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镁合金具有密度小,比强度和比刚度高、阻尼性能好以及电磁屏蔽等优点,近年来成为汽车和电子行业的重要轻质材料。镁合金在熔炼过程中容易发生剧烈的氧化燃烧,在工业生产中通常采用六氟化硫气体保护的方法进行熔炼。但是,六氟化硫的温室效应太大,且价格高,迫使人们去寻找它的替代品。
本论文根据目前的研究现状进行了大量调查研究,选择了低温室效应的二氟甲烷和1,1-二氟乙烷作为六氟化硫替代气体,进行对镁及镁合金熔炼的保护的系统研究,取得了第一手资料。
论文分别用二氟甲烷和1,1-二氟乙烷气氛对镁合金AM60、AZ91和纯镁的熔炼过程进行保护,并采用SEM、EDS、XRD等分析手段对熔炼过程中提取的表面氧化膜的微观形貌、元素组成和相组成结构进行了系统研究,发现在以上两种气体中形成的表面氧化膜的形貌和组成与在六氟化硫气氛中形成的表面氧化膜是类似的。通过氧化增重试验,得出镁熔体在气氛中的表面氧化遵循抛物线生长规律的结论。同时,结合金属高温氧化理论,对镁熔体表面氧化的热力学和动力学机制进行了初步探讨。论文还对参照系六氟化硫气氛也作了系统的对比研究,获得了明确的结论。
本文研究表明:1.镁合金在二氟甲烷和1,1-二氟乙烷气氛中熔炼时,形成具有金属光泽的表面氧化膜,它对镁熔体有保护作用,所需保护气体的浓度是0.1~1%(体积比)。
2.SEM分析显示以上表面氧化膜致密,厚度约2~3微米,EDS显示氧化膜主要由碳、氧、氟、镁四种元素组成,碳、氟元素的含量随熔炼时间和保护气体浓度的增大而升高,氧元素的含量则相反。XRD显示表面氧化膜主要由氧化镁、氟化镁和无定形碳组成,氟化镁的含量随熔炼时间和浓度的增大而升高。
3.镁熔体在二氟甲烷和1,1二氟乙烷气氛中形成的表面氧化膜的增长速度呈抛物线形,氧化速度随温度和保护气体的浓度的增大而增大。
4.二氟甲烷的保护作用机制为:(1)Mg+1/2O2→MgO(2)CH2F2+1/2O2+Mg→MgF2+H2O+C(3)CHF2+MgO→MgF2+H2O+C5.1,1二氟乙烷的保护作用机制为:(1)Mg+1/2O2→MgO(2)C2H4F2+O2+Mg→MgF2+2HO+2C(3)C2H4F2+1/2O2+MgO→MgF2+2HO+2C6.氧化动力学实验表明,1%浓度的1,1-二氟乙烷(HFC-152a)气氛,无论温度在660℃,还是760℃下,完全可以替代SF6气氛。其对纯镁及镁合金的保护功能与SF6气氛相当,有些情况下,还略好于SF6气氛。而二氟甲烷(HFC-32)气氛,则在较低温度(660℃)下可替代SF6气氛。
7.用1,1-二氟乙烷(HFC-152a)二氟甲烷(HFC-32)气氛替代SF6气氛,可以大大减少对环境的负面影响,并降低了熔炼成本。