Anvendelsen afsjældne jordarteri støbning af aluminiumslegering blev udført tidligere i udlandet. Selvom Kina først startede forskningen og anvendelsen af dette aspekt i 1960'erne, har det udviklet sig hurtigt. Der er udført meget arbejde fra mekanismeforskning til praktisk anvendelse, og der er opnået nogle resultater.Med tilføjelsen af sjældne jordarters elementer er de mekaniske egenskaber, støbeegenskaber og elektriske egenskaber af aluminiumlegeringer blevet væsentligt forbedret.Indenfor området for nye materialer, de rige optiske, elektriske og magnetiske egenskaber af sjældne jordarters elementer spiller også en vigtig rolle i fremstillingen af sjældne jordarters permanente magnetiske materialer, sjældne jordarters lysemitterende materialer, sjældne jordarters brintlagringsmaterialer osv.
◆ ◆ Aktionsmekanisme af sjældne jordarter i aluminium og aluminiumslegering ◆ ◆
Sjældne jordarter har høj kemisk aktivitet, lavt potentiale og specielt elektronlagarrangement og kan interagere med næsten alle grundstoffer. Sjældne jordarter, der almindeligvis anvendes i aluminium og aluminiumslegeringer, omfatter La (lanthan), Ce (cerium), Y (yttrium) og Sc (skandium). De tilsættes ofte til aluminiumsvæske med modificeringsmidler, kernedannende midler og afgasningsmidler, som kan rense smelten, forbedre strukturen, forfine kornet osv.
01Oprensning af sjældne jordarter
Da en stor mængde gas- og oxidindeslutninger (hovedsageligt brint, oxygen og nitrogen) vil blive tilført under smeltning og støbning af aluminiumslegering, vil der opstå nålehuller, revner, indeslutninger og andre defekter i støbningen (se figur 1a), hvilket reducerer styrken af aluminiumslegering. Oprensningseffekten af sjældne jordarter kommer hovedsageligt til udtryk i den åbenlyse reduktion af brintindhold i smeltet aluminium, reduktion af pinhole rate og porøsitet (se figur 1b) og reduktion af indeslutninger og skadelige elementer. årsagen er, at sjældne jordarter har stor affinitet med brint, som kan absorbere og opløse brint i store mængder og danne stabile forbindelser uden at danne bobler, og dermed reducere brintindholdet og porøsiteten i aluminium markant; Sjældne jordarter og nitrogen danner ildfaste forbindelser, som er for det meste fjernes i form af slagger i smeltningsprocessen for at opnå formålet med at rense aluminiumsvæske.
Praksis har vist, at sjældne jordarter har den effekt at reducere indholdet af brint, ilt og svovl i aluminium og aluminiumslegeringer. Tilsætning af 0,1%~0,3% RE i aluminiumsvæske er nyttigt for bedre at fjerne skadelige urenheder, forfine urenheder eller ændre deres morfologi, for at forfine og jævnt fordele korn; Derudover danner RE og skadelige urenheder med lavt smeltepunkt binære forbindelser som f.eks. RES, REAs og REPb, som er kendetegnet ved højt smeltepunkt, lav massefylde og stabile kemiske egenskaber, og som kan flydes op for at danne slagge og fjernes, hvorved aluminiumsvæske renses; De resterende fine partikler bliver heterogene kerner af aluminium for at raffinere korn.
Fig. 1 SEM-morfologi af 7075-legering uden RE og w (RE)=0,3 %
en. RE tilføjes ikke;b. Tilføj w (RE)=0,3 %
02Metamorfose af sjældne jordarter
Modifikation af sjældne jordarter manifesteres hovedsageligt i raffinering af korn og dendritter, hæmmer forekomsten af grov lamellær T2-fase, eliminerer den grove massive fase fordelt i den primære krystal og danner sfærisk fase, således at strimlen og fragmentforbindelserne ved korngrænsen reduceres betydeligt (se figur 2). Generelt er radius af sjældne jordarters atomer større end for aluminium atom, og dets egenskaber er relativt aktive. Smeltning i aluminiumsvæske er meget let at udfylde overfladedefekterne i legeringsfasen, hvilket reducerer overfladespændingen på grænsefladen mellem nye og gamle faser og forbedrer væksthastigheden af krystalkernen; Samtidig kan det også danne en overflade aktiv film mellem kornene og den smeltede væske for at forhindre væksten af de genererede korn og forfine legeringsstrukturen (se figur 2b).
Fig. 2 Mikrostruktur af legeringer med forskellig RE-tilsætning
en. RE-dosering er 0;b. RE-tilsætning er 0,3%;c. RE-tillæg er 0,7 %
Efter tilsætning af sjældne jordarters grundstofferα begyndte kornene af (Al)-fasen at blive mindre, hvilket spillede en rolle ved raffinering af kornα(Al) omdannet til en lille rose- eller stavform, når indholdet af sjældne jordarter er 0,3%αKornstørrelsen af (Al) ) fase er den mindste og stiger gradvist med den yderligere stigning i indholdet af sjældne jordarter. Eksperimenter har vist, at der er en vis inkubationsperiode for sjældne jordarters metamorfose, og kun når den holdes ved en høj temperatur i en vis periode, sjældne jordarter vil spille den største rolle i metamorfosen.Derudover stiger antallet af krystalkerner af forbindelserne dannet af aluminium og sjældne jordarter meget, når metallet krystalliserer, hvilket også gør legeringsstrukturen raffineret. Forskningen viser, at sjældne jordarter har gode modifikationseffekt på aluminiumslegering.
03 Mikrolegeringseffekt af sjældne jordarter
Sjældne jordarter findes hovedsageligt i aluminium og aluminiumslegeringer i tre former: fast opløsning i matrixα(Al); segregation ved fasegrænse, korngrænse og dendritgrænse; Fast opløsning i eller i form af forbindelse. De styrkende virkninger af sjældne jordarter i aluminiumslegeringer omfatter hovedsagelig kornforfiningsforstærkning, finit opløsningsforstærkning og anden faseforstærkning af sjældne jordarters forbindelser.
Eksistensformen for sjældne jordarter i aluminium og aluminiumslegering er tæt forbundet med dens tilsætningsmængde. Generelt, når RE-indholdet er mindre end 0,1%, er REs rolle hovedsageligt finkornsforstærkning og endelig opløsningsforstærkning; Når RE-indhold er 0,25%~0,30%, danner RE og Al et stort antal sfæriske eller korte stav-lignende intermetalliske forbindelser , som er fordelt i korn- eller korngrænsen, og der opstår et stort antal dislokationer, finkornede sfæroidiserede strukturer og dispergerede sjældne jordarters forbindelser, som vil frembringe mikrolegeringseffekter såsom anden fase forstærkning.
◆ ◆ Effekt af sjældne jordarter på egenskaber af aluminium og aluminiumslegering ◆◆
01 Effekt af sjældne jordarter på omfattende mekaniske egenskaber af legering
Legeringens styrke, hårdhed, forlængelse, brudsejhed, slidstyrke og andre omfattende mekaniske egenskaber af legeringen kan forbedres ved at tilføje en passende mængde sjældne jordarter.bfra 205,9 MPa til 274 MPa og HB fra 80 til 108; Tilføjelse af 0,42 % Sc til 7005 legeringσbøget fra 314MPa til 414MPa,σ0,2øget fra 282MPa til 378MPa, plasticiteten steg fra 6,8% til 10,1%, og højtemperaturstabiliteten blev væsentligt forbedret; La og Ce kan forbedre legeringens superplasticitet betydeligt. Tilføjelse af 0,14%~0,64% La til Al-6Mg-0,5Mn-legering øger superplasticiteten fra 430% til 800%~1000%; En systematisk undersøgelse af Al Si-legering viser, at legeringens flydestyrke og ultimative trækstyrke kan være meget forbedret ved at tilføje en passende mængde Sc.Fig. 3 viser SEM-udseendet af trækbrud af Al-Si7-Mg0,8legering, hvilket indikerer, at der er tale om et typisk sprødt spaltningsbrud uden RE, mens der efter tilsætning af 0,3 % RE opstår tydelige fordybningsstrukturer i bruddet, hvilket indikerer, at det har god sejhed og duktilitet.
Fig. 3 Trækbrudmorfologi
en. Ikke tilsluttet RE;b. Tilføj 0,3 % RE
02Virkning af sjældne jordarter på højtemperaturegenskaber af legeringer
Tilføjelse af en vis mængdesjældne jordarteri aluminiumslegering kan effektivt forbedre højtemperaturoxidationsbestandigheden af aluminiumlegering. Tilføjelse af 1%~1,5% blandet sjældne jordarter til den støbte Al Si eutektiske legering øger højtemperaturstyrken med 33%, højtemperaturbrudstyrken (300 ℃, 1000 timer) med 44 %, og slidstyrken og højtemperaturstabiliteten er væsentligt forbedret; Tilsætning af La, Ce, Y og mischmetal til støbte Al Cu-legeringer kan forbedre legeringernes højtemperaturegenskaber; Den hurtigt størknede Al-8,4 % Fe-3,4% Ce-legering kan arbejde i lang tid under 400 ℃, hvilket i høj grad forbedrer arbejdstemperaturen for aluminiumslegering; Sc tilsættes til Al Mg Si-legeringen for at danne Al3Sc-partikler, der ikke er lette at gro ved høj temperatur og hænger sammen med matrixen for at fastgøre korngrænsen, således at legeringen bevarer en ukrystalliseret struktur under udglødning og i høj grad forbedrer legeringens højtemperaturegenskaber.
03 Virkning af sjældne jordarters optiske egenskaber af legeringer
Tilføjelse af sjældne jordarter i aluminiumslegering kan ændre strukturen af dens overfladeoxidfilm, hvilket gør overfladen mere lys og smuk. Når 0,12%~0,25% RE tilsættes til aluminiumslegeringen, er reflektionsevnen af den oxiderede og farvede 6063-profil op til 92%;Når 0,1%~0,3% RE tilsættes til Al Mg støbt aluminiumslegering, kan legeringen opnå den bedste overfladefinish og glansholdbarhed.
04 Effekt af sjældne jordarter på elektriske egenskaber af legeringer
Tilsætning af RE til højrent aluminium er skadeligt for legeringens ledningsevne, men ledningsevnen kan forbedres til en vis grad ved at tilføje passende RE til industriel ren aluminium og Al Mg Si ledende legeringer. De eksperimentelle resultater viser, at ledningsevnen af aluminium kan forbedres med 2% ~ 3% ved at tilføje 0,2% RE. Tilføjelse af en lille mængde yttrium-rig sjældne jordarter i Al Zr-legering kan forbedre ledningsevnen af legeringen, som er blevet vedtaget af de fleste indenlandske trådfabrikker; Tilføj spor af sjældne jordarter til højrent aluminium for at lave Al RE foliekondensator. Når det bruges i 25kV-produkter, fordobles kapacitansindekset, kapaciteten pr. volumenhed øges med 5 gange, vægten reduceres med 47%, og kondensatorvolumenet reduceres betydeligt.
05Effekt af sjældne jordarters korrosionsbestandighed af legering
I nogle servicemiljøer, især ved tilstedeværelse af chloridioner, er legeringer sårbare over for korrosion, sprækkekorrosion, spændingskorrosion og korrosionstræthed. For at forbedre korrosionsbestandigheden af aluminiumlegeringer er der blevet udført mange undersøgelser. Det har vist sig, at tilsætning af en passende mængde sjældne jordarter til aluminiumlegeringer effektivt kan forbedre deres korrosionsbestandighed. Prøverne fremstillet ved at tilsætte forskellige mængder af blandede sjældne jordarter (0,1%~0,5%) til aluminium blev gennemblødt i saltlage og kunstigt havvand i tre på hinanden følgende år. Resultaterne viser, at tilsætning af en lille mængde sjældne jordarter til aluminium kan forbedre korrosionsbestandigheden af aluminium, og korrosionsbestandigheden i saltlage og kunstigt havvand er henholdsvis 24 % og 32 % højere end aluminiums; Brug af kemisk dampmetode og tilføjelse sjældne jordarters multikomponent penetrant (La, Ce osv.), kan et lag af sjældne jordarters konverteringsfilm dannes på overfladen af 2024 legering, hvilket gør overfladeelektrodepotentialet af aluminiumslegering tilbøjelige til at være ensartet og forbedrer modstanden mod intergranulær korrosion og spændingskorrosion; Tilføjelse af La til høj Mg aluminiumslegering kan forbedre legeringens anti-marin korrosionsevne betydeligt; Tilføjelse af 1,5%~2,5% Nd til aluminiumlegeringer kan forbedre højtemperaturydelsen, lufttætheden og korrosionsbestandigheden af legeringer, som er meget udbredt som rumfartsmaterialer.
◆ ◆ Forberedelsesteknologi af sjældne jordarters aluminiumslegering ◆ ◆
Sjældne jordarter tilsættes for det meste i form af sporstoffer i aluminiumslegeringer og andre legeringer. Sjældne jordarter har høj kemisk aktivitet, højt smeltepunkt og er let at blive oxideret og brændt ved høje temperaturer. Dette har forårsaget visse vanskeligheder ved fremstilling og anvendelse af sjældne jordarters aluminiumlegeringer.I den langsigtede eksperimentelle forskning fortsætter folk med at udforske fremstillingsmetoderne for sjældne jordarters aluminiumlegeringer. På nuværende tidspunkt er de vigtigste produktionsmetoder til fremstilling af sjældne jordarters aluminiumslegeringer er blandingsmetode, smeltet salt-elektrolysemetode og aluminotermisk reduktionsmetode.
01 Blandingsmetode
Blandet smeltemetode er at tilsætte sjældne jordarter eller blandet sjældne jordarters metal til højtemperatur-aluminiumsvæske i forhold til fremstilling af masterlegering eller anvendelseslegering og derefter smelte masterlegeringen og det resterende aluminium i henhold til den beregnede mængde sammen, omrøres og forfine .
02 Elektrolyse
Den smeltede salt-elektrolysemetode er at tilføje sjældne jordarters oxid eller sjældne jordarters salt til den industrielle aluminiumelektrolysecelle og elektrolysere med aluminiumoxid for at producere sjældne jordarters aluminiumslegering. Molten salt-elektrolysemetoden har udviklet sig relativt hurtigt i Kina. Generelt er der to måder, nemlig flydende katodemetode og elektrolytisk eutektoidmetode. På nuværende tidspunkt er det blevet udviklet, at sjældne jordarters forbindelser kan tilsættes direkte til industrielle aluminiumelektrolyseceller, og sjældne jordarters aluminiumslegeringer kan fremstilles ved elektrolyse af chloridsmelter ved eutektoid metode.
03 Aluminiumtermisk reduktionsmetode
Fordi aluminium har en stærk reduktionsevne, og aluminium kan danne en række intermetalliske forbindelser med sjældne jordarter, kan aluminium bruges som et reduktionsmiddel til fremstilling af sjældne jordarters aluminiumslegeringer. De vigtigste kemiske reaktioner er vist i følgende formel:
RE2O3+ 6Al→2REAl2+ Al2O3
Blandt dem kan sjældne jordarter oxid eller sjældne jordarters slagger bruges som sjældne jordarters råmaterialer; Reduktionsmidlet kan være industrielt rent aluminium eller siliciumaluminium; Reduktionstemperaturen er 1400 ℃ ~ 1600 ℃. I det tidlige stadium blev det båret ude på betingelse af eksistensen af varmemiddel og flux, og høj reduktionstemperatur ville forårsage mange problemer;I de senere år har forskere udviklet en ny aluminotermisk reduktionsmetode. Ved en lavere temperatur (780 ℃) afsluttes den aluminotermiske reduktionsreaktion i systemet med natriumfluorid og natriumchlorid, hvilket undgår problemerne forårsaget af den oprindelige høje temperatur.
◆ ◆ Anvendelse fremskridt af sjældne jordarters aluminiumslegering ◆ ◆
01 Anvendelse af sjældne jordarters aluminiumslegering i kraftindustrien
På grund af fordelene ved god ledningsevne, stor strømbærende kapacitet, høj styrke, slidstyrke, nem forarbejdning og lang levetid, kan sjældne jordarters aluminiumslegering bruges til at fremstille kabler, luftledninger, ledningskerner, glidetråde og tynde ledninger til særlige formål.Tilsætning af en lille mængde RE i Al Si legeringssystemet kan forbedre ledningsevnen, hvilket skyldes, at siliciumet i aluminiumslegeringen er et urenhedselement med et højt indhold, som har større indflydelse på de elektriske egenskaber. Tilføjelse af en passende mængde sjældne jordarter kan forbedre den eksisterende morfologi og fordeling af silicium i legeringen, hvilket effektivt kan forbedre de elektriske egenskaber af aluminium; Tilføjelse af en lille mængde yttrium eller yttrium rig blandet sjælden jordart i den varmebestandige aluminiumslegeringstråd kan ikke kun opretholde en god ydeevne ved høje temperaturer, men også forbedre ledningsevnen; Sjældne jordarter kan forbedre trækstyrken, varmebestandigheden og korrosionsbestandigheden af aluminiumslegeringssystem. Kabler og ledere lavet af sjældne jordarters aluminiumslegering kan øge kabeltårnets spændvidde og forlænge kablernes levetid.
02Anvendelse af sjældne jordarters aluminiumslegering i byggeindustrien
6063 aluminiumslegering er den mest udbredte i byggebranchen. Tilføjelse af 0,15% ~ 0,25% sjældne jordarter kan væsentligt forbedre den støbte struktur og forarbejdningsstruktur og kan forbedre ekstruderingsydelsen, varmebehandlingseffekten, mekaniske egenskaber, korrosionsbestandighed, overfladebehandlingsydelse og farvetone. Det har vist sig, at sjældne jordarter er hovedsageligt fordelt i 6063 aluminiumlegeringα-Al neutraliserer fasegrænsen, korngrænsen og interdendritisk, og de er opløst i forbindelser eller findes i form af forbindelser for at forfine dendritstrukturen og kornene, således at størrelsen af det uopløste eutektiske middel og størrelsen af fordybningen i fordybningsområdet bliver væsentligt mindre, fordelingen er ensartet, og tætheden øges, så legeringens forskellige egenskaber forbedres i varierende grad. For eksempel øges profilens styrke med mere end 20%, forlængelsen øges med 50%, og korrosionshastigheden reduceres med mere end to gange, tykkelsen af oxidfilmen øges med 5% ~ 8%, og farveegenskaben øges med ca. 3%. Derfor er RE-6063 legerede bygningsprofiler meget brugt.
03Anvendelse af sjældne jordarters aluminiumslegering i daglige produkter
Tilføjelse af spor af sjældne jordarter til rent aluminium og Al Mg-seriens aluminiumslegeringer til daglig brug aluminiumprodukter kan forbedre de mekaniske egenskaber, dybtrækningsegenskaber og korrosionsbestandighed markant. De daglige fornødenheder såsom aluminiumsgryder, aluminiumspander, aluminiumtallerkener, aluminiumsmadkasser, aluminiumsmøbelstøtter, aluminiumscykler og dele til husholdningsapparater lavet af Al Mg RE-legering har mere end dobbelt så meget korrosionsbestandighed, 10%~15% vægtreduktion, 10%~20% udbyttestigning, 10%~15% produktionsomkostningsreduktion, og bedre dybtræknings- og dybbehandlingsydelse sammenlignet med aluminiumslegeringsprodukter uden sjældne jordarter. På nuværende tidspunkt er de daglige fornødenheder af sjældne jordarters aluminiumslegering blevet brugt i vid udstrækning, og produkterne er steget betydeligt og sælges godt på de indenlandske og udenlandske markeder .
04 Anvendelse af sjældne jordarters aluminiumslegering i andre aspekter
Tilføjelse af et par tusindedele af sjældne jordarter i den mest udbredte Al Si-serie støbelegering kan forbedre legeringens bearbejdningsydelse markant. Mange mærker af produkter er blevet brugt i fly, skibe, biler, dieselmotorer, motorcykler og pansrede køretøjer (stempel, gearkasse, cylinder, instrumentering og andre dele). I forskning og anvendelse viser det sig, at Sc er det mest effektive element til at optimere strukturen og egenskaberne af aluminiumslegeringer. Det har stærk spredningsforstærkning, kornforfiningsstyrkelse, opløsningsstyrkende og mikrolegeringsstyrkende virkninger på aluminium og kan forbedre legeringsstyrken, hårdheden, plasticiteten, sejheden, korrosionsbestandigheden, varmebestandigheden osv. af legeringer.Sc Al-seriens legeringer er blevet brugt i højteknologiske industrier såsom rumfart, skibe, højhastighedstog, lette køretøjer osv. C557Al Mg Zr Sc serie scandium aluminiumslegering udviklet af NASA har høj styrke og høj temperatur og lav temperatur stabilitet og er blevet anvendt til flykroppe og fly strukturelle dele; 0146Al Cu Li Sc-legeringen udviklet af Rusland er blevet påført den kryogene brændstoftank i rumfartøjer.
Fra bind 33, udgave 1 af Rare Earth af Wang Hui, Yang An og Yun Qi
Indlægstid: Jul-05-2023