Primjena odretke zemljeu livenju aluminijskih legura je ranije vršeno u inostranstvu. Iako je Kina započela istraživanje i primjenu ovog aspekta tek 1960-ih, on se brzo razvijao. Urađeno je dosta posla od istraživanja mehanizama do praktične primjene, a postignuta su i određena dostignuća. Dodatkom rijetkih zemljanih elemenata, mehanička svojstva, svojstva livenja i električna svojstva aluminijskih legura su značajno poboljšana. novih materijala, bogata optička, električna i magnetska svojstva rijetkih zemnih elemenata također igraju važnu ulogu u izradi trajnih magnetnih materijala rijetkih zemalja, materijala koji emituju svjetlost rijetkih zemalja, materijala za skladištenje vodonika retkih zemalja itd.
◆ ◆ Mehanizam djelovanja rijetke zemlje u aluminijumu i leguri aluminija ◆ ◆
Rijetke zemlje imaju visoku hemijsku aktivnost, nizak potencijal i poseban raspored elektronskih slojeva i mogu stupiti u interakciju sa gotovo svim elementima. Rijetke zemlje koje se obično koriste u aluminijumu i aluminijskim legurama uključuju La (lantan), Ce (cerijum), Y (itrijum) i Sc (skandij). Često se dodaju u aluminijsku tekućinu s modifikatorima, agensima za nukleaciju i agensima za otplinjavanje, koji mogu pročistiti rastop, poboljšati strukturu, oplemeniti zrno itd.
01Prečišćavanje retkih zemalja
Kako će tokom topljenja i livenja legure aluminijuma biti uneta velika količina gasnih i oksidnih inkluzija (uglavnom vodika, kiseonika i azota), u odlivu će se pojaviti rupice, pukotine, inkluzije i drugi defekti (vidi sliku 1a), smanjujući čvrstoća legure aluminijuma. Efekat pročišćavanja retke zemlje se uglavnom manifestuje u očiglednom smanjenju sadržaja vodonika u rastopljenom aluminijumu, smanjenju brzine otvora i poroznosti (vidi sliku 1b), i smanjenju inkluzija i štetnih elemenata. razlog je taj što rijetka zemlja ima veliki afinitet prema vodiku, koji može apsorbirati i otopiti vodonik u velikim količinama i formirati stabilna jedinjenja bez stvaranja mjehurića, čime se značajno smanjuje sadržaj vodika i poroznost aluminija; Rijetke zemlje i dušik formiraju vatrostalna jedinjenja, koja su uglavnom se uklanja u obliku šljake u procesu topljenja, kako bi se postigla svrha prečišćavanja aluminijske tekućine.
Praksa je dokazala da retke zemlje imaju efekat smanjenja sadržaja vodonika, kiseonika i sumpora u aluminijumu i legurama aluminijuma. Dodavanje 0,1%~0,3% RE u aluminijsku tekućinu pomaže u boljem uklanjanju štetnih nečistoća, rafiniranju nečistoća ili promjeni njihove morfologije, kako bi se rafiniralo i ravnomjerno rasporedilo zrna; Osim toga, RE i štetne nečistoće s niskom tačkom topljenja formiraju binarna jedinjenja kao što su RES, REA i REPb, koji se odlikuju visokom tačkom topljenja, malom gustinom i stabilnim hemijskim svojstvima, i mogu se plutati da formiraju šljaku i ukloniti, čime se pročišćavaju aluminijumske tečnosti; Preostale fine čestice postaju heterogena jezgra aluminijuma za rafinaciju zrna.
Slika 1 SEM Morfologija legure 7075 bez RE i w (RE)=0,3%
a. RE nije dodan;b. Dodaj w (RE)=0,3%
02Metamorfizam rijetke zemlje
Modifikacija rijetkih zemalja uglavnom se manifestira u rafiniranju zrna i dendrita, inhibirajući pojavu grube lamelarne T2 faze, eliminirajući grubu masivnu fazu raspoređenu u primarnom kristalu i formirajući sferičnu fazu, tako da su spojevi traka i fragmenata na granici zrna značajno smanjeni. (vidi sliku 2). Generalno, radijus atoma rijetke zemlje je veći od polumjera atoma aluminija, a njegova svojstva su relativno aktivna. Taljenjem u aluminijskoj tekućini vrlo je lako popuniti površinske defekte legirane faze, što smanjuje površinsku napetost na međusklopu između nove i stare faze i poboljšava brzinu rasta kristalnog jezgra; Istovremeno, može formirati i površinu aktivni film između zrna i otopljene tekućine kako bi se spriječio rast nastalih zrnaca i poboljšala struktura legure (vidi sliku 2b).
Slika 2 Mikrostruktura legura sa različitim dodatkom RE
a. RE doza je 0;b. Dodatak RE je 0,3%;c. RE dodatak je 0,7%
Nakon dodavanja retkozemnih elemenataαZrna (Al) faze su počela da se smanjuju, što je imalo ulogu u prečišćavanju zrna α(Al) transformisanih u mali oblik ruže ili štapića, kada je sadržaj retke zemlje 0,3%αVeličina zrna (Al ) faza je najmanja i postepeno se povećava sa daljim povećanjem sadržaja retkih zemalja. Eksperimenti su dokazali da postoji određeni period inkubacije za metamorfizam retke zemlje, a tek kada se drži na visokoj temperaturi određeno vreme, rijetke zemlje imat će najveću ulogu u metamorfizmu. Osim toga, broj kristalnih jezgri jedinjenja formiranih od aluminija i rijetke zemlje značajno se povećava kada metal kristalizira, što također čini strukturu legure rafiniranom. Istraživanje pokazuje da rijetka zemlja ima dobre efekat modifikacije na leguru aluminijuma.
03 Mikrolegirajući efekat rijetke zemlje
Rijetke zemlje uglavnom postoje u aluminijumu i aluminijskim legurama u tri oblika: čvrsti rastvor u matrici α(Al); Segregacija na granici faze, granici zrna i granici dendrita; Čvrsti rastvor u ili u obliku jedinjenja. Efekti jačanja retke zemlje u legure aluminijuma uglavnom uključuju ojačanje rafiniranjem zrna, ojačanje konačnim rastvorom i ojačanje u drugoj fazi jedinjenja retkih zemalja.
Oblik postojanja rijetke zemlje u aluminiju i leguri aluminija usko je povezan s njegovom količinom dodatka. Općenito, kada je RE sadržaj manji od 0,1%, uloga RE je uglavnom ojačavanje finih zrna i ojačanje konačnim rastvorom; Kada je sadržaj RE 0,25%~0,30%, RE i Al formiraju veliki broj sferičnih ili kratkih šipki poput intermetalnih jedinjenja , koji su raspoređeni u zrnu ili granici zrna, a pojavljuje se veliki broj dislokacija, finozrnatih sferoidiziranih struktura i dispergiranih rijetkih zemljanih spojeva koji će proizvesti efekte mikro legiranja kao što je ojačanje druge faze.
◆ ◆ Utjecaj rijetke zemlje na svojstva aluminija i legure aluminija ◆◆
01 Utjecaj rijetkih zemalja na sveobuhvatna mehanička svojstva legure
Čvrstoća, tvrdoća, istezanje, žilavost na lom, otpornost na habanje i druga sveobuhvatna mehanička svojstva legure mogu se poboljšati dodavanjem odgovarajuće količine rijetke zemlje. 0,3% RE se dodaje leguri lijevanog aluminija serije ZL10σbod 205,9 MPa do 274 MPa, i HB od 80 do 108; Dodavanje 0,42% Sc leguri 7005σbpovećan sa 314MPa na 414MPa,σ0.2povećan sa 282MPa na 378MPa, plastičnost se povećala sa 6,8% na 10,1%, a stabilnost na visokim temperaturama je značajno poboljšana; La i Ce mogu značajno poboljšati superplastičnost legure. Dodavanje 0,14%~0,64% La leguri Al-6Mg-0,5Mn povećava superplastičnost sa 430% na 800%~1000%; Sistematska studija legure Al Si pokazuje da granica popuštanja i krajnja zatezna čvrstoća legure mogu biti u velikoj mjeri poboljšano dodavanjem odgovarajuće količine Sc.Fig. 3 prikazuje SEM izgled zateznog loma Al-Si7-Mg0.8legure, što ukazuje da se radi o tipičnom lomljivom lomu cijepanja bez RE, dok se nakon dodavanja 0,3% RE u lomu pojavljuje očigledna struktura udubljenja, što ukazuje da ima dobru žilavost i duktilnost.
Slika 3 Morfologija zateznog loma
a. Nije pridružen RE;b. Dodajte 0,3% RE
02Utjecaj rijetke zemlje na svojstva legura pri visokim temperaturama
Dodavanje određene količineretke zemljeu aluminijsku leguru može učinkovito poboljšati otpornost legure aluminija na oksidaciju pri visokim temperaturama. Dodavanje 1%~1,5% miješane rijetke zemlje u livenu Al Si eutektičku leguru povećava čvrstoću na visokim temperaturama za 33%, čvrstoću na kidanje pri visokim temperaturama (300 ℃, 1000 sati) za 44%, a otpornost na habanje i stabilnost na visokim temperaturama su značajno poboljšane; Dodavanje La, Ce, Y i mischmetala u livene Al Cu legura može poboljšati svojstva legura pri visokim temperaturama; Brzo očvrsnuti Al-8,4% Fe-3,4% Ce legura može raditi dugo vremena ispod 400 ℃, značajno poboljšavajući radnu temperaturu legure aluminija; Sc se dodaje leguri Al Mg Si kako bi se formirao Al3Sc čestice koje nije lako grubo na visokoj temperaturi i koherentne su s matricom da bi zakačile granicu zrna, tako da legura održava nekristaliziranu strukturu tokom žarenja i uvelike poboljšava svojstva legure pri visokim temperaturama.
03 Utjecaj rijetke zemlje na optička svojstva legura
Dodavanje rijetke zemlje u aluminijsku leguru može promijeniti strukturu njenog površinskog oksidnog filma, čineći površinu svjetlijom i ljepšom. Kada se leguri aluminija doda 0,12%~0,25% RE, reflektivnost oksidiranog i obojenog profila 6063 je do 92%; Kada se 0,1%~0,3% RE doda Al Mg livenoj aluminijumskoj leguri, legura može dobiti najbolju površinsku završnu obradu i trajnost sjaja.
04 Utjecaj rijetke zemlje na električna svojstva legura
Dodavanje RE aluminijumu visoke čistoće štetno je za provodljivost legure, ali se provodljivost može donekle poboljšati dodavanjem odgovarajućeg RE u industrijski čisti aluminijum i Al Mg Si provodne legure. Eksperimentalni rezultati pokazuju da je provodljivost aluminijuma može se poboljšati za 2%~3% dodavanjem 0,2% RE. Dodavanje male količine rijetke zemlje bogate itrijumom u Al Zr leguru može poboljšati provodljivost legure, koju je usvojila većina domaćih tvornica žice; Dodajte trag rijetke zemlje do aluminija visoke čistoće za proizvodnju Al RE kondenzatora od folije. Kada se koristi u 25kV proizvodima, indeks kapacitivnosti se udvostručuje, kapacitet po jedinici zapremine se povećava za 5 puta, težina se smanjuje za 47%, a zapremina kondenzatora značajno se smanjuje.
05Utjecaj rijetke zemlje na otpornost legure na koroziju
U nekim radnim okruženjima, posebno u prisustvu hloridnih jona, legure su osjetljive na koroziju, koroziju u pukotinama, koroziju pod naponom i korozijski zamor. Kako bi se poboljšala otpornost aluminijskih legura na koroziju, provedena su mnoga istraživanja. Utvrđeno je da dodavanje odgovarajuće količine rijetke zemlje u aluminijske legure može efikasno poboljšati njihovu otpornost na koroziju. Uzorci napravljeni dodavanjem različitih količina miješanih rijetkih zemalja (0,1%~0,5%) u aluminijum su natopljeni u slanoj vodi i umjetnoj morskoj vodi tri uzastopna godine. Rezultati pokazuju da dodavanje male količine rijetkih zemalja u aluminij može poboljšati otpornost aluminija na koroziju, a otpornost na koroziju u salamuri i umjetnoj morskoj vodi je 24% odnosno 32% veća od one aluminija; Korištenjem metode kemijske pare i dodavanjem Višekomponentni penetrant rijetkih zemalja (La, Ce, itd.), sloj filma za konverziju rijetkih zemalja može se formirati na površini legure 2024, čineći potencijal površinske elektrode legure aluminija ujednačenim i poboljšavajući otpornost na intergranularna korozija i korozija pod naprezanjem; Dodavanje La aluminijumskoj leguri s visokim sadržajem Mg može značajno poboljšati sposobnost legure protiv morske korozije; Dodavanje 1,5%~2,5% Nd aluminijskim legurama može poboljšati performanse pri visokim temperaturama, nepropusnost zraka i otpornost na koroziju legure, koje se široko koriste kao vazduhoplovni materijali.
◆ ◆ Tehnologija pripreme legure retkih zemalja aluminijuma ◆ ◆
Rijetke zemlje se uglavnom dodaju u obliku elemenata u tragovima u legurama aluminija i drugim legurama. Rijetke zemlje imaju visoku hemijsku aktivnost, visoku tačku topljenja i lako se oksidiraju i spaljuju na visokim temperaturama. To je izazvalo određene poteškoće u pripremi i primeni legura aluminijuma retkih zemalja. U dugogodišnjim eksperimentalnim istraživanjima ljudi nastavljaju da istražuju metode pripreme legura aluminijuma retkih zemalja. su metoda miješanja, metoda elektrolize rastaljene soli i metoda aluminotermne redukcije.
01 Metoda miješanja
Mješoviti metod topljenja je dodavanje rijetkih ili miješanih metala rijetkih zemnih metala u aluminijsku tekućinu na visokim temperaturama u proporciji da bi se dobila matična legura ili legura za nanošenje, a zatim topljenje matične legure i preostalog aluminija prema izračunatom dodatku zajedno, potpuno promiješati i rafinirati .
02 Elektroliza
Metoda elektrolize rastopljene soli je dodavanje oksida rijetke zemlje ili soli rijetkih zemalja u industrijsku aluminijsku elektrolitičku ćeliju i elektroliza s aluminij oksidom kako bi se proizvela legura aluminija rijetke zemlje. Metoda elektrolize rastopljene soli se relativno brzo razvila u Kini. Generalno, postoje dva načina, a to su metoda tečne katode i elektrolitička eutektoidna metoda. Trenutno je razvijeno da se spojevi rijetkih zemalja mogu direktno dodavati u industrijske aluminijske elektrolitičke ćelije, a legure rijetkih zemalja aluminija mogu se proizvoditi elektrolizom taline klorida eutektoidnom metodom.
03 Metoda aluminotermne redukcije
Budući da aluminijum ima jaku redukcionu sposobnost, a aluminijum može formirati niz intermetalnih jedinjenja sa retkim zemljom, aluminijum se može koristiti kao redukciono sredstvo za pripremu legura aluminijuma retkih zemalja. Glavne hemijske reakcije su prikazane u sledećoj formuli:
RE2O3+ 6Al→2REAl2+ Al2O3
Među njima, oksid rijetkih zemalja ili šljaka bogata rijetkim zemljama mogu se koristiti kao sirovine rijetkih zemalja; Redukcioni agens može biti industrijski čisti aluminij ili silicijum aluminijum; Temperatura redukcije je 1400 ℃ ~ 1600 ℃. U ranoj fazi je nošen pod uvjetom postojanja agensa za grijanje i fluksa, a visoka temperatura redukcije bi izazvala mnoge probleme; Posljednjih godina istraživači su razvili novu aluminotermnu redukcijsku metodu. Na nižoj temperaturi (780 ℃) završava se reakcija aluminotermne redukcije u sistemu natrijum fluorida i natrijum hlorida, čime se izbegavaju problemi izazvani originalnom visokom temperaturom.
◆ ◆ Napredak primjene legure rijetke zemlje aluminija ◆ ◆
01 Primena legure aluminijuma retkih zemalja u elektroprivredi
Zbog prednosti dobre provodljivosti, velikog kapaciteta nosivosti struje, velike čvrstoće, otpornosti na habanje, jednostavne obrade i dugog vijeka trajanja, legura rijetkih zemalja aluminijuma može se koristiti za proizvodnju kablova, nadzemnih dalekovoda, žičanih jezgara, kliznih žica i tankih žica za specijalne namene. Dodavanje male količine RE u sistem legure Al Si može poboljšati provodljivost, a to je zato što je silicijum u leguri aluminijuma element nečistoće sa visokim sadržajem, koji ima veći uticaj na električna svojstva. Dodavanje odgovarajuće količine rijetke zemlje može poboljšati postojeću morfologiju i distribuciju silicija u leguri, što može učinkovito poboljšati električna svojstva aluminija; Dodavanje male količine itrijuma ili miješane rijetke zemlje bogate itrijumom u žicu od aluminijske legure otporne na toplinu ne samo da može održavati dobre performanse pri visokim temperaturama, već i poboljšati provodljivost; Rijetke zemlje mogu poboljšati vlačnu čvrstoću, otpornost na toplinu i otpornost na koroziju sistema od aluminijske legure. Kablovi i provodnici od legure aluminijuma retkih zemalja mogu povećati raspon kablovskog stuba i produžiti životni vek kablova.
02Primena legura aluminijuma retkih zemalja u građevinarstvu
Aluminijska legura 6063 se najviše koristi u građevinskoj industriji. Dodavanje 0,15%~0,25% rijetke zemlje može značajno poboljšati livenu strukturu i strukturu obrade, te može poboljšati performanse ekstruzije, učinak toplinske obrade, mehanička svojstva, otpornost na koroziju, performanse površinske obrade i ton boje. Utvrđeno je da je rijetka zemlja uglavnom raspoređen u 6063 aluminijskoj leguri α-Al neutralizira granicu faza, granicu zrna i interdendrit, a oni se rastvaraju u jedinjenjima ili postoje u obliku spojeva za pročišćavanje strukture i zrna dendrita, tako da veličina neotopljenog eutektika i veličina udubljenja u području udubljenja postaju značajno manje, raspodjela je ujednačena, a gustoća se povećava, tako da se različita svojstva legure poboljšavaju u različitom stepenu. Na primjer, čvrstoća profila je povećana za više od 20%, izduženje je povećano za 50%, a stopa korozije je smanjena za više od dva puta, debljina oksidnog filma se povećava za 5% ~ 8%, i svojstva bojenja se povećavaju za oko 3%. Zbog toga se profili od legure RE-6063 široko koriste.
03Primena legure aluminijuma retkih zemalja u svakodnevnim proizvodima
Dodavanje tragova retkih zemalja čistom aluminijumu i aluminijumskim legurama serije Al Mg za svakodnevnu upotrebu aluminijumskih proizvoda može značajno poboljšati mehanička svojstva, svojstvo dubokog izvlačenja i otpornost na koroziju. Svakodnevne potrepštine kao što su aluminijumske posude, aluminijumske tave, aluminijumske ploče, aluminijumske kutije za ručak, aluminijumski nosači nameštaja, aluminijumski bicikli i delovi kućnih aparata napravljeni od legure Al Mg RE imaju više od dvostruko veću otpornost na koroziju, smanjenje težine 10%~15%, povećanje prinosa od 10%~20%, smanjenje troškova proizvodnje od 10%~15%, i bolje performanse dubokog izvlačenja i dubinske obrade u poređenju sa proizvodima od legure aluminijuma bez retkih zemalja. Trenutno, svakodnevne potrebe legure aluminijuma retkih zemalja su u širokoj upotrebi, a proizvodi su značajno porasli i dobro se prodaju na domaćem i stranom tržištu .
04 Primena legure aluminijuma retkih zemalja u drugim aspektima
Dodavanje nekoliko hiljaditih delova retke zemlje u najraširenije legure za livenje Al Si serije može značajno poboljšati performanse obrade legure. Mnogi brendovi proizvoda korišćeni su u avionima, brodovima, automobilima, dizel motorima, motociklima i oklopnim vozilima (klip, menjač, cilindar, instrumentacija i drugi delovi). U istraživanju i primeni, utvrđeno je da je Sc najefikasniji element za optimizirati strukturu i svojstva aluminijskih legura. Ima snažno disperziono jačanje, ojačavanje zrna, ojačanje otopine i jačanje mikrolegura na aluminiju, i može poboljšati čvrstoću, tvrdoću, plastičnost, žilavost, otpornost na koroziju, otpornost na toplinu, itd. legura. Legure Sc Al serije su korištene u visokotehnološke industrije kao što su vazduhoplovstvo, brodovi, brzi vozovi, laka vozila, itd. C557Al Mg Zr Sc serija skandij aluminijumske legure koju je razvila NASA ima visoku čvrstoću i stabilnost na visokim temperaturama i niskim temperaturama i primenjuje se na trup i avione strukturni dijelovi; Legura 0146Al Cu Li Sc koju je razvila Rusija je primijenjena na kriogeni rezervoar za gorivo svemirskih letjelica.
Iz svezaka 33, broj 1 knjige Rare Earth autora Wang Huija, Yang An i Yun Qija
Vrijeme objave: Jul-05-2023