镁合金中的杂质及净化技术

　　白洁+陈博宇
　　【摘 要】镁合金元素在制备过程中由于表面吸附潮气、水分或者在加入炉料时引入水分或氧化物，都会造成一定的杂质产生从而影响镁合金纯度。本文将对镁合金纯度检测进行论述，通过对合金中杂质成分分析的方法，对镁合金中的纯净度进行评价。镁合金纯净度检测技术的完善，对未来提高镁合金纯净度的发展有很大的意义。
　　【关键词】合金形貌；铸态组织；杂质原子沉降；熔炼优化
　　一、前言
　　在当前的研究成果中，一般认为镁合金杂质主要有两个方面的来源：一是类是熔化过程中产生的内生杂质，这些杂质在合金凝固过程中会形成不同的析出物；另一类则是外生杂质，即由于偶然的化学作用或者是一般的机械作用下外界在接触到熔体时产生。镁合金中的杂质一旦超出一定标准就会对镁合金本身的性能产生严重影响，例如会降低镁合金的耐腐蚀性能，或者增加镁合金脆性。
　　二、镁合金中杂质的分析
　　（一）判断镁合金熔体中杂质元素的动力学特性
　　在镁合金熔体中，杂质的分布和运动具有一定的规律性，因此想要了解镁合金的纯净度，可以通过对镁合金的杂质含量进行测算，从而得出判断。在镁合金熔体进行低温静置的过程中，杂质颗粒受到温度、熔体阻力的影响会出现不断沉降，并具有向坩埚底部运动方向性。在杂质颗粒的沉降过程中，其沉降速度会不断增大，同时形成一定的聚合。因此在对杂质进行评价之前，首先要对镁合金熔体中杂质的运动规律进行判断和分析，才能够使评价结果更加准确。而判断分析的主要依据就是镁合金熔体中杂质颗粒所受到的熔体阻力计算。在圆球状杂质颗粒的运动规律中，可以通过镁合金熔体的粘度系数、密度、沉降速度、球体直径等相关数据统计进行阻力系数的计算，从而得到圆球状杂质颗粒在镁合金中的阻力情況和运动规律，为下一步试验论证做好准备。
　　（二）开展实验论证
　　实验器材的准备中，电阻炉、熔炼坩埚、温度测量都是必不可少的内容。本文在实验中选择了极具代表性的井式电阻炉、氧化镁材质熔炼坩埚以及镍铬-镍硅热电偶温度测量仪，从而保证了实验过程中杂质不会被二次引入，提升实验的精准度。首先将坩埚放置于井式电阻炉中，并接入电热偶，连接温度调节控制仪。再将坩埚上方进行密封，保证气体不会对内部产生影响。本文所选用的实验原料为粗镁铸锭，并使其具有镁锰中间合金形式，选用二氧化碳以及六氟化硫的混合气体为保护气体。首先利用碳化硼以及无水乙醇放置于烧杯中进行搅拌，并作为涂料涂抹在坩埚和所使用实验工具的表面之上，在对坩埚进行150℃的预热处理，使涂料涂层的导热性能、附着强度、耐火性都有所提升。使熔炼合金能够在坩埚一侧与轴线相平行，再使用线进行切割，从而获取一定规格的熔炼合金圆柱体，并按照单位要求进行分割处理，形成若干圆柱试样。利用砂纸对圆柱试样进行水磨，并使用无水乙醇进行表面冲洗，再将吹干后的试样放置于X射线光谱仪下进行观察，从而测定合金内部的成分。
　　（三）合金元素的成分分析
　　利用直读光谱仪对所制备的圆柱试样的成分进行分析，并在多个位置进行检测。通过分析可知，在试样当中，随着锰元素的不断增加，铁元素则不断减少，而硅元素虽然也呈现出一定的下降趋势，但是下降幅度较小，且体现出反复波动的特点。因此可知，随着锰元素的增加，会促使镁合金中铁元素和硅元素出现一定程度的下降。通过对铁、硅含量分析的结果可知，当锰元素含量控制在2.5wt%时，对于镁合金纯净度的提升最佳，而当锰元素超过了这个数值之后，在EDS能谱图中可以清晰地看出，镁合金熔炼坩埚底部的杂质开始出现增多现象，且随着锰的增长而逐渐增加，同时还伴随有大颗粒杂质析出。而当杂质析出越多，表明镁合金的熔体纯净度就越低。
　　三、镁合金纯净度技术
　　（一）原材料纯度的影响
　　为了提高镁合金纯度，在合金熔炼过程中，选择高纯度优质的原料是确保合金熔体纯度提升的前提和关键。例如，制备镁合金的常见原料包括：锌、锆、铝等，往往会搭配纯度高达99.98%的原镁进行镁合金制备，从而获得较高纯度的镁铝合金、镁锌合金、镁锆合金等。对于含有一定杂质的合金产品来说，杂质去除的工艺往往比较复杂而且会增加成本。镁合金熔体中的杂质含量越少，则杂质去除工艺难度越大，附加成本也越高。因此在合金生产中，需要决策者将生产要求、生产目的与合金原料选择、成本控制等诸多因素合理化考量，从而完成实际生产的效益权衡。
　　（二）熔炼工艺的影响
　　除了原料需要达到一定标准之外，熔炼工艺的提升也是制备高纯度镁合金的关键。在熔炼镁合金的过程中，熔炼所选用的工具、设备以及所选用的熔剂中铁、硅、锰等元素的多少最终都会对镁合金产品的纯净度产生决定性的影响。因此需要针对性地对镁合金熔炼工艺进行优化和提升。例如选用新型的熔炼设备，在熔炼过程中尽量减少熔炼的中间环节，从而使杂质的带入环境得到相应的控制，进一步通过工艺优化使镁合金的纯净度得以进一步提升。就目前的技术手段来看，优化镁合金熔炼工艺尚处于起步阶段，其发展和提升存在巨大的空间，工艺技术的研究任重而道远。
　　（三）镁合金熔体净化工艺的影响
　　所谓镁合金净化工艺就是通过一定手段将镁合金中的杂质去除，从而提高镁合金的纯净度。一般来说，镁合金净化工艺有物理方法或者是化学方法两大类。从技术层面来讲，目前的净化方法包括：熔剂净化、气体保护净化和沉降净化等。其中，熔剂法是目前冶金工业中最为常见的化学纯净化方法之一。溶剂法是利用镁合金中熔剂、镁熔体、杂质界面张力不同来实现净化。在一定条件下，镁熔体中的熔剂会与杂质元素产生反应，进而生成不熔性的金属化合物，因此将这类物质加入到镁合金溶液中，可以使镁合金达到纯净化的目的。
　　气体保护净化法是利用气泡将熔体当中的气体和部分杂质去除。一般来说，气体保护净化是向镁合金熔体表面吹入如二氧化碳、二氧化硫、六氟化硫等气体作为主要的保护气体，在溶液表面形成气体保护膜，从而可以避免空气中氧气、水蒸气与镁合金发生接触，从而防止剧烈氧化反应的发生。与此同时，镁熔体在分压差的作用之下，会使熔体中的氢以均匀分散的特点向气体内扩散，形成气泡，并聚集成为细小的气泡群，浮出液面。气泡在镁合金中去除气体的过程中，也会使杂质得到去除。
　　沉降净化法是通过静置的方法，使镁合金熔体与熔体内的杂质产生分离。由于普通镁合金熔体的密度比一般杂质小，因此在合金熔炼的标准温度之下，经过一段时间的静置，会使得密度较大的杂质向坩埚底部沉降。在实际操作中，由于杂质的体积非常小，因此沉降法无法保证杂质能够在足够短的时间内完成分离。因此，一般会选用加入熔剂的方法，利用其吸附作用，使杂质集聚，增大体积，促进沉降。
　　四、结论
　　镁合金中的杂质除了会影响镁合金本身特性之外，还会对镁合金产品质量产生影响，过多的杂质最终会造成产品的质量成本上升。
　　【参考文献】
　　[1]汪琴.合金元素提高镁合金纯度热力学和动力学研究[D].重庆大学，2016.
　　[2]万元元，樊富友，陈明. 仿生镶嵌铸造用高纯度AZ91D镁合金生产控制研究[J].精密成形工程，2013，5（02）：6-10.