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1 鎂的熔化和處理( Magnesium Melting and Handling)
‧ 合金的化學性質 (Alloy chemistry )
早在二十世紀八十年代初就引入了 “高純度”這樣一個名詞朮語, 它可以用來描述合金的雜質, 如鐵、鎳和銅含量很低. 由于這些合金的高度抗腐蝕性能. 因此這些合金已變得非常受歡迎, 而且今天還有高純度型式的常用鎂壓鑄合金. 為了讓合金中的鎳和銅含量保持較低水平, 就必須仔細挑選原材料. 另外, 加工熔化金屬所用的設備一定不要含有鎳或銅, 因為鎂的熔化通常是在由鐵或鋼組成的設備中加工, 所以要特別注意熔化金屬中鐵的濃度. 合金錠中鐵含量的高低在合金熔化過程中通過添加錳而控制在0.004%以下. 這种額外添加的金屬与其他合金元素聯合在一起共同使液体中鐵的含量減小. 通過清除金屬間顆粒含有鐵和錳与其他合金元素聯合在一起形成的沉淀和沉淀物的方法清除過多的鐵. 經過這樣的處理之后, 在所選的鑄造溫度條件下鐵在合金錠中就處于飽和狀態. 這樣, 如果避免過高的溫度變化, 并維持极小的錳含量, 那么壓鑄車間里合金錠的熔化就不會導致被拾取.目前壓鑄机使用各種各樣的熔化, 運輸及計量熔化金屬的体系. 當液体金屬通過這些系統時, 就會經受复雜的熱加工, 最終變成成品. 溫度的變化會影響合金的化學性質.
金屬的清潔度 (metal cleanliness )
商用鎂合金會含有不同的金屬間和非金屬間化合而成的夾雜物. 為了確定合金清潔度, 已根据過濾一定數量的金屬并測量收集在過濾器(圖示3-13)上的過濾物開發出了金屬品質評估技朮. 使用此設備測量, 在合金錠中發現了各种類型的夾雜物, 如表格3-13所示.
熔化設備的設計 ( Design of melting equipment )
供應壓鑄的鎂合金錠一般都是4-12千克重. 在壓鑄車間, 合金錠被預熱并熔化, 然后把熔化金屬傳送到壓鑄机上. 就冷室机而言, 需要一台單獨的計量机(或手動鑄勺)給壓鑄机供料, 為保証高質量熔化合金以准確的數量和鑄造溫度供給壓鑄机, 正確、安全的操作程序是极端重要的.
很多年以來, 鎂合金錠都是人工加入熔化爐中而且熔化鎂是用手工鑄勺舀到壓鑄机上. 在熔化金屬表面上使用具有保護作用的化渣粉以防止氧化, 鎂合金錠通常放在熔爐頂部預熱. 質量更高的鑄件以及熔化金屬更安全和更少的人工操作的要求已產生了高度自動化的設備, 具匯集作用的熔化裝置, 可以購得的熔化裝置一般是一台熔化裝置為一台壓鑄机給料. 也就是一台熔化裝置是各壓鑄机在作業中所必需的. 使用化渣粉起保護作用基本上全部被使用含有六氟化硫或二氧化硫的混合保護氣所代替.
— 合金錠的預熱和加料 (Ingot preheating and charging )
合金錠在加到熔化金屬中之前應至少預熱到150°C, 以防潮氣進入液体金屬中, 當前在使用之中的預熱裝置很多, 既有電爐, 也有燃气/油爐. 自動把合金錠加入熔化金屬中要盡可能使熔爐中的金屬保持一個穩定的高度. 這樣可以改善金屬表面的保護作用, 因為液体金屬表面的高度頻繁波動會在坩堝壁上留下金屬殘余物, 引起氧化物堆積和結疤. 另外, 液体金屬高度下降會消耗掉更多的保護氣体.
— 熔化和混合爐 (Melting and holding furaces)
鎂在熔爐中通過電阻、電感、油或气的加熱方法熔化. 燃氣爐在美國廣泛使用, 因為氣体的成本相當低. 可是缺點也不少. 例如: 由于受熱部位起皮, 加劇了坩堝磨損. 由于潮氣形成的高濕使電阻加熱爐的使用迅猛增加. 在歐洲電阻加熱爐一直處于优勢. 電阻加熱爐操作技朮簡單, 而且溫度控制精確. 熱電偶既可定位于熔化金屬之中, 又可定位于供熱元件附近, 以防過熱.
電阻加熱爐包括一個外部的鋼罩和含有懸挂電阻線的陶瓷絕緣層. 可以使用各种類型的陶瓷材料. 在選擇材料時, 應當考慮材料的熱傳導性、比熱和密度. 重要的是要注意含硅高的陶瓷會和熔化鎂劇烈反應. 高硅陶瓷不應用于直接和熔化鎂的設備上.
為了避免熔化金屬溢出, 一個由鋼制成的安全容器應和熔爐結合在一起承接萬一坩堝破裂流出的金屬.
熔爐設計的祥情各個供應商都有變化. 對于有效的熔爐設計來說, 熔化鎂合金所消耗的能量(包括預熱)大約是每1000千克的金屬熔化需400到500千瓦時, 理論上最低能量是310千瓦時, 把合金錠預熱到150°C需要消耗總体能量的15%.
— 坩堝(Crucibles)
坩堝一般由碳素鋼或無鎳低合金鋼鑄造或軋制而成. 對于耐熔化性能, 坩堝的外側容易受到耐熱元素的影響. 而且為了防止起皮, 可以使用耐熱不鏽鋼外包層. 除過增加坩堝的壽命外, 這樣還能預防熔爐底部結疤聚集. 假如金屬泄漏將是有害的. 有一种外包層的替代方法是使用前把坩浸入熔化鋁中給坩堝塗上一層鋁.
坩堝應定期檢驗, 具有代表性的是一個季度一次. 應建立坩堝報廢的標准. 習慣上當坩堝壁厚減少到小于原有厚度一半時就要報廢. 目視檢驗還應包括坩堝內、外表面裂痕的探測. 檢驗前應清除任何一處出現的結疤. 每一個坩堝都應有一張檔案卡片, 祥細記錄諸如使用時間, 壁厚測量值, 修理等信息.
— 坩堝面蓋 (Cover lids )
為防翹曲變形, 面蓋應用至少10mm厚的鋼板作成. 翹曲的面蓋會引起保護氣体泄漏, 從而增加了保護氣体的消耗. 蓋子還可以用肋材加固. 在坩堝和面蓋之間應使用耐火纖維襯墊.
在坩堝蓋上必須給熔化金屬的檢驗和清潔開口, 并給添加合金錠, 插入導管、熱電偶、計量裝置等留下開口的地方, 建議使用水平滑動的開口, 因為當開口打開時保護气体損失較少, 為防止空氣進入一定要密封開口, 而且在關閉開口之前應清除溢出的金屬.
— 熔化金屬表面的保護 (Melt surface protection)
從保護性的化渣粉(熔鹽混合物)到無化渣粉的熔化變化, 借助的是含有SF6或SO2混合氣体, 它代表著鎂壓鑄業的主要進步. 無化渣粉的熔化優點包括沉渣減少, 且損失更少的金屬, 鑄件中沒有化渣粉的污染, 改善了鑄造車間內的大氣環境. 六氟化硫和空氣的混合氣体中, 六氟化硫正常使用的体積占0.2%, 還可以使用或不使用二氧化碳氣体. 可是對于密封很好的熔爐來說, 六氟化硫的濃度可以減少到0.1%. 為避免坩堝上的腐蝕和磨損, 并且減少氣体的消耗量, 空氣應干燥到水分按体積小于0.1%. 如果所用六氟化硫的濃度高于0.5%, 那么就會發生坩堝磨損現象, 特別在高溫條件下更甚. 如果六氟化硫的濃度超過百分之几, 那么坩堝內就會發生劇烈的反應(爆炸). 這樣, 氣体混合必須仔細控制并應使用混合氣体的失效警報裝置. 有蓋的坩堝不應使用純淨的六氟化硫.
含有六氟化硫的保護性混合氣体相當昂貴, 而且六氟化硫還產生溫室效應, 所以它的排放應盡量降低, 為了減小氣体的消耗量, 氣体導入管應為鋼導管, 固定在蓋子下面, 使气体進入坩堝內. 導管按一定的間隔應有數個直徑為1mm的排氣口. 為保証金屬的有效保護, 金屬的表面高度應接近氣体分布導管. 金屬的高度在坩堝蓋下面100mm, 建議排氣口的氣体速度為5-10米/秒. 為保証氣体均勻分布, 表格3-14給出了建議數值. 如果一個混合氣點給几個熔爐供气, 那么各個熔爐都必須使用一個流量控制裝置.
熔化金屬的運輸和計量 ( Transport and metering of molten metal )
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圖示3-14. 傳送導管和計量泵
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傳送導管
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計量泵
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混合爐
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熔爐
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壓鑄机
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無閥式傳送導管(靠重力作用)和計量裝置像排氣泵一樣使用(圖示3-14)
— 輔助設備 (Auxiliary equipment )
鎂合金熔化設備的日常操作要求各种工具和設施:
– 化學分析壓鑄樣板的模具
– 一把抽樣金屬的小鑄勺
– 清除表面浮渣的撇渣工具
– 從坩堝底部清除沉渣的工具
– 裝有蓋的鋼制容器, 通過比蓋供應保護性氣体.
此容器用來收集浮渣和沉渣. 容器最好是能夠快速冷卻浮渣和沉渣.
— 實際操作 ( Practical operation )
鎂合金熔化期間不使用化渣粉, 會在金屬表面形成一層浮渣. 這層浮渣必須定期清除. 清除浮渣的間隔長短有賴于進給材料的質量和預熱, 熔爐的設計和熔化金屬的生產量. 當熔化的合金錠品質良好時, 每天清理一次液体金屬表面就足夠了, 然而熔化較低等級的材料時, 如壓鑄操作過程中產生的水口料和垃圾位, 就需要頻頻清除浮渣. 定期仔細清除坩堝壁上的殘留物是非常重要的. 殘留物在坩堝壁上過量堆積會引起劇烈反應.
熔爐底部形成的沉渣是由于溫度變化太大導致表面金屬氧化(燃燒)和/或金屬間顆粒形成沉淀. 隨著操作過程的優化, 沉渣的數量會降低, 而且建議每次清潔表面時都要檢查一下沉渣的狀況, 因為沉渣的堆積會降低熔爐的熔化能力, 還會引起鑄造問題, 對于熱室机來說, 要求合理設計工具以便在鵝頸下面就清除沉渣.
為檢驗和清潔液体金屬表面而打開坩堝蓋上的開口時, 就會干扰坩堝內的保護氣体. 這樣, 清潔液体金屬表面時就必須使用附加的供氣裝置.
清除出來的浮渣和沉渣在空氣中會著火, 因此應存放在有少量保護氣体的密封容器內. 在坩堝內用過的工具用過之后也要放于密封容器內, 防止殘留金屬著火. 一般來說沒有必要給工具供應保護性的氣体.
控制熔化金屬溫度所用的熱電偶應定期檢查避免過熱. 熔化金屬過熱會使合金的化學成分偏离規格, 因為鐵含量會增加, 再把熔化合金降回到鑄造溫度又會引起錳沉淀, 剩余的錳含量就會降到規定的最小值以下.
如果在周未停机(或其他時間停机)金屬溫度下降時, 合金液相溫度和它的起始熔化溫度(大約400-600°C)之間的溫度范圍應避免. 在這樣一個溫度范圍內, 一少部分熔化金屬的鋁含量升高, 導致鋼制坩堝受到腐蝕.
清潔和檢驗之前, 坩堝內的金屬必須被倒空. 建議此時應并排放著二個坩堝。 熔化金屬在氣体的保護下要么使用人工鑄勺﹐ 要么使用抽吸泵裝置從舊坩堝內傳送到新的、清潔的并預熱的坩堝內。
使用空坩堝時建議蓋上坩堝蓋子﹐并開始預熱前在冷坩堝內要裝置滿合金錠. 當合金錠開始熔化時, 必須提供保護性的氣体, 合金錠完全熔化時, 可以多添加几塊已預熱過的金屬使熔化金屬的高度達到要求的高度.
— 設備的清潔 ( Cleaning of equipment )
用來熔化鎂合金的所有坩堝用完之后都會有殘留金屬留在坩堝上, 熔化金屬過程中所用的每件工具也是如此. 這些殘留鎂可以用鹽酸和水稀釋成1:10的酸溶液清除掉. 而導管中的殘留鎂則通過泵入酸溶液流經導管后清除掉, 用鹽酸清潔會有氫氣形成, 必須注意通風.
— 再循環 ( Recycling )
所有常用的鎂壓鑄合金都可以再循環. 選擇合适的再循環工藝過程, 不同類型的回爐廢料都可以恢复到原有的金屬質量. 回爐廢料由垃圾位、直澆口、流道、批鋒、溢流槽、浮渣、沉渣、廢品、服役期滿的舊部件組成. 在這些回爐廢料中, 廢品、垃圾位、直澆口和流道最容易再循環, 因為它們相當干淨且無氧化物. 加工碎屑、批鋒、溢流槽、浮渣和沉渣都含有相當多的氧化物并要求在再循環期間特別注意. 服役期滿的舊部件在大多數情況下都會覆蓋一層油或油漆, 必須在熔化前清除掉. 另外, 必須注意避免鑄件中的襯套等金屬污染.
在當前所使用的各种再循環工藝過程中, 有使用精煉化渣粉的方法和不用化渣粉的方法兩种. 回爐廢料首先在有化渣粉保護的情況下熔化, 然而使用和原始金屬相同的精煉和鑄造熔爐里精煉, 最終的產品符合原始金屬所有的規格, 而且最終鑄件的特性与原始金屬產生出來的特性難以區分.
今天, 有很少几家壓鑄廠自己搞回爐廢料的再冶煉工作. 一般來說, 這樣的操作包括環境控制在內的資金成本相當高, 不會吸引人們投資, 為保証同一冶煉系統中冶煉出來的金屬質量, 還要求有特殊的設備.
— 安全注意事項 ( Safety precautions )
在熔化金屬的操作過程中, 由于劇烈操作或金屬与潮氣發生反應, 都會發生金屬飛濺現象. 這樣 ﹐操作者必須受到不可燃燒的衣服和鞋、頭盔、防護眼鏡及面罩的保護. 所有加料到熔化金屬中的合金錠都必須預熱到150°C, 所有在熔化金屬中使用的工具都必須是干燥的并經預熱的. 如果在熔化金屬中使用空心工具, 那么這些工具一定不能夾附著潮氣, 不然會引起熔化金屬爆炸.
熔化金屬可能飛濺的地方都應使用收集熔化金屬偶然飛濺的安全容器. 這樣的安全容器應用在各個含有熔化金屬的熔爐下面, 以及壓鑄机上壓射司筒和模具的下面. 熔化金屬飛濺到混凝土地板上時由于吸取了地板中的潮氣, 因此會發生劇烈的反應.
假如熔化金屬著火手邊應有滅火劑, 滅火劑可以是100%的干砂或化渣粉, 蓋在燃火表面, 這樣可以防止与空氣中的氧氣接觸. D型滅火劑可供鎂著火時使用, 千萬不能使用水、泡沫、二氧化碳和四氯化碳.
壓鑄鎂的其他信息可在NADCA的出版物#201中找到. NADCA匠鎂壓鑄手冊, 其网址是WWW. diecasting.org.
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