氮法和变质剂应用于大型熔化炉预除气

在镁合金的熔炼中要消除镁液中的气体。溶入镁熔体中的气体主要是氢气，镁合金中的氢主要来源于溶剂中的水分、金属表面吸附的潮气以及金属腐蚀产物带入的水分。氢在镁熔体中的溶解度比在铝熔液中大两个数量级，凝固时的析出倾向也不如铝那么严重（镁合金熔液中氢的溶解度为固态的1.5倍），用快冷的方法可以使氢过饱和固溶于镁中，因而除气问题往往不大引起重视。镁合金中的含气量与铸件中的疏松程度密切相关，这是由于镁合金结晶间隔大，尤其在不平衡状态下，结晶间隔更大。因此在凝固过程中如果没有形成顺序凝固的温度梯度，熔液几乎同时凝固，形成分散细小的孔洞，不易得到外部金属液的补充，从而引起局部真空。在真空的抽吸作用下，气体很容易在该处析出，而析出的气体又进一步阻碍熔液对孔洞的补充，最终导致缩松更加严重。试验证明，在生产条件下，当每100g镁含氢气量超过14.5cm³时，镁合金中就很容易出现缩松。

生产中常采用吹气法来去除镁熔体中的氢。吹气法又称气泡浮游法，它主要是将惰性气体（如氩气）通入到熔体内部，形成气泡，熔体中的氢在分压差的作用下扩散进入这些气泡中，并随气泡的上浮而被排除，达到除气的目的。气泡在上浮的过程中还能吸附部分氧化夹杂物，起到除杂的作用。吹气法是20世纪70年代发展起来的熔体净化工艺，过去主要应用于铝合金除氢，现已将其应用于镁合金净化。按其气体导入方式，可分为单管吹气法、多孔喷头吹气法、固定喷吹法和旋转喷吹法。所用的气体一般为惰性气体——氩气。吹气法的效果一方面取决于惰性气体的性质和纯度，更主要的取决于气泡的大小和气泡在熔体中的分散程度，吹入的气泡直径越小，分布越均匀弥散，则气泡比表面积越大，熔体中的氢扩散进气泡的路程越短，气泡上浮越慢，除气率越高。另外，除氢效果还取决于吹气时间、吹气压力、吹气温度等工艺参数。旋转喷吹法是吹气法中效果最好的方法，它主要是依靠喷头的形状，以及适当转速的喷头对气泡的破碎来控制气泡的大小和分布的。喷头是这些方法的技术核心，不同的喷头，产生的气泡大小不同。不论哪种方法，产生的气泡一般都为毫米级。

工业上常采用下列方法去除镁合金中的气体：

1）通惰性气体（如氩或氦）法：一般在750～760℃下通入0.5%（质量分数）Ar于镁液中。通气速度应适当，以不使镁液发生飞溅为原则。通气延续时间为10～15min，过久会引起晶粒粗化。此法可使镁合金中氢含量由原来的15～19cm³/100g降至10cm³/100g^[26]。

2）通氮法：此法多用于大型熔化炉预除气，目的是防止氮与镁激烈反应生成Mg₃N₂。通氮温度应控制在660～685℃，耗量与镁液容量有关。通氮往往会使镁合金产生氮化夹杂物。

3）添加六氯乙烷（C₂Cl₆）法：镁合金用C₂Cl₆除气的最适宜温度为750℃，加入量一般不超过合金液质量的0.1%。该方法不仅有除气作用，还兼有变质效果，其细化晶粒效果优于MgCO₃，但污染比较严重，应用受到一定限制。

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图2-11 温度及氢含量对ZM5合金除气速度的影响

添加变质剂（MgCO₃）于高温镁液，分解后生成的CO₂也有一定除气作用。有人提出，向镁合金中加入0.1%～0.2%（质量分数）Ca，有一定的除气效果，因为Ca与H₂能形成稳定的CaH₂化合物。

4）联合除气法：先向镁合金液通入CO₂，接着用氮气吹送TiCl₄，这样可使镁合金液的气体含量降至6～8cm³/100g（普通情况为13～16cm³/100g），即降低50%左右。

镁合金除气效果与处理温度和静置时间有关，750℃除气效果比670℃下除气效果要差（见图2-11）。

有关镁合金的含气量检测，以及含气量对缩孔、缩松及力学性能的影响详见3.1.3节。