熔剂保护及其配料成分优化方案

1.常用熔剂的成分和性能

（1）无水光卤石 化学成分（质量分数）为：44%～52%MgCl₂，32%～46%KCl，其余为其他氯盐。它由天然光卤石矿（MgCl₂·KCl·6H₂O）脱水而成。在我国，仅柴达木的盐湖中就有很大的储量，成本较低。

无水光卤石的熔化温度在673～753K之间，在镁的熔炼温度下处于液态，黏度较小，易在镁液表面铺展。由此可见，光卤石具有很好的覆盖性能。

无水光卤石中的主要成分是MgCl₂与KCl。高温下MgCl₂能部分与大气中的O₂和H₂O等反应，而在镁合金熔体表面形成HCl及H₂的保护气氛，也减缓了镁合金熔体的氧化，液态MgCl₂对合金熔体中的MgO、Mg₃N₂等夹杂物具有良好的湿润能力，并能与MgO形成MgCl₂·5MgO复合化合物，因此无水光卤石具有一定的精炼性能。

无水光卤石中KCl的存在显著地降低了熔化温度（纯MgCl₂熔点为991K，而无水光卤石为673～753K）。由于KCl的表面张力、黏度均较小，故它的存在显著降低了表面张力和黏度。

无水光卤石的缺点是其密度（973K下为1.58g/cm³）与镁液的密度（973K下为1.544g/cm³，ZM-5为1.61g/cm³）相差过小，且其黏度也过小；如用来熔镁时，由于不易与镁液分离而产生熔剂夹杂。此外，其精炼性能也不够。因其黏度小，不会过多地黏附在浇包和工具上，故它一般被用来做洗涤坩埚中的熔剂和配制其他镁合金熔剂的原料。

（2）RJ-1熔剂 化学成分（质量分数）为：92%～95%无水光卤石及5%～8%BaCl₂。BaCl₂具有较大的密度，室温下为3.87g/cm³。它主要是作为加重剂加入的，加入后将使熔剂在973K下的密度由原来的1.58g/cm³约增至1.69g/cm³，显著增加了熔剂与镁合金熔体间的密度差。BaCl₂有较大的黏度，加入后也使熔剂黏度有所增加；用于固定式坩埚熔炼时容易将表面覆盖层推开而不致过快地闭合。但其黏度仍显不足，精炼性能也需进一步提高，故它一般仅用于洗涤坩埚，或用作固定式坩埚熔炼的覆盖剂。

（3）RJ-2熔剂 化学成分（质量分数）为：92%～95%无水光卤石，5%～8%BaCl₂，另加3%～5%CaF₂（即100%RJ-1熔剂+3%～5%CaF₂）。由于CaF₂的加入，提高了熔剂的黏度和精炼性能。

在含有足够数量MgCl₂的RJ-2熔剂中加入3%～5%CaF₂后，由于不溶的固态MgF₂质点的出现，提高了熔剂的黏度。

RJ-2熔剂中加入CaF₂可提高精炼性能，是由于生成的MgF₂具有与MgO化合而造渣的能力。还有人认为是由于加入氟盐后提高了MgO在熔剂中的溶解度的缘故。

CaF₂有较大的密度，室温下为3.18g/cm³，故CaF₂的加入也提高了熔剂的密度，加3%～5%CaF₂后熔剂在973K下的密度将增至1.74g/cm³。由此可见，RJ-2熔剂的黏度、精炼能力及密度均较RJ-1熔剂有进一步的提高，其覆盖、精炼性能也较好，通常用于固定式坩埚的熔炼。

（4）RJ-3熔剂 化学成分（质量分数）为：75%无水光卤石，15%～20%CaF₂，7%～10%MgO。CaF₂及MgO均作为“增稠剂”，即为了提高熔剂的黏度而加入。MgO既不溶于氯盐，也不与氯盐发生化学反应，它的加入，仅为机械地混入氯盐中而使其稠化。因此，当用MgO稠化熔剂时，熔剂较易产生分层现象，不像加入CaF₂那样均匀。如仅用MgO稠化熔剂，当将覆盖剂层推开时，合金熔体表面上很容易留下一薄层黏度很小的液态氯盐。尤其当熔剂中不含MgCl₂，也未加入氟盐时，由于其他氯盐对MgO的湿润能力较差，将使MgO以干粉状浮在液态氯盐上，这种MgO粉很易混入镁合金熔体而形成夹杂。由此可见，在加入MgO以稠化熔剂时，熔剂成分中应含有MgCl₂，最好应同时加入氟盐。

RJ-3熔剂中含有较多数量的CaF₂及MgO，其黏度高于RJ-2熔剂，所以它不宜用于固定式坩埚熔炼。由于其黏度适当，在熔炼过程中仍能保证良好的覆盖。

RJ-3熔剂中CaF₂的数量超过了MgO，故它也有良好的精炼性能。但如CaF₂、MgO的量进一步增加，将使熔剂强烈稠化，以致不能很好地吸附氧化物，反而导致精炼性能的显著下降。

MgO与CaF₂一样有较大的密度，RJ-3成分中它们的含量也较多。故其成分中无须再加入BaF₂作为专门的“加重剂”，RJ-3熔剂在973K下的密度约为2g/cm³。

综上所述，RJ-3熔剂有良好的覆盖、精炼性能，尤其是它易于与镁合金熔体分离。当镁液过热至1123K以上，并保持一段时间后，镁合金熔体表面的RJ-3熔剂覆盖层能迅速自行变稠，最后结成一层硬壳，很容易从液面上将其扒除。RJ-3熔剂广泛用作可提出式坩埚熔炼时的熔剂。

镁合金熔剂常用盐类的物理性质及作用见表3-5。

表3-5 镁合金熔剂常用盐类的物理性质及作用

（续）

2.镁合金熔剂的配制工艺

目前广泛采用的熔剂基本上是碱土金属氯化物和氟化物的混合盐类。熔剂的配料成分见表3-6，熔剂的配制工艺见表3-7。(www.xing528.com)

表3-6 熔剂的配料成分

注：1.配制成分分上下两格时，上格表示使用光卤石的配比，下格表示使用RJ-1熔剂的配比。

2.BaCl₂、CaCl₂中水的质量分数超过5%时，应在393～423K下烘干。光卤石和RJ-1熔剂中水的质量分数超过3%时，在磨碎前必须重熔。

表3-7 熔剂的配制工艺

（续）

3.传统熔剂的不足之处

含有氯盐和氟盐的熔剂，不仅在熔剂配制过程中产生大量的Cl₂、HCl和HF等有害气体，同时在镁合金熔炼过程中也还会产生第二次气体排放，极大地腐蚀环境、污染空气。使用这种熔剂熔炼通常会带来以下问题：

1）氯盐和氟盐高温下易挥发产生某些有毒气体，如HF、Cl₂等。

2）所用熔剂的密度一般较大，如RJ-2熔剂的密度在2.0g/cm³以上，大于镁合金的密度。因此，在熔炼过程中熔剂会下沉，需要不断添加熔剂。而且部分熔剂作为熔渣残留在合金液中形成夹杂物，降低合金的力学性能。这也是使用熔剂熔炼后镁合金中的常见缺陷。

3）熔剂挥发的气体，如HCl有可能渗入合金熔体中，成为材料使用过程的腐蚀源，加速材料腐蚀，降低使用寿命。

鉴于上述原因，寻找氯盐和氟盐的代用材料，或者减少氯盐和氟盐的使用量，减少污染，提高保护效果，是开发镁合金熔体保护熔剂的努力目标。

4.新型无公害熔剂

几年前研制成功并已在生产商广泛使用的无公害覆盖剂JDMF具有较低的熔点（653～673K），适当的表面张力，在合金熔炼温度下熔化成液态，自动形成连续的覆盖层。覆盖剂中有特殊的无机添加物，此无机添加物会持续地放出惰性气体，使覆盖剂发泡。镁合金熔体表面从而受到熔剂-气体的复合保护。此覆盖剂还能在炉中长时间静置不破碎下沉，有效时间大于3h，大大减少了覆盖剂的使用量，从而减少了有害气体。同样，无公害精炼剂JDMJ，由于配方独特，液态密度、黏度合适，具有良好的精炼效果，同时兼有覆盖保护作用。实践表明，这种熔剂使用时释放出来的气体远远低于排放标准，有利于环境保护和操作者的身体健康。这两种熔剂的化学成分见表3-8。

表3-8 无公害覆盖剂、精炼剂的化学成分

5.熔剂保护镁合金的生产工艺流程

熔剂保护镁合金的生产工艺流程如图3-2所示。该生产工艺过程是将粗镁（原镁或结晶镁）、各种金属元素经过预处理后，加入熔炼炉中，在熔剂的保护下进行熔炼。熔炼温度为973～1073K，熔炼后可用各种除杂剂进行除杂处理，除杂后获纯净的合金熔体（熔体的组成必须进行炉前分析），再浇注成形。镁合金锭必须进行表面处理，然后再用热风干燥，即获得了商品镁合金锭。

图3-2 熔剂保护镁合金的生产工艺流程