镁合金常用的阻燃方法为熔剂保护和SF6混合气体保护,但相对而言合金化阻燃是一种更理想 的阻燃方法,其机理是在合金中添加特定的合金元素来影响合金氧化的热力学反应与动力学过程, 形成具有保护作用的致密的氧化膜,达到阻止合金剧烈氧化的目的。与熔剂保护和SF6气体保护 相比,合金化阻燃可以消除熔剂夹杂,提高合金的力学性能与抗腐蚀性,消除有害气体对大气的污 染。1 国内外研究现状解决镁合金阻燃性的途径是向镁合金中添加合金元素,用来降低镁活性的 元素有Ca、Be、Ce、Bi等。1.1 添加元素Ca的阻燃镁合金日本较早研究了加Ca阻 燃镁合金。日本Kyusku国家工业研究所的SakamotoM等<1>人研制了w为1%～ 5%Ca的阻燃镁合金,并测定它们的燃点,结果表明:加入w为1%的Ca能提高燃点250℃ ,金属镁的氧化膜表面粗糙不能阻止氧化,对于w为5%Ca的镁合金,其氧化膜即使在970℃ 的大气中暴露60min,氧化膜仍很薄,表面光滑均匀。但Ca量过高时,在晶界上出现富Ca 金属间化合物,降低力学性能。试验证明,Ca和Zr同时加入镁合金能有效的起到防燃作用,同 时研究Ca和Zr的加入对镁合金组织和性能的影响,研究表明Zr可以有效的起到细化晶粒的作 用,优化合金成分。黄晓锋等人<2>在镁合金中添加Ca以后发现合金的抗氧化性能提高,合金 表面形成由CaO与MgO的混合层组成的氧化膜,起到阻燃作用。AZ91合金中加入少量Ca 显著地提高合金的室温和200℃的拉伸强度,但伸长率有所下降。Ca的加入明显的细化合金的 铸态和时效态的组织,并促使铸态树枝晶组织向等轴晶组织转变。Ca的加入未产生新的第2相, 而主要是溶解进入了β—Mg17Al12相中,并提高了β相的热稳定性,这是Ca的加入提高 AZ91合金拉伸强度的主要原因。当Ca的含量w达到1%时,起燃温度达到930℃。1.2 添加元素Be的阻燃镁合金赵云虎等人<3>的实验发现Ca与Be的少量加入可以明显起到减 缓氧化的作用,但过量的Be有粗化晶粒的倾向,降低力学性能。因此Be的加入量w一般在0. 005%～0.02%的范围内。1.3 添加元素Ce的阻燃镁合金黄晓锋等人<4>研究了铈 对AZ91D合金在无覆盖剂条件下起燃温度的影响。AZ91D在固态下550℃时合金表面就 已经产生了火星。在氧化镁生成的过程中释放出大量的结晶潜热,进一步促进了镁合金的起燃。通 过对无气体及覆盖剂保护下起燃温度的测定,研究了铸造技术Ce对AZ91D起燃温度的影响。 可以看出:随着合金中Ce含量的增加,镁合金的起燃温度逐渐升高。Ce添加量w为0.5%时 ,起燃温度为668℃,添加量w为1%,起燃温度为724℃。在液态合金表面氧化膜形成以后 ,没有发生燃烧。Ce对镁合金表面膜也有影响。实验结果表明:从试样表面到110nm之间, 氧和镁原子浓度均保持在46%左右,而Ce与铝的浓度则保持在3%左右。且各元素的浓度从表 面向内部变化很小。这说明在表层主要组成为氧化镁。从110nm开始,元素浓度开始出现明显 变化。铈的浓度上升非常迅速,一直到250nm开始降低,总的趋势是越向内部浓度越低。镁和 氧原子的浓度在从表面到110nm之间变化不大,镁原子在110～250nm之间略有降低, 250nm以后,逐渐增加,而氧原子在110～250nm之间则迅速降低,250nm以后, 降低速度减慢。铝的浓度在110nm以后逐渐增加。可以把表面膜分成3层,即外层、复合层、 内层。外层为从表面膜的外表面到110nm之间的范围。在这一层里面的Ce和铝原子浓度很低 且随深度的变化很小,所以主要成分是氧化镁。在110～250nm之间的范围为致密复合层。 这一层主要是由氧化镁、氧化铝及氧化铈组成的。导致表面膜中这种成分变化的原因是:在合金熔 化以后,由于镁的蒸气压很高,熔炼过程中熔体表面存在大量的镁蒸气,与氧发生反应生成氧化镁 并将覆盖在熔体的表面。由于氧化镁为不致密的疏松结构而无法阻挡氧的进入,此时将发生铈与氧 的反应生成Ce2O3,另有较少的铝与氧反应生成A12O3。由于中间层致密度高,因此氧的 浓度急剧下降。稀土在液态镁合金中有向表面聚集的趋势。因此铈的浓度从中间层向内层是逐渐降 低的。对镁合金阻燃起主要作用的是中间复合层.阻止起燃的主要因素是增加了表面膜的致密度。 1.4 添加元素Bi的阻燃镁合金闵学刚等人<5>在镁合金中加入Bi以后引起了铸锭组织的 显著变化。在试验条件下,纯镁(MB0)铸锭的组织完全由柱状晶(穿晶)组成,随着Bi的加 入,显微组织由柱状晶向等轴晶转变,且随着Bi含量的增多,晶粒变少。此外,当Bi含量超过 w为1%后,合金中开始出现含Bi的沉淀颗粒相,且颗粒相的数量随Bi加入量的增多而增加。MB系列合金试样时效处理后的拉伸试验结果表明,Bi的加入对Mg合金的力学性能产生了显著的影响,表1中列出了Mg-Bi二元合金试样的室温力学性能。表1 MgBi二元合金室温力学性能Tab.1 MechanicalpropertiesofbinaryalloyMg Biatroomtem perature合金号σb/MPaσ0.2/MPaδ/%HBMB082459.232.4 MB197666.635.8MB2104746.038.1MB3110835.443. 4 注:热处理状态:T6(400℃/20h+200℃/10h)由表中数据可知,随着Bi 含量的增加,Mg—Bi二元合金的屈服强度、拉伸强度、硬度提高,而伸长率有所降低。可见, Bi合金化能有效地提高镁合金的强度,却使塑性有所下降。因此,从镁合金的综合性能考虑,B i含量的控制应在提高强度而又不过多降低塑性之间平衡。在MAB(MgAl9Zn)合金中加 入Bi,同样也导致合金强度提高。随着Bi含量的增多合金强度有不同程度的提高,含2%Bi 时达到最大值,而伸长率则缓慢降低,含Bi大于2%时,伸长率急剧下降,强度也从最高值转而 下降。Bi对MgAl9Zn合金的强化作用并不因温度的升高而消失。可见适量Bi的加入,可 使AZ91合金的高温强度及抗蠕变性能得到较大幅度的改善。2 未来发展趋势2.1 阻燃镁 合金元素多元化从镁合金的综合性能看,在镁合金中加入2种或3种以上的合金元素,多种元素相 互匹配,从而提高镁合金的性能。2.2 提高阻燃镁合金力学性能为了降低能耗,减少汽车尾气 造成的环境污染,汽车的轻量化是环保的要求,作为最轻的金属结构材料镁合金的应用研究便备受 瞩目。因而对阻燃镁合金的力学性能提出更高的要求。探讨多种合金元素的匹配效果,成为提高阻 燃镁合金力学性能的一项措施。阻燃镁合金材料的研究现状及发展趋势@宋曰海$昆明理工大学材料表面精饰与改性研究所!云南昆明650093
@郭忠诚$昆明理工大学材料表面精饰与改性研究所!云南昆明650093
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阻燃镁合金;;起燃温度 ;;力学性能综述阻燃镁合金材料的研究现状,分析合金元素Ca、Be、Ce、Bi的作用,对 阻燃镁合金的一些新发展情况作了介绍。<1> ChangSY,MatsushitaM,T ezukaH,KamioA.TheCollectedAbstractsof117thF allMeetingofJapanInstMetalsandInterSymponAd vMaterialsandTechforthe21stCentury .JapanInstMetals
.1995,156(23):17.
<2> 黄晓锋,周 宏,何镇明.阻燃镁合金起燃温度的研究.稀有金属材料与工程,2002(3):221 224.
<3> 赵云虎,王渠东,等.Be对铸造Mg合金组织和力学性能的影响.特种铸造及有色合金,2000(3):10 12.
<4> 黄晓锋,周 宏,何镇明.AZ91D加铈阻燃镁合金氧化膜结构分析.中国稀土学报,2002(1):49 52.
<5> 闵学刚,孙扬善,等.Ca对AZ91显微组织及力学性能的影响.材料科学与工艺,2002(1):93 96. 闲阅芸悸?Bi含量的控制应在提高强度而又不过多降低塑性之间平衡。在MAB(Mg Al9Zn)合金中加入Bi,同样也导致合金强度提高。随着Bi含量的增多合金强度有不同程 度的提高,含2%Bi时达到最大值,而伸长率则缓慢降低,含Bi大于2%时,伸长率急剧下降 ,强度也从最高值转而下降。Bi对MgAl9Zn合金的强化作用并不因温度的升高而消失。可 见适量Bi的加入,可使AZ91合金的高温强度及抗蠕变性能得到较大幅度的改善。2 未来发 展趋势2.1 阻燃镁合金元素多元化从镁合金的综合性能看,在镁合金中加入2种或3种以上的 合金元素,多种元素相互匹配,从而提高镁合金的性能。2.2 提高阻燃镁合金力学性能为了降 低能耗,减少汽车尾气造成的环境污染,汽车的轻量化是环保的要求,作为最轻的金属结构材料镁 合金的应用研究便备受瞩目。因而对阻燃镁合金的力学性能提出更高的要求。探讨多种合金元素的 匹配效果,成为提高阻燃镁合金力学性能的一项措施。阻燃镁合金材料的研究现状及发展趋势@宋曰海$昆明理工大学材料表面精饰与改性研究所!云南昆明650093
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