鎂合金砂型鑄造阻燃技術(shù)研究進(jìn)展

鄒文兵 余國(guó)康 趙信毅 李中權(quán) 張旭亮 吳曉松

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鎂合金砂型鑄造阻燃技術(shù)研究進(jìn)展

鄒文兵1余國(guó)康1趙信毅2李中權(quán)1張旭亮1吳曉松1

（1. 上海航天精密機(jī)械研究所，上海201600 ；2. 哈爾濱工業(yè)大學(xué)，哈爾濱 150001）

從熔煉過程和鑄造充型凝固過程兩個(gè)方面介紹了鎂合金阻燃技術(shù)的研究現(xiàn)狀。簡(jiǎn)要闡述了熔劑保護(hù)技術(shù)、氣體保護(hù)技術(shù)以及合金化阻燃的阻燃機(jī)理和常見工藝。分析了鑄造充型凝固過程阻燃與熔煉過程阻燃的差別與聯(lián)系，并指出了現(xiàn)有工藝在航天樹脂砂型鎂合金鑄造阻燃方面的局限性。最后分析指出了航天樹脂砂鎂合金鑄造阻燃技術(shù)的研究思路和方向。

鎂合金；鑄造；阻燃

1 引言

隨著航天航空工業(yè)的發(fā)展，對(duì)構(gòu)件輕量化的要求越來越高。鎂合金構(gòu)件的應(yīng)用也越來越廣泛，且構(gòu)件結(jié)構(gòu)趨于大型化、復(fù)雜化，結(jié)構(gòu)功能一體化。為了滿足鑄件的性能及尺寸要求，普遍采用樹脂砂反重力鑄造成形。然而，樹脂砂型放氣量大且成分復(fù)雜，易與鎂合金發(fā)生氧化反應(yīng)引起燃燒。目前，還未能徹底解決鎂合金燃燒問題[1，2]，鑄造過程阻燃已成為制約高性能鎂合金鑄件生產(chǎn)的關(guān)鍵技術(shù)瓶頸及安全隱患。

航天鎂合金鑄造過程阻燃包括熔煉過程中的阻燃和充型凝固過程中的阻燃兩個(gè)方面。目前，大部分的研究工作圍繞著熔煉過程中的阻燃技術(shù)及阻燃機(jī)理展開。盡管有些熔煉過程的阻燃技術(shù)亦可應(yīng)用于充型凝固過程的阻燃，如氣體保護(hù)技術(shù)。但是熔煉過程的阻燃沒有考慮合金液與鑄型之間的相互作用，因而與實(shí)際生產(chǎn)有較大差別。分別介紹鎂合金熔煉過程和充型凝固過程的阻燃技術(shù)。

2 熔煉過程保護(hù)

2.1 熔劑阻燃

鎂合金熔煉過程熔劑保護(hù)是利用低熔點(diǎn)無(wú)機(jī)化合物融化后形成液態(tài)保護(hù)，隔離合金液與空氣，從而避免燃燒。目前國(guó)內(nèi)常用的保護(hù)熔劑是RJ系列熔劑，其中用得最為廣泛的是RJ-2熔劑，主要組成物為MgCl2、NaCl、KCl、BaCl2、CaF2等。熔劑法能有效阻燃，但同時(shí)帶來二次污染、設(shè)備腐蝕，冶金品質(zhì)下降等問題，尋求新的工藝替代熔劑保護(hù)法是鎂合金鑄造生產(chǎn)中的重要研究方向[3]。

2.2 氣體阻燃

2.2.1 惰性氣體保護(hù)

并不是所有的惰性氣體均能作為鎂合金熔體的保護(hù)氣。常見的惰性氣體N2可與鎂發(fā)生反應(yīng)，鎂與氮?dú)獾幕瘜W(xué)反應(yīng)方程式為：

3Mg+N2=Mg3N2（1）

Mg3N2膜并不能阻止鎂合金繼續(xù)燃燒。Mg與Ar不發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，可作為保護(hù)氣使用。但由于在Ar保護(hù)條件下，鎂合金表面不能形成致密的保護(hù)膜，Mg蒸氣可以不斷蒸發(fā)，故不宜將純Ar作為鎂合金熔體的保護(hù)氣體。可以加入少量的SO2、BF2等，通過其與鎂合金反應(yīng)形成的致密氧化物膜阻止Mg的蒸發(fā)。

2.2.2 反應(yīng)性氣體保護(hù)

反應(yīng)性氣體保護(hù)依靠特定氣氛與鎂合金反應(yīng)形成能阻止鎂合金繼續(xù)燃燒的氧化膜層。常用的反應(yīng)性保護(hù)氣體有CO2、SO2和含F(xiàn)氣體等。

2001年，Simon P. Cashion等人[5]提出用HFC-134a（即四氟乙烷（1,1,1,2-tetrafluoroethane），又稱R134A制冷劑）作為阻燃保護(hù)氣體。在熔煉和鑄造溫度下，HFC-134a比SF6有更好的阻燃效果[6～9]。此外，HFC-134a與鎂合金形成的表面膜表現(xiàn)出了明顯的“殘留效應(yīng)”（Residual Effect），在混合氣體消失后還能有較長(zhǎng)時(shí)間的阻燃保護(hù)效果。

2.3 合金化阻燃

目前，研究發(fā)現(xiàn)的主要阻燃合金化元素有Ca、Be、Zn、RE等，合金元素能使得合金表面形成致密的氧化膜，達(dá)到阻燃效果。除了上述加入單一的合金化元素外，為了提高阻燃效果的同時(shí)獲得良好的力學(xué)性能，往往向鎂合金中加入混合元素，如Ce和Ca混合[10]，Be、Si 和RE混合，Be、Ca混合[11]等。稀土元素能夠細(xì)化鎂合金晶粒，提高其室溫及高溫力學(xué)性能，因此大量研究工作圍繞稀土元素展開。研究表明Ce、La、Y等稀土元素均能形成含稀土的化合物，提高氧化層致密性，具有良好的阻燃效果，如Mg-2.89Y-4.41Ce液態(tài)合金能在900℃無(wú)保護(hù)0.5h而不發(fā)生燃燒[12，13]。

3 鑄造過程的阻燃

鑄造過程中型腔內(nèi)氣氛常與鎂合金反應(yīng)引起燃燒，因此在鑄造過程中也必須采取必要的阻燃措施。

為了隔絕鎂合金與氧氣反應(yīng)，如英國(guó)的Kirk Precision公司以及美國(guó)的White Metal Casting 公司采用的熱室壓鑄機(jī)均使用Ar氣保護(hù)[14，15]，航天大型鎂合金鑄件均采用砂型，無(wú)法實(shí)現(xiàn)熱室鑄造，但是可以借鑒冷室工藝，利用Ar2保護(hù)進(jìn)行澆注。除了Ar2外，還可采用CO2/SF6保護(hù)氣等。但是在生產(chǎn)中，這些保護(hù)氣體會(huì)污染環(huán)境，而且難于操作。

傳統(tǒng)的阻燃方式適用范圍有限，對(duì)于航天大型鎂合金鑄件凝固過程的燃燒問題，尚無(wú)可靠的工藝方法。其根本原因在于，樹脂砂鑄造的起燃機(jī)理目前還不明確。型腔內(nèi)的氧化起燃過程又無(wú)法直接觀察，給研究工作增添了阻礙。

圖1 熱沖擊條件下PEP-SET樹脂砂發(fā)氣濃度變化

哈爾濱工業(yè)大學(xué)與上海航天精密機(jī)械研究所合作，率先開展了針對(duì)大型鎂合金鑄件鑄造過程燃燒問題的研究。從鑄件氧化起燃機(jī)理出發(fā)，期望獲得科學(xué)可靠的阻燃技術(shù)。首先利用傅里葉變換紅外光譜技術(shù)對(duì)航天大型鎂合金鑄造常用的PEP-SET樹脂砂的熱分解過程進(jìn)行了研究，以明確型腔氣氛變化規(guī)律。如圖1所示，為不同熱沖擊溫度下，PEP-SET樹脂砂不同氣體成分濃度變化。檢測(cè)結(jié)果表明，主要型腔熱分解氣氛為CO2、CO、NO、CH4和C2H6。且樹脂砂熱分解逸出的氣氛遵循固定順序：首先是NO、CO和CO2，當(dāng)該三種氣體逸出速率達(dá)到峰值后，CH4和C2H6濃度升高，NO等氣體濃度下降。

搭建的實(shí)驗(yàn)裝置如圖2所示，通過控制反應(yīng)室內(nèi)的氣氛和溫度模擬合金熔體在型腔內(nèi)所處的環(huán)境，實(shí)現(xiàn)了對(duì)型腔內(nèi)熔體氧化起燃過程的直接觀察和研究。如圖3所示，為純鎂在PEP-SET樹脂砂熱解氣氛下，不同溫度和保溫時(shí)間形成表面氧化物形貌及厚度變化情況。目前已明確了樹脂砂型腔內(nèi)的氣氛變化規(guī)律，掌握了Mg-Al系、Mg-RE系、Mg-Zn系合金在該氣氛下的氧化起燃過程。

圖2 鎂合金型腔內(nèi)氧化起燃研究裝置

基于上述研究成果，特別針對(duì)樹脂砂鑄造過程，提出了基于阻燃的鑄件熱節(jié)控制、型腔氣氛主動(dòng)控制等工藝思路，從根本上抑制鎂合金熔體在鑄造過程中的氧化起燃。

4 結(jié)束語(yǔ)

目前鎂合金阻燃技術(shù)研究主要針對(duì)熔煉過程展開，鑄造充型與凝固過程阻燃研究還十分欠缺。特別是航天大型鎂合金樹脂砂鑄造過程的燃燒問題亟待解決。對(duì)于鑄造充型凝固過程阻燃技術(shù)研究，應(yīng)從其起燃機(jī)理入手，掌握起燃的氣氛條件和溫度條件，明確起燃的動(dòng)力學(xué)過程，才能有的放矢，提出科學(xué)有效的阻燃工藝方案，這是未來航天復(fù)雜鎂合金鑄件成型過程阻燃工藝的研究途徑與方向。

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Reseach Progress of Magnesium Alloy Sand Casting Flame Retardant Technology

Zou Wenbing1Yu Guokang1Zhao Xinyi2Li Zhongquan1Zhang Xuliang1Wu Xiaosong1

(1. Shanghai Spaceflight Precision Machinery Institute, Shanghai 201600;2. Harbin Institute of Technology, Harbin 150001)

Research progress of magnesium alloy flame retardant technology was summarized on smelting and solidification processes. Discussions about the mechanism of flux protection act, gas protection act, flame retardant alloying method and related processing were conducted. Introduced the research progress of flame retardant technology during the filling and solidification process of die casting, shell mold casting and coated sand casting process. The limitations of the usage of these technologies in aerospace magnesium alloy resin-bonded sand casting were pointed out, and the research ideas and methods in this field were put forward.

magnesium alloy；foundry；flame retardant

中國(guó)航天科技集團(tuán)公司航天科技創(chuàng)新基金資助項(xiàng)目。

鄒文兵（1986-），碩士，材料加工工程專業(yè)；研究方向：新型鎂合金材料研發(fā)及鑄造工藝。

2017-03-31