鎂合金熔模鑄造技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀（二）

2.3阻燃方法

　　在鎂合金熔模鑄造過程中，除了氣體保護(hù)阻燃劑外，不同的阻燃劑還可以抑制鎂合金與殼體之間的反應(yīng)。氟釋放抑制劑KBF4和NaBF4已成功應(yīng)用于鎂合金砂型鑄造。它們將在高溫下分解保護(hù)氣體三氟化硼(BF3)，以防止熔融鎂的氧化或燃燒。IDRIS  M等研究了KBF4對鎂殼反應(yīng)的抑制作用。他將質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為2%、4%、6%、8%、10%、20%、30%、40%和50%的KBF4混合成由硅酸鋁和硅酸乙酯組成的漿料，防止貝殼與ZRE1鎂合金發(fā)生反應(yīng)。然而，結(jié)果并不理想。原因是KBF4在鑄造前的高溫烘烤過程中已經(jīng)分解，所以分解后的抑制劑在鑄造過程中沒有作用。

　　CINGI  C等還使用KBF4作為抑制劑，防止AZ91E合金與硅溶膠鋁硅酸鹽殼發(fā)生反應(yīng)。他通過兩種方式將KBF4加入殼中，一種是在殼的一層和第三層填充抑制劑；另一種是預(yù)熱前將外殼埋在緩蝕劑中。這兩種方法都不能阻止金屬殼反應(yīng)。為了探索抑制劑的好使用方法，CINGI  C將模具外殼浸入NaBF4水溶液中，然后用絕緣棉包裹，防止氣體逸出，預(yù)熱至450。澆注后，由于BF3的保護(hù)作用，只發(fā)生輕微的界面反應(yīng)或不發(fā)生界面反應(yīng)。

　　HERRERO-DORCA  N等以Al2O3表面層和SiO2背層為粘結(jié)劑，通過熔模鑄造AZ91E鎂合金，研究了KBF4、NaBF4和FK三種阻燃劑。在預(yù)熱之前，將模殼浸入KBF4和NaBF4的水溶液以及FK溶液中。結(jié)果表明，使用NaBF4可以減緩金屬與型殼的界面反應(yīng)。其中，KBF4最為有效。雖然鑄件的表面光潔度很差，但仍會出現(xiàn)一些殼金屬反應(yīng)。然而，由于殼型材料的反應(yīng)和熱分解，破壞了KF的阻燃效果。

　　在表面涂層中加入了碳粉、硫鐵礦粉和硼酸阻燃劑，希望防止?jié)沧r熔體與型殼發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，進(jìn)而防止熔模鑄造本身的氧化燃燒反應(yīng)。試驗中，表面層耐火材料采用剛玉粉，阻燃劑(碳粉、硫鐵礦粉、硼酸等)。)加入，硅酸乙酯用作粘合劑。將模殼預(yù)熱至250，在730澆注。測試結(jié)果表明，三種阻燃劑均具有防止金屬型殼反應(yīng)的效果，其中硫酸粉效果比較好，碳粉次之，硼酸最差。筆者分析認(rèn)為，硼酸阻燃效果差的主要原因是硼酸與硅酸膠體在焙燒過程中反應(yīng)生成無機(jī)化合物，失去了阻燃效果。然后在模殼內(nèi)壁灌注一薄層硼酸，研究不同濃度硼酸溶液的阻燃效果。結(jié)果表明，隨著硼酸溶液濃度的增加，阻燃效果增強(qiáng)，溶液達(dá)到飽和時阻燃效果良好。硼酸的阻燃機(jī)理是硼酸受熱會失水變成偏硼酸，隨著溫度升高會繼續(xù)失水變成高硼酸H2B4O7。當(dāng)溫度再次升高時，它會失去水分，最終變成硼酐，在后續(xù)的高溫焙燒和澆鑄過程中，硼酐會以熔融狀態(tài)溶解MgO，形成3MgOB2 O3的搪瓷膜，起到防止反應(yīng)和阻燃的作用。LOPES  V等采用Y2O3作為殼體的涂層，研究了鑄造過程中AZ91D-1co鎂合金與具有Y2O3涂層的殼體的界面反應(yīng)。表層內(nèi)壁采用Y2O3作為涂層，有效防止了AZ91D-1co合金熔模鑄造中的殼-金屬反應(yīng)，獲得了表面光滑的薄壁鑄件。由于高溫澆注時殼體與金屬之間的熱循環(huán)，涂層的完整性和附著力受到一定程度的破壞，因此方法仍需改進(jìn)。

　　我公司還采用Y2O3作為殼體表面內(nèi)壁涂層，成功抑制了鎂液與殼體的界面反應(yīng)。圖1是通過傳統(tǒng)砂型鑄造和熔模鑄造獲得的鑄件。可以看出，熔模鑄造獲得的鑄件表面質(zhì)量良好，表面沒有發(fā)現(xiàn)金屬-殼體界面反應(yīng)引起的缺陷。與砂型鑄造相比，精密鑄造棱角分明，尺寸精度更高。

模具熔模鑄造

　　2.4選擇合適的模板材料

　　從熱力學(xué)角度來看，化合物的Ghips自由能越低，它就越穩(wěn)定。圖2是簡單氧化物材料的Ellingham圖?？梢钥闯?，當(dāng)溫度低于1000時，除BeO外，所有氧化物的吉布斯自由能都高于MgO。這說明無論用哪種氧化物制作型殼，鎂液都會在金屬-型殼界面與其發(fā)生反應(yīng)。圖3是三元氧化物材料的Ellingham圖。從圖4中很容易看出，鋁硅耐火材料的自由能高于MgO，因此它們?nèi)菀着c鎂反應(yīng)形成更穩(wěn)定的含鎂化合物。由此分析，無論選用哪種耐火材料制作殼體，都無法避免與鎂的界面反應(yīng)。

　　IDRIS  M  H  .等研究了在ZRE1鎂合金熔煉和鑄造過程中，采用不同耐火材料制作殼體抑制金屬反應(yīng)的效果。耐火材料選用MgO、CaO、CaCO3、石墨、SiC和無水硫酸鈣(石膏)，澆注溫度700~780。結(jié)果表明，這些殼層與金屬發(fā)生界面反應(yīng)。MgO、CaO和CaCO3在澆注過程中燃燒分解，硅酸乙酯粘結(jié)劑與熔融金屬發(fā)生反應(yīng)。雖然石墨和碳化硅外殼保存完好，但含硅粘合劑也會與金屬發(fā)生反應(yīng)。石膏型鑄件表面粗糙，說明也發(fā)生了界面反應(yīng)。

　　三元氧化物材料的艾林厄姆圖

　　KIM  S等人分別用Al2O3硅溶膠、ZrSiO4硅溶膠、CaZrO3無硅粘結(jié)劑和CaO乙醇氯化鈣制備了殼體，并比較了不同材料殼體在鑄造過程中熱穩(wěn)定性的金屬界面反應(yīng)。結(jié)果表明，殼層材料的熱穩(wěn)定性順序為Cao  <zrsio4 <zrsio4 <cazro3。鑄造型殼溫度低于400時，Al2O3、ZrSiO4和CaZrO3型殼不發(fā)生反應(yīng)，而Al2O3和ZrSiO4在600時發(fā)生界面反應(yīng)，而CaZrO3型殼不發(fā)生反應(yīng)，表明無硅型殼具有較好的熱穩(wěn)定性。對于CaO殼，即使在室溫下，也會發(fā)生嚴(yán)重的金屬-殼反應(yīng)。從圖2可以看出，CaO的Ghips自由能較低，是一種相對穩(wěn)定的殼材料，但測試結(jié)果表明，CaO的穩(wěn)定性最差，這主要是由于CaO材料在空氣中容易吸水造成的。VYAS  A  V等從潤濕性的角度研究了用Al2O3和ZrSiO4作為耐火材料制作殼體時的界面反應(yīng)，發(fā)現(xiàn)AZ91鎂合金對ZrSiO4的潤濕性優(yōu)于Al2O3，使得鑄造過程中鎂合金與ZrSiO4殼體(38%)的界面反應(yīng)面積大于Al2O3殼體(16%)。

　　LUN  SIN  S等研究了澆注溫度和殼層溫度對AZ91D-殼層界面反應(yīng)的影響。認(rèn)為澆注溫度對界面反應(yīng)沒有顯著影響，但界面反應(yīng)強(qiáng)度隨著殼體溫度的升高而增加。

　　鎂合金熔模鑄造的研究大多采用傳統(tǒng)的工藝流程，大多集中在金屬與型殼的界面反應(yīng)上。HASSAN  J  .等將原位熔融技術(shù)應(yīng)用于鎂合金熔模鑄造，以ZrSiO4硅溶膠為型殼，型殼厚度分別為7~8 mm和3~4 mm。然后，將AZ91D鎂合金碎片(長4~5毫米，寬1.5~2毫米，厚0.8~1.2毫米)和精煉劑(氯化鎂、KCl和氟化鈣)放入制備好的型殼中，用電阻加熱爐在氬氣氣氛下將型殼和型殼中的合金加熱到650~775。結(jié)果發(fā)現(xiàn)。使用精煉劑不僅可以降低合金的熔化溫度，而且可以獲得表面質(zhì)量更好的鑄件。同時，較薄的殼層使合金的凝固速度更快，有利于合金碎片的原位熔化。650熔煉適合鎂合金，也有助于抑制合金與型殼的反應(yīng)，獲得更好的表面質(zhì)量。

模具熔模鑄造

　3結(jié)論

　　鎂合金具有優(yōu)異的性能和豐富的資源儲備，在航空航天領(lǐng)域有著廣闊的應(yīng)用前景。經(jīng)過近百年的發(fā)展，各種航空航天用鎂合金系列已經(jīng)開發(fā)出來，并應(yīng)用于各種軍用和民用航空飛機(jī)零部件。除了材料本身的研究，鎂合金鑄造工藝的研究也很重要。許多航空航天飛行器中使用的零件具有復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，具有多個管道和多個狹窄的空腔。與傳統(tǒng)砂型鑄造相比，熔模精密鑄造不僅可以達(dá)到同等的性能要求，而且可以獲得更高的表面質(zhì)量和尺寸精度。它是一種特殊的鑄造工藝，符合高效、節(jié)能、低成本的要求。因此，研究鎂合金熔模鑄造工藝對促進(jìn)鎂合金的應(yīng)用具有重要意義。