鎂合金熔模鑄造技術的發(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。氟釋放抑制劑KBF4和NaBF4已成功應用于鎂合金砂型鑄造。它們將在高溫下分解保護氣體三氟化硼(BF3)，以防止熔融鎂的氧化或燃燒。IDRIS  M等研究了KBF4對鎂殼反應的抑制作用。他將質(zhì)量分數(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。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。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。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，預熱至450。澆注后，由于BF3的保護作用，只發(fā)生輕微的界面反應或不發(fā)生界面反應。

　　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。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。然而，由于殼型材料的反應和熱分解，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)生化學反應，進而防止熔模鑄造本身的氧化燃燒反應。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生成無機化合物，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，溶液達到飽和時阻燃效果良好。硼酸的阻燃機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。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，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。

　　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。圖1是通過傳統(tǒng)砂型鑄造和熔模鑄造獲得的鑄件?？梢钥闯?，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。可以看出，當溫度低于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。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。

　　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。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。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。石膏型鑄件表面粗糙，說明也發(fā)生了界面反應。

　　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。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，而Al2O3和ZrSiO4在600時發(fā)生界面反應，而CaZrO3型殼不發(fā)生反應，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)生嚴重的金屬-殼反應。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，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-殼層界面反應的影響。認為澆注溫度對界面反應沒有顯著影響，但界面反應強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上。HASSAN  J  .等將原位熔融技術應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，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，在航空航天領域有著廣闊的應用前景。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，并應用于各種軍用和民用航空飛機零部件。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鎂合金的應用具有重要意義。