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合金化阻燃鎂合金的產(chǎn)業(yè)化

合金化阻燃鎂合金的產(chǎn)業(yè)化一、項(xiàng)目簡(jiǎn)介鎂合金是目前最輕的金屬結(jié)構(gòu)材料，其密度大約在1.75～1.85g/cm3之間，僅相當(dāng)于鋁的2/3，鋼的1/4。同時(shí)鎂合金還具有比強(qiáng)度和比剛度高、導(dǎo)熱導(dǎo)電性好、阻尼減震、電磁屏蔽、易于加工成形和容易回收等優(yōu)點(diǎn)，在汽車(chē)、電子通信、航空航天和國(guó)防軍事等領(lǐng)域具有極其重要的應(yīng)用價(jià)值和廣闊的應(yīng)用前景，被譽(yù)為“21世紀(jì)綠色工程材料”。但是鎂合金由于自身化學(xué)活性很強(qiáng)，而且氧化后不能形成致密的氧化膜。鎂合金在高溫熔煉和加工成形過(guò)程中容易氧化燃燒，從而限制了鎂合金的發(fā)展前景。因而有必要尋找一種經(jīng)濟(jì)、實(shí)用、無(wú)污染的鎂和金熔煉保護(hù)方法以防止鎂合金生產(chǎn)過(guò)程中的氧化燃燒問(wèn)題。目前較為成熟的鎂合金阻燃方法有熔劑保護(hù)法和氣體保護(hù)法。然而，對(duì)于熔劑保護(hù)法而言，在熔劑的使用過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生大量有刺激性氣味的氣體（如HCl、Cl2），給環(huán)境造成危害；且容易產(chǎn)生熔劑夾雜，損害合金的機(jī)械性能和耐腐蝕性能。氣體保護(hù)法通常是通入一定量的SF6和CO2的混合氣體，使用過(guò)程中產(chǎn)生SO2、SF4等有毒氣體，甚至?xí)a(chǎn)生劇毒氣體S2F10，造成環(huán)境污染，且SF6和CO2能長(zhǎng)期滯留在大氣中，產(chǎn)生巨大的溫室效應(yīng)。另外氣體保護(hù)法還需要有復(fù)雜的混氣裝置和密封裝置，而且從熔煉到澆鑄也需要復(fù)雜的輸送設(shè)備，因而加大了一定的成本。針對(duì)熔劑保護(hù)法和氣體保護(hù)法帶來(lái)的問(wèn)題，20世紀(jì)50年代人們提出了合金化阻燃的想法，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），使其在熔煉、澆注過(guò)程中自動(dòng)生成致密的復(fù)合氧化膜，從而阻止鎂合金的進(jìn)一步氧化燃燒。本課題正是基于此思想，希望通過(guò)向鎂合金中添加某些合金元素，使得鎂合金獲得優(yōu)良的阻燃性能，同時(shí)不降低其力學(xué)性能。然而合金熔體表面氧化膜結(jié)構(gòu)的改變必然同時(shí)改變了熔體表面張力的大小，因而可以通過(guò)研究表面張力大小對(duì)氧化膜結(jié)構(gòu)改變的影響，進(jìn)而找到合金元素含量、阻燃性能和表面張力之間的定量關(guān)系，從而使本課題所得結(jié)果能夠指導(dǎo)實(shí)際生產(chǎn)。合金化阻燃法將大大降低設(shè)備及工藝的復(fù)雜程度，同時(shí)也不會(huì)對(duì)環(huán)境造成嚴(yán)重污染，具有較強(qiáng)的實(shí)用價(jià)值及巨大的發(fā)展?jié)摿Α６?項(xiàng)目技術(shù)成熟程度本課題組長(zhǎng)期從事合金化阻燃鎂合金材料及其相關(guān)加工工藝方面的研究，目前已經(jīng)建了一系列鎂合金相關(guān)的研究方法和性能檢測(cè)方法。研究的基體不僅包括工業(yè)純鎂，也包括商業(yè)應(yīng)用最為廣泛的AZ91D，添加阻燃元素包括Ca和不同含量的Re元素。現(xiàn)已經(jīng)取得以下研究成果：2.1 鎂合金起燃溫度測(cè)試系統(tǒng)的建立2.1.1 概述鎂合金起燃溫度的準(zhǔn)確測(cè)試是研究阻燃鎂合金過(guò)程中的關(guān)鍵一步，也是本課題的一個(gè)難點(diǎn)。傳統(tǒng)的測(cè)試方法有觀(guān)察法和溫度記錄儀法。觀(guān)察法就是在敞開(kāi)的爐中加熱試樣，當(dāng)觀(guān)察到試驗(yàn)燃燒時(shí)讀取電爐溫度控制器的溫度并記錄，作為試樣的燃點(diǎn)溫度。此方法簡(jiǎn)單易行，但是測(cè)試的結(jié)果受人為因素影響較大，誤差較大。溫度記錄儀法就是利用熱電偶作為溫度傳感器，使用溫度記錄儀記錄溫度時(shí)間曲線(xiàn)。鎂及其合金燃燒時(shí)放出的熱量會(huì)使溫度升高的速率發(fā)生急劇變化，從而使溫度-時(shí)間曲線(xiàn)發(fā)生拐點(diǎn)，此拐點(diǎn)處溫度即為燃點(diǎn)溫度。近年來(lái)隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展，出現(xiàn)了基于數(shù)據(jù)采集技術(shù)的燃點(diǎn)測(cè)試方法。這類(lèi)方法也是利用了鎂及其合金燃燒時(shí)釋放的熱量使?fàn)t內(nèi)溫度上升速率加快的現(xiàn)象。基于數(shù)據(jù)采集技術(shù)的燃點(diǎn)測(cè)試方法可把所采集的溫度時(shí)間曲線(xiàn)保存起來(lái)待日后分析，燃點(diǎn)溫度的確定可通過(guò)軟件編程自動(dòng)識(shí)別。本課題自行開(kāi)發(fā)了基于數(shù)據(jù)采集技術(shù)的鎂及鎂合金燃點(diǎn)測(cè)試分析系統(tǒng)。鎂合金起燃溫度測(cè)試系統(tǒng)從功能上可分為硬件部分和軟件部分，硬件部分主要完成溫度的傳感、信號(hào)的調(diào)理及數(shù)據(jù)采集；軟件部分主要完成溫度的實(shí)時(shí)顯示、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的回放分析等功能。2.1.2 硬件構(gòu)成及功能本課題所建立的鎂合金起燃溫度測(cè)試系統(tǒng)的硬件組成主要由坩堝式電阻爐、TCW-32B型溫度控制器、數(shù)據(jù)采集卡以及電腦組成，其組成結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖1所示。該電阻爐與溫度控制器具有節(jié)能、可編程控制以及加熱速度可調(diào)等優(yōu)點(diǎn)。溫度傳感器采用K型熱電偶。由于溫度采集的采樣率不需要很高，因此數(shù)據(jù)采集卡采用了研華USB-4718型，該數(shù)據(jù)采集卡為8路熱電偶輸入，支持USB2.0，無(wú)需外部電源，與筆記本電腦可構(gòu)成便攜式測(cè)試系統(tǒng)；該卡還具有3000VDC隔離保護(hù)，支持4~20mA，能夠?qū)犭娕夹盘?hào)進(jìn)行內(nèi)部調(diào)理，無(wú)需外加調(diào)理電路，降低系統(tǒng)的成本及開(kāi)發(fā)時(shí)間。其中一支熱電偶接入溫度控制器對(duì)電阻爐進(jìn)行控溫，然后再接入數(shù)據(jù)采集卡；另一支熱電偶用來(lái)測(cè)試試驗(yàn)樣品的溫度，因而直接接入數(shù)據(jù)采集卡。數(shù)據(jù)采集卡將這兩路溫度信號(hào)通過(guò)USB接口傳送到電腦進(jìn)行記錄并顯示。坩堝式電阻爐的結(jié)構(gòu)如圖1所示，在電爐底部開(kāi)有通風(fēng)孔，盛放試樣的物品應(yīng)采用帶孔的結(jié)構(gòu)或者石棉網(wǎng)，以保證良好的供氧條件。1.坩堝式電阻爐；2.耐火磚墊；3.坩堝；4.試樣；5．熱電偶；6.溫度控制器；7.數(shù)據(jù)采集卡；8.電腦圖1 鎂合金燃點(diǎn)測(cè)試裝置示意圖2.1.3 軟件功能及關(guān)鍵技術(shù)鎂合金起燃溫度測(cè)試系統(tǒng)軟件部分是利用LabVIEW8.5開(kāi)發(fā)的，其界面見(jiàn)圖2。該軟件界面從功能上可大致分為三個(gè)區(qū)域：實(shí)驗(yàn)參數(shù)設(shè)置區(qū)、實(shí)驗(yàn)參數(shù)動(dòng)態(tài)顯示區(qū)和軟件功能控制區(qū)。實(shí)驗(yàn)參數(shù)設(shè)置區(qū)可對(duì)實(shí)驗(yàn)采用的熱電偶類(lèi)型、數(shù)據(jù)采集卡的通道、實(shí)驗(yàn)名稱(chēng)、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)保存路徑以及采樣率等參數(shù)進(jìn)行設(shè)置。實(shí)驗(yàn)參數(shù)動(dòng)態(tài)顯示區(qū)可實(shí)現(xiàn)對(duì)所采集的兩路溫度的直觀(guān)動(dòng)態(tài)顯示以及溫度—時(shí)間曲線(xiàn)的動(dòng)態(tài)顯示。軟件功能控制區(qū)可完成對(duì)實(shí)驗(yàn)進(jìn)度的控制，如數(shù)據(jù)采集的開(kāi)始與結(jié)束、界面的刷新、溫度曲線(xiàn)的回放顯示以及系統(tǒng)的退出等功能。圖2 鎂合金起燃溫度測(cè)試系統(tǒng)軟件界面軟件與硬件的通訊是通過(guò)調(diào)用研華提供的底層驅(qū)動(dòng)函數(shù)實(shí)現(xiàn)的，一個(gè)通道的數(shù)據(jù)傳輸程序框圖見(jiàn)圖3。由于該數(shù)據(jù)采集卡不支持8路信號(hào)的并行通信，也就是說(shuō)數(shù)據(jù)采集卡的8路輸入信號(hào)的讀取要按順序循環(huán)讀取，所以要想實(shí)現(xiàn)多路溫度信號(hào)的傳輸，必須在軟件上來(lái)完成。本文是通過(guò)調(diào)用順序結(jié)構(gòu)的方法來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)兩通道數(shù)據(jù)的順序讀取的。圖3 數(shù)據(jù)傳輸程序框圖為了能夠?qū)?shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行事后分析，軟件要提供對(duì)所采集的數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)功能，存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)一定要和相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)名稱(chēng)結(jié)合起來(lái)，以防止實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)混淆。本軟件是通過(guò)對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行命名與計(jì)算機(jī)自動(dòng)生成名稱(chēng)相結(jié)合的方法來(lái)避免數(shù)據(jù)的混淆。也就是說(shuō)，對(duì)每個(gè)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行命名后，由于每個(gè)實(shí)驗(yàn)不一定只做一個(gè)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，因此系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)生成一個(gè)以精確到秒的時(shí)間字符串做為實(shí)驗(yàn)名的后一部分，如“mg1.2ca-1熔體溫度20100531204001.bin”。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)在存儲(chǔ)時(shí)同時(shí)被存儲(chǔ)為二進(jìn)制格式和文本格式，路徑及文件名生成以及數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的的程序框圖如圖4所示。圖4 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)程序示意圖由于軟件在數(shù)據(jù)采集過(guò)程中顯示區(qū)域顯示的是動(dòng)態(tài)過(guò)程，所以無(wú)法看到所采集的數(shù)據(jù)全貌，因此軟件提供了對(duì)所采集的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的回放顯示功能，既可顯示一條曲線(xiàn)，也可同時(shí)顯示多條曲線(xiàn)進(jìn)行對(duì)比分析，此功能是通過(guò)調(diào)用子VI（Virtual Instruments的簡(jiǎn)寫(xiě)，即虛擬儀器）的方式實(shí)現(xiàn)的。通過(guò)按下主界面的“單曲線(xiàn)顯示”或“多曲線(xiàn)顯示”即可調(diào)出一個(gè)新的顯示窗口。多曲線(xiàn)顯示的曲線(xiàn)條數(shù)可以輸入。多曲線(xiàn)顯示的界面及程序框圖見(jiàn)圖5。為了軟件使用過(guò)程中的方便，提供了界面刷新功能，按下“界面刷新”后軟件界面可恢復(fù)到默認(rèn)狀態(tài)。考慮到每次測(cè)燃點(diǎn)溫度時(shí)實(shí)驗(yàn)名稱(chēng)或者數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的路徑可能會(huì)相同，所以建立了“實(shí)驗(yàn)名稱(chēng)”和“存儲(chǔ)路徑”兩個(gè)全局變量，同時(shí)建立了一個(gè)配置文檔。每次軟件更改實(shí)驗(yàn)名稱(chēng)或存儲(chǔ)路徑時(shí)，都要修改全局變量的值，軟件退出時(shí)，要把最后的實(shí)驗(yàn)名稱(chēng)和存儲(chǔ)路徑存到配置文檔中，當(dāng)再一次打開(kāi)運(yùn)行軟件時(shí)，要打開(kāi)配置文檔讀取實(shí)驗(yàn)名稱(chēng)和存儲(chǔ)路徑的信息作為軟件界面的默認(rèn)值。 (a) 程序框圖 (b) 程序界面圖5 多曲線(xiàn)顯示為了使軟件運(yùn)行的更流暢、使用更方便，軟件中還應(yīng)用了很多容錯(cuò)技術(shù)。容錯(cuò)技術(shù)包括軟件的自檢和硬件自檢兩部分。軟件自檢包括檢查輸入的存儲(chǔ)路徑是否正確、實(shí)驗(yàn)名稱(chēng)是否為空等，以保證數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的可靠性。硬件自檢主要是在點(diǎn)擊“開(kāi)始采集”按鈕后，檢測(cè)數(shù)據(jù)采集卡工作是否正常，如果數(shù)據(jù)采集卡異常，軟件會(huì)報(bào)警并返回到初始狀態(tài)，避免了由于數(shù)據(jù)采集卡異常導(dǎo)致的死機(jī)。2.1.4 系統(tǒng)測(cè)試及起燃溫度的確定將電阻爐加熱至500℃左右，再將塊狀鎂合金放入帶孔的坩堝，然后將其置入電阻爐中，并使測(cè)量鎂合金溫度的熱電偶與塊狀鎂合金接觸，使電路按固定加熱速率進(jìn)行加熱，并開(kāi)始數(shù)據(jù)采集。數(shù)據(jù)采集過(guò)程的界面見(jiàn)圖2，經(jīng)測(cè)試，軟硬件各項(xiàng)功能正常。所采集的溫度-時(shí)間曲線(xiàn)如圖6所示。鎂合金在開(kāi)始燃燒瞬間，放出大量的熱量使溫度急劇上升，會(huì)在溫度-時(shí)間曲線(xiàn)上出現(xiàn)一個(gè)拐點(diǎn)。本課題中，將溫度-時(shí)間上的第一個(gè)拐點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的溫度值定義為燃點(diǎn)。圖6 典型溫度-時(shí)間采集曲線(xiàn)2.1.5 小結(jié)（1）本章建立了鎂合金起燃溫度測(cè)試硬件系統(tǒng)，該系統(tǒng)由坩堝式電阻爐、溫度控制器、熱電偶、研華USB-4718型數(shù)據(jù)采集卡及電腦組成，所建立的硬件系統(tǒng)成本低、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、測(cè)試系統(tǒng)便攜。（2）本章開(kāi)發(fā)了鎂合金起燃溫度測(cè)試軟件系統(tǒng)，該軟件采用LabVIEW8.5開(kāi)發(fā)，具有數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)動(dòng)態(tài)顯示、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、數(shù)據(jù)回放分析等功能。軟件界面友好，操作簡(jiǎn)單，容錯(cuò)性強(qiáng)。（3）本章對(duì)所建立的鎂合金起燃溫度測(cè)試系統(tǒng)軟硬件進(jìn)行了測(cè)試，測(cè)試結(jié)果表明，所建立的測(cè)試系統(tǒng)各項(xiàng)功能正常，能夠很好的完成對(duì)鎂合金起燃溫度的測(cè)試，并給出了確定起燃溫度的方法。2.2 鎂合金熔體表面張力裝置的建立2.2.1 概述我們通常將物體表面單位長(zhǎng)度上作用的力稱(chēng)作表面張力，單位為N/m，而且通常我們所說(shuō)的表面張力指的是液相與氣相接觸面上的表面張力。在液態(tài)金屬或者合金與氣體組成的體系中，與氣體接觸的液體表面層原子處于不平衡力場(chǎng)中，即與表面層原子接觸的液體中的原子與表面層原子距離較小，且數(shù)目量多，因此作用力較大；而與表面層原子接觸的氣體中的原子與表面層原子距離較大，且數(shù)量少，因此作用力較小。這樣就產(chǎn)生了方向垂直于液體表面，指向液體內(nèi)部的力，如圖7所示。該力使液體表面有如一彈性膜所包圍，傾向減少其表面，因此產(chǎn)生了表面張力。表面張力的大小不但與液體本身的性質(zhì)有關(guān)，而且與它相接觸的相的性質(zhì)有關(guān)。圖7 熔體表面原子模型表面張力是液態(tài)合金重要的物性參數(shù)，它不僅是研究界面反應(yīng)動(dòng)力學(xué)的基礎(chǔ)，而且在金屬凝固過(guò)程和鑄造合金參數(shù)的預(yù)測(cè)中起著重要作用，因此，研究液態(tài)合金熔體表面張力具有重要理論價(jià)值和實(shí)際意義。在阻燃鎂合金的研究領(lǐng)域，特別是在阻燃鎂合金的熔煉與制備過(guò)程中，合金液在高溫下的急劇擴(kuò)散與在凝固過(guò)程中晶粒的形成，尤其是晶體在長(zhǎng)大時(shí)，稀土元素會(huì)富集在相界上，在液態(tài)下有表面聚集的趨勢(shì),元素的擴(kuò)散必然會(huì)對(duì)熔體的表面張力和氧化膜結(jié)構(gòu)產(chǎn)生影響，因而我們可以通過(guò)研究稀土阻燃鎂合金熔體特性特別是在不同狀態(tài)下熔體表面張力的變化對(duì)氧化膜結(jié)構(gòu)改變的影響規(guī)律，進(jìn)而找到表面張力與阻燃性能之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系。2.2.2 表面張力的測(cè)量方法表面張力的測(cè)量方法有很多，總體上可分為動(dòng)態(tài)法和靜態(tài)法兩類(lèi)。動(dòng)態(tài)法是以測(cè)量決定某一過(guò)程特征的數(shù)值來(lái)計(jì)算表面張力，主要有毛細(xì)管波法和振蕩射流法。通常在溶液表面張力隨時(shí)間變化變化較快時(shí)需要用動(dòng)態(tài)法測(cè)量，如用振蕩射流法測(cè)定的時(shí)間變化可以小到1ms左右。在現(xiàn)階段，動(dòng)態(tài)法測(cè)量表面張力還不完善，測(cè)量誤差較大，因而，實(shí)際應(yīng)用很少。主要的方法有毛細(xì)管上升法、懸滴法、滴重法、最大氣泡法、拉筒法、液滴外形法和電磁懸浮法等。常溫或低于200℃下的液體表面張力測(cè)量方法較多。但是，多于液態(tài)金屬、爐渣、熔鹽等高溫熔體，增加了測(cè)量的難度和復(fù)雜程度，應(yīng)用于高溫熔體表面張力的測(cè)量方法主要有最大氣泡法、電磁懸浮法、拉筒法和靜滴法。考慮到試驗(yàn)的測(cè)量精度和設(shè)備的復(fù)雜程度，本課題采用最大氣泡法測(cè)量鎂合金熔體表面張力。最大氣泡法Simon于1851年提出，后由Canter、Jaeger分別從理論和實(shí)用角度加以發(fā)展。實(shí)驗(yàn)步驟是，將一毛細(xì)管插入待測(cè)液體內(nèi)部，再向管中緩慢通入惰性氣體，隨著吹入氣體壓力的增大，氣泡逐漸長(zhǎng)大，當(dāng)氣泡恰好是半球時(shí)，氣泡內(nèi)的壓力達(dá)到最大值，此時(shí)通過(guò)測(cè)量氣泡壓力，計(jì)算得到液體的表面張力值。2.2.3 表面張力的測(cè)量裝置本課題采用“最大氣泡壓力法”測(cè)定鎂合金熔體表面張力，實(shí)驗(yàn)裝置如圖8所示：圖2.4 最大氣泡壓力法測(cè)試表面張力裝置簡(jiǎn)圖Fig. 2.6 BMP Surface tension testing schematic圖8 最大氣泡法測(cè)量熔體表面張力裝置1.氬氣瓶2.壓力表 3.大量程浮子流量計(jì) 4.穩(wěn)壓計(jì) 5.針型閥 6.微調(diào)針型閥 7.干燥瓶 8.小量程浮子流量計(jì) 9.U形壓力計(jì) 10.溫度控制儀 11.毛細(xì)石英管 12.熱電偶 13.石墨坩堝 14.鎂合金熔 15.坩堝電阻爐16.升降機(jī)構(gòu) 17.大量程百分表氬氣經(jīng)過(guò)減壓計(jì)，穩(wěn)壓計(jì)，通入裝有氯化鈣的干燥瓶中進(jìn)行干燥，再由三通器分成兩路，一路連接到U形壓力計(jì)（U形管所盛液體為水），另一路經(jīng)細(xì)的石英管通入鎂合金熔體。由小到大緩慢調(diào)節(jié)氬氣氣壓，并通過(guò)針型閥控制氣體流量大小（將氣體流量控制在18-20毫升/分以?xún)?nèi)），觀(guān)察U形管內(nèi)兩邊液注高度差H。試驗(yàn)采用的毛細(xì)石英管內(nèi)半徑r=2.86mm，符合精度要求。毛細(xì)管端口經(jīng)過(guò)拋光、清洗處理，以排除雜質(zhì)和端口缺陷對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響。實(shí)驗(yàn)中，通過(guò)升降機(jī)構(gòu)可控制毛細(xì)管的上升和下降，當(dāng)毛細(xì)管插入合金液后，隨著氬氣的緩緩?fù)ㄈ耄軆?nèi)液體被排出管外，會(huì)在管口處形成氣泡并不斷長(zhǎng)大（圖9）。氣泡在成長(zhǎng)過(guò)程中，其內(nèi)部壓力P與液體靜壓力及液體表面張力的合力保持動(dòng)態(tài)平衡，直至這種平衡被破壞，氣泡會(huì)脫離管口而浮出液面。此過(guò)程，H值也將呈現(xiàn)出由小到大的變化趨勢(shì)，設(shè)氣泡內(nèi)的壓力為P，則：P+PM=PH （1）其中，PM為鎂合金熔體在深度為h處形成的壓強(qiáng)，PH為U形管內(nèi)兩邊液注差所形成的壓強(qiáng)。圖9 氣泡形成過(guò)程根據(jù)表面張力的物理意義，在液體中若有一半徑為r的球形氣泡，液體表面張力的作用造成了指向氣泡內(nèi)部的壓力P（圖10）。圖10球形氣泡氣泡的表面積為：S =4πr2球形氣泡的體積為：V =4πr3/3若將球的體積增大dV，則必須克服阻力P對(duì)它做功：ΔW =PdV，而這一所做的功將轉(zhuǎn)變?yōu)楸砻娣e增大后的表面自由能增量：ΔE =σdS（σ為表面張力）。由于ΔW =ΔE，即PdV =σdS而dV =4πr2dr，dS =8πrdr，因而可推導(dǎo)出：P =2σ/r （2）PM為鎂合金熔體在深度為h處形成的壓強(qiáng)，即PM =ρMgh，ρM為鎂合金熔體的密度，為便于計(jì)算我們以Mg-Al合金的液態(tài)密度代替；PH為U形管內(nèi)兩邊液注差所形成的壓強(qiáng)，即PH =ρwgH,ρw為水的密度。所以，由式（1）、（2）可以得到，當(dāng)H達(dá)到最大值Hmax時(shí)， 2σ/r +ρMgh =ρwgH （3）所以，表面張力σ為：σ=(ρwgHmax-ρMgh)?r/2 （4）用最大氣泡法測(cè)量鎂合金熔體表面張力的具體步驟為：1．采用電阻爐、坩堝在一定溫度下對(duì)合金進(jìn)行熔煉，待完全熔煉后攪拌一段時(shí)間，除去表面雜質(zhì)，再保溫10分鐘；2．通過(guò)調(diào)整升降機(jī)構(gòu)，使毛細(xì)管下降到恰好接觸合金熔體表面，此時(shí)調(diào)整百分表托架，使百分表的芯端部與升降機(jī)構(gòu)水平臂平面接觸，將刻度盤(pán)對(duì)零，下降升降機(jī)構(gòu)，使毛細(xì)管插入合金液表面之下，記錄毛細(xì)管下降的精確深度h；3．固定好這一高度打開(kāi)爐蓋與氬氣瓶壓閥，并通過(guò)針型閥控制氣體流量大小（將氣體流量控制在18-20毫升/分以?xún)?nèi)），此時(shí)U形管兩側(cè)開(kāi)始出現(xiàn)壓差，當(dāng)熔體內(nèi)部能夠穩(wěn)定、緩慢的產(chǎn)生氣泡時(shí)，觀(guān)察U形兩側(cè)壓差值將由小到大變化，到達(dá)一最大值后（即氣泡成為半球形，此時(shí)半徑最小等于石英管內(nèi)半徑r時(shí)），U形管兩端壓差突然減小（因?yàn)闅馀萜屏眩涗浵耈形管左右兩端的最大液面差值H；4．帶入公式中進(jìn)行計(jì)算便可得到熔體的表面張力。2.2.4 小結(jié)（1）本章建立了鎂合金熔體表面張力測(cè)量裝置，該裝置主要由氬氣瓶、壓力表、浮子流量計(jì) 、穩(wěn)壓計(jì)、針型閥、干燥瓶、U形壓力計(jì) 、毛細(xì)石英管、升降機(jī)構(gòu)和百分表組成。（2）本課題對(duì)所建立的鎂合金熔體表面張力測(cè)量裝置進(jìn)行了測(cè)試，測(cè)試結(jié)果表明，所建立的測(cè)量裝置各項(xiàng)功能正常，能夠很好的完成對(duì)鎂合金熔體表面張力的測(cè)量，并給出了熔體表面張力的測(cè)量方法。三、技術(shù)指標(biāo)通過(guò)本次研究必須到達(dá)以下要求：①研制成一種或多種阻燃鎂合金可以在大氣下不加任何保護(hù)措施條件下，熔煉而不發(fā)生燃燒現(xiàn)象；②研制成的阻燃鎂合金成分通過(guò)壓鑄、熱處理工藝過(guò)后所制成的成品，其結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能必須達(dá)到相應(yīng)的要求；③通過(guò)本次研究結(jié)果，發(fā)表1項(xiàng)發(fā)明專(zhuān)利和1項(xiàng)實(shí)用新型專(zhuān)利。四、市場(chǎng)前景鎂及鎂合金既可以鑄造成各種鑄件或壓鑄件，也可以采用各種塑形加工方法加工成不同品種、規(guī)格、性能和用途的管、棒、型、線(xiàn)、帶、箔材以及鍛件等，然后經(jīng)切削加工、冷沖壓、接合成形和表面處理等深加工成各種零件和結(jié)構(gòu)件。與其他結(jié)構(gòu)材料相比，鎂及其合金具有一系列的優(yōu)點(diǎn)，如密度低、比強(qiáng)度和比剛度高、阻尼減振降噪能力強(qiáng)、電磁屏蔽性能優(yōu)異、抗輻射、液態(tài)成型性能優(yōu)越、切削加工和熱成型性能好、易于回收等，符合“21世紀(jì)綠色結(jié)構(gòu)材料”的要求，越來(lái)越受到人們的青瞇。今年來(lái)，鎂材在汽車(chē)、摩托車(chē)等交通工具、計(jì)算機(jī)、通信、家電、電子電器、冶金、航空航天、國(guó)防軍工等部門(mén)獲得了廣泛的應(yīng)用。隨著鎂合金提煉及加工技術(shù)的發(fā)展，以及成本的下降，鎂材已成為工業(yè)應(yīng)用的重要金屬材料，在全球范圍內(nèi)得到快速發(fā)展。1. 鎂合金材料在汽車(chē)工業(yè)上的開(kāi)發(fā)與應(yīng)用自1970年中東石油危機(jī)以來(lái)，為減輕汽車(chē)質(zhì)量，以降低油耗和污染，提高安全性能，鎂合金材料在汽車(chē)工業(yè)中的應(yīng)用與日俱增。目前，汽車(chē)工業(yè)中鎂合金用量較多的地區(qū)和國(guó)家主要是北美、歐洲、日本和韓國(guó)。綜合部分廠(chǎng)家的使用情況，目前鎂合金材料主要用來(lái)制造以下汽車(chē)零部件：①車(chē)內(nèi)構(gòu)件：儀表盤(pán)、座椅架、座位升降器、操縱臺(tái)架、氣囊外罩、轉(zhuǎn)向柱支架、收音機(jī)外殼、小工具箱門(mén)、車(chē)窗馬達(dá)罩、剎車(chē)與離合器踏板托架、氣動(dòng)托架踏板等；②車(chē)體構(gòu)件：門(mén)框、尾板、車(chē)頂框、車(chē)頂板、IP橫梁；③發(fā)動(dòng)機(jī)及傳動(dòng)系統(tǒng)：閥蓋、凸輪蓋、四輪驅(qū)動(dòng)變速箱體、手動(dòng)換擋變速器、離合器外殼活塞、進(jìn)氣管、機(jī)油盤(pán)、交流電機(jī)支架、變速器殼體、齒輪箱殼體、油過(guò)濾器接頭、馬達(dá)罩、氣缸頭罩、分配盤(pán)支架、油泵殼、油箱、濾油器支架、左側(cè)半曲軸箱、空機(jī)罩、左抽氣管等。④底盤(pán)：輪轂、引擎托架、前后吊桿、尾盤(pán)支架。美國(guó)福特、通用、克萊斯勒三家公司在每輛汽車(chē)上使用的鎂合金鑄件分別達(dá)到30個(gè)、45個(gè)和20個(gè)；瑞典推出的沃爾沃CP20C0車(chē)型全重700kg，使用50kg鎂合金，包括輪轂、合器箱、轉(zhuǎn)向齒箱、后懸臂、發(fā)動(dòng)機(jī)架、進(jìn)氣歧管、氣缸體等部件；本田轎車(chē)一部分零件采用鎂合金材料后，重量大大減輕。最近，Magers分析了汽車(chē)市場(chǎng)的鎂合金需求趨勢(shì)，預(yù)測(cè)鎂合金材料在汽車(chē)工業(yè)的應(yīng)用將會(huì)不斷增加。2. 鎂材在軌道交通工具上的應(yīng)用前景在列車(chē)和其他軌道交通工具上使用鎂材，目的是減輕重量，減小噪音和震動(dòng)，規(guī)整零部件和防止塑料老化，提高使用壽命等。主要應(yīng)用實(shí)例：儀表盤(pán)支撐梁、發(fā)動(dòng)機(jī)閥蓋、密封結(jié)構(gòu)件、高速器、濾器器、發(fā)動(dòng)機(jī)承受臺(tái)、消音器等。3. 鎂材在自行車(chē)上的開(kāi)發(fā)與應(yīng)用自行車(chē)是人力驅(qū)動(dòng)工具，因而質(zhì)量的減輕帶來(lái)的效果非常顯著，具有更好的加速性能、爬坡性能、轉(zhuǎn)彎性能，并且容易操縱，因而在國(guó)外自行車(chē)行業(yè)流傳著“產(chǎn)品輕1g多賣(mài)1美元”的說(shuō)法。與鋁質(zhì)自行車(chē)相比，用鎂材制造自行車(chē)可減重33%；用鎂材制造的折疊自行車(chē)車(chē)架重量?jī)H1.4kg，總重量?jī)H為4kg。目前自行車(chē)使用鎂合金部件包括輪轂、車(chē)把夾、腳踏板、制動(dòng)器、手把、前叉、框架等近十幾個(gè)部件。4. 鎂材在航空航天上的開(kāi)發(fā)與應(yīng)用航空航天材料減重帶來(lái)的經(jīng)濟(jì)效益和性能改善十分顯著。在質(zhì)量減輕相同的情況下，商用飛機(jī)節(jié)省的燃油費(fèi)是汽車(chē)的近100倍，而戰(zhàn)斗機(jī)的燃油費(fèi)用節(jié)省又是商用飛機(jī)的近10倍，更重要的是其機(jī)動(dòng)性能的改善可以極大地提高戰(zhàn)斗力和生存能力。正因?yàn)槿绱耍缭?0世紀(jì)20年代就開(kāi)發(fā)出了許多鎂合金部件，如發(fā)動(dòng)機(jī)曲柄箱、發(fā)動(dòng)機(jī)零件、氣球吊籃、客機(jī)座椅、起落輪。隨著鎂合金生產(chǎn)技術(shù)的發(fā)展，材料的性能不斷提高，其應(yīng)用范圍也不斷擴(kuò)大。目前的應(yīng)用領(lǐng)域包括各種民用和軍用飛機(jī)的發(fā)動(dòng)機(jī)零部件、螺旋槳、齒輪箱、支架結(jié)構(gòu)，以及火箭、導(dǎo)彈、衛(wèi)星的一些零部件。5. 現(xiàn)代兵器零部件的鎂合金化及發(fā)展趨勢(shì)槍械武器、裝甲車(chē)輛、導(dǎo)彈、火炮、彈藥、光電儀器、武器用計(jì)算機(jī)及軍用器材中有較大數(shù)量的鋁合金零件和工程塑料件，根據(jù)鎂合金材料的性能和使用特點(diǎn)，將這些零件改用鎂合金制造在技術(shù)上是可行的。采用鎂合金材料代替武器裝備的中、低強(qiáng)度鋁合金零件和部分黑色金屬零件，實(shí)現(xiàn)武器裝備輕量化：槍械武器：機(jī)匣、彈匣、槍托體、提把、前護(hù)手、彈托板、瞄具座等；裝甲車(chē)輛：坦克座椅骨架、機(jī)長(zhǎng)鏡、變速箱殼體、發(fā)動(dòng)機(jī)濾座、進(jìn)出水管、空氣分配器座、機(jī)油泵殼體、水泵殼體、機(jī)油熱交換器、機(jī)油濾清器殼體、氣門(mén)室罩、呼吸器等；光電產(chǎn)品：鏡頭殼體、紅外成像儀殼體、底座。6. 鎂合金材料在電子工業(yè)（家用電器和3C產(chǎn)品）上的開(kāi)發(fā)與應(yīng)用近10年來(lái)，電子工業(yè)發(fā)達(dá)的國(guó)家，特別是日本和歐美一些國(guó)家，在鎂合金產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)方面開(kāi)展了大量工作并取得了重要進(jìn)展，一大批重要電子產(chǎn)品使用了鎂合金，取得了理想的效果。3C工業(yè)（計(jì)算機(jī)、通訊設(shè)備、消費(fèi)類(lèi)電子產(chǎn)品）是當(dāng)今全球發(fā)展速度最快的產(chǎn)業(yè)，數(shù)字化技術(shù)導(dǎo)致各種數(shù)字化產(chǎn)品不斷涌現(xiàn)。鎂合金3C產(chǎn)品最早出現(xiàn)于日本，1998年日本廠(chǎng)商開(kāi)始采用鎂合金制造各種可攜式商品（如PDA、手機(jī)等），如今最為普遍的鎂合金3C產(chǎn)品是筆記本電腦，是由日本SONY公司率先推出的。在3C產(chǎn)品朝著輕、薄、短、小方向發(fā)展趨勢(shì)的推動(dòng)下，今年來(lái)鎂合金的應(yīng)用得到了持續(xù)增長(zhǎng)。我國(guó)雖然是世界產(chǎn)鎂大國(guó)，但與日、美、歐相比，在鎂合金材料研究、生產(chǎn)技術(shù)及應(yīng)用領(lǐng)域等方面還有相當(dāng)大的差距，仍處于起步階段。五、規(guī)模與投資需求投資規(guī)模萬(wàn)元，廠(chǎng)房及設(shè)備設(shè)施需求等。六、生產(chǎn)設(shè)備根據(jù)研發(fā)和生產(chǎn)需求，鎂合金在加工和性能檢測(cè)方面需要用到以下裝置：真空式高頻感應(yīng)熔煉爐；鑄件的金屬型模具；坩堝為石墨型坩堝；大型真空熱處理爐；一整套機(jī)加工設(shè)備：加工中心、數(shù)控車(chē)床、手動(dòng)工具；試樣拉伸試驗(yàn)在Zwick/Roell Z100拉伸試驗(yàn)機(jī)上完成；硬度測(cè)試采用XC-ST50顯微硬度測(cè)試儀，金相組織觀(guān)察在VMS-2000金相圖像分析系統(tǒng)上完成；氧化膜形貌觀(guān)測(cè)等在日立S-4800掃描電鏡上進(jìn)行；大氣條件下的氧化動(dòng)力學(xué)實(shí)驗(yàn)在SDT-Q600差熱分析儀上進(jìn)行。七、效益分析按每年生產(chǎn)X噸計(jì)算，可獲利約XXXX萬(wàn)，八、合作方式合作方式采用技術(shù)入股或者技術(shù)轉(zhuǎn)讓的形式，價(jià)格面談。九、項(xiàng)目具體聯(lián)系人及聯(lián)系方式項(xiàng)目負(fù)責(zé)人：丁儉，電話(huà)：15122335148，email：djian@126.com。十、附件：成果圖片圖11 鎂合金零件產(chǎn)品

河北工業(yè)大學(xué) 2021-04-11

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