发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种镁合金安全帽、镁合金材料、制备方法、制备系统及应用。

本发明是这样实现的，一种镁合金安全帽，应用于安全防护工程，所述镁合金安全帽由改进的镁合金材料代替工程塑料，通过铸造磨具铸造而成。

本发明另一目的在于提供一种镁合金材料，应用于镁合金安全帽，所述镁合金材料的组份按按质量百分比由Mg 65％、Al 22％、Mn 3％及Zn 10％组成。

本发明另一目的在于提供一种镁合金材料的制备方法包括：

第一步，利用煤炭生产兰炭、焦油和煤气；

第二步，利用所产的兰炭和硅石、铁屑生产硅铁；

第三步，利用所生产的硅铁和白云石，通过焦炉煤气煅烧；冶炼金属镁；

第四步，利用所产的金属镁和各种金属材料，通过煤气冶炼成镁合金；

第五步，利用所产的镁合金通过电熔后，快速高压，压铸成各种类型的压铸产品；

第六步，利用再剩余的煤气进行余能发电，所产生的电能用于整个产业链的生产用电；

第七步，利用金属镁的废渣生产成免烧砖。整个生产工序、产品相互关联，形成了一个循环产业链，达到节能、环保、高效、最终实现资源综合利用。

进一步，所述第四步包括：

步骤一，通过温度检测设备利用温度检测器实时检测镁合金制备时温度数据；通过时间设备利用电子时间表显示镁合金制备时间数据；通过操作设备利用操作按键控制制备设备的控制操作；

步骤二，称取Mg65％、Al 22％、Mn 3％及Zn 10％；

步骤三，对球磨罐中钢球进行超声清洗；将称取的镁合金材料及钢球放入球磨罐中，加入酒精；并加入硬脂酸锌；球磨前进行抽真空处理，随后通入氩气；

进行球磨处理；

球磨处理后的粉末在桶装容器中进行过筛处理；处理过程中，容器底部通入氩气流动，同时使用试验筛对球磨后的镁合金材料进行过筛处理，除去球磨后的杂质及氧化物；

称取的镁合金材料及钢球放入球磨罐中，加入5-10滴酒精，球料比(20～25:1)；加入2vol.％的硬脂酸锌；球磨前进行抽真空处理中，通入氩气时间30s；

球磨过程参数：公转350～450r/min，正转25～30min，反转25～30min，中间停顿10～15min，球磨100～150min，有效球磨时间100～150min；

球磨处理后的粉末在桶装容器中进行过筛处理中，使用350目的试验筛对球磨后的镁合金材料进行过筛处理；

步骤四，通过熔炼炉熔炼，得镁合金溶液，熔炼温度770℃～1100℃；整个熔炼过程采用混合CO₂和氩气气体全程保护；

对熔炼过程的镁合金溶液依据Young方程由液体接触角估算固体的表面张力；获得镁合金抗拉强度数据，固体总表面张力近似等于固体表面张力的非极性值和极性值的和，即γ_S＝γ_S ^d+γ_S ^p，并且与接触角的关系见式

R＝2kη/2γ_Lcos0°＝2kη/γ_L

γ_L(1+cosθ)＝2(γ^d _s×γ^d _L)^1/2+2(γ^p _s×γ^p _L)^1/2

式中γ_L是液体的表面张力(mN/m)；γ^d _L、γ^p _L分别是液体表面张力的非极性部分和极性部分(mN/m)；γ^d _s、γ^p _s分别是固体表面张力的非极性部分和极性部分 (mN/m)；测定两个已知γ^d _L和γ^p _L的探测液体在固体表面的接触角，代入式R ＝2kη/2γ_Lcos0°＝2kη/γ_L，联立方程求解得固体γ^d _S、γ^p _s和固体的表面张力γ_s

界面张力的计算依据Owen-Wendit方程,计算如下：

γ_sl＝[(γ^p _L)^1/2-(γ^p _s)^1/2]²+[(γ^d _L)^1/2-(γ^d _s)^1/2]²；

步骤五，通过扒渣铲对镁合金溶液进行扒渣，去除浮于液面的熔渣；

将精炼的镁合金熔液保持温度在770-870℃之间进行浇注，制成镁合金坯；

步骤六，通过退火设备将镁合金坯进行退火，退火时通入氮气进行保护，退火完成后制得镁合金材料；

步骤七，通过密度检测设备检测镁合金密度操作；通过抗拉强度检测设备利用检测设备检测镁合金抗拉强度数据；通过耐腐蚀设备检测镁合金耐腐蚀性；

步骤八，通过显示终端利用显示器显示操作界面及检测的温度、密度、抗拉强度数据。

进一步，所述镁合金耐腐蚀性检测方法包括：

1)，选取多个镁合金样品，每个所述镁合金样品的厚度不大于1cm；

2)，分别将每个镁合金样品置于煤油、汽油、矿物油或碱类溶液中充分溶解，冷却至常温后置于容量瓶中；分析镁合金耐腐蚀性。

进一步，抗拉强度检测设备检测方法包括：

(1)、使用自动编程系统，镁合金压铸件通过机械手放入X光下后自动移动位置，对镁合金压铸件不同位置进行检测；

(2)、将镁合金压铸件在X光下的成像分割成若干个15×10mm的矩形，以便针对每个区域内的缺陷情况进行孔隙率的判定；

(3)、系统根据X光对镁合金压铸件不同区域的壁厚的穿透力不同，针对不同壁厚区域的单个镁合金压铸件实现高低电压自动切换检测；

(4)、系统根据气孔部位的灰度值与其他区域的不同来识别气孔，并且使用系统将计算出气孔的孔隙率和等效直径；

(5)、将最大允许的气孔标准设定在程序中，如果超过这个允许值，程序将会自动识别，将不合格的区域标注为黄色，标注为黄色的镁合金压铸件按照废品判定报废。

本发明另一目的在于提供一种镁合金材料制备系统，所述镁合金材料制备系统包括：

温度检测设备，与主控设备连接，用于通过温度检测器实时检测镁合金制备时温度数据；

时间设备，与主控设备连接，用于通过电子时间表显示镁合金制备时间数据；

操作设备，与主控设备连接，用于通过操作按键控制制备设备的控制操作；

主控设备，与温度检测设备、时间设备、操作设备、原料称取设备、混合熔炼设备、除渣设备、浇注设备、退火设备、密度检测设备、抗拉强度检测设备、显示终端连接，用于通过单片机控制各个设备正常工作；

原料称取设备，与主控设备连接，用于通称镁合金材料的组份；

混合熔炼设备，与主控设备连接，用于通过熔炼炉镁、混合料块混合并熔炼，得镁合金溶液；整个熔炼过程采用混合CO₂和氩气气体全程保护；

除渣设备，与主控设备连接，用于通过扒渣铲对镁合金溶液进行扒渣，去除浮于液面的熔渣；

浇注设备，与主控设备连接，用于将精炼的镁合金熔液进行浇注，制成镁合金坯；

退火设备，与主控设备连接，用于将镁合金坯进行退火，退火时通入氮气进行保护，退火完成后制得镁合金；

密度检测设备，与主控设备连接，用于检测镁合金密度操作；

抗拉强度检测设备，与主控设备连接，用于通过检测设备检测镁合金抗拉强度数据；

耐腐蚀设备，检测镁合金耐腐蚀性

显示终端，与主控设备连接，用于通过显示器显示操作界面及检测的温度、密度、抗拉强度数据。

本发明另一目的在于提供一种镁合金材料的特性分析方法，所述镁合金材料的特性分析方法包括：

利用钕玻璃脉冲激光对高性能耐热镁合金表面进行激光冲击处理，使镁合金表面层产生超高应变速率的塑性变形，晶粒内部存在的大量位错和孪晶，高密度位错相互缠结，并与孪晶相互交叉导致晶粒细化。

进一步，在抗拉强度分数为10％NaCl溶液中，采用动电位扫描技术和慢应变速率拉伸应力腐蚀试验分析冲击后的腐蚀行为。

本发明另一目的在于提供一种由所述镁合金材料制备的在煤油、汽油、矿物油和碱类中的耐蚀性较高领域用于安全防护的安全帽。

本发明另一目的在于提供一种由所述镁合金材料制备的在建筑工程、交通工程领域用于安全防护的安全帽。

本发明的优点及积极效果为：

本发明通过密度检测设备采用氯化银浊度法是最为快速、严谨的判断方法，准确度高，非常合理的指导了镁合金在生产过程中纯净度的控制，因此非常适合工业生产中镁合金纯净度的检测；同时，通过抗拉强度检测设备利用计算机程序来计算X光下镁合金压铸件内部气孔的孔隙率，最大气孔的等效直径，并且能够通过计算机程序判定镁合金压铸件的合格情况，具有检测精确、效率高的特点。

本发明利用钕玻璃脉冲激光对高性能耐热镁合金表面进行激光冲击处理，金相显微镜(OM)和透射电子显微镜(TEM)微观组织表明激光冲击波导致镁合金层产生超高应变速率的塑性变形，晶粒内部存在大量位错和孪晶，高密度位错相互缠结，并与孪晶相互交叉导致晶粒细化。镁合金冲击层硬度比基体提高60％，表面残余压应力达120MPa。在抗拉强度分数为10％NaC l溶液中，采用动电位扫描技术和慢应变速率拉伸应力腐蚀试验分析其冲击后的腐蚀行为，结果表明激光冲击后自腐蚀电位提高，腐蚀电流增大，抗腐蚀性有所降低，但激光冲击后镁合金抗应力腐蚀性能提高。

本发明提供的高性能耐热镁合金，微观组织分析：

激光冲击高性能耐热镁合金板材后横截面的金相照片。其左侧为激光冲击区表层，右侧为基体材料。从图中可以发现冲击区微观组织结构明显不同于基体材料，冲击区晶界明显增多，晶粒细化明显，晶粒细化层厚度约0.2mm，晶粒尺寸约10μm，而基体材料晶粒尺寸约30μm。高性能耐热镁合金的微观组织主要由α相、骨骼状的β相组成。其中β相为Mg₁₇Al_l2金属间化合物，弥散地分布于晶界。

图3为激光冲击高性能耐热镁合金后冲击区层的透射电子显微镜(TEM) 像。由图可见，层区域发生剧烈塑性变形导致大量位错并伴有孪晶产生。根据金属塑性变形理论可知，材料的变形方式主要取决于层错能和滑移系数目两个因素，材料的塑性变形机制主要有位错滑移、孪晶和晶界滑动三种机制。镁合金层错能为60～78mJ/m²，属于中等层错能，且具有密排六方结构，仅有一个滑移面和三个滑移方向。

因其塑性变形能力较差，在外力作用下不易产生宏观屈服且容易在晶界处产生大的应力集中，且其滑移系数目较少，因此其塑性变形方式依赖于孪生和滑移的协同作用，并受制于孪生。其主要的孪晶系为拉伸孪晶和压缩孪晶。其中发生孪晶变形的剪切应力最小，所以一般以孪晶变形为主，如图3(a)所示，孪晶(MT)不断调整晶体取向以有利于滑移的发生。图3(b)为图3(a) 方框区域的放大图。由于激光冲击波持续时间较短(ns级)，因此所发生的塑性变形为高应变速率塑性变形，金属滑移的本质是位错的运动，孪晶和位错运动最终导致塑性变形发生。从图3(b)中可以看出激光冲击后发生高应变率塑性变形，导致晶粒内部出现高密度位错线(Dls)、孪晶以及堆垛层错(S Fs)，堆垛层错垂直于孪晶界(TB)。图3(c)为在高应变速率和高应力作用下高性能耐热镁合金激光冲击后的微观组织结构。可以发现高性能耐热镁合金在激光冲击后产生高密度位错，位错相互缠结，平均位错间距大约在30～ 60nm之间，位错缠结(DTs)逐渐演变为位错胞(DCs)，如图3(d) 所示，在晶粒内部位错胞与孪晶交叉并演变为亚晶界，高密度位错和孪晶导致晶格畸变能增加，从而发生动态再结晶，以达到细化晶粒的目的。激光冲击产生高冲击波，冲击波引起表层金属产生高应变速率的塑性变形，导致材料内产生高密度位错和孪晶，引起表面强度和硬度提高。

维氏硬度测试数据如表1所示，结果表明激光冲击后，高性能耐热镁合金表面硬度从原来的48HV增加到88HV，层硬度比基体提高约60％。

激光冲击时，冲击波区域的金属向未冲击区域产生移动，由于未冲击区的约束和弹性恢复，容易在表面产生残余压应力。采用X射线残余应力测试仪测定表层残余压应力约为150MPa，与硬度类似，且距离外表面越远，残余应力也逐渐下降。

本发明的优点还具有以下特点：

①密度小，比铝轻三分之一，其比强度(抗拉强度与密度之比值)较铝合金高；②疲劳极限高；③能比铝合金承受较大的冲击载荷；④导热性好；⑤铸造性好；尺寸稳定性好；⑦易于回收；⑧有良好的切削加工性；⑨有较好的减振性能；⑩在诸多方面比工程塑料优越，可替代工程塑料；在煤油、汽油、矿物油和碱类中的耐耐蚀性较高等。

本发明经粉末工艺处理的粉末进一步后期制备得到的材料力学性能显著提高，拉伸屈服强度达到350MPa；拉伸断裂强度480MPa，延伸率达到18％；压缩屈服强度达到410MPa，压缩断裂强度达到583MPa，压下量为11.6％；相比未处理态粉末制备得到的成品材料性能，拉伸屈服强度提高了近200MPa，拉伸断裂强度提高了近70％，延伸率达到原先延伸率的3.6倍；压缩屈服强度也提高了110MPa左右；相比目前传统的铸造工艺制备的同组分的镁合金，本发明使用的处理态粉末制备得到的样品性能也更为优异，比传统铸造方式制备得到的材料高100MPa，有效证实了本发明这种工艺对材料性能有效性。

本发明通过固体总表面张力近似等于固体表面张力的非极性值和极性值的和，即γ_S＝γ_S ^d+γ_S ^p，并且与接触角的关系见式

R＝2kη/2γ_Lcos0°＝2kη/γ_L

γ_L(1+cosθ)＝2(γ^d _s×γ^d _L)^1/2+2(γ^p _s×γ^p _L)^1/2

式中γ_L是液体的表面张力(mN/m)；γ^d _L、γ^p _L分别是液体表面张力的非极性部分和极性部分(mN/m)；γ^d _s、γ^p _s分别是固体表面张力的非极性部分和极性部分 (mN/m)；测定两个已知γ^d _L和γ^p _L的探测液体在固体表面的接触角，代入式R ＝2kη/2γ_Lcos0°＝2kη/γ_L，联立方程求解得固体γ^d _S、γ^p _s和固体的表面张力γ_s

界面张力的计算依据Owen-Wendit方程,计算如下：

γ_sl＝[(γ^p _L)^1/2-(γ^p _s)^1/2]²+[(γ^d _L)^1/2-(γ^d _s)^1/2]²；通过上述方案获得镁合金抗拉强度数据。