鎂合金中的雜質(zhì)及凈化技術(shù)

白潔+陳博宇

【摘 要】鎂合金元素在制備過程中由于表面吸附潮氣、水分或者在加入爐料時(shí)引入水分或氧化物，都會(huì)造成一定的雜質(zhì)產(chǎn)生從而影響鎂合金純度。本文將對(duì)鎂合金純度檢測(cè)進(jìn)行論述，通過對(duì)合金中雜質(zhì)成分分析的方法，對(duì)鎂合金中的純凈度進(jìn)行評(píng)價(jià)。鎂合金純凈度檢測(cè)技術(shù)的完善，對(duì)未來提高鎂合金純凈度的發(fā)展有很大的意義。

【關(guān)鍵詞】合金形貌；鑄態(tài)組織；雜質(zhì)原子沉降；熔煉優(yōu)化

一、前言

在當(dāng)前的研究成果中，一般認(rèn)為鎂合金雜質(zhì)主要有兩個(gè)方面的來源：一是類是熔化過程中產(chǎn)生的內(nèi)生雜質(zhì)，這些雜質(zhì)在合金凝固過程中會(huì)形成不同的析出物；另一類則是外生雜質(zhì)，即由于偶然的化學(xué)作用或者是一般的機(jī)械作用下外界在接觸到熔體時(shí)產(chǎn)生。鎂合金中的雜質(zhì)一旦超出一定標(biāo)準(zhǔn)就會(huì)對(duì)鎂合金本身的性能產(chǎn)生嚴(yán)重影響，例如會(huì)降低鎂合金的耐腐蝕性能，或者增加鎂合金脆性。

二、鎂合金中雜質(zhì)的分析

（一）判斷鎂合金熔體中雜質(zhì)元素的動(dòng)力學(xué)特性

在鎂合金熔體中，雜質(zhì)的分布和運(yùn)動(dòng)具有一定的規(guī)律性，因此想要了解鎂合金的純凈度，可以通過對(duì)鎂合金的雜質(zhì)含量進(jìn)行測(cè)算，從而得出判斷。在鎂合金熔體進(jìn)行低溫靜置的過程中，雜質(zhì)顆粒受到溫度、熔體阻力的影響會(huì)出現(xiàn)不斷沉降，并具有向坩堝底部運(yùn)動(dòng)方向性。在雜質(zhì)顆粒的沉降過程中，其沉降速度會(huì)不斷增大，同時(shí)形成一定的聚合。因此在對(duì)雜質(zhì)進(jìn)行評(píng)價(jià)之前，首先要對(duì)鎂合金熔體中雜質(zhì)的運(yùn)動(dòng)規(guī)律進(jìn)行判斷和分析，才能夠使評(píng)價(jià)結(jié)果更加準(zhǔn)確。而判斷分析的主要依據(jù)就是鎂合金熔體中雜質(zhì)顆粒所受到的熔體阻力計(jì)算。在圓球狀雜質(zhì)顆粒的運(yùn)動(dòng)規(guī)律中，可以通過鎂合金熔體的粘度系數(shù)、密度、沉降速度、球體直徑等相關(guān)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)進(jìn)行阻力系數(shù)的計(jì)算，從而得到圓球狀雜質(zhì)顆粒在鎂合金中的阻力情況和運(yùn)動(dòng)規(guī)律，為下一步試驗(yàn)論證做好準(zhǔn)備。

（二）開展實(shí)驗(yàn)論證

實(shí)驗(yàn)器材的準(zhǔn)備中，電阻爐、熔煉坩堝、溫度測(cè)量都是必不可少的內(nèi)容。本文在實(shí)驗(yàn)中選擇了極具代表性的井式電阻爐、氧化鎂材質(zhì)熔煉坩堝以及鎳鉻-鎳硅熱電偶溫度測(cè)量?jī)x，從而保證了實(shí)驗(yàn)過程中雜質(zhì)不會(huì)被二次引入，提升實(shí)驗(yàn)的精準(zhǔn)度。首先將坩堝放置于井式電阻爐中，并接入電熱偶，連接溫度調(diào)節(jié)控制儀。再將坩堝上方進(jìn)行密封，保證氣體不會(huì)對(duì)內(nèi)部產(chǎn)生影響。本文所選用的實(shí)驗(yàn)原料為粗鎂鑄錠，并使其具有鎂錳中間合金形式，選用二氧化碳以及六氟化硫的混合氣體為保護(hù)氣體。首先利用碳化硼以及無水乙醇放置于燒杯中進(jìn)行攪拌，并作為涂料涂抹在坩堝和所使用實(shí)驗(yàn)工具的表面之上，在對(duì)坩堝進(jìn)行150℃的預(yù)熱處理，使涂料涂層的導(dǎo)熱性能、附著強(qiáng)度、耐火性都有所提升。使熔煉合金能夠在坩堝一側(cè)與軸線相平行，再使用線進(jìn)行切割，從而獲取一定規(guī)格的熔煉合金圓柱體，并按照單位要求進(jìn)行分割處理，形成若干圓柱試樣。利用砂紙對(duì)圓柱試樣進(jìn)行水磨，并使用無水乙醇進(jìn)行表面沖洗，再將吹干后的試樣放置于X射線光譜儀下進(jìn)行觀察，從而測(cè)定合金內(nèi)部的成分。

（三）合金元素的成分分析

利用直讀光譜儀對(duì)所制備的圓柱試樣的成分進(jìn)行分析，并在多個(gè)位置進(jìn)行檢測(cè)。通過分析可知，在試樣當(dāng)中，隨著錳元素的不斷增加，鐵元素則不斷減少，而硅元素雖然也呈現(xiàn)出一定的下降趨勢(shì)，但是下降幅度較小，且體現(xiàn)出反復(fù)波動(dòng)的特點(diǎn)。因此可知，隨著錳元素的增加，會(huì)促使鎂合金中鐵元素和硅元素出現(xiàn)一定程度的下降。通過對(duì)鐵、硅含量分析的結(jié)果可知，當(dāng)錳元素含量控制在2.5wt%時(shí)，對(duì)于鎂合金純凈度的提升最佳，而當(dāng)錳元素超過了這個(gè)數(shù)值之后，在EDS能譜圖中可以清晰地看出，鎂合金熔煉坩堝底部的雜質(zhì)開始出現(xiàn)增多現(xiàn)象，且隨著錳的增長(zhǎng)而逐漸增加，同時(shí)還伴隨有大顆粒雜質(zhì)析出。而當(dāng)雜質(zhì)析出越多，表明鎂合金的熔體純凈度就越低。

三、鎂合金純凈度技術(shù)

（一）原材料純度的影響

為了提高鎂合金純度，在合金熔煉過程中，選擇高純度優(yōu)質(zhì)的原料是確保合金熔體純度提升的前提和關(guān)鍵。例如，制備鎂合金的常見原料包括：鋅、鋯、鋁等，往往會(huì)搭配純度高達(dá)99.98%的原鎂進(jìn)行鎂合金制備，從而獲得較高純度的鎂鋁合金、鎂鋅合金、鎂鋯合金等。對(duì)于含有一定雜質(zhì)的合金產(chǎn)品來說，雜質(zhì)去除的工藝往往比較復(fù)雜而且會(huì)增加成本。鎂合金熔體中的雜質(zhì)含量越少，則雜質(zhì)去除工藝難度越大，附加成本也越高。因此在合金生產(chǎn)中，需要決策者將生產(chǎn)要求、生產(chǎn)目的與合金原料選擇、成本控制等諸多因素合理化考量，從而完成實(shí)際生產(chǎn)的效益權(quán)衡。

（二）熔煉工藝的影響

除了原料需要達(dá)到一定標(biāo)準(zhǔn)之外，熔煉工藝的提升也是制備高純度鎂合金的關(guān)鍵。在熔煉鎂合金的過程中，熔煉所選用的工具、設(shè)備以及所選用的熔劑中鐵、硅、錳等元素的多少最終都會(huì)對(duì)鎂合金產(chǎn)品的純凈度產(chǎn)生決定性的影響。因此需要針對(duì)性地對(duì)鎂合金熔煉工藝進(jìn)行優(yōu)化和提升。例如選用新型的熔煉設(shè)備，在熔煉過程中盡量減少熔煉的中間環(huán)節(jié)，從而使雜質(zhì)的帶入環(huán)境得到相應(yīng)的控制，進(jìn)一步通過工藝優(yōu)化使鎂合金的純凈度得以進(jìn)一步提升。就目前的技術(shù)手段來看，優(yōu)化鎂合金熔煉工藝尚處于起步階段，其發(fā)展和提升存在巨大的空間，工藝技術(shù)的研究任重而道遠(yuǎn)。

（三）鎂合金熔體凈化工藝的影響

所謂鎂合金凈化工藝就是通過一定手段將鎂合金中的雜質(zhì)去除，從而提高鎂合金的純凈度。一般來說，鎂合金凈化工藝有物理方法或者是化學(xué)方法兩大類。從技術(shù)層面來講，目前的凈化方法包括：熔劑凈化、氣體保護(hù)凈化和沉降凈化等。其中，熔劑法是目前冶金工業(yè)中最為常見的化學(xué)純凈化方法之一。溶劑法是利用鎂合金中熔劑、鎂熔體、雜質(zhì)界面張力不同來實(shí)現(xiàn)凈化。在一定條件下，鎂熔體中的熔劑會(huì)與雜質(zhì)元素產(chǎn)生反應(yīng)，進(jìn)而生成不熔性的金屬化合物，因此將這類物質(zhì)加入到鎂合金溶液中，可以使鎂合金達(dá)到純凈化的目的。

氣體保護(hù)凈化法是利用氣泡將熔體當(dāng)中的氣體和部分雜質(zhì)去除。一般來說，氣體保護(hù)凈化是向鎂合金熔體表面吹入如二氧化碳、二氧化硫、六氟化硫等氣體作為主要的保護(hù)氣體，在溶液表面形成氣體保護(hù)膜，從而可以避免空氣中氧氣、水蒸氣與鎂合金發(fā)生接觸，從而防止劇烈氧化反應(yīng)的發(fā)生。與此同時(shí)，鎂熔體在分壓差的作用之下，會(huì)使熔體中的氫以均勻分散的特點(diǎn)向氣體內(nèi)擴(kuò)散，形成氣泡，并聚集成為細(xì)小的氣泡群，浮出液面。氣泡在鎂合金中去除氣體的過程中，也會(huì)使雜質(zhì)得到去除。

沉降凈化法是通過靜置的方法，使鎂合金熔體與熔體內(nèi)的雜質(zhì)產(chǎn)生分離。由于普通鎂合金熔體的密度比一般雜質(zhì)小，因此在合金熔煉的標(biāo)準(zhǔn)溫度之下，經(jīng)過一段時(shí)間的靜置，會(huì)使得密度較大的雜質(zhì)向坩堝底部沉降。在實(shí)際操作中，由于雜質(zhì)的體積非常小，因此沉降法無法保證雜質(zhì)能夠在足夠短的時(shí)間內(nèi)完成分離。因此，一般會(huì)選用加入熔劑的方法，利用其吸附作用，使雜質(zhì)集聚，增大體積，促進(jìn)沉降。

四、結(jié)論

鎂合金中的雜質(zhì)除了會(huì)影響鎂合金本身特性之外，還會(huì)對(duì)鎂合金產(chǎn)品質(zhì)量產(chǎn)生影響，過多的雜質(zhì)最終會(huì)造成產(chǎn)品的質(zhì)量成本上升。

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