和腔室Ⅱ，所述隔板的下部留有使腔室Ⅰ和腔室Ⅱ相连通的通道；所述腔室Ⅰ和腔室Ⅱ的连通口处或其上方分别设置筛网Ⅰ和筛网Ⅱ，或者，根据工艺需要仅在腔室Ⅱ的连通口处或其上方设置筛网Ⅱ(不设置筛网Ⅰ)；所述腔室Ⅱ侧壁上或顶部设置熔体导出口。

所述腔室Ⅰ用于净化前熔剂和熔体的导入腔体；所述腔室Ⅱ用于将熔体强制弥散分布净化、分层富集及导出；所述筛网Ⅰ和筛网Ⅱ用于将熔体进行强制弥散分布。

所述筛网Ⅰ和筛网Ⅱ其结构的孔眼尺寸为0.1mm～200mm，孔眼间距为0.1～200mm；筛网Ⅰ和筛网Ⅱ的结构为平板冲孔或管材冲孔形式，平板筛网厚度或管材筛网的壁厚为0.1～200mm。

所述筛网Ⅰ和筛网Ⅱ为单层结构或多层叠加结构，多层叠加时层间距为0.1～200mm。

利用上述装置净化镁或镁合金熔体的方法，包括如下步骤：

(1)将净化装置放在加热炉体内，升温到设定温度(该温度使所用熔剂、镁或镁合金达到熔化状态)；

(2)将密度大于镁或镁合金的液态熔剂导入净化装置的腔室Ⅰ中，控制熔剂液位要高于筛网Ⅱ，保证筛网Ⅱ浸没在液态熔剂内，但熔剂的液位要低于熔体导出口；所用液态熔剂是由一种或若干种化学盐类物质组成；

(3)将镁或镁合金熔体导入装有液态熔剂的腔室Ⅰ中，熔体在压力差的作用下经过筛网Ⅱ或者依次经过筛网Ⅰ和筛网Ⅱ，熔体在筛网结构的作用下被强制弥散分布，并与环绕包裹的液态熔剂进行充分接触，在这个过程中熔剂会吸附捕获镁或镁合金中的非金属夹杂物；净化后的熔体进入腔室Ⅱ后，因密度比熔剂的密度小，上浮到熔剂表面的上层空间中富集，熔剂和净化后的熔体形成分层，最后净化后的熔体由腔室Ⅱ中熔体导出口导出，从而获得净化的镁或镁合金熔体。

上述净化过程中，熔剂与熔体导入净化装置的方式为：在另外的熔炼炉熔化后导入净化装置，或者将固态的熔剂、镁或镁合金固体块料直接放置于净化装置内熔化。

本发明设计原理如下：

常规的熔剂精炼净化法是采用将少量熔剂分散到大量合金熔体中的方式，该方式不利于实现熔剂对夹杂物的充分接触和完全捕获，本发明则反其道而行之，采用特定结构的净化装置对镁或镁合金熔体进行净化，利用浸没在液态熔剂(比镁或镁合金的密度更大)中的筛网结构将镁或镁合金熔体在熔剂内强制弥散分布，并形成了大量熔剂包围少量熔体的状态，从而促成了熔剂对熔体内非金属夹杂物的有效吸附捕获，纯净化后的镁合金熔体因密度低而上浮到熔剂表面富集，从而实现了熔剂和镁熔体的分层，实现了镁或镁合金熔体的净化。

本发明装置不仅利用了筛网结构对夹杂物的过滤拦截作用，更关键的是通过将镁或镁合金熔体在熔剂内强制弥散分布，充分利用了熔剂对熔体内非金属夹杂物的吸附捕获作用，并利用了镁或镁合金熔体比熔剂密度低，可在熔剂内上浮的特点，最终实现了熔剂和镁或镁合金熔体的分层富集及净化。

本发明具有以下优点及有益效果：

1、与传统熔剂精炼净化法采用的少量熔剂分散到大量的镁或镁合金熔体中的思路相比，本装置反其道而行之，采用少量熔体强制弥散分布在大量密度较高的液态熔剂中的思路，从而可以使镁或镁合金熔体上浮穿过熔剂层，充分发挥了熔剂的吸附捕获作用，使镁或镁合金熔体得以快速净化合金熔体。

2、与现有的其它镁合金熔体净化方法和装置相比，本装置可快速批量净化镁合金熔体，得到的熔体纯净度大幅提高，夹杂少，制备的产品内部冶金质量优异。

附图说明

图1为本发明净化装置结构示意图；其中：(a)只设置筛网Ⅱ；(b)设置筛网Ⅰ和筛网Ⅱ；(c)为(b)中A-A放大图。

图2为本发明镁合金熔体的流动及净化过程示意图；其中：(a)净化装置；(b)注入溶剂；(c)净化过程。

图3为本发明制备的典型拉伸试样断口样品的扫描电镜(SEM)照片。

图4为常规净化方法制备的典型拉伸试样断口样品的SEM照片。

图中：1-腔室Ⅰ；2-腔室Ⅱ；3-连通空间；4-筛网Ⅱ；5-筛网Ⅰ；6-熔体导出口。

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本发明进一步详细说明。

如图1所示，本发明用于镁或镁合金熔体的净化装置，包括筒状容器和隔板，所述隔板置于容器内并将容器分隔为腔室Ⅰ1和腔室Ⅱ2；所述隔板的下部留有使腔室Ⅰ1和腔室Ⅱ2的底部相连通的通道；根据工艺需要，可按照图1(b)所示在腔室Ⅰ1和腔室Ⅱ2的连通口处或其上方分别设置筛网Ⅰ5和筛网Ⅱ4，或者，按照图1(a)所示仅在腔室Ⅱ2的连通口处或其上方设置筛网Ⅱ4，不设置筛网Ⅰ5；腔室Ⅰ1和腔室Ⅱ2的连通空间3位于筛网Ⅰ5和筛网Ⅱ4的下方；所述腔室Ⅱ2侧壁上或其顶部设置熔体导出口6。

所述腔室Ⅰ1的功能为熔剂和熔体导入；所述腔室Ⅱ2的功能为熔体强制弥散分布净化、分层富集及导出；所述连通空间3用作腔室Ⅰ1和腔室Ⅱ2内的熔体和熔剂相互流动，保证液体是连续的。所述筛网Ⅱ4和筛网Ⅰ5起到将熔体强制弥散分布的作用；筛网Ⅱ4和筛网Ⅰ5其结构的孔眼尺寸为0.1mm～200mm，孔眼间距为0.1～200mm；筛网Ⅱ4和筛网Ⅰ5的结构为平板冲孔或管材冲孔形式，平板筛网厚度或管材筛网的壁厚为0.1～200mm。所述筛网Ⅰ和筛网Ⅱ为单层结构或多层叠加结构，多层叠加时层间距为0.1～200mm。筛网的具体结构可根据工艺需要进行选择。图2是净化装置中熔体的流动及净化过程示意图。

实施例1

本实施例的镁合金成分如表1所示：

表1

采用图1(a)所示的净化装置；不设置筛网Ⅰ；筛网Ⅱ为单层平板状结构，板厚度为2mm，其孔眼尺寸为1.5mm，孔眼间距为2.5mm；将净化装置在炉体内保温760℃待用。采用另外的镁合金熔炼炉得到本实施例的镁合金熔体，搅拌均匀后在800℃保温待用。同时，用另外的熔剂坩埚熔化RJ6熔剂(航标标准熔剂，化学成分为(wt.％)：KCl≈54％；BaCl₂≈15％；CaF₂≈2％；CaCl₂≈24％；NaCl≈4％；MgO≈1％)，其体积量为净化装置总容积的1/4。当熔剂温度达到760℃后启动净化操作如下：①、将熔剂导入同一温度保温的净化装置内；②、随后将800℃保温的镁合金熔体导入腔室Ⅰ内，腔室Ⅰ内镁合金熔体会在压力差的作用下通过筛网Ⅱ后进入腔室Ⅱ；在这个过程中，镁合金熔体通过筛网Ⅱ的孔眼时被强制弥散分布并与环绕包裹的液态熔剂进行充分接触，熔剂会吸附捕获非金属夹杂物，而净化后的镁合金熔体则因密度低而上浮到熔剂表面，逐渐富集到熔体导出腔室Ⅱ的上层空间；③、净化后的镁合金熔体通过熔体导出口导出至保温浇包内，并浇注成标准拉伸试棒。

本实施例得到的拉力试棒，样品拉伸断裂后的断口均没有发现夹杂物，其典型力学拉伸断口样品的SEM照片如图3所示；而同种合金成分采用行业内常用净化操作(即熔剂精炼操作+静置)得到的拉伸样品则大部分样品其断口存在肉眼即可见的夹杂物，其典型力学拉伸断口样品的SEM照片如图4所示，断口上分布有多个肉眼可见的非金属夹杂物。本实施例合金的力学性能稳定且比通常净化方法得到的相同化学成分的合金其力学性能提高10-20％以上。

实施例2

本实施例的镁合金成分如表2所示：

表2

采用图1(b)所示的净化装置；筛网Ⅰ为单层平板状结构，其孔眼尺寸为3mm，板厚为3mm，孔眼间距为5mm；筛网Ⅱ为单层平板状结构，其孔眼尺寸为1.5mm，板厚为2mm，孔眼间距为2.5mm；将净化装置在炉体内保温760℃待用。同时，用另外的熔剂坩埚熔化RJ6熔剂(航标标准熔剂：KCl≈54％；BaCl₂≈15％；CaF₂≈2％；CaCl₂≈24％；NaCl≈4％；MgO≈1％)，其体积量为净化装置总容积的1/3。当熔剂温度达到760℃后启动净化操作如下：①、将熔剂倒入同一温度保温的净化装置内；②、随后将200℃预热的镁合金重熔块料放入腔室Ⅰ内，落在筛网Ⅰ上熔化，腔室Ⅰ内镁合金熔体达到一定高度后，会在压力差的作用下依次通过筛网Ⅰ、连通空间、筛网Ⅱ、到达腔室Ⅱ；在这个过程中，镁合金熔体通过筛网结构的孔眼时被强制弥散分布并与环绕包裹的液态熔剂进行充分接触，熔剂会吸附捕获非金属夹杂物，而净化后的镁合金熔体则因密度低而上浮到熔剂表面，逐渐富集到熔体导出腔室Ⅱ的上层空间；③、净化后的镁合金熔体通过熔体导出口导出至保温浇包内，并浇注成标准拉伸试棒。

本实施例得到的拉伸试棒，样品拉伸断裂后的断口均没有发现夹杂物，而采用行业内常用净化操作(即熔剂精炼操作+静置)得到的拉伸样品则大部分样品其断口存在肉眼即可见的夹杂物。本实施例合金的力学性能稳定且比通常净化方法得到的相同化学成分的合金其力学性能提高10-20％以上。

实施例3

本实施例的镁合金成分如表3所示：

表3

采用图1(b)所示的净化装置；筛网Ⅰ为单层平板状结构，其孔眼尺寸为3mm，板厚为2mm，孔眼间距为5mm；筛网Ⅱ为双层平板状结构，层间距为20mm；其下层孔眼尺寸为2mm，板厚为2mm，孔眼间距为3.5mm；其上层孔眼尺寸为1mm，板厚为2mm，孔眼间距为2mm；将其在炉体内保温760℃待用。采用另外的镁合金熔炼炉得到本实施例的合金熔体，搅拌均匀后800℃保温待用；同时，用另外的熔剂坩埚熔化RJ6熔剂(航标标准熔剂：KCl≈54％；BaCl₂≈15％；CaF₂≈2％；CaCl₂≈24％；NaCl≈4％；MgO≈1％)，其体积量为净化装置总容积的1/2，当熔剂温度达到760℃后启动净化操作如下：①、将熔剂导入同一温度保温的净化装置内；②、随后将800℃保温的镁合金熔体导入腔室Ⅰ内，腔室Ⅰ内镁合金熔体达到一定高度后，会在压力差的作用下依次通过筛网Ⅰ、连通空间、筛网Ⅱ、到达腔室Ⅱ；在这个过程中，镁合金熔体通过筛网结构的孔眼时被强制弥散分布并与环绕包裹的液态熔剂进行充分接触，熔剂会吸附捕获非金属夹杂物，而净化后的镁合金熔体则因密度低而上浮到熔剂表面，逐渐富集到熔体导出腔室Ⅱ的上层空间；③、净化后的镁合金熔体通过熔体导出口导出至保温浇包内，并浇注成标准拉伸试棒。

本实施例得到的拉伸试棒，样品拉伸断裂后的断口均没有发现夹杂物，而采用行业内常用净化操作(即熔剂精炼+静置)得到的拉伸样品则大部分样品其断口存在肉眼即可见的夹杂物。本实施例合金的力学性能稳定且比通常净化方法得到的相同化学成分的合金其力学性能提高10-20％以上。

上述实施例是对本发明进行具体描述，只是对本发明进行进一步说明，而并非将本发明局限于这些特定实施方式。对本领域的技术人员来说，在本发明原理及思路的框架下及权利要求范围内做出的其它变化和改进都应属于本发明的保护范围。

Claims

1.一种净化镁或镁合金熔体的方法，其特征在于：该方法是利用净化镁或镁合金熔体的装置进行，所述净化镁或镁合金熔体的装置包括筒状容器和隔板，其中：所述隔板置于容器内并将容器分隔为腔室Ⅰ和腔室Ⅱ，所述隔板的下部留有使腔室Ⅰ和腔室Ⅱ相连通的通道；所述腔室Ⅰ和腔室Ⅱ的连通口处或其上方分别设置筛网Ⅰ和筛网Ⅱ，或者，仅在腔室Ⅱ的连通口处或其上方设置筛网Ⅱ；所述腔室Ⅱ侧壁上或顶部设置熔体导出口；

所述腔室Ⅰ用于净化前熔剂和熔体的导入腔体；所述腔室Ⅱ用于使熔体的强制弥散分布净化、分层富集及导出；所述筛网Ⅰ和筛网Ⅱ用于将熔体进行强制弥散分布；所述熔剂导入腔室Ⅰ后，熔剂液位高于筛网Ⅱ，保证筛网Ⅱ浸没在液态熔剂内，但熔剂的液位要低于熔体导出口；所述净化镁或镁合金熔体的方法包括如下步骤：

(1)将净化装置放在加热炉体内，升温到设定温度；

(2)将密度大于镁或镁合金的液态熔剂导入净化装置的腔室Ⅰ中，控制熔剂液位要高于筛网Ⅱ，保证筛网Ⅱ浸没在液态熔剂内，但熔剂的液位要低于熔体导出口；

2.根据权利要求1所述的净化镁或镁合金熔体的方法，其特征在于：所述筛网Ⅰ和筛网Ⅱ其结构的孔眼尺寸为0.1mm～200mm，孔眼间距为0.1～200mm；筛网Ⅰ和筛网Ⅱ的结构为平板冲孔或管材冲孔形式，平板筛网厚度或管材筛网的壁厚为0.1～200mm。

3.根据权利要求2所述的净化镁或镁合金熔体的方法，其特征在于：所述筛网Ⅰ和筛网Ⅱ为单层结构或多层叠加结构，多层叠加时层间距为0.1～200mm。

4.根据权利要求1所述的净化镁或镁合金熔体的方法，其特征在于：所述液态熔剂是由一种或若干种化学盐类物质组成。

5.根据权利要求1所述的净化镁或镁合金熔体的方法，其特征在于：熔剂与熔体导入净化装置的方式为：在另外的熔炼炉熔化后导入净化装置，或者将固态的熔剂、镁或镁合金固体块料直接放置于净化装置内熔化。