镁合金压铸周边设备

   镁合金压铸由于在一些方面不同于铝合金压铸，除了压铸主机在一些方面有所特殊要求外，在周边设备上也有一些不同，比如镁合金的熔炉和普通的铝合金熔炉不同，镁合金压铸在大多数情况下要使用模温机，等等。取件机械手、喷雾机械手的配套和使用，可以降低操作者的劳动强度，改善工作环境、提高工作效率。周边设备的使用，也为压铸的自动化生产的实现提供了条件，可以提高压铸生产的自动化生产水平，降低人为因素对压铸工艺的影响。

1.1镁合金熔炼炉

由于镁合金的熔炼过程中不但要防止氧化，还要具备避免燃烧、爆炸等安全措施，镁合金的熔炼必须在保护的气氛下进行，因此，镁合金压铸需要配备特殊的熔炉，熔炼也是镁合金压铸中的关键环节。对于热室机来说，除了要满足比锌合金温度高的要求外，还要具备输入保护气体的通道以及熔炉的密封机构；冷室机要具备定量供料系统。                           

1.1.1气体保护装置：

如前所述,镁合金的熔炼防燃技术有盐类熔剂、抑制性元素、惰性气体等，但现代压铸主要是以反应性气氛为主，这也是镁合金压铸的主流和发展方向。

1.1.2气体保护机理：

镁化学性质极其活泼，在空气中很容易被氧化，表面生成MgO，其致密度系数为0.79，这种疏松的氧化膜不能阻止反应继续进行。当温度超过熔点650℃时，氧化迅速转变为燃烧，并放出大量的热，所以镁合金的保护要点就是隔离镁与氧气的接触，纯净的N2及Ar、Ne等气体虽然能对镁熔体起到一定的阻燃烧作用，但均不能完成隔绝镁液与周围环境的接触，所以起不到良好的保护效果。

N2与镁发生如下反应：

3Mg+N2=Mg3N2

生成的Mg3N2系粉状化合物，结构疏松，不能进行反应继续进行。Ar、Ne等惰性气体虽然不与镁液反应，但不能阻止镁的蒸发，形成一定蒸汽压的镁遇到冷壁会发生反应，所以也不是理想的保护气体。

生产中，常用的是CO2、SO2、SF6三种气体均能起到良好的保护效果，而尤以SF6与其他气体按一定比例混合保护效果最佳。

CO2与镁在高温下发生如下反应：

Mg+1/2CO2=MgO+1/2C（无定型）

镁液在干燥、纯净的CO2中，其氧化速度很低，这与表面膜中出现了无定型碳密切有关，这种无定型碳存在于氧化膜的空隙处，提高了镁表面膜的致密度系数，使ɑ=1.03~1.15。带正电荷的无定型碳，还能强烈地抑制镁离子透过表面膜的扩散运动，故也能抑制镁的氧化。

镁与SO2的反应如下：

3Mg+SO2=2MgO+MgS

在镁熔体表面生成很薄较致密的带有金属光泽的MgS、MgO复合表面膜，可抑制镁的氧化。

镁与含SF6的混合气体发生如下反应：

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

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

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

其中主要产物是MgO，也含有少量MgF2。MgF2的致密系数为1.6，由MgO+MgF2组成的混合膜变为连续、致密的膜，因而含SF6的气氛有防止镁合金熔体氧化燃烧的作用。

综上所述，保护气体的阻燃机理主要是气体与镁液反应，在熔体表面生成不同防护作用的表面膜，这些膜致密度大，能够阻止反应继续进行，也能够阻止镁液的蒸发。其次，这些气体密度大于空气，在一定程度上隔绝镁与氧的反应。

1.1.3混气装置

在实际生产中，SF6常和其他气体混合在一起通入到熔炉，常用的混合方式有：air/SF6、SF6/N2，air/CO2/SF6，混气装置的作用就是将这些气体精确地按一定比例混合后送入熔炉。

SF6是一种无色、无味、无毒气体，比空气重4倍，具有化学惰性结构，在常温下极稳定，通常将SF6气体加高压后变成液态，贮存于专用的高压钢瓶中。

实验表明，0.01%的SF6浓度即可有效保护镁液，但实际采用的浓度要大，这主要是因为SF6会与镁液反应和泄漏损失，随着输入浓度含量的增加，液面上方SF6浓度也增加，但与输入浓度相比，消耗量呈增大趋势。所以镁合金熔炉装置必须有效密封，这样SF6控制到一定浓度才成为可能。一般SF6浓度不宜超过1%，这时不仅抗氧化效果下降，而且气氛对设备具有严重腐蚀作用。所以保护气体的供应优化是系统设计和操作时的重要任务。混气装置应能精确配比和混合气体成分，保护气体的浓度和数量必须适应熔液表面条件，达到耗气量少，同时做到环保、安全、经济。下图为Rauch公司镁合金熔炉保护气混气。

SF6和N2通过减压阀和一个流量控制阀，即混合在一起，混合气通过一个流量计分别独立地供应泵室和熔室，泵室和熔室的气体流量可以分别独立调节，还可以通过PLC对泵室的流量在各个阶段进行控制，比如在注料阶段可加大气体流量，从而更经济、安全地保证气体供应。保护气体在进入熔炉时采用多管道多出口分配，尽量接近液面且分配均匀。现实生产中，这种供气已较为成熟，且SF6耗量也较低，下面为Rauch的几种熔炉的保护气耗量：

1.1.4存在问题

SF6在镁合金压铸生产中应用较为普遍，但也存在着一些问题，比如安全、环保等方面，如何解决这些问题，也是镁合金产业面临着的一个课题。

保护气体可能与设备发生反应，如SF6与坩锅反应形成孔状FeF3和Fe2O3,SF6浓度过高会使坩埚起皮增加，起皮会进一步与镁液发生剧烈反应。

3Mg+Fe2O3=3MgO+2Fe

3Mg+2FeF3=3MgF2+2Fe

此外，反应还可能生成SO2和SO2F2，它们会与水蒸气发生反应，然后被起皮吸收，进一步腐蚀坩埚。温度升高和SF6浓度增加会使腐蚀加剧，因而应避免纯净的SF6气体通入坩埚。

SF6气体虽然无毒，但密度大，如果在车间沉积过多，有可能引起缺氧，产生窒息，所以车间必须注意通风。

SF6具有很强的吸收长波能力，而且在空气中的滞留时间长，其温室效应较为显著。SO2气体的使用由于其特性（毒性气体）而受到限制，国外在使用SF6已开发出一种回收设备，但由于成本昂贵，推广受到一定了限制。因此，开发一种替代SF6的保护气体也是镁合金产业亟待解决的问题。

1.2熔化装置

镁合金的熔炉一般采用不含镍（或镍含量很低）的不锈钢焊接或整体铸出，因为镍熔解于镁合金液中，将导致镁合金铸件的抗腐蚀能力大幅降低，坩埚最好有双室设计，把熔室和泵室分开，以免镁液的温度有大的波动，影响产品质量。设计熔炉时，要使镁液表面和与体积比最小，坩埚和盖子之间要很好的配合与密封。

1.3定量浇注系统

由于镁合金的熔炼是在密闭的条件进行，对于热室机来说，料壶和打料系统也是浸在镁液中，可以实现供料及打料的自动化，对于冷室机来说，则需要定量浇注系统从熔炉中向压铸机压室浇注。目前，已经开发应用的镁合金定量浇注系统有叶轮式、气压式、活塞式等几种。

1.3.1叶轮式

通过叶轮的转动提升镁液，通过输料管定量浇注到压铸机压室，可以改变叶轮的转速及运转时间来实现浇注量的改变。这种镁液泵的定量精度可以达到±2%，生产中，还应控制镁液面的稳定，以免引起供料量的波动。这种泵结构简洁实用，操作/保养也比较容易，故障率也较低，奥地利劳和公司的镁合金熔炉即采用此种定量泵。

1.3.2活塞式

活塞式定量泵的原理如下图所示，镁液的注料量可以通过调节活塞的行程来调节。这种泵在理论上可以达到较高的精度，但是由于浸在镁液中的部分过多，长期在高温镁液的浸泡下，维修保养不很方便。

电磁泵是利用导电流体中的电流和磁场的作用，把电磁推动力直接作用在金属液体上，使之发生定向移动，其运动符合左手定则。电磁泵的流量大小与升液电流、磁感应强度等有关。

电磁泵的特点是没有机械磨损，控制也较为方便。

1.3.4气压泵气压泵原理如上图所示，主要结构为一密封泵室，注料时加压的氩气通过一管子进入泵室，泵室下方和熔炉连通的单向阀关闭，气体排开同样体积的镁液进行注料。这种泵的特点是没有机械磨损，故障率低，清理维护简单，在浇注量较大时定量精度较好。

1.4.其他 （ 三维定位、喂料系统、料壶）

镁合金熔炉为了便于和压铸机连接方式便于生产，还需要一些其他装置，比如用于冷室压铸机的熔炉的三维定位装置，可以实现熔炉的旋转、平移、升降，以方便与压铸机的配套与日常维护、保养。

另外对于镁合金热室压铸机，料壶、钢呤等热作件也是重要的一点，镁合金热室压铸温度一般在630℃-650℃之间，温度远远高于锌合金。热作件工作在高温的镁合金液中，不但要具有良好的高温强度，而且要有耐镁合金液的腐蚀性能。由于工作条件非常恶劣，对所用材料有特殊的要求。镁合金本身化学性质活泼，对热作件材料有腐蚀作用，在生产中又有保护气体的腐蚀，另外其工作温度高，压射速度快等，对热作件材料的高温性能有更高的要求。压铸镁合金熔炉热作件材料的研究成为影响压铸镁合金发展的重要因素之一。之前我国镁合金用热作件材料全部依赖进口，价格昂贵，而且国外厂商对相关技术进行严密封锁，目前，已由清华-力劲压铸高新技术研究中心成功开发出具有自主知识产权的耐热、耐蚀热作钢，具有优异的高温耐磨性，经过实用，显示出很好的使用性能，性能和寿命达到并超过国外同类产品的水平，价格远低于国外同类产品，使我国的镁合金用热作件材料生产立足于国内，对我国镁合金产品的发展有着重要意义。

镁锭在加入熔炉以前，一定要预热到150℃以上，以去除镁锭中的水气，以免加入熔炉时引起爆炸的危险，镁锭预热以后加入还可以避免引起镁液温度大的波动，增加熔化炉的熔化效率，因此，镁合金熔炉要配置保温炉式自动预热装置，还可以连接自动喂料装置，将预热后的镁锭自动加入熔炉中。

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