鎂合金壓鑄周邊設(shè)備

   鎂合金壓鑄由于在一些方面不同于鋁合金壓鑄，除了壓鑄主機(jī)在一些方面有所特殊要求外，在周邊設(shè)備上也有一些不同，比如鎂合金的熔爐和普通的鋁合金熔爐不同，鎂合金壓鑄在大多數(shù)情況下要使用模溫機(jī)，等等。取件機(jī)械手、噴霧機(jī)械手的配套和使用，可以降低操作者的勞動(dòng)強(qiáng)度，改善工作環(huán)境、提高工作效率。周邊設(shè)備的使用，也為壓鑄的自動(dòng)化生產(chǎn)的實(shí)現(xiàn)提供了條件，可以提高壓鑄生產(chǎn)的自動(dòng)化生產(chǎn)水平，降低人為因素對(duì)壓鑄工藝的影響。

1.1鎂合金熔煉爐

由于鎂合金的熔煉過(guò)程中不但要防止氧化，還要具備避免燃燒、爆炸等安全措施，鎂合金的熔煉必須在保護(hù)的氣氛下進(jìn)行，因此，鎂合金壓鑄需要配備特殊的熔爐，熔煉也是鎂合金壓鑄中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。對(duì)于熱室機(jī)來(lái)說(shuō)，除了要滿(mǎn)足比鋅合金溫度高的要求外，還要具備輸入保護(hù)氣體的通道以及熔爐的密封機(jī)構(gòu)；冷室機(jī)要具備定量供料系統(tǒng)。                           

1.1.1氣體保護(hù)裝置：

如前所述,鎂合金的熔煉防燃技術(shù)有鹽類(lèi)熔劑、抑制性元素、惰性氣體等，但現(xiàn)代壓鑄主要是以反應(yīng)性氣氛為主，這也是鎂合金壓鑄的主流和發(fā)展方向。

1.1.2氣體保護(hù)機(jī)理：

鎂化學(xué)性質(zhì)極其活潑，在空氣中很容易被氧化，表面生成MgO，其致密度系數(shù)為0.79，這種疏松的氧化膜不能阻止反應(yīng)繼續(xù)進(jìn)行。當(dāng)溫度超過(guò)熔點(diǎn)650℃時(shí)，氧化迅速轉(zhuǎn)變?yōu)槿紵?，并放出大量的熱，所以鎂合金的保護(hù)要點(diǎn)就是隔離鎂與氧氣的接觸，純凈的N2及Ar、Ne等氣體雖然能對(duì)鎂熔體起到一定的阻燃燒作用，但均不能完成隔絕鎂液與周?chē)h(huán)境的接觸，所以起不到良好的保護(hù)效果。

N2與鎂發(fā)生如下反應(yīng)：

3Mg+N2=Mg3N2

生成的Mg3N2系粉狀化合物，結(jié)構(gòu)疏松，不能進(jìn)行反應(yīng)繼續(xù)進(jìn)行。Ar、Ne等惰性氣體雖然不與鎂液反應(yīng)，但不能阻止鎂的蒸發(fā)，形成一定蒸汽壓的鎂遇到冷壁會(huì)發(fā)生反應(yīng)，所以也不是理想的保護(hù)氣體。

生產(chǎn)中，常用的是CO2、SO2、SF6三種氣體均能起到良好的保護(hù)效果，而尤以SF6與其他氣體按一定比例混合保護(hù)效果最佳。

CO2與鎂在高溫下發(fā)生如下反應(yīng)：

Mg+1/2CO2=MgO+1/2C（無(wú)定型）

鎂液在干燥、純凈的CO2中，其氧化速度很低，這與表面膜中出現(xiàn)了無(wú)定型碳密切有關(guān)，這種無(wú)定型碳存在于氧化膜的空隙處，提高了鎂表面膜的致密度系數(shù)，使ɑ=1.03~1.15。帶正電荷的無(wú)定型碳，還能強(qiáng)烈地抑制鎂離子透過(guò)表面膜的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)，故也能抑制鎂的氧化。

鎂與SO2的反應(yīng)如下：

3Mg+SO2=2MgO+MgS

在鎂熔體表面生成很薄較致密的帶有金屬光澤的MgS、MgO復(fù)合表面膜，可抑制鎂的氧化。

鎂與含SF6的混合氣體發(fā)生如下反應(yīng)：

2Mg(L)+O2=2MgO(S)

2Mg(L)+O2+SF6=2MgF2(S)+SO2F2(S)

2MgO(S)+SF6=2MgF2(S)+SO2F2

其中主要產(chǎn)物是MgO，也含有少量MgF2。MgF2的致密系數(shù)為1.6，由MgO+MgF2組成的混合膜變?yōu)檫B續(xù)、致密的膜，因而含SF6的氣氛有防止鎂合金熔體氧化燃燒的作用。

綜上所述，保護(hù)氣體的阻燃機(jī)理主要是氣體與鎂液反應(yīng)，在熔體表面生成不同防護(hù)作用的表面膜，這些膜致密度大，能夠阻止反應(yīng)繼續(xù)進(jìn)行，也能夠阻止鎂液的蒸發(fā)。其次，這些氣體密度大于空氣，在一定程度上隔絕鎂與氧的反應(yīng)。

1.1.3混氣裝置

在實(shí)際生產(chǎn)中，SF6常和其他氣體混合在一起通入到熔爐，常用的混合方式有：air/SF6、SF6/N2，air/CO2/SF6，混氣裝置的作用就是將這些氣體精確地按一定比例混合后送入熔爐。

SF6是一種無(wú)色、無(wú)味、無(wú)毒氣體，比空氣重4倍，具有化學(xué)惰性結(jié)構(gòu)，在常溫下極穩(wěn)定，通常將SF6氣體加高壓后變成液態(tài)，貯存于專(zhuān)用的高壓鋼瓶中。

實(shí)驗(yàn)表明，0.01%的SF6濃度即可有效保護(hù)鎂液，但實(shí)際采用的濃度要大，這主要是因?yàn)?/span>SF6會(huì)與鎂液反應(yīng)和泄漏損失，隨著輸入濃度含量的增加，液面上方SF6濃度也增加，但與輸入濃度相比，消耗量呈增大趨勢(shì)。所以鎂合金熔爐裝置必須有效密封，這樣SF6控制到一定濃度才成為可能。一般SF6濃度不宜超過(guò)1%，這時(shí)不僅抗氧化效果下降，而且氣氛對(duì)設(shè)備具有嚴(yán)重腐蝕作用。所以保護(hù)氣體的供應(yīng)優(yōu)化是系統(tǒng)設(shè)計(jì)和操作時(shí)的重要任務(wù)?；鞖庋b置應(yīng)能精確配比和混合氣體成分，保護(hù)氣體的濃度和數(shù)量必須適應(yīng)熔液表面條件，達(dá)到耗氣量少，同時(shí)做到環(huán)保、安全、經(jīng)濟(jì)。下圖為Rauch公司鎂合金熔爐保護(hù)氣混氣。

SF6和N2通過(guò)減壓閥和一個(gè)流量控制閥，即混合在一起，混合氣通過(guò)一個(gè)流量計(jì)分別獨(dú)立地供應(yīng)泵室和熔室，泵室和熔室的氣體流量可以分別獨(dú)立調(diào)節(jié)，還可以通過(guò)PLC對(duì)泵室的流量在各個(gè)階段進(jìn)行控制，比如在注料階段可加大氣體流量，從而更經(jīng)濟(jì)、安全地保證氣體供應(yīng)。保護(hù)氣體在進(jìn)入熔爐時(shí)采用多管道多出口分配，盡量接近液面且分配均勻。現(xiàn)實(shí)生產(chǎn)中，這種供氣已較為成熟，且SF6耗量也較低，下面為Rauch的幾種熔爐的保護(hù)氣耗量：

1.1.4存在問(wèn)題

SF6在鎂合金壓鑄生產(chǎn)中應(yīng)用較為普遍，但也存在著一些問(wèn)題，比如安全、環(huán)保等方面，如何解決這些問(wèn)題，也是鎂合金產(chǎn)業(yè)面臨著的一個(gè)課題。

保護(hù)氣體可能與設(shè)備發(fā)生反應(yīng)，如SF6與坩鍋反應(yīng)形成孔狀FeF3和Fe2O3,SF6濃度過(guò)高會(huì)使坩堝起皮增加，起皮會(huì)進(jìn)一步與鎂液發(fā)生劇烈反應(yīng)。

3Mg+Fe2O3=3MgO+2Fe

3Mg+2FeF3=3MgF2+2Fe

此外，反應(yīng)還可能生成SO2和SO2F2，它們會(huì)與水蒸氣發(fā)生反應(yīng)，然后被起皮吸收，進(jìn)一步腐蝕坩堝。溫度升高和SF6濃度增加會(huì)使腐蝕加劇，因而應(yīng)避免純凈的SF6氣體通入坩堝。

SF6氣體雖然無(wú)毒，但密度大，如果在車(chē)間沉積過(guò)多，有可能引起缺氧，產(chǎn)生窒息，所以車(chē)間必須注意通風(fēng)。

SF6具有很強(qiáng)的吸收長(zhǎng)波能力，而且在空氣中的滯留時(shí)間長(zhǎng)，其溫室效應(yīng)較為顯著。SO2氣體的使用由于其特性（毒性氣體）而受到限制，國(guó)外在使用SF6已開(kāi)發(fā)出一種回收設(shè)備，但由于成本昂貴，推廣受到一定了限制。因此，開(kāi)發(fā)一種替代SF6的保護(hù)氣體也是鎂合金產(chǎn)業(yè)亟待解決的問(wèn)題。

1.2熔化裝置

鎂合金的熔爐一般采用不含鎳（或鎳含量很低）的不銹鋼焊接或整體鑄出，因?yàn)殒嚾劢庥阪V合金液中，將導(dǎo)致鎂合金鑄件的抗腐蝕能力大幅降低，坩堝最好有雙室設(shè)計(jì)，把熔室和泵室分開(kāi)，以免鎂液的溫度有大的波動(dòng)，影響產(chǎn)品質(zhì)量。設(shè)計(jì)熔爐時(shí)，要使鎂液表面和與體積比最小，坩堝和蓋子之間要很好的配合與密封。

1.3定量澆注系統(tǒng)

由于鎂合金的熔煉是在密閉的條件進(jìn)行，對(duì)于熱室機(jī)來(lái)說(shuō)，料壺和打料系統(tǒng)也是浸在鎂液中，可以實(shí)現(xiàn)供料及打料的自動(dòng)化，對(duì)于冷室機(jī)來(lái)說(shuō)，則需要定量澆注系統(tǒng)從熔爐中向壓鑄機(jī)壓室澆注。目前，已經(jīng)開(kāi)發(fā)應(yīng)用的鎂合金定量澆注系統(tǒng)有葉輪式、氣壓式、活塞式等幾種。

1.3.1葉輪式

通過(guò)葉輪的轉(zhuǎn)動(dòng)提升鎂液，通過(guò)輸料管定量澆注到壓鑄機(jī)壓室，可以改變?nèi)~輪的轉(zhuǎn)速及運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)間來(lái)實(shí)現(xiàn)澆注量的改變。這種鎂液泵的定量精度可以達(dá)到±2%，生產(chǎn)中，還應(yīng)控制鎂液面的穩(wěn)定，以免引起供料量的波動(dòng)。這種泵結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)潔實(shí)用，操作/保養(yǎng)也比較容易，故障率也較低，奧地利勞和公司的鎂合金熔爐即采用此種定量泵。

1.3.2活塞式

活塞式定量泵的原理如下圖所示，鎂液的注料量可以通過(guò)調(diào)節(jié)活塞的行程來(lái)調(diào)節(jié)。這種泵在理論上可以達(dá)到較高的精度，但是由于浸在鎂液中的部分過(guò)多，長(zhǎng)期在高溫鎂液的浸泡下，維修保養(yǎng)不很方便。

電磁泵是利用導(dǎo)電流體中的電流和磁場(chǎng)的作用，把電磁推動(dòng)力直接作用在金屬液體上，使之發(fā)生定向移動(dòng)，其運(yùn)動(dòng)符合左手定則。電磁泵的流量大小與升液電流、磁感應(yīng)強(qiáng)度等有關(guān)。

電磁泵的特點(diǎn)是沒(méi)有機(jī)械磨損，控制也較為方便。

1.3.4氣壓泵氣壓泵原理如上圖所示，主要結(jié)構(gòu)為一密封泵室，注料時(shí)加壓的氬氣通過(guò)一管子進(jìn)入泵室，泵室下方和熔爐連通的單向閥關(guān)閉，氣體排開(kāi)同樣體積的鎂液進(jìn)行注料。這種泵的特點(diǎn)是沒(méi)有機(jī)械磨損，故障率低，清理維護(hù)簡(jiǎn)單，在澆注量較大時(shí)定量精度較好。

1.4.其他 （ 三維定位、喂料系統(tǒng)、料壺）

鎂合金熔爐為了便于和壓鑄機(jī)連接方式便于生產(chǎn)，還需要一些其他裝置，比如用于冷室壓鑄機(jī)的熔爐的三維定位裝置，可以實(shí)現(xiàn)熔爐的旋轉(zhuǎn)、平移、升降，以方便與壓鑄機(jī)的配套與日常維護(hù)、保養(yǎng)。

另外對(duì)于鎂合金熱室壓鑄機(jī)，料壺、鋼呤等熱作件也是重要的一點(diǎn)，鎂合金熱室壓鑄溫度一般在630℃-650℃之間，溫度遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于鋅合金。熱作件工作在高溫的鎂合金液中，不但要具有良好的高溫強(qiáng)度，而且要有耐鎂合金液的腐蝕性能。由于工作條件非常惡劣，對(duì)所用材料有特殊的要求。鎂合金本身化學(xué)性質(zhì)活潑，對(duì)熱作件材料有腐蝕作用，在生產(chǎn)中又有保護(hù)氣體的腐蝕，另外其工作溫度高，壓射速度快等，對(duì)熱作件材料的高溫性能有更高的要求。壓鑄鎂合金熔爐熱作件材料的研究成為影響壓鑄鎂合金發(fā)展的重要因素之一。之前我國(guó)鎂合金用熱作件材料全部依賴(lài)進(jìn)口，價(jià)格昂貴，而且國(guó)外廠商對(duì)相關(guān)技術(shù)進(jìn)行嚴(yán)密封鎖，目前，已由清華-力勁壓鑄高新技術(shù)研究中心成功開(kāi)發(fā)出具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的耐熱、耐蝕熱作鋼，具有優(yōu)異的高溫耐磨性，經(jīng)過(guò)實(shí)用，顯示出很好的使用性能，性能和壽命達(dá)到并超過(guò)國(guó)外同類(lèi)產(chǎn)品的水平，價(jià)格遠(yuǎn)低于國(guó)外同類(lèi)產(chǎn)品，使我國(guó)的鎂合金用熱作件材料生產(chǎn)立足于國(guó)內(nèi)，對(duì)我國(guó)鎂合金產(chǎn)品的發(fā)展有著重要意義。

鎂錠在加入熔爐以前，一定要預(yù)熱到150℃以上，以去除鎂錠中的水氣，以免加入熔爐時(shí)引起爆炸的危險(xiǎn)，鎂錠預(yù)熱以后加入還可以避免引起鎂液溫度大的波動(dòng)，增加熔化爐的熔化效率，因此，鎂合金熔爐要配置保溫爐式自動(dòng)預(yù)熱裝置，還可以連接自動(dòng)喂料裝置，將預(yù)熱后的鎂錠自動(dòng)加入熔爐中。

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