Приложението наредкоземнив леене на алуминиева сплав е извършено по-рано в чужбина. Въпреки че Китай започва изследването и прилагането на този аспект едва през 60-те години, той се развива бързо. Извършена е много работа от изследване на механизма до практическо приложение и са постигнати някои постижения. С добавянето на редкоземни елементи механичните свойства, свойствата на леене и електрическите свойства на алуминиевите сплави са значително подобрени. В областта на нови материали, богатите оптични, електрически и магнитни свойства на редкоземните елементи също играят важна роля в производството на редкоземни постоянни магнитни материали, редкоземни светоизлъчващи материали, редкоземни материали за съхранение на водород и др.
◆ ◆ Механизъм на действие на редкоземните елементи в алуминия и алуминиевата сплав ◆ ◆
Редкоземните елементи имат висока химическа активност, нисък потенциал и специално подреждане на електронния слой и могат да взаимодействат с почти всички елементи. Редкоземните елементи, които обикновено се използват в алуминия и алуминиевите сплави, включват La (лантан), Ce (церий), Y (итрий) и Sc (скандий). Те често се добавят към алуминиева течност с модификатори, нуклеиращи агенти и дегазиращи агенти, които могат да пречистят стопилката, да подобрят структурата, да рафинират зърното и т.н.
01Пречистване на редкоземни
Тъй като голямо количество газ и оксидни включвания (главно водород, кислород и азот) ще бъдат въведени по време на топенето и леенето на алуминиева сплав, ще се появят дупки, пукнатини, включвания и други дефекти в отливката (вижте Фигура 1а), намалявайки силата на алуминиевата сплав. Пречистващият ефект на редкоземните елементи се проявява главно в очевидното намаляване на съдържанието на водород в разтопения алуминий, намаляването на скоростта на отвора и порьозността (виж Фигура 1b) и намаляването на включванията и вредните елементи. причината е, че редкоземните елементи имат голям афинитет към водорода, който може да абсорбира и разтваря водорода в големи количества и да образува стабилни съединения, без да образува мехурчета, като по този начин значително намалява съдържанието на водород и порьозността на алуминия; редките земни елементи и азотът образуват огнеупорни съединения, които са най-вече отстранени под формата на шлака в процеса на топене, така че да се постигне целта за пречистване на алуминиева течност.
Практиката е доказала, че редкоземните елементи имат ефект на намаляване на съдържанието на водород, кислород и сяра в алуминия и алуминиевите сплави. Добавянето на 0,1%~0,3% RE в алуминиева течност е полезно за по-добро отстраняване на вредни примеси, пречистване на примеси или промяна на тяхната морфология, така че да се пречистят и равномерно разпределят зърната; Освен това RE и вредните примеси с ниска точка на топене образуват бинарни съединения като напр. RES, REAs и REPb, които се характеризират с висока точка на топене, ниска плътност и стабилни химични свойства и могат да бъдат изплувани, за да образуват шлака и отстранени, като по този начин пречистват алуминиева течност; Останалите фини частици стават хетерогенни ядра от алуминий за рафиниране зърна.
Фиг. 1 SEM морфология на сплав 7075 без RE и w (RE)=0,3%
а. RE не се добавя; b. Добавете w (RE)=0,3%
02Метаморфизъм на редки земни елементи
Редкоземната модификация се проявява главно в рафиниране на зърна и дендрити, инхибиране на появата на груба ламеларна Т2 фаза, елиминиране на грубата масивна фаза, разпределена в първичния кристал и образуване на сферична фаза, така че лентовите и фрагментни съединения на границата на зърното са значително намалени (вижте Фигура 2). Обикновено радиусът на атома на редката земя е по-голям от този на атома на алуминия и неговите свойства са относително активни. Топенето в алуминиева течност е много лесно за запълване на повърхностните дефекти на фазата на сплавта, което намалява повърхностното напрежение на интерфейса между нови и стари фази и подобрява скоростта на растеж на кристалното ядро; В същото време може също да образува повърхност активен филм между зърната и разтопената течност, за да се предотврати растежа на генерираните зърна и да се усъвършенства структурата на сплавта (виж Фигура 2b).
Фиг. 2 Микроструктура на сплави с различно добавяне на RE
а. RE дозировката е 0; b. RE добавянето е 0,3%; c. RE добавянето е 0,7%
След добавяне на редкоземни елементиαЗърната на (Al) фазата започнаха да стават по-малки, което изигра роля в рафинирането на зърнатаα(Al), трансформирани във форма на малка роза или пръчка, когато съдържанието на редкоземни елементи е 0,3%αРазмерът на зърната на (Al ) фазата е най-малката и постепенно се увеличава с по-нататъшното увеличаване на съдържанието на редкоземни елементи. Експериментите са доказали, че има определен инкубационен период за метаморфизъм на редкоземни елементи и само когато се държи при висока температура за определен период от време, редкоземните ще играят най-голяма роля в метаморфизма. В допълнение, броят на кристалните ядра на съединенията, образувани от алуминий и редкоземни съединения, се увеличава значително, когато металът кристализира, което също прави структурата на сплавта рафинирана. Изследванията показват, че редкоземните елементи имат добра модифициращ ефект върху алуминиева сплав.
03 Микролегиращ ефект на редкоземни елементи
Редкоземните елементи съществуват главно в алуминия и алуминиевите сплави в три форми: твърд разтвор в матрицатаα(Al); Сегрегация на фазовата граница, границата на зърната и границата на дендритите; Твърд разтвор във или под формата на съединение. Укрепващите ефекти на редкоземните елементи в алуминиевите сплави включват основно укрепване с усъвършенстване на зърното, укрепване с краен разтвор и укрепване на втората фаза на редкоземни съединения.
Формата на съществуване на редкоземни елементи в алуминия и алуминиевата сплав е тясно свързана с количеството му на добавяне. Обикновено, когато съдържанието на RE е по-малко от 0,1%, ролята на RE е главно укрепване на фини зърна и укрепване на краен разтвор; Когато съдържанието на RE е 0,25% ~ 0,30%, RE и Al образуват голям брой сферични или къси пръчковидни интерметални съединения , които са разпределени в зърното или границата на зърното и се появяват голям брой дислокации, финозърнести сфероидизирани структури и диспергирани редкоземни съединения, които ще произведат микролегиращи ефекти като укрепване на втората фаза.
◆ ◆ Ефект на редкоземните елементи върху свойствата на алуминия и алуминиевата сплав ◆◆
01 Ефект на редкоземните елементи върху цялостните механични свойства на сплавта
Якостта, твърдостта, удължението, якостта на счупване, устойчивостта на износване и други всеобхватни механични свойства на сплавта могат да бъдат подобрени чрез добавяне на подходящо количество редкоземни елементи. 0,3% RE се добавя към сплав от серия ZL10 лят алуминийσbот 205,9 MPa до 274 MPa и HB от 80 до 108; Добавяне на 0,42% Sc към сплав 7005σbувеличен от 314MPa на 414MPa,σ0,2увеличена от 282MPa на 378MPa, пластичността се увеличи от 6,8% на 10,1%, а стабилността при висока температура беше значително подобрена; La и Ce могат значително да подобрят суперпластичността на сплавта. Добавянето на 0,14%~0,64% La към сплавта Al-6Mg-0,5Mn увеличава суперпластичността от 430% до 800%~1000%; Систематичното изследване на сплавта Al Si показва, че границата на провлачване и крайната якост на опън на сплавта могат да бъдат значително подобрена чрез добавяне на подходящо количество Sc.Fig. 3 показва SEM появата на счупване при опън на Al-Si7-Mg0,8сплав, което показва, че това е типична крехка фрактура на разцепване без RE, докато след добавяне на 0,3% RE се появява очевидна структура на трапчинки в фрактурата, което показва, че има добра издръжливост и пластичност.
Фиг. 3 Морфология на счупване при опън
а. Не се присъединява към RE;b. Добавете 0,3% RE
02Ефект на редкоземните елементи върху високотемпературните свойства на сплавите
Добавяне на определено количестворедкоземнив алуминиева сплав може ефективно да подобри устойчивостта на алуминиева сплав при висока температура. Добавянето на 1% ~ 1,5% смесени редкоземни елементи към отлятата евтектична сплав Al Si увеличава якостта при висока температура с 33%, якостта на разкъсване при висока температура (300 ℃, 1000 часа) с 44%, а устойчивостта на износване и стабилността при висока температура са значително подобрени; Добавянето на La, Ce, Y и мишметал към отлети Al Cu сплави може да подобри високотемпературните свойства на сплавите; Бързо втвърденият Al-8,4% Сплавта Fe-3,4% Ce може да работи дълго време под 400 ℃, което значително подобрява работната температура на алуминиевата сплав; Sc се добавя към сплавта Al Mg Si, за да образува Al3Sc частици, които не се загрубяват лесно при висока температура и се свързват с матрицата, за да закрепят границата на зърното, така че сплавта да поддържа нерекристализирана структура по време на отгряване и значително подобрява високотемпературните свойства на сплавта.
03 Ефект на редкоземните елементи върху оптичните свойства на сплавите
Добавянето на редкоземни елементи към алуминиевата сплав може да промени структурата на нейния повърхностен оксиден филм, правейки повърхността по-ярка и красива. Когато към алуминиевата сплав се добави 0,12% ~ 0,25% RE, отразяващата способност на окисления и оцветен 6063 профил е до 92%; Когато 0,1% ~ 0,3% RE се добави към Al Mg лята алуминиева сплав, сплавта може да получи най-доброто покритие на повърхността и издръжливост на гланц.
04 Ефект на редкоземните елементи върху електрическите свойства на сплавите
Добавянето на RE към алуминий с висока чистота е вредно за проводимостта на сплавта, но проводимостта може да бъде подобрена до известна степен чрез добавяне на подходящ RE към промишлени чист алуминий и проводими сплави Al Mg Si. Експерименталните резултати показват, че проводимостта на алуминия може да се подобри с 2% ~ 3% чрез добавяне на 0,2% RE. Добавянето на малко количество богата на итрий редкоземна сплав в Al Zr сплав може да подобри проводимостта на сплавта, която е възприета от повечето местни фабрики за проводници; Добавете следи от редкоземни елементи към алуминий с висока чистота, за да се направи кондензатор от Al RE фолио. Когато се използва в продукти от 25 kV, индексът на капацитет се удвоява, капацитетът на единица обем се увеличава 5 пъти, теглото се намалява с 47%, а обемът на кондензатора е значително намален.
05Ефект на редкоземните елементи върху корозионната устойчивост на сплавта
В някои експлоатационни среди, особено в присъствието на хлоридни йони, сплавите са уязвими на корозия, корозия на пукнатини, корозия под напрежение и умора от корозия. За да се подобри устойчивостта на корозия на алуминиевите сплави, са проведени много изследвания. Установено е, че добавянето на подходящо количество редкоземни елементи към алуминиеви сплави може ефективно да подобри тяхната устойчивост на корозия. Пробите, направени чрез добавяне на различни количества смесени редкоземни елементи (0,1%~0,5%) към алуминий, се накисват в саламура и изкуствена морска вода за три последователни години. Резултатите показват, че добавянето на малко количество редкоземни елементи към алуминия може да подобри устойчивостта на корозия на алуминия, а устойчивостта на корозия в саламура и изкуствена морска вода е съответно с 24% и 32% по-висока от тази на алуминия; Използване на метод с химически изпарения и добавяне многокомпонентен пенетрант за редкоземни елементи (La, Ce и др.), върху повърхността на сплав 2024 може да се формира слой от редкоземен филм за преобразуване, което прави потенциала на повърхностния електрод на алуминиевата сплав склонен да бъде еднакъв и подобрява устойчивостта на междукристална корозия и стрес корозия; Добавянето на La към алуминиева сплав с високо съдържание на магнезий може значително да подобри антиморската корозионна способност на сплавта; Добавянето на 1,5%~2,5% Nd към алуминиеви сплави може да подобри характеристиките при висока температура, въздухонепроницаемостта и устойчивостта на корозия на сплави, които се използват широко като аерокосмически материали.
◆ ◆ Технология за получаване на редкоземна алуминиева сплав ◆ ◆
Редкоземните елементи се добавят най-вече под формата на микроелементи в алуминиеви и други сплави. Редкоземните елементи имат висока химическа активност, висока точка на топене и лесно се окисляват и изгарят при високи температури. Това е причинило определени трудности при подготовката и прилагането на редкоземни алуминиеви сплави. В дългосрочните експериментални изследвания хората продължават да изследват методите за приготвяне на редкоземни алуминиеви сплави. Понастоящем основните производствени методи за приготвяне на редкоземни алуминиеви сплави са метод на смесване, метод на електролиза на разтопена сол и метод на алуминотермична редукция.
01 Метод на смесване
Смесеният метод на топене е да се добави редкоземен или смесен редкоземен метал към високотемпературна алуминиева течност пропорционално, за да се направи основна сплав или сплав за приложение, и след това да се стопи основната сплав и останалият алуминий според изчисленото количество заедно, напълно се разбърква и рафинира .
02 Електролиза
Методът за електролиза на разтопена сол е да се добави редкоземен оксид или редкоземна сол в промишлената алуминиева електролитна клетка и да се електролиза с алуминиев оксид, за да се получи редкоземна алуминиева сплав. Методът за електролиза на разтопена сол се разви сравнително бързо в Китай. Като цяло има два начина, а именно метод с течен катод и електролитен евтектоиден метод. Понастоящем е разработено, че редкоземни съединения могат да се добавят директно към промишлени алуминиеви електролитни клетки, а редкоземни алуминиеви сплави могат да бъдат произведени чрез електролиза на хлоридни стопилки по евтектоиден метод.
03 Метод на алуминотермична редукция
Тъй като алуминият има силна редукционна способност и алуминият може да образува различни интерметални съединения с редкоземни елементи, алуминият може да се използва като редуциращ агент за получаване на редкоземни алуминиеви сплави. Основните химични реакции са показани в следната формула:
RE2O3+ 6Al→2REAl2+ Ал2O3
Сред тях редкоземни оксиди или богати на редки земни шлаки могат да се използват като редкоземни суровини; Редуциращият агент може да бъде промишлен чист алуминий или силициев алуминий; Температурата на редуциране е 1400 ℃ ~ 1600 ℃. В ранния етап се извършва при условие, че съществува нагревателен агент и поток, и високата редукционна температура би причинила много проблеми; През последните години изследователите разработиха нов метод за алуминотермична редукция. При по-ниска температура (780 ℃), реакцията на алуминотермична редукция е завършена в системата от натриев флуорид и натриев хлорид, което избягва проблемите, причинени от първоначалната висока температура.
◆ ◆ Напредък на приложението на редкоземна алуминиева сплав ◆ ◆
01 Приложение на редкоземна алуминиева сплав в енергетиката
Благодарение на предимствата на добра проводимост, голям капацитет на ток, висока якост, устойчивост на износване, лесна обработка и дълъг експлоатационен живот, редкоземната алуминиева сплав може да се използва за производство на кабели, въздушни преносни линии, телени сърцевини, плъзгащи се проводници и тънки проводници за специални цели. Добавянето на малко количество RE в системата от Al Si сплав може да подобри проводимостта, което е така, защото силицият в алуминиевата сплав е примесен елемент с високо съдържание, което има по-голямо въздействие върху електрическите свойства. Добавянето на подходящо количество редкоземни елементи може да подобри съществуващата морфология и разпределение на силиций в сплавта, което може ефективно да подобри електрическите свойства на алуминия; Добавяне на малко количество итрий или богати на итрий смесени редкоземни елементи в топлоустойчивата тел от алуминиева сплав може не само да поддържа добра производителност при висока температура, но и да подобри проводимостта; Редкоземните елементи могат да подобрят якостта на опън, устойчивостта на топлина и устойчивостта на корозия на системата от алуминиева сплав. Кабели и проводници, изработени от редкоземна алуминиева сплав, могат да увеличат обхвата на кабелната кула и да удължат експлоатационния живот на кабелите.
02Приложение на редкоземна алуминиева сплав в строителната индустрия
Алуминиевата сплав 6063 е най-широко използваната в строителната индустрия. Добавянето на 0,15% ~ 0,25% редкоземни елементи може значително да подобри структурата на отливката и структурата на обработка и може да подобри производителността на екструзията, ефекта на термична обработка, механичните свойства, устойчивостта на корозия, ефективността на повърхностната обработка и цветовия тон. Установено е, че редкоземните елементи са основно разпространени в 6063 алуминиева сплав α-Al неутрализира фазовата граница, границата на зърното и междудендритите и те се разтварят в съединения или съществуват под формата на съединения за прецизиране на дендритната структура и зърната, така че размерът на неразтворената евтектика и размерът на вдлъбнатината в областта на вдлъбнатината стават значително по-малки, разпределението е равномерно и плътността се увеличава, така че различните свойства на сплавта се подобряват в различна степен. Например, здравината на профила се увеличава с повече от 20%, удължението се увеличава с 50%, а скоростта на корозия се намалява повече от два пъти, дебелината на оксидния филм се увеличава с 5%~8% и свойствата на оцветяване се увеличават с около 3%. Ето защо строителните профили от сплав RE-6063 се използват широко.
03Приложение на редкоземна алуминиева сплав в ежедневни продукти
Добавянето на следи от редкоземни елементи към чист алуминий и алуминиеви сплави от серия Al Mg за ежедневна употреба алуминиеви продукти може значително да подобри механичните свойства, свойствата на дълбоко изтегляне и устойчивостта на корозия. Ежедневните нужди като алуминиеви тенджери, алуминиеви тигани, алуминиеви чинии, алуминиеви кутии за обяд, алуминиевите опори за мебели, алуминиевите велосипеди и частите за домакински уреди, изработени от сплав Al Mg RE, имат повече от два пъти по-висока устойчивост на корозия, 10%~15% намаление на теглото, 10%~20% увеличение на добива, 10%~15% намаление на производствените разходи, и по-добра производителност на дълбоко изтегляне и дълбока обработка в сравнение с продуктите от алуминиева сплав без редкоземни елементи. Понастоящем ежедневните нужди от алуминиева сплав от редкоземни метали са широко използвани и продуктите са се увеличили значително и се продават добре на вътрешния и външния пазар .
04 Приложение на редкоземна алуминиева сплав в други аспекти
Добавянето на няколко хилядни редкоземни елементи в най-широко използваната сплав за леене от серията Al Si може значително да подобри производителността на обработката на сплавта. Много марки продукти са били използвани в самолети, кораби, автомобили, дизелови двигатели, мотоциклети и бронирани превозни средства (бутало, скоростна кутия, цилиндър, инструменти и други части). При изследвания и приложения е установено, че Sc е най-ефективният елемент за оптимизиране на структурата и свойствата на алуминиевите сплави. Има силно дисперсионно укрепване, укрепване на зърното, укрепване на разтвора и укрепване на микросплави върху алуминия и може да подобри здравината, твърдостта, пластичността, издръжливостта, устойчивостта на корозия, устойчивостта на топлина и т.н. на сплавите. Сплавите от серията Sc Al са използвани в високотехнологични индустрии като космическа промишленост, кораби, високоскоростни влакове, леки превозни средства и др. C557Al Mg Zr Sc серия скандиева алуминиева сплав, разработена от НАСА, има висока якост и стабилност при висока и ниска температура и се прилага за фюзелажа на самолета и самолета структурни части; Разработената от Русия сплав 0146Al Cu Li Sc е приложена към резервоара за криогенно гориво на космически кораби.
От том 33, брой 1 на Rare Earth от Wang Hui, Yang An и Yun Qi
Време на публикуване: 05 юли 2023 г