1、熔煉保護工藝
(1)熔劑保護熔煉工藝
將熔體表面與氧氣隔絕是安全地進行鎂合金熔煉的最基本要求。早期曾嘗試採用氣體保護系統，但效果並不理想。後來，人們開發了熔劑保護熔煉的工藝。鎂合金用熔劑見表7.3。在熔煉過程中，必須避免坩鍋中熔融爐料出現「搭橋」現象，將餘下的爐料逐漸添加到坩鍋內，保持合金熔體液面平穩上升，並將熔劑輕輕撒在熔體表面。
每種鎂合金都有各自的專用熔劑，必須嚴格遵守供應商規定的熔劑使用指南。在熔化過程中，必須防止爐料局部過熱。採用熔體氯化工藝熔煉鎂合金時，必須採取有效措施收集Cl2。在澆注前，要對熔體仔細撇渣，去氧化物，特別是影響抗蝕性的氯化物。澆注後，通常將硫粉撒在熔體表面以減輕其在凝固過程中的氧化。
(2)無熔劑保護工藝
壓鑄技術中採用熔劑熔煉工藝會帶來一些操作上的困難，特別是在熱壓室壓鑄中，這種困難更加嚴重。同時，熔劑夾雜是鎂合金鑄件最常見的缺陷，嚴重影響鑄件的力學性能和耐蝕性，大大阻礙了鎂合金的廣泛應用。20世紀70 年代初，無熔劑熔煉工藝的開發成功是鎂合金應用領域中的一個重要突破，對鎂合金工業的發展有著革命性的意義。
1)氣體保護機理
如上所述，純淨的N2、Ar、Ne 等惰性氣體雖然能對鎂及其合金熔體起到一定的阻燃和保護作用，但效果並不理想。N2易與鎂反應，生成Mg3N2 粉狀化合物，結構疏鬆，不能阻止反應的進行。Ar和Ne等惰性氣體雖然與Mg不反應，但無法阻止鎂的蒸發。
大量試驗研究表明，CO2、SO2、SF6 等氣體對鎂及其合金熔體可以起到良好的保護作用，其中以SF6的效果最佳。
熔體在乾燥純淨的CO2中氧化速度很低。高溫下CO2與鎂的化學反應方程式為
2Mg(L)+CO2=2 MgO(S)+C
反應產物為無定型碳，它可以填充與氧化膜的間隙處，提高熔體表面氧化膜的緻密性，此外還能強烈地抑制鎂離子透過表面膜的擴散運動，從而抑制鎂的氧化。
SO2與鎂的化學反應方程式為
3Mg(L)+SO2=2 MgO(S)+ MgS(S)
反應產物在熔體表面形成一薄層較緻密的MgS/ MgO複合膜，可以抑制鎂的氧化。20世紀70年代，SF6的保護效果沒有得到認可前，人們廣泛採用SO2氣體來抑制鎂合金的氧化與燃燒。
SF6是一種人工製備的無毒氣體，相對分子質量為164.1，密度是空氣的4倍，發生化學反應可能產生有毒氣體，在常溫下及其穩定。含SF6的混合氣體與鎂可以發生一系列的複雜反應。
2Mg(L)+O2=2 MgO(S)
2Mg(L)+O2+SF6=2 MgF2(S)+ SO2+ F2
2MgO(S)+SF6=2 Mg F2(S)+ SO2+ F2
MgF2的緻密度高，它與MgO一起可形成連續緻密的氧化膜，對熔體起到良好的保護作用。應當注意的是，採用含SF6保護氣氛時，一定不能含有水蒸氣，否則水分的存在會大大加劇鎂的氧化，還會產生有毒的HF氣體。
然而，各種氣體對鎂合金熔體的保護效果可能與合金系有關。M.H.Kim等開展了保護性氣體對Mg-Ca系合金熔體氧化特性影響的研究，發現Ar、N2、和CO2三種氣體中N2的保護效果最好。流速較小時，CO2與鎂合金熔體反應生成的氧化層具有雙層多孔性結構，表層富碳，內層富氧，不能抑制Mg-Ca系合金熔體的氧化與燃燒。顯然，Kim與其他人的研究結果相悖。
2)SF6保護氣氛
目前，人們在鎂合金熔煉與生產過程中廣泛採用SF6保護氣氛。SF6保護氣氛是一種非常有效的保護氣氛，能顯著降低熔煉損耗，在鑄錠生產行業和壓鑄工業中得到普遍應用。實驗研究表明，含0.01vol.%SF6的混合氣體可有效地保護熔體，但實際操作中，為了補充SF6與熔體反應與洩漏造成的損耗，SF6的濃度要高些。在配置混合氣體時，一般應採用多管道、多出口分配，儘量接近液面且分配均勻，並且需要定期檢查管道是否堵塞和腐蝕。採用SF6保護氣氛熔煉合金時，應儘可能提高澆注溫度、熔體液面高度和給料速度的穩定性，以避免破壞液面上方SF6氣體的濃度。此外要注意保護氣體與坩鍋發生反應，否則反應產物(FeF3、Fe2O3)將與鎂發生劇烈反應。
SF6保護氣氛主要有兩種，一種時乾燥空氣與SF6的混合物，另一種時乾燥空氣與CO2 和SF6的混合物。SF6保護氣氛中SF6濃度較低(1.7～2)vol.%,且無毒無味。壓鑄溫度比較低，且金屬熔體密封性好，SF6濃度較低的空氣混合物就可以提供保護(通常小於0.25 vol%)。在熔劑熔煉工藝中，細小的金屬顆粒會陷入坩鍋底部的熔渣中而難以回收，因而熔體損耗較高。在無熔劑工藝中，由於沒熔劑，坩鍋底部熔渣量大大減少，從而熔體損耗相對較低。
由於在鎂合金熔煉溫度下SF6會緩慢分解和與其他元素發生反應生成SO2、HF和SF4等有毒氣體，在815℃還會產生劇毒的S2F10，但S2F10在300～350℃會分解出SF6和SF4，因此鎂合金的熔煉溫度一般不超過800℃。SF6濃度低於0.4 vol.%的保護氣氛便能對鎂合金熔體提供有效保護，因而產生的有毒氣體可以忽略。表7.12列出了SF6氣體的技術要求。
SF6價格高且存在潛在的溫室效應，因而要儘量控制SF6的排放量。保護性氣氛中SF6的濃度不容許超過2vol.%，否則會引起坩鍋損耗。特別是在高溫下，SF6濃度超過某一特定的體積分數時，坩鍋內可能發生劇烈反應甚至爆炸，因此必須對混合氣體中SF6濃度進行嚴格控制。此外，帶蓋的坩鍋不能採用純SF6氣氛進行保護。SF6是影響鎂合金壽命周期指標(LCA)的主要因素，也是制約鎂合金成為21世紀綠色材料的關鍵因素。2000年，國際鎂協會(IMA)呼籲鎂界人士重視開發保護性氣體以代替SF6。
2典型的鎂合金熔煉工藝
(1)AZ91合金熔煉工藝
1)熔劑法
將坩鍋預熱至暗紅色(400-500℃)，在坩鍋內壁及底部均勻地撒上一層粉狀RJ-2(或RJ-1)熔劑。爐料預熱至150℃以上，依次加入回爐料、鎂錠、鋁錠，並在爐料上撤一層RJ-2熔劑，裝料時熔劑用量約佔爐料重量的1%-2%。升溫熔煉，當熔液溫度達700-720℃時，加入中間合金及鋅錠。在裝料及熔煉過程中，一旦發現熔液露出並燃燒，應立即補撒RJ-2熔劑，爐料全部熔化後，猛烈攪動5～8min，以使成分均勻。接著澆注光譜試樣，進行爐前分析。如果成分不合格，可加料調整，直至合格。
將熔液升溫至730℃，除去熔渣，並撒上一層RJ-2熔劑保溫，進行變質處理。即將佔爐料總重量0.4%的菱鎂礦(使用前破碎成φ10mm左右的小塊)分作2-3包，用鋁箔包好，分批裝於鐘罩內，緩慢壓入熔液深度2/3處，並平穩地水平移動，使熔液沸騰，直至變質劑全部分解(時間約6～12min);如採用C2Cl6變質處理，加入量為爐料總重量的0.5%～0.8%，處理溫度為740～760℃。
變質處理後，除去表面熔渣，撒以新的RJ-2熔劑。調整溫度至7l0-730℃，進行精煉。攪拌熔液10-30min，使熔液自下而上翻滾，不得飛濺，並不斷在熔液的波峰上撒以精煉劑。精煉劑的用量視熔液中氧化夾雜含量的多少而定，一般約為爐料重量的1.5%-2.0%。精煉結束後，清除合金液表面、坩鍋壁、澆嘴及擋板上的熔渣，然後撒上RJ-2熔劑。
將熔液升溫至755～770℃，保溫靜置20～60min，澆注斷口試樣，檢查斷口，以呈緻密、銀白色為合格。否則，需重新變質和精煉。合格後將熔液調至澆注溫度(通常為720～780℃)，出爐澆注。精煉後升溫靜置的目的是減少熔液的密度和粘度，以加速熔渣的沉析，也使熔渣能有較充分的時間從鎂熔液中沉澱下來，不至混入鑄件中。過熱對晶粒細化也有利，必要時可過熱至800～840℃，再快速冷卻至澆注溫度，以改善晶粒細化效果。
熔煉好的熔液靜置結束後應在1h內澆注完，否則需重新澆注試樣，檢查斷口，檢查合格方可繼續澆注，不合格需要重新變質、精煉。如斷口檢查重複兩次不合格時，該熔液只能澆錠，不能澆鑄件。整個熔煉過程(不包括精煉)熔劑消耗約佔爐料總重量的3%～5%。
2）無熔劑熔煉(氣體)法
無熔劑法的原材料及熔煉工具準備基本上與熔劑熔煉時相同，不同之處在於：①使用SF6、CO2等保護氣體，C2Cl6變質精煉，氬氣補充吹洗，其技術要求如表7.14所示。②對熔體工具清理乾淨，預熱至200～300℃噴塗料。③配料時二、三級回爐料總重量不大於爐料總重量的40%，其中三級回爐料不得大於20%。
表3 無熔劑熔煉用氣體及C2Cl6的技術要求
名稱
技術要求（質量分數）
SF6
水分≤30×10－4％；CF4≤0.1%;空氣≤0.1%；酸度（以HF表示）≤5×10－4％；可水解氟化物（以HF表示）≤15×10－4％；生物試驗合格
CO2
純度≥99.9％
Ar
純度≥99.9％
C2Cl6
工業一級
首先將熔煉坩鍋預熱至暗紅，約500～600℃，裝滿經預熱的爐料，裝料順序為：合金錠、鎂錠、鋁錠、回爐料、中間合金和鋅等(如無法一次裝完，可留部分錠料或小塊回爐料待合金熔化後分批加入)，蓋上防護罩，通入防護氣體，升溫熔化(第一次送入SF6氣體時間可取4～6min)。當熔液升溫至700～720℃時，攪拌2～5min，以使成分均勻，之後清除爐渣，澆注光譜試樣。當成分不合格時進行調整，直至合格。升溫至730～750℃並保溫，用質量分數為0.1%的C2Cl6自沉式變質精煉劑進行處理，其配方見表4。
表4 自沉式精煉變質劑配方
編號
成分組成/g
C2Cl6
石墨
Zn
1
30
3
14～18
2
50
5
23～28
3
100
10
45～55
精煉變質處理後除渣，並在730～750℃用流量為1～2L/min的氬氣補充精煉(吹洗)2～4min(吹頭應插入熔液下部)，通氬氣量以液面有平緩的沸騰為宜。吃氬氣結束後，扒除液面熔渣，升溫至760～780℃，保溫靜置10～20min，澆注斷口試樣，如不合格，可重新精煉變質(用量取下限)，但一般不得超過3次。熔液調至澆注溫度進行澆注，並應在靜置結束後2h內澆完。否則，應重新檢查試樣斷口，不合格時需重新進行精煉變質處理。
澆注前，從直澆道往大型鑄型內通入防護性氣體2～3min，中小型內為0.5～1min，並用石棉板蓋上冒口。澆注時，往澆包內或液流處連續輸送防護性氣體進行保護，並允許撒硫磺和硼酸混合物，其比例可取1:1，以防止澆注過程中熔液燃燒。
(2)ZK40鎂合金的熔煉工藝
坩堝、爐料等準備與AZ91 合金相同，鋯以Mg-Zr中間合金形式加入，並仔細清理爐料，絕不允許與Mg-Al系合金混料。熔化工具也專用，不得與 Mg-Al系合金的熔化工具混用。
爐料組成(質量分數)：新料10%～20%、回爐料80%～90%(其中一級回爐料應佔 60%以上)。
將坩堝加熱至暗紅色，在其底部撒以適當的熔劑。加入預熱150℃以上的鎂錠及回爐料，升溫熔化。當熔液溫度達720～740℃時加入鋅。繼續升溫至780～810℃，分批緩慢加入Mg-Zr中間合金。全部熔化後，攪拌25min以加速鋯的溶解，使成分均勻。在熔液溫度不低於 760℃時澆注斷口試樣。若斷口不合格，可酌情補加質量分數為1%～2%的Mg-Zr中間合金，重新檢查斷口，允許第二次補加，若仍不合格，該爐合金只能澆錠。斷口合格的熔液可調至 750～760℃，將攪拌機葉輪沉至熔液 2/3 處，攪拌4～6min，並不斷在液流波峰上撒以熔煉熔劑，熔劑用量為爐料總重量的1.5%～2.5%。然後清除澆嘴、擋板、坩堝壁及熔液表面上的熔渣，再撒入新的覆蓋熔劑。將熔液升溫至780～820℃，靜置保溫15min，必要時可再次檢查斷口，直至靜置總時間為30～50min，即可出爐澆注。覆蓋、精煉均採用RJ-4熔劑。在整個熔煉過程中，熔劑的消耗量佔爐料總重量的2%～3%(不包括精煉用熔劑)。精煉後靜置時間不允許超過2h ，並且保持溫度在780～820℃之間，以免鋯沉澱。
鋯還可以氯鋯酸鹽或氟鋯酸鹽(Na2ZrF4)狀態加入鎂合金中，這時需要注意的是：①鹽的加入量一般為計算組成的8～10倍。②以氟鋯酸鹽狀態加入鋯時，由於要求必須過熱至900℃，操作中比較困難。③以氯鋯酸鹽狀態加入鋯時，雖然加入難度小了，但所獲得的鑄件耐蝕性能不足。
含鋯鎂合金的關鍵是鋯能否加入到鎂合金中去，晶粒細化效果是否合格。為此，第一，要仔細清理爐料，採用較純淨的爐料，以減少鐵、矽、鋁等各種雜質的影響，否則不僅會損耗一定數量的鋯，而且會嚴重影響合金的質量。第二，鋯的溫度不低於780℃，否則鋯很容易沉澱在坩堝底部，造成合金中鋯量不足。溫度高於820℃，熔液表面氧化加劇，且將從大氣中吸氫，同時因鐵的溶入量增加，使鋯與鐵、氫形成的化合物增多，也會加大鋯的損耗，削弱鋯的細化效果。為避免鋯的沉澱析出，應儘量縮短合金液的停留時間，特別是760℃以下的停留時間。