混合稀土阻燃镁合金氧化动力学的研究

论文摘要

镁合金具有比重小、比强度和比刚度高、阻尼性能好、易切削加工等优点。但由于镁的化学性质活泼,非常容易氧化、燃烧,导致镁合金无法在大气条件下直接进行熔炼和浇注。氧化燃烧现象一直困扰着镁合金的生产,严重地阻碍了镁合金产品的大规模应用。目前一般采用熔剂覆盖法和气体保护法熔炼生产镁合金,或采用半固态压铸成形工艺以降低作业温度,但都存在着不少缺点。合金化阻燃可以提高镁合金的生产效率,减少环境污染,降低生产成本,通过合金化的方法实现镁合金的阻燃是镁合金研究的发展方向之一。本课题采用合金化的方法来提高镁合金的抗氧化性能。针对目前广泛应用的ZM5镁合金,通过添加经优化配比后的混合稀土,混合稀土加入量为0.1%时,镁合金液面上形成一层结构致密并且具有耐久性的保护膜,阻止氧气的进一步侵入和镁蒸气的向外挥发,从而不再产生合金的剧烈氧化燃烧现象。利用X一射线衍射分析（XRD）和扫描电镜分析（SEM&EDS ）研究这种ZM5-0.1RE合金的氧化膜组织、结构及阻燃元素的分布规律。利用综合热重分析仪分析研究ZM5-0.1RE合金的高温氧化动力学。分析氧化膜形成过程中的氧化动力过程。结合以上实验结果分析混合稀土RE对ZM5的阻燃机理。通过研究,了解了镁合金氧化的过程以及氧化膜的组成,对合金高温氧化有了更清晰的认识。对于其它需要抗氧化的金属或合金的抗氧化研究可以起到指导、借鉴作用。同时,由于对镁合金的需求日益广泛,合金化阻燃可以大大提高镁合金的生产效率,减少环境污染,降低生产成本,使镁合金的应用更加广泛。稀土阻燃镁合金的研究,将大大促进我国镁合金的生产和应用,促进镁合金工业的发展。对于我国正在逐步采用镁合金的汽车、摩托车和电子等行业也将产生极大的推动作用。同时也将为我国稀土金属材料的开发和应用提供广阔的前景,从而可以充分开发利用我国丰富的稀土资源。

论文目录

• 中文摘要
• 英文摘要
• 1 绪论
• 1.1 镁合金生产面临的问题
• 1.2 镁氧化的原因
• 1.2.1 Mg 与氧的反应
• 1.2.2 Mg 与水的反应
• 1.2.3 MgO 结构疏松
• 1.3 解决办法及其局限性
• 1.3.1 熔剂保护法
• 1.3.2 气体保护法
• 1.3.3 半固态成形
• 1.3.4 合金化阻燃
• 1.4 研究开发的目的和内容
• 1.5 研究的理论根据
• 1.5.1 稀土在熔体表面的聚集现象
• 1.5.2 镁、稀土与氧的相互作用
• 1.5.3 氧化膜性能的评价
• 1.6 课题的学术与实用意义
• 2 镁与镁合金
• 2.1 镁的基本性质
• 2.2 镁合金的特点
• 2.2.1 比强度与比刚度
• 2.2.2 抗腐蚀性
• 2.2.3 铸造适应性
• 2.2.4 减振性
• 2.2.5 切削加工性
• 2.2.6 导热性
• 2.2.7 电磁屏蔽性
• 2.3 常用镁合金
• 2.3.1 Mg-Mn 系合金
• 2.3.2 Mg-Al 系合金
• 2.3.3 Mg-Zn 系合金
• 2.3.4 Mg-RE 系合金
• 2.4 镁合金的应用
• 2.4.1 汽车零部件
• 2.4.2 电子器材
• 2.4.3 航空航天与军事领域
• 2.4.4 其它领域
• 3 金属氧化理论
• 3.1 金属氧化的基本过程
• 3.2 金属氧化的热力学判据
• 3.2.1 金属氧化的可能性与方向性
• 3.2.2 镁合金高温氧化的热力学分析
• 3.3 金属氧化的动力学规律
• 3.3.1 氧化速度
• 3.3.2 氧化动力学曲线
• 3.4 金属氧化膜的结构与性质
• 3.4.1 氧化膜的晶体结构
• 3.4.2 氧化膜的电化学性质
• 3.4.3 氧化膜的完整性和保护性
• 3.4.4 液态的金属氧化膜
• 3.5 镁合金的氧化动力学分析
• 3.5.1 合金的内氧化
• 3.5.2 合金的外氧化
• 3.5.3 合金的选择氧化
• 3.6 影响氧化过程的因素
• 3.6.1 合金元素的影响
• 3.6.2 温度的影响
• 3.6.3 氧分压的影响
• 3.6.4 空气介质的影响
• 3.7 减缓氧化的途径
• 3.7.1 利用选择性氧化
• 3.7.2 降低晶体缺陷浓度
• 3.7.3 生成复合氧化膜
• 3.7.4 增强氧化膜的持久性
• 3.8 合金化阻燃机理
• 3.8.1 热力学条件
• 3.8.2 动力学条件
• 4 实验方法及结果分析
• 4.1 技术路线
• 4.2 实验过程与工艺
• 4.2.1 实验设备及仪器
• 4.2.2 实验准备
• 4.2.3 实验过程
• 4.3 氧化膜结构分析
• 4.3.1 氧化膜结构分析
• 4.3.2 氧化膜的SEM 分析
• 4.3.3 氧化膜的XRD 分析
• 4.4 ZM5 和ZM5-0.1RE 合金的氧化动力学分析
• 4.4.1 合金氧化增重过程分析
• 4.4.2 合金的氧化过程生成热变化分析
• 4.4.3 合金TG 和DSC 图综合分析
• 4.4.4 合金恒温过程中氧化动力学分析
• 5 结论
• 致谢
• 参考文献
• 附录：作者在攻读硕士学位期间发表的论文目录