Aplikacevzácných zeminv odlévání hliníkové slitiny bylo provedeno dříve v zahraničí. Přestože Čína zahájila výzkum a aplikaci tohoto aspektu teprve v 60. letech 20. století, rychle se rozvíjela. Od výzkumu mechanismu po praktickou aplikaci bylo vykonáno mnoho práce a bylo dosaženo určitých úspěchů. Přidáním prvků vzácných zemin se výrazně zlepšily mechanické vlastnosti, odlévací vlastnosti a elektrické vlastnosti hliníkových slitin. nové materiály, bohaté optické, elektrické a magnetické vlastnosti prvků vzácných zemin také hrají důležitou roli při výrobě permanentních magnetických materiálů vzácných zemin, materiálů vzácných zemin vyzařujících světlo, materiálů pro skladování vodíku vzácných zemin atd.
◆ ◆ Akční mechanismus ze vzácných zemin v hliníku a hliníkové slitině ◆ ◆
Vzácné zeminy mají vysokou chemickou aktivitu, nízký potenciál a speciální uspořádání elektronové vrstvy a mohou interagovat s téměř všemi prvky. Mezi vzácné zeminy běžně používané v hliníku a hliníkových slitinách patří La (lanthanu), Ce (cer), Y (yttrium) a Sc (skandium). Často se přidávají do hliníkové kapaliny s modifikátory, nukleačními činidly a odplyňovacími činidly, které mohou čistit taveninu, zlepšit strukturu, zjemnit zrno atd.
01Čištění vzácných zemin
Protože při tavení a odlévání hliníkové slitiny bude vnášeno velké množství plynových a oxidových vměstků (především vodíku, kyslíku a dusíku), budou v odlitku vznikat dírky, praskliny, vměstky a další vady (viz obrázek 1a), čímž se sníží pevnost hliníkové slitiny. Čistící účinek vzácných zemin se projevuje hlavně ve zjevném snížení obsahu vodíku v roztaveném hliníku, snížení počtu dírek a pórovitosti (viz obrázek 1b) a snížení vměstků a škodlivé prvky.Hlavním důvodem je, že vzácné zeminy mají velkou afinitu k vodíku, který dokáže absorbovat a rozpouštět vodík ve velkém množství a vytvářet stabilní sloučeniny bez tvorby bublin, čímž se výrazně snižuje obsah vodíku a pórovitost hliníku;Vzácné zeminy a dusík tvoří žáruvzdorné sloučeniny, které se většinou odstraňují ve formě strusky v procesu tavení, aby se dosáhlo účelu čištění hliníkové kapaliny.
Praxe prokázala, že vzácné zeminy mají vliv na snížení obsahu vodíku, kyslíku a síry v hliníku a hliníkových slitinách. Přidání 0,1 % ~ 0,3 % RE do hliníkové kapaliny je užitečné pro lepší odstranění škodlivých nečistot, rafinaci nečistot nebo změnu jejich morfologie, aby se zjemnila a rovnoměrně distribuovala zrna; Navíc RE a škodlivé nečistoty s nízkou teplotou tání tvoří binární sloučeniny, jako je RES, REA a REPb, které se vyznačují vysokým bodem tání, nízkou hustotou a stabilními chemickými vlastnostmi a mohou být vyplaveny za vzniku strusky a odstraněny, čímž se hliník čistí kapalina;Zbývající jemné částice se stávají heterogenními zárodky hliníku za účelem zjemnění zrn.
Obr. 1 Morfologie SEM slitiny 7075 bez RE a w (RE)=0,3 %
A. RE se nepřidává;b. Přidat w (RE)=0,3 %
02Metamorfóza vzácných zemin
Modifikace vzácných zemin se projevuje především zjemňováním zrn a dendritů, inhibicí vzniku hrubé lamelární fáze T2, eliminací hrubé masivní fáze distribuované v primárním krystalu a vytvářením sférické fáze, takže sloučeniny pásků a fragmentů na hranici zrn jsou výrazně sníženy (viz obrázek 2). Obecně je poloměr atomu vzácných zemin větší než poloměr atomu hliníku a jeho vlastnosti jsou relativně aktivní. Tavení v hliníkové kapalině je velmi snadné vyplnit povrchové defekty slitinové fáze, což snižuje povrchové napětí na rozhraní mezi novou a starou fází a zlepšuje rychlost růstu krystalového jádra; Současně může také tvořit povrch aktivní film mezi zrny a roztavenou kapalinou, aby se zabránilo růstu generovaných zrn a zjemnila se struktura slitiny (viz obrázek 2b).
Obr. 2 Mikrostruktura slitin s různou přísadou RE
A. RE dávka je 0;b. RE adice je 0,3 %;c. Přídavek RE je 0,7 %
Po přidání prvků vzácných zeminαZrna (Al) fáze se začala zmenšovat, což hrálo roli při rafinaci zrnα(Al) přeměněných na malou růžici nebo tyčinkový tvar, kdy obsah vzácných zemin je 0,3%αVelikost zrna (Al ) fáze je nejmenší a postupně se zvyšuje s dalším zvyšováním obsahu vzácných zemin. Experimenty prokázaly, že existuje určitá inkubační doba pro metamorfózu vzácných zemin, a to pouze tehdy, když je udržována při vysoké teplotě po určitou dobu Časem bude vzácná zemina hrát největší roli v metamorfóze. Kromě toho se počet krystalových jader sloučenin tvořených hliníkem a vzácnými zeminami výrazně zvyšuje, když kov krystalizuje, což také zjemňuje strukturu slitiny. Výzkum ukazuje, že vzácné zeminy má dobrý modifikační účinek na hliníkovou slitinu.
03 Efekt mikrolegování vzácných zemin
Vzácné zeminy se vyskytují hlavně v hliníku a hliníkových slitinách ve třech formách: pevný roztok v matriciα(Al);Segregace na fázovém rozhraní, na rozhraní zrn a hranici dendritů;Pevný roztok ve formě sloučeniny nebo ve formě sloučeniny.Posilující účinky vzácných zemin v slitiny hliníku zahrnují především zjemnění zrna, zpevnění konečným roztokem a druhé fázové zpevnění sloučenin vzácných zemin.
Existenční forma vzácné zeminy v hliníku a hliníkové slitině úzce souvisí s množstvím jejího přídavku. Obecně platí, že když je obsah RE menší než 0,1 %, úlohou RE je hlavně zpevnění jemného zrna a zpevnění konečným roztokem; Když je obsah RE 0,25 % ~ 0,30 %, RE a Al tvoří velké množství kulovitých nebo krátkých tyčinek podobných intermetalickým sloučeninám. , které jsou distribuovány v zrnu nebo na hranici zrn a objevuje se velké množství dislokací, jemnozrnných sféroidizovaných struktur a rozptýlených sloučenin vzácných zemin, které budou produkovat mikrolegovací efekty, jako je druhá fáze posilování.
◆ ◆ Vliv vzácných zemin na vlastnosti hliníku a slitin hliníku ◆◆
01 Vliv vzácných zemin na komplexní mechanické vlastnosti slitiny
Pevnost, tvrdost, tažnost, lomová houževnatost, odolnost proti opotřebení a další komplexní mechanické vlastnosti slitiny lze zlepšit přidáním vhodného množství vzácných zemin. 0,3 % RE se přidává do slitiny hliníku řady ZL10σbod 205,9 MPa do 274 MPa a HB od 80 do 108; Přidání 0,42 % Sc do slitiny 7005σbzvýšen z 314MPa na 414MPa,σ0,2zvýšena z 282 MPa na 378 MPa, plasticita se zvýšila z 6,8 % na 10,1 % a výrazně se zlepšila stabilita při vysokých teplotách; La a Ce mohou výrazně zlepšit superplasticitu slitiny. Přidání 0,14%~0,64% La do slitiny Al-6Mg-0,5Mn zvyšuje superplasticitu ze 430% na 800%~1000%; Systematická studie slitiny Al Si ukazuje, že mez kluzu a konečná pevnost v tahu slitiny může být značně zlepšeno přidáním vhodného množství Sc.Obr. 3 ukazuje SEM vzhled tahového lomu Al-Si7-Mg0,8slitiny, což naznačuje, že se jedná o typický křehký štěpný lom bez RE, zatímco po přidání 0,3 % RE se v lomu objeví zjevná důlková struktura, což svědčí o dobré houževnatosti a tažnosti.
Obr. 3 Morfologie lomu v tahu
A. Nepřipojil se k RE;b. Přidejte 0,3 % RE
02Vliv vzácných zemin na vysokoteplotní vlastnosti slitin
Přidání určitého množstvívzácných zemindo hliníkové slitiny může účinně zlepšit odolnost hliníkové slitiny proti oxidaci při vysokých teplotách. Přidání 1 % ~ 1,5 % smíšené vzácné zeminy do lité eutektické slitiny Al Si zvyšuje pevnost při vysokých teplotách o 33 %, pevnost v přetržení při vysokých teplotách (300 ℃, 1000 hodin) o 44 % a výrazně se zlepšila odolnost proti opotřebení a vysoká teplotní stabilita; Přidání La, Ce, Y a směsného kovu do odlévaných slitin Al Cu může zlepšit vysokoteplotní vlastnosti slitin;Rychle ztuhlá slitina Al-8,4% Fe-3,4% Ce může pracovat po dlouhou dobu pod 400 ℃, což výrazně zlepšuje pracovní teplotu hliníkové slitiny;Sc se přidává do slitiny Al Mg Si, aby forma Al3Částice Sc, které nelze snadno zdrsnit při vysoké teplotě a koherentní s matricí, aby vytvořily hranici zrn, takže slitina si během žíhání zachovává nekrystalizovanou strukturu a výrazně zlepšuje vlastnosti slitiny při vysokých teplotách.
03 Vliv vzácných zemin na optické vlastnosti slitin
Přidání vzácných zemin do hliníkové slitiny může změnit strukturu jeho povrchového oxidového filmu, takže povrch bude jasnější a krásnější. Když se do hliníkové slitiny přidá 0,12 % ~ 0,25 % RE, odrazivost oxidovaného a barevného profilu 6063 je až 92 %; Když se k hliníkové slitině Al Mg přidá 0,1 % ~ 0,3 % RE, může slitina získat nejlepší povrchovou úpravu a trvanlivost lesku.
04 Vliv vzácných zemin na elektrické vlastnosti slitin
Přidání RE do vysoce čistého hliníku je škodlivé pro vodivost slitiny, ale vodivost lze do určité míry zlepšit přidáním vhodného RE k průmyslovému čistému hliníku a vodivým slitinám Al Mg Si. Experimentální výsledky ukazují, že vodivost hliníku lze zlepšit o 2 %~3 % přidáním 0,2 % RE. Přidání malého množství vzácných zemin bohatých na yttrium do slitiny Al Zr může zlepšit vodivost slitiny, která byla přijata u většiny domácích drátů továrny;Přidejte stopové množství vzácných zemin do vysoce čistého hliníku, abyste vyrobili fóliový kondenzátor Al RE. Při použití ve výrobcích 25kV se kapacitní index zdvojnásobí, kapacita na jednotku objemu se zvýší 5krát, hmotnost se sníží o 47% a objem kondenzátoru se výrazně sníží.
05Vliv vzácných zemin na korozní odolnost slitiny
V některých provozních prostředích, zejména v přítomnosti chloridových iontů, jsou slitiny náchylné ke korozi, štěrbinové korozi, korozi pod napětím a korozní únavě. Aby se zlepšila odolnost hliníkových slitin proti korozi, bylo provedeno mnoho studií. Bylo zjištěno, že přidání vhodného množství vzácných zemin do hliníkových slitin může účinně zlepšit jejich odolnost proti korozi. Vzorky vyrobené přidáním různých množství smíšených vzácných zemin (0,1 %~0,5 %) k hliníku byly třikrát po sobě namáčeny ve slaném nálevu a umělé mořské vodě. let. Výsledky ukazují, že přidání malého množství vzácných zemin do hliníku může zlepšit odolnost hliníku proti korozi a odolnost proti korozi ve slaném nálevu a umělé mořské vodě je o 24 % a 32 % vyšší než u hliníku; Použití metody chemických par a přidání vícesložkový penetrant vzácných zemin (La, Ce atd.), na povrchu slitiny 2024 se může vytvořit vrstva konverzního filmu vzácných zemin, díky čemuž je potenciál povrchové elektrody hliníkové slitiny rovnoměrný a zlepšuje se odolnost proti mezikrystalová koroze a koroze pod napětím; Přidání La do hliníkové slitiny s vysokým obsahem Mg může výrazně zlepšit odolnost slitiny proti mořské korozi; Přidání 1,5 % ~ 2,5 % Nd do hliníkových slitin může zlepšit výkon při vysokých teplotách, vzduchotěsnost a odolnost proti korozi slitiny, které jsou široce používány jako materiály pro letectví a kosmonautiku.
◆ ◆ Technologie přípravy slitiny hliníku vzácných zemin ◆ ◆
Vzácné zeminy jsou většinou přidávány ve formě stopových prvků do hliníkových slitin a dalších slitin. Vzácná zemina má vysokou chemickou aktivitu, vysoký bod tání a snadno se oxiduje a spaluje při vysokých teplotách. To způsobilo určité potíže při přípravě a aplikaci slitin hliníku vzácných zemin. V dlouhodobém experimentálním výzkumu lidé pokračují ve zkoumání metod přípravy slitin hliníku vzácných zemin. V současnosti jsou hlavní výrobní metody pro přípravu slitin hliníku vzácných zemin jsou směšovací metoda, metoda elektrolýzy roztavené soli a metoda aluminotermické redukce.
01 Způsob míchání
Metoda smíšeného tavení spočívá v přidání vzácných zemin nebo smíšeného kovu vzácných zemin do vysokoteplotní hliníkové kapaliny v poměru k výrobě předslitiny nebo aplikační slitiny a poté roztavení předslitiny a zbývajícího hliníku podle vypočteného přídavku dohromady, úplné promíchání a rafinace .
02 Elektrolýza
Metoda elektrolýzy roztavené soli spočívá v přidání oxidu vzácných zemin nebo soli vzácných zemin do průmyslového hliníkového elektrolytického článku a elektrolýze s oxidem hlinitým k výrobě slitiny hliníku vzácných zemin. Metoda elektrolýzy roztavené soli se v Číně vyvinula relativně rychle. Obecně existují dva způsoby, a to metoda kapalné katody a metoda elektrolytického eutektoidu. V současnosti bylo vyvinuto, že sloučeniny vzácných zemin mohou být přímo přidávány do průmyslových hliníkových elektrolytických článků a slitiny hliníku vzácných zemin mohou být vyráběny elektrolýzou chloridových tavenin eutektoidní metodou.
03 Aluminotermická redukční metoda
Protože hliník má silnou redukční schopnost a hliník může tvořit různé intermetalické sloučeniny se vzácnými zeminami, lze hliník použít jako redukční činidlo pro přípravu slitin hliníku vzácných zemin. Hlavní chemické reakce jsou znázorněny v následujícím vzorci:
RE2O3+ 6Al→2REAl2+ Al2O3
Mezi nimi lze jako suroviny vzácných zemin použít oxid vzácných zemin nebo strusku bohatou na vzácné zeminy; Redukčním činidlem může být průmyslově čistý hliník nebo křemíkový hliník; Redukční teplota je 1400 ℃ ~ 1600 ℃. V rané fázi byla provedena za podmínek existence topného činidla a tavidla a vysoké redukční teploty by způsobily mnoho problémů; V posledních letech výzkumníci vyvinuli novou aluminotermickou redukční metodu. Při nižší teplotě (780 ℃) je aluminotermická redukční reakce dokončena v systému fluoridu sodného a chloridu sodného, což zabraňuje problémům způsobeným původní vysokou teplotou.
◆ ◆ Postup aplikace slitiny hliníku vzácných zemin ◆ ◆
01 Aplikace slitiny hliníku vzácných zemin v energetice
Díky výhodám dobré vodivosti, velké proudové zatížitelnosti, vysoké pevnosti, odolnosti proti opotřebení, snadnému zpracování a dlouhé životnosti lze hliníkovou slitinu vzácných zemin použít k výrobě kabelů, nadzemních přenosových vedení, drátěných jader, kluzných drátů a tenkých drátů pro pro speciální účely. Přidání malého množství RE do systému slitiny Al Si může zlepšit vodivost, což je způsobeno tím, že křemík v hliníkové slitině je příměsový prvek s vysokým obsahem, který má větší vliv na elektrické vlastnosti. Přidání vhodného množství vzácných zemin může zlepšit stávající morfologii a distribuci křemíku ve slitině, což může účinně zlepšit elektrické vlastnosti hliníku; Přidání malého množství smíšené vzácné zeminy bohaté na yttrium nebo yttrium do drátu z tepelně odolné hliníkové slitiny může nejen udržovat dobrý výkon při vysokých teplotách, ale také zlepšit vodivost; Vzácné zeminy mohou zlepšit pevnost v tahu, tepelnou odolnost a odolnost proti korozi systému hliníkové slitiny. Kabely a vodiče vyrobené z hliníkové slitiny vzácných zemin mohou zvýšit rozpětí kabelové věže a prodloužit životnost kabelů.
02Aplikace slitiny hliníku vzácných zemin ve stavebnictví
Hliníková slitina 6063 je nejrozšířenější ve stavebnictví. Přidání 0,15 % ~ 0,25 % vzácných zemin může výrazně zlepšit odlévanou strukturu a strukturu zpracování a může zlepšit výkon vytlačování, účinek tepelného zpracování, mechanické vlastnosti, odolnost proti korozi, povrchovou úpravu a barevný tón. Zjistilo se, že vzácné zeminy jsou distribuovány převážně v hliníkové slitině 6063α-Al neutralizuje fázové rozhraní, hranice zrn a interdendritické a jsou rozpuštěny ve sloučeninách nebo existují ve formě sloučenin pro zjemnění dendritické struktury a zrna, takže velikost nerozpuštěného eutektika a velikost důlku v oblasti důlku se výrazně zmenšují, distribuce je rovnoměrná a hustota se zvyšuje, takže různé vlastnosti slitiny se v různé míře zlepšují. Například pevnost profilu se zvýší o více než 20 %, prodloužení se zvýší o 50 % a rychlost koroze se sníží více než dvakrát, Tloušťka oxidového filmu se zvýší o 5 % ~ 8 % a vlastnosti zbarvení se zvýší asi o 3 %. Proto jsou stavební profily ze slitiny RE-6063 široce používány.
03Aplikace slitiny hliníku vzácných zemin v produktech denní potřeby
Přidání stop vzácných zemin do čistého hliníku a hliníkových slitin řady Al Mg pro každodenní použití hliníkových výrobků může výrazně zlepšit mechanické vlastnosti, vlastnosti hlubokého tažení a odolnost proti korozi. Výrobky denní potřeby, jako jsou hliníkové hrnce, hliníkové pánve, hliníkové talíře, hliníkové krabičky na oběd, hliníkové podpěry nábytku, hliníková kola a díly domácích spotřebičů vyrobené ze slitiny Al Mg RE mají více než dvojnásobnou odolnost proti korozi, 10%~15% snížení hmotnosti, 10%~20% zvýšení výnosu, 10%~15% produkce snížení nákladů a lepší výkon při hlubokém tažení a hlubokém zpracování ve srovnání s výrobky ze slitin hliníku bez vzácných zemin. V současné době se široce používá hliníková slitina vzácných zemin a výrobky se výrazně zvýšily a dobře se prodávají v domácím prostředí a zahraničních trzích.
04 Aplikace slitiny hliníku vzácných zemin v jiných aspektech
Přidání několika tisícin vzácných zemin do nejpoužívanější slitiny řady Al Si na odlévání může výrazně zlepšit obráběcí výkon slitiny. Mnoho značek produktů bylo použito v letadlech, lodích, automobilech, dieselových motorech, motocyklech a obrněných vozidlech (píst, převodovka, válec, přístrojové vybavení a další díly). Při výzkumu a aplikacích bylo zjištěno, že Sc je nejúčinnějším prvkem pro optimalizovat strukturu a vlastnosti hliníkových slitin. Má silné disperzní zpevnění, zjemnění zrna, zpevnění roztoku a zpevnění mikroslitiny na hliník a může zlepšit pevnost, tvrdost, plasticitu, houževnatost, odolnost proti korozi, tepelnou odolnost atd. slitin. Slitiny řady Sc Al byly použity v high-tech průmysl, jako je letecký a kosmický průmysl, lodě, vysokorychlostní vlaky, lehká vozidla atd. Slitina skandiového hliníku řady C557Al Mg Zr Sc vyvinutá NASA má vysokou pevnost a stabilitu při vysokých teplotách a nízkých teplotách a byla aplikována na trup letadla a konstrukční části letadla;Slitina 0146Al Cu Li Sc vyvinutá Ruskem byla aplikována na kryogenní palivovou nádrž kosmické lodi.
Od svazku 33, číslo 1 vzácné země od Wang Hui, Yang An a Yun Qi
Čas odeslání: Červenec-05-2023