混合稀土阻燃鎂合金氧化行為的研究.pdf

1、鎂合金是比重最輕的結(jié)構(gòu)材料，具有高比強(qiáng)、高比模、高阻尼、電磁屏蔽能力強(qiáng)以及易回收等優(yōu)異性能。但由于鎂的化學(xué)性質(zhì)活潑，極易氧化燃燒，給鎂合金的存放、生產(chǎn)、加工和產(chǎn)品使用都造成較大的困難，成為阻礙鎂合金推廣應(yīng)用和發(fā)展的重要因素。要解決這些問題唯一的途徑就是提高鎂合金的抗氧化性能。
　　 本課題從鑄造鎂合金生產(chǎn)中熔體阻燃的問題入手，歸納了目前常見的熔劑覆蓋、氣體保護(hù)、半固態(tài)成形和合金化等阻燃方法，對(duì)比分析了各種阻燃方法的特點(diǎn)和不足，總

2、結(jié)出了合金化方法的優(yōu)點(diǎn)和發(fā)展前景：如若能找到合適的合金化元素，將不僅能提高鎂合金熔體的阻燃性能，而且同時(shí)還能提高鎂合金高溫(未熔狀態(tài))抗氧化性能和常溫耐腐蝕性能，對(duì)不同狀態(tài)下鎂合金的氧化行為起到限制作用，相比其他方法將具有更加徹底的“阻燃”意義，可以實(shí)現(xiàn)利用同種同量的合金化元素，同時(shí)解決目前鎂合金應(yīng)用推廣中所面臨的大部分難題。
　　 本課題選取經(jīng)成分優(yōu)化配比的混合稀土(RE)作為合金化元素，添加到目前廣泛應(yīng)用的ZM5鎂合金中。結(jié)

3、果顯示，適量的混合稀土不僅能提高鎂合金熔體阻燃性能，而且還能明顯改善鎂合金的高溫抗氧化性能和常溫耐腐蝕性能。結(jié)合試驗(yàn)結(jié)果與理論分析，系統(tǒng)地研究了添加混合稀土對(duì)不同狀態(tài)下鎂合金抗氧化性能的作用機(jī)理，為成功開發(fā)混合稀土阻燃鎂合金奠定了試驗(yàn)和理論基礎(chǔ)。
　　 混合稀土能有效提高熔體狀態(tài)ZM5鎂合金的起燃溫度。加入量為0.1％時(shí)，阻燃效果最好，起燃溫度達(dá)到830℃，可以實(shí)現(xiàn)鎂合金在大氣條件下直接進(jìn)行無保護(hù)熔煉和澆注。采用掃描電鏡(SEM

4、)、X射線衍射(XRD)、能譜分析(EDS)等手段，對(duì)混合稀土阻燃鎂合金熔體表面氧化膜的形貌、物相、元素分布進(jìn)行了檢測(cè)，發(fā)現(xiàn)在ZM5-0.1％RE合金熔體表面形成的氧化膜完整致密，厚度在2.5～3.5μm左右，內(nèi)部元素分布不均，RE元素具有顯著的表面富集現(xiàn)象。該氧化膜具有雙層結(jié)構(gòu)，外層主要是初生的不具備保護(hù)性的MgO層，氧通過外層可繼續(xù)向內(nèi)擴(kuò)散。由于RE在熔體表面富集，增大了熔體表面稀土元素的濃度，為RE優(yōu)先于Mg發(fā)生氧化創(chuàng)造了有利的熱

5、力學(xué)條件，反應(yīng)生成的RE2O3因P-B比η大于1，一方面能填補(bǔ)MgO膜中的孔洞，一方面由氧化發(fā)生體積膨脹而形成的壓應(yīng)力能促使MgO變得致密，從而形成了由MgO、RE2O3和Al2O3組成的致密內(nèi)層，具備阻滯反應(yīng)物在其內(nèi)部擴(kuò)散的條件。通過分析恒溫氧化動(dòng)力學(xué)曲線，致密的內(nèi)層能有效阻滯反應(yīng)物的擴(kuò)散，使氧化過程由界面反應(yīng)控制轉(zhuǎn)為受擴(kuò)散阻滯控制，氧化膜的拋物線生長(zhǎng)規(guī)律，證明了表面氧化膜對(duì)熔體的保護(hù)性。
　　 混合稀土能有效提高ZM5鎂合金

6、高溫抗氧化性能。利用升溫氧化增重曲線(TGA曲線)對(duì)ZM5和ZM5-0.1％RE兩種鎂合金的高溫抗氧化性能進(jìn)行了比較。ZM5合金升溫到500℃時(shí)，氧化增重開始加?。籞M5-0.1％RE合金因具有比ZM5合金更好的高溫抗氧化性能，氧化增重加劇的溫度可以達(dá)到600℃。通過考察兩種合金及其氧化后的微觀組織，結(jié)合Mg-Al相圖，發(fā)現(xiàn)鎂合金高溫氧化破壞起始于晶界，分布在晶界的β-Mg17Al12相熔點(diǎn)較低是造成這一現(xiàn)象的重要原因。在ZM5合金中加

7、入后，低熔點(diǎn)β-Mg17Al12相的數(shù)量減少，從而減少了從晶界氧化的“突破口”；并且β-Mg17Al12相由連續(xù)的網(wǎng)狀分布轉(zhuǎn)為斷續(xù)的彌散分布，使得Mg17Al12在高溫下形成的液相不再連續(xù)，斷絕了氧通過液相沿晶界連續(xù)擴(kuò)散的通道；而且稀土與鋁形成的鋁稀土相也大部分與Mg17Al12相共生在晶界上，也能阻止氧化反應(yīng)向內(nèi)部滲透。所以加入0.1％RE混合稀土后，ZM5合金高溫抗氧化性能得到提高，在切削試驗(yàn)中沒有出現(xiàn)燃燒現(xiàn)象。同時(shí)，RE的加入，細(xì)

8、化了基體晶粒，使得ZM-0.1％RE合金具備了較好的力學(xué)性能。
　　 綜合混合稀土對(duì)鎂合金熔體起燃溫度的影響和對(duì)鎂合金高溫抗氧化性能的作用，提出了混合稀土阻燃鎂合金的“二次起燃溫度”假說，能為混合稀土阻燃鎂合金的熔煉和試驗(yàn)起到一定的理論指導(dǎo)。
　　 混合稀土還能有效提高ZM5鎂合金常溫耐腐蝕性能。采用浸泡腐蝕失重法，對(duì)比分析了0.1％RE加入前后ZM5鎂合金的自然腐蝕行為。結(jié)果表明，混合稀土的加入使鎂合金基體晶粒變小，β