摘要鎂合金在熔煉過程中容易產(chǎn)生氧化燃燒，因此必須采取有效的措施對其加以保護(hù)，合金化是一種理想的阻燃方法。本文研究了添加不同Ce含量對Mg-1.2Ca鎂合金的阻燃性能和熔體表面張力的影響。結(jié)果表明:隨著Ce的質(zhì)量分?jǐn)?shù)從0增加到1.5%時，Mg-1.2Ca合金的燃點(diǎn)大幅度提高，表面張力不斷下降。當(dāng)Ce含量提高到1.2%時，鎂合金的燃點(diǎn)達(dá)到780℃。隨著Ce元素的添加，由MgO，CaO和Ce2O3組成的復(fù)合氧化膜非常致密，從而可以很好的阻止Mg-1.2Ca鎂合金的氧化燃燒。對Mg-1.2Ca-1.2Ce鎂合金氧化膜的SEM和EDS進(jìn)行了綜合分析，結(jié)果表明氧化膜最外層主要是MgO，中間層主要是CaO，而Ce2O3主要集中在氧化膜和基體的交界處。

前言

鎂合金具有密度小、比強(qiáng)度和比剛度高、良好減震性和消磁性，并且易于切削、成型，因此在航空航天、汽車工業(yè)、電子科技等領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用。但是鎂合金在熔煉、澆注過程容易氧化和燃燒，因此必須采取一定的保護(hù)措施。現(xiàn)在最常用的阻燃方法是熔劑覆蓋法和氣體保護(hù)法，但這兩種阻燃方法都不可免的存在熔劑夾雜、環(huán)境污染、設(shè)備和工藝復(fù)雜等缺點(diǎn)。

20世紀(jì)50年代，國內(nèi)外提出阻燃鎂合金的研究開發(fā)，其主要原理在于向鎂合金中添加適量的低氧位合金元素(即其與氧的親和力大于鎂與氧的親和力)，使鎂合金在熔煉、澆注過程中自動生成一層致密的復(fù)合氧化膜，從而阻止鎂合金的進(jìn)一步的氧化燃燒。日本九州國家工業(yè)研究所的Sakamoto和九州大學(xué)的Fukuoka等人較早研究了Ca對于合金阻鎂燃性能的影響。在鎂合金中單獨(dú)加入Ca元素后，其總體趨勢是含Ca量越高其阻燃性越好，但大量實(shí)驗(yàn)證明Ca含量的增加，晶界上會出現(xiàn)富Ca的金屬間化合物，使合金的力學(xué)性能降低，從而阻礙了含Ca阻燃鎂合金的進(jìn)一步推廣應(yīng)用。黃曉鋒等的研究發(fā)現(xiàn)，Ce元素的加入對提高AZ91D合金在固態(tài)下的起燃溫度有著重要的作用，隨著合金中Ce的加入量的提高，鎂合金的起燃溫度逐漸升高。Ce元素為表面活性元素，Ce元素的添加對鎂合金的阻燃性能和氧化膜結(jié)構(gòu)產(chǎn)生很大的影響，而合金表面氧化膜結(jié)構(gòu)的改變必然同時改變?nèi)垠w表面張力的大小。表面張力作為高溫熔體重要的物理性質(zhì)之一，是冶金和材料科學(xué)與工程中的重要物理參數(shù)。它對材料在鑄造、焊接等加工過程中表面熱力學(xué)行為起著十分重要的作用。研究Ce元素對鎂合金表面張力的影響對于揭示其阻燃機(jī)理具有重要意義。本論文通過添加Ca、Ce到工業(yè)純鎂中，探討其對工業(yè)純鎂阻燃性能與熔體表面張力的影響，為新型阻燃鎂合金材料的研發(fā)提供依據(jù)。

1試樣的制備及檢測方法

1.1試樣的制備

本實(shí)驗(yàn)以工業(yè)純Mg、Mg-30%Ca中間合金、Mg-30%Ce中間合金為原材料，利用坩堝式節(jié)能電阻爐進(jìn)行熔煉，并通入體積百分比為99.5%CO2+0.5%SF6的混合氣體作為保護(hù)氣體。原材料化學(xué)成分如表1所示。

表1原材料化學(xué)成分(質(zhì)量百分?jǐn)?shù))

1.2燃點(diǎn)檢測方法

燃點(diǎn)測試設(shè)備采用型號為SG2-1.5-12型的小電阻爐進(jìn)行加熱升溫，升溫速率可通過編程自行設(shè)置;溫度控制裝置使用TCW-32B型程序溫度控制器，如圖1所示;選用WRE型熱電偶進(jìn)行溫度的測定，將試樣(Φ12mmx15mm)放在內(nèi)表面光滑的陶瓷小坩堝中，燃后一同放入節(jié)能的小電阻爐中進(jìn)行測試，整個測試過程不添加任何保護(hù)在大氣中直接測量。

本實(shí)驗(yàn)采用的燃點(diǎn)測試原理為:用溫度采集卡采集到電腦的是一個時間和溫度的t-T坐標(biāo)系，橫坐標(biāo)為時間t，縱坐標(biāo)為溫度T。溫度隨著電阻爐的升溫而緩慢上升，當(dāng)?shù)竭_(dá)鎂合金燃點(diǎn)時，由于鎂合金燃燒時大量放熱，其表面溫度急劇升高，在加熱溫度和時間曲線上會出現(xiàn)一個拐點(diǎn),其拐點(diǎn)相應(yīng)的縱坐標(biāo)就是合金的燃點(diǎn)。

1.3表面張力檢測方法

本研究采用“最大氣泡壓力法”測量阻燃鎂合金熔體的表面張力。實(shí)驗(yàn)裝置見圖如圖2所示。采用高純度氬氣作為工作氣體，干燥瓶中裝有CaCl2用于干燥氣體，毛細(xì)石英管直徑為2.86mm，端口經(jīng)過拋光、清洗處理，U形壓力計(jì)工作液體為純凈水。

工業(yè)純Mg熔化后在750℃左右加入Mg-30%Ca和Mg-30%Ce中間合金，待金屬完全熔化后攪拌均勻,去除表面熔渣,保溫10 min后進(jìn)行表面張力的測量.測量時首先打開氬氣瓶,通過一系列的量程裝置、U形管兩邊液面波動情況和熔體中產(chǎn)生氣泡的速度來調(diào)節(jié)氣體流量大小,以阻燃鎂合金熔體表面每分鐘產(chǎn)生8~10個氣泡為準(zhǔn)。記錄下毛細(xì)石英管插入到熔體內(nèi)部的深度和U形管兩端的最大液面差值。

圖1燃點(diǎn)測試設(shè)備簡圖

圖2最大氣泡壓力法測試表面張力裝置簡圖

1.4氧化膜檢測方法

將熔煉好的阻燃鎂合金取一部分打磨后放入陶瓷坩堝中重新熔煉,待合金熔化完全后進(jìn)行攪拌以除去表面的夾雜物并使合金混合均勻,將坩堝取出后放入空氣中自然冷卻,則會在合金表面形成一層自然的氧化膜.通過配備有能譜分析儀的Hitachi S4800掃描電鏡對氧化膜的表面形貌及氧化鎂截面的元素分布進(jìn)行檢測,并且通過X射線對氧化膜表面的相組成進(jìn)行分析.