镁及镁合金熔体易与氧、氮、水气等发生反应,镁与1g氧化合释放598J热,而铝释放的为531J,比镁释放的低11.2%。通常,氧化物生成热越大,分解压越低,则与氧的亲和力越强。由氧化物生成热和分解压数值可知,镁与氧的亲和力比铝与氧的大,镁与氧的氧化膜MgO疏松,致密度系数α=0.79,比Al2O3的1∶28小得多,没有保护作用。温度较低时,镁的氧化速率不大,500℃时显著加快,超过700℃则急剧上升,熔体一旦遇氧就会发生急剧氧化而燃烧,放出大量的热。反热生成的MgO绝热性能好,反应界面产生的热不能及时向外散发,从而提高界面温度,造成恶性循环加速镁的氧化,燃烧反应更加激烈。当界面反应温度镁的沸点1107℃时,熔体大量气化,发生爆炸。
无论是固态镁还是液态镁均能与水发生反应,生成MgO并放出H2,H2又与O2化合生成水,水又受热急剧汽化,会导致猛烈的爆炸。因此,熔炼镁合金的炉料、工具、熔剂等均应干燥。
镁可与N2反应生成Mg3N2,不过Mg-N2反应比Mg-O2反应缓慢得多。镁与氩、氦、氖等不发生化学反应,可防止镁熔体燃烧,但不能阻止镁的蒸发。因此,在熔炼镁合金时采取有效的措施防止其氧化、燃烧与爆炸,目前的措施有熔剂熔炼工艺与无熔剂熔炼工艺。然而熔剂形成的膜层隔绝空气的效果并不十分理想。
液态镁在干燥纯净的CO2中氧化速度慢,高温下可发生化学反应形成固态MgO与无定型碳,它可以填充于氧化膜间隙处,提高熔体表面氧化膜的致密性,同时还能强烈地抑制镁离子扩散到表面膜的表面,从而阻抑镁的氧化。
镁与SO2反应生成固态MgO与MgS,在熔体表面形成一层致密的保护性强的MgS-MgO复合膜层。
是一种人工制造的气体,它的密度为空气的4倍,在室温下很稳定,但SF6的混合气体发生化学反应时可能形成有刺激性的有毒气体。SF6与镁反应可生成固态MgF2与SO2F2.MgF2的致密度高,可与MgO形成连续的致密氧化膜。值得注意的是,SF6应是干燥的,否则水分会大大加剧镁的氧化,还会生成有毒的HF气体。
保护气氛
是一种非常有效的保护气氛,能显著降低镁的烧损,得到普遍采用。实验表明,保护气氛中含有0.01Vol.%SF6就有的保护功能,但在实际操作中,为了补充SF6与熔体反应和泄漏损耗,SF6的浓度应高些。SF6保护气氛有两种:干燥空气与SF6的混合物,干燥空气、CO2、SF6的混合物。
的价格高且有潜在温室产应,就尽量控制SF6的排放量。保护气氛中的SF6浓度不得超过2Vol.%,否则会引起坩埚损耗。SF6是影响镁合金生命周期(LCA)的主要因素,也是制约镁成为21世纪绿色材料的关键因素。2000年国际镁业协会(LMA)呯吁行业开发新的保护气体以取代SF6。
镁合金零件早期采用金属型重力铸造,经研究发现,由于镁合金的熔点低、密度低,大多数合金的流动性比较好,且比热容低,容易获得较高的冷速,因而在适中的压力下可以获得理想的铸件。根据相关报道,奥迪某款车型的镁合金仪表板横梁,在装有自动浇注机构的锁模力为24.5MN的冷室压铸机上成功实现压铸,因此本文介绍的镁合金仪表板横梁采用冷室压铸是完全可行的。
针对仪表板横梁的结构性能要求,结合AM60B的疲劳性能对内在缺陷非常敏感的特点,仪表板横梁的压铸工艺过程中要求压铸过程充型平稳,实现顺序凝固,避免各种铸造缺陷的发生。这样才能在得到缺陷少、品质高的铸件的同时,提高生产效率,也为实现新材料在仪表板横梁上应用奠定了工艺基础。