阻燃镁合金研究

论文摘要

镁合金是实际应用中最轻的金属结构材料,具有高的比强度、比刚度和良好的磁屏蔽性、阻尼性、切削加工性,而且易于回收,在汽车、电子、航空等领域得到了广泛应用。但普通镁合金在熔炼过程中容易发生剧烈的氧化燃烧,限制了其大规模的工业应用。目前工业生产中通常采用熔剂覆盖或者气体保护的方法进行熔炼,但是这两种方法存在着环境污染严重、工艺设备复杂和产品质量不稳定等缺点,所以必须寻找一种更有效的阻燃方法。通过合金化的方法来达到阻燃的目的将是镁合金研究的发展方向。本文结合金属高温氧化理论,对阻燃镁合金氧化热力学和和氧化动力学机制进行了分析和探讨,得出阻燃镁合金表面氧化膜的满足条件和生长规律。采用合金化的方法阻燃,就是通过添加合金元素,在镁合金熔体表面形成一层致密持久的氧化膜,提高镁合金的起燃温度;同时利用加入的元素来提高阻燃镁合金的力学性能,从而获得能够直接在大气中熔炼的且具有良好力学性能的新型阻燃镁合金。课题针对目前广泛应用的ZM5镁合金,通过以不同方式加入不同含量的富铈混合稀土、Ca和Li,考察了合金化对ZM5镁合金起燃温度的影响,以及阻燃元素的添加对镁合金力学性能的影响。通过实验,获得了阻燃性能和力学性能均较好的阻燃镁合金成分,并对阻燃机理进行了初步的探讨分析。实验发现,添加混合稀土和Ca元素后,在镁合金表面形成一层结构致密持久的保护膜,能够明显提高镁合金的起燃温度。而且复合添加的效果更好,当混合稀土含量为1.0%时,加入0.8%的Ca量合金起燃温度达到785℃,提高了240℃,阻燃效果最好。同时加入合金元素后,由于晶粒细化、固溶强化、第二相强化使得镁合金的力学性能得到改善,当复合添加1.0%RE和0.5%Ca时合金表现出最好的综合力学性能。在对阻燃性能、组织和力学性能全面综合分析的基础上,得到具有最优阻燃性能和力学性能的镁合金为ZM5-1.0%RE-0.8%Ca成分合金,不仅实现无保护条件下的熔炼,而且具有良好的平衡力学性能。通过研究,我们了解了镁合金氧化的过程以及氧化膜的组成,对合金高温氧化有一个更为清晰的认识。可以此来指导其它金属或合金的抗氧化研究。同时了解了合金元素对镁合金金相组织和力学性能的影响,对镁合金成分的进一步优化也可起到借鉴作用。

论文目录

• 中文摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 镁及镁合金
• 1.2 本课题的研究目的和内容
• 1.3 课题的学术与实用意义
• 第二章 镁合金的氧化和阻燃
• 2.1 金属的氧化理论
• 2.1.1 金属的氧化
• 2.1.2 氧化膜的保护性和完整性
• 2.1.3 金属氧化热力学条件
• 2.1.4 氧化反应的动力学条件
• 2.1.5 氧化膜的内应力与膜的破坏
• 2.1.6 减缓氧化的途径
• 2.2 镁合金阻燃
• 2.2.1 镁合金氧化现象
• 2.2.2 镁合金阻燃方法
• 2.2.3 合金化阻燃
• 第三章 实验方法及内容
• 3.1 研究方案
• 3.2 合金元素选择
• 3.2.1 ZM5母合金
• 3.2.2 合金阻燃元素选择
• 3.2.3 合金设计
• 3.3 熔炼试验
• 3.3.1 实验仪器设备及配料
• 3.3.2 熔炼工艺
• 3.4 性能测试
• 3.4.1 起燃温度测试
• 3.4.2 力学性能测试
• 3.4.3 微观组织观察
• 第四章 合金元素对ZM5镁合金阻燃性能的影响
• 4.1 Ca对ZM5合金阻燃性能的影响
• 4.1.1 Ca镁合金燃烧现象
• 4.1.2 Ca镁合金燃点试验结果
• 4.1.3 Ca镁合金阻燃机理分析
• 4.2 混合稀土和Ca对ZM5合金阻燃性能的影响
• 4.2.1 RE-Ca镁合金燃烧现象
• 4.2.2 RE-Ca镁合金燃点试验结果
• 4.2.3 RE-Ca镁合金阻燃机理分析
• 4.3 混合稀土和Ca、Li对ZM5合金阻燃性能的影响
• 4.3.1 RE-Ca-Li镁合金燃烧现象
• 4.3.2 RE-Ca-Li镁合金燃点试验结果
• 4.3.3 RE-Ca-Li镁合金阻燃机理分析
• 4.4 本章小结
• 第五章 合金元素对ZM5镁合金力学性能的影响
• 5.1 Ca对镁合金显微组织与力学性能的影响
• 5.1.1 Ca对ZM5合金铸态组织的影响
• 5.1.2 Ca对ZM5合金力学性能的影响
• 5.1.3 Ca对镁合金力学性能影响分析
• 5.2 混合稀土和Ca对镁合金显微组织与力学性能的影响
• 5.2.1 RE-Ca对ZM5合金铸态组织的影响
• 5.2.2 RE-Ca对ZM5合金力学性能的影响
• 5.2.3 RE-Ca对镁合金力学性能影响分析
• 5.3 混合稀土和Ca、Li对镁合金显微组织与力学性能的影响
• 5.3.1 RE-Ca-Li对ZM5合金铸态组织的影响
• 5.3.2 RE-Ca-Li对ZM5合金力学性能的影响
• 5.3.3 RE-Ca-Li对镁合金力学性能影响分析
• 5.4 本章小结
• 第六章 结论
• 致谢
• 参考文献
• 附录