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【“沉睡”的镁合金】(二)从“易燃”向“完全不燃”进化

来源:环球体育苹果版 作者:环球体育网站怎么了 时间:2022-08-11

  现在,一种新型合金的出现打消了镁自燃温度低、易燃的负面印象,引发了外界关注。这种合金就是熊本大学研究生院自然科学研究科工学部教授河村能人开发的“KUMADAI不燃镁合金”。因为有望作为需要良好阻燃性的飞机及铁路车辆的构造材料,这种镁合金被寄予了厚望。

  不燃镁合金即使从熔炉中取出、进入空气环境中,也不会像通常的镁合金那样着火。用燃烧器炙烤也不会迸发火苗,当温度超过纯镁的熔点(1091℃)后,这种合金虽然会熔化沸腾,但不会燃烧〔图1(a)〕。也就是“完全不燃烧”(河村)。这就是称之为“不燃”,而不是“难燃”、“耐热”的缘故。因为不燃烧,所以熔炼和铸造时的操作比较简单。

  用燃烧器炙烤,加热到1000℃以上也不着火,只出现沸腾现象(a)。这种材料的屈服强度良好,可轻松达到市售镁合金的2倍以上(b)。

  而且,这种合金在常温下强度大,拉伸屈服强度约为460MPa,堪比特超硬铝合金(A7075)〔图1(b)〕。总而言之,不燃镁合金不仅不会燃烧,而且拥有良好的机械强度,因而吸引了飞机和铁路车辆企业的兴趣。

  具有如此出色特性的不燃镁合金不使用稀有金属。虽然开发方没有透露成分,但可以确定的是,添加的元素均为价格低廉的通用金属。

  本文最后还将介绍河村先于该合金开发出的“KUMADAI耐热镁合金”,这种合金添加了稀有金属钇(Y),有可能导致成本增加,从成分来看,不燃镁合金更便于实现低成本化。而且,因为具有不燃的性质,所以无需担心切削时的粉屑着火,容易实施切削加工。但难点在于高温强度低。

  为了开发不燃镁合金和耐热镁合金,进行性能测试,揭示不燃和难燃化原理,以便全面投入实用,熊本大学于2011年在校内成立了“熊本大学先进镁国际研究中心”(MRC),加快了开发的速度。中心除400kg的熔炉和580t的热挤压设备之外,还拥有能够评价成分和机械强度的分析装置等。

  河村从2000年起着手开发的“KUMADAI耐热镁合金”是不燃镁合金的基础。这种合金添加了约2at%的钇(Y)和1~2at%的锌(Zn),自燃温度最高可达940℃,比一般镁合金高出了300℃以上。而且还具有优良的耐腐蚀性和强度,与不燃镁合金一样,实用化前景都很受期待。

  耐热镁合金按照制造方法分成两类。一类是利用快速凝固的方法制造的“KUMADAI急冷耐热镁合金”。另一类是对铸造的锭料实施挤压加工的“KUMADAI铸造耐热镁合金”。前者是利用薄带连铸法,使熔融金属快速凝固,制成合金薄片,压实预成型后实施挤压加工而成。制造虽然费时费力,但性能优良。而后者与急冷材料相比,特性虽然略差,但制造方法要简单。

  在阻燃性镁合金中,日本产业技术综合研究所开发的材料已经是众所周知。这种合金的自燃温度为810℃,强度与传统的镁合金相同。而河村开发的耐热镁合金不仅自燃温度比产综研的阻燃性镁合金要高出100℃以上,而且拥有更加优良的强度和耐腐蚀性。

  实际上,铸造耐热合金的比强度约是A7075的1.3倍,急冷耐热合金更是达到了A7075的2倍以上〔图2(a)〕。河村表示“高温特性特别好”也是耐热镁合金的一大特点。在200℃下,铸造耐热合金、急冷耐热合金的比强度均远大于铝合金(A2219)和高强度镁合金(WE54)*2的比强度〔图2(b)〕。但二者的成型性要好,如果采用温成型,耐热镁合金作为压延材料比主流锻造材料AZ31更容易成型。

  常温下的比强度(屈服强度与密度之积)高于铝合金(a)。高温(200℃)下的强度更是胜过铝合金和其他耐热镁合金(b)。铸造耐热合金的耐腐蚀性虽然不及市售的镁合金,但急冷耐热合金的耐腐蚀性比铝合金还要好(c)。市售合金均经过了热处理。

  再来看耐腐蚀性,铸造耐热合金的耐腐蚀性等于甚至低于不耐腐蚀的AZ31,但急冷耐热合金的耐腐蚀性高达特超硬铝合金的“近2倍”,传统镁合金更是不在线(c)〕。