镁合金熔液含氢量测试系统及除氢工艺的研究

摘要

镁合金铸件容易产生气孔、显微疏松等缺陷，使其内在质量大幅度下降。而镁合金的液态质量(包括气体与夹杂物的含量等)，直接影响到铸件的质量。在镁合金的熔炼过程中，又缺乏气体含量等有效检测手段，对其液态质量进行控制。此外，镁合金废料的回用问题也变得越来越突出，废料对氢含量等的影响很大。所以，本研究的主要目的是，研制出适合于炉前控制镁合金液态质量的含氢量测试装置；研究镁合金熔炼过程中的各种因素对镁液中含氢量的影响、含氢量与镁铸件微孔的关系及除气技术等，从而为全面提高镁合金的熔炼水平与铸件的成品率提供理论基础。
　　 首先，通过热力学分析及归纳总结，修正了一个适用于镁合金液含氢量与压力及温度变化关系的数学模型。基于第一气泡法原理，并以该模型为理论基础，采用PLC控制电路，开发出一种能测定镁液中含氢量的新型测氢装置。该装置能在1～3分钟内迅速测定镁液中氢的浓度，测试性能稳定，误差为±0.1cm 3 /100gMg。经过硬件与软件抗干扰设计能有效地提高测试系统的工作可靠性。该装置具有简单、快速、准确等特点。该装置能广泛地应用于镁合金生产过程中的质量控制与科学研究中，为国内炉前定量检测镁液中含氢量，首次提供了一种有效的手段。
　　 建立了镁合金液快速定量测氢装置的体系结构。该体系结构包括硬件选型、数据采集处理与控制、功能设计以及软件编程等。将采集的数据经有效性检查、线性化处理、数字滤波、数值整定等处理，既保证了采集数据的真值和精度，又通过设定采样周期提高了系统的响应速度。功能设计方面充分考虑了测氢系统现场使用的方便性、功能的实用性及操作的简便性。
　　 利用研制的镁液测氢装置，系统地研究了镁合金熔炼过程中的各种因素，如熔炼温度、保温时间、保护方式、静置时间、大气湿度与除气工艺等，对含氢量的影响。
　　 研究结果表明，镁熔体中的含氢量随温度的升高而增大；气体保护比熔剂保护的效果好，在700 ℃熔剂保护镁液含氢量为13.9cm 3 /100g，而气体保护则为10.3 cm 3 /100g ；
　　 随保温时间的延长，气体保护下的镁熔体含氢量几乎没变化，而熔剂保护下的含氢量成小幅上升趋势；采用Ar 气除气后镁液含氢量降至6cm 3 /100g～7cm 3 /100g，除气效果比C2Cl6 除气更有效。随静置时间的延长，镁液含氢量先是明显下降，超过30min 后下降不明显。同时，通过线性回归分析，建立了熔剂保护和气体保护条件下镁液中含氢量与温度的关系的数学模型。结果对实际生产具有重要的指导意义。
　　 本文研究了镁合金中含氢量、试样厚度和除气方式对微孔组织的影响。结果表明：
　　 对砂型铸造而言，熔剂保护下镁液含氢量比气体保护下要高，相应的试样微孔量也多；
　　 同一含氢量随铸件厚度增加，微孔的量增多。在熔剂保护下Ar 气除气后微孔数量明显少得多，且当镁试样厚度在30mm 时，除气后已看不到显微气缩孔了，只有细小针孔。此外，用C 2 Cl 6 气除气的效果也是很好的。对金属型铸造而言，镁液含氢量越少，金属型试样的微孔率也越少。对比了不同铸造条件下试样的密度发现，砂型试样的密度随厚度增加或含氢量增加或微孔率增加而减小，金属型试样的密度无论是哪一种熔炼方式，密度都相差无几。力学性能试验表明：在熔剂保护下通Ar 除气的结果是抗拉强度提高了21[％]，伸长率提高了50[％]。
　　 系统地研究了通Ar 除气对AZ91 镁合金熔体的除气效果以及通Ar 流量、通Ar时间及精炼温度三因子对精炼效果的影响。运用正交试验方法找到了通Ar 除气工艺的最佳工艺参数匹配，即通Ar 流量为1 L/min～1.5L/min，除气时间为20 min～25min，镁液温度为725 ℃～750 ℃。通过非线性回归分析，建立了镁液除气工艺的除气率的数学模型。此外，还从热力学角度对镁液的除气机理进行了深入探讨，建立了导入镁熔体中惰性气体的体积的理想热力学关系式，并进行了动力学方面的分析。
　　 运用获得的通Ar 除气最佳工艺参数对镁合金废料熔液进行除气净化研究。通过对比镁合金废料除气净化前后含氢量的变化发现，通Ar 除气是非常有效的；比较了除气净化前后微孔组织形态的差异，无论是砂型铸造还是金属型铸造试样，除气后微孔大大减少，但与采用镁合金原锭炉料相比，仍存在差距；与除气前相比，镁合金废料除气后铸件力学性能得到很大的提高，抗拉强度提高了19[％]，伸长率提高了63[％]。