Sovellusharvinainen maametallialumiiniseoksen valussa tehtiin aiemmin ulkomailla. Vaikka Kiina aloitti tämän näkökohdan tutkimuksen ja soveltamisen vasta 1960-luvulla, se on kehittynyt nopeasti. Mekanismitutkimuksesta käytännön sovelluksiin on tehty paljon työtä, ja joitain saavutuksia on saatu aikaan. Harvinaisten maametallien lisäämisen myötä alumiiniseosten mekaaniset ominaisuudet, valuominaisuudet ja sähköiset ominaisuudet ovat parantuneet huomattavasti. uusilla materiaaleilla, harvinaisten maametallien rikkailla optisilla, sähköisillä ja magneettisilla ominaisuuksilla on myös tärkeä rooli harvinaisten maametallien kestomagneettisten materiaalien, harvinaisten maametallien valoa lähettävien materiaalien, harvinaisten maametallien vetyvarastomateriaalien jne. valmistuksessa.
◆ ◆ Harvinaisten maametallien toimintamekanismi alumiinissa ja alumiiniseoksessa ◆ ◆
Harvinaisilla maametallilla on korkea kemiallinen aktiivisuus, alhainen potentiaali ja erityinen elektronikerrosjärjestely, ja ne voivat olla vuorovaikutuksessa melkein kaikkien alkuaineiden kanssa. Alumiinissa ja alumiiniseoksissa yleisesti käytettyjä harvinaisia maametallia ovat La (lantaani), Ce (cerium), Y (yttrium) ja Sc (skandium). Ne lisätään usein alumiininesteeseen modifioijien, ydintämisaineiden ja kaasunpoistoaineiden kanssa, jotka voivat puhdistaa sulatetta, parantaa rakennetta, jalostaa rakeita jne.
01Harvinaisten maametallien puhdistus
Koska alumiiniseoksen sulatuksen ja valun aikana sisään tuodaan suuri määrä kaasu- ja oksidisulkeumia (pääasiassa vetyä, happea ja typpeä), valussa syntyy reikiä, halkeamia, sulkeumia ja muita vikoja (katso kuva 1a), mikä vähentää alumiiniseoksen lujuus. Harvinaisen maametallin puhdistusvaikutus ilmenee pääasiassa sulan alumiinin vetypitoisuuden selvässä vähenemisessä, reikänopeuden ja huokoisuus (katso kuva 1b) sekä sulkeumien ja haitallisten alkuaineiden väheneminen. Pääsyynä on se, että harvinaisilla maametallilla on suuri affiniteetti veteen, joka voi absorboida ja liuottaa vetyä suuria määriä ja muodostaa pysyviä yhdisteitä muodostamatta kuplia, mikä vähentää merkittävästi alumiinin vetypitoisuus ja huokoisuus; Harvinaiset maametallit ja typpi muodostavat tulenkestäviä yhdisteitä, jotka pääosin poistuvat kuonan muodossa sulatusprosessissa, jotta saavutetaan alumiininesteen puhdistamiseen.
Käytäntö on osoittanut, että harvinaiset maametallit vähentävät alumiinin ja alumiiniseosten vety-, happi- ja rikkipitoisuutta. 0,1–0,3 % RE:n lisääminen alumiininesteeseen auttaa poistamaan paremmin haitallisia epäpuhtauksia, jalostamaan epäpuhtauksia tai muuttamaan niiden morfologiaa, jotta jyvät jalostuvat ja jakautuvat tasaisesti; Lisäksi RE ja haitalliset epäpuhtaudet, joilla on alhainen sulamispiste muodostavat binäärisiä yhdisteitä, kuten esim. RES, REA ja REPb, joille on tunnusomaista korkea sulamispiste, alhainen tiheys ja vakaat kemialliset ominaisuudet ja jotka voidaan vaahdella muodostamaan kuona ja poistetaan, jolloin alumiinineste puhdistetaan; Jäljelle jäävät hienot hiukkaset muuttuvat heterogeenisiksi alumiiniytimiksi rakeiden jalostamiseksi.
Kuva 1 7075-seoksen SEM-morfologia ilman RE:tä ja w (RE) = 0,3 %
a. RE ei ole lisätty;b. Lisää w (RE)=0,3 %
02Harvinaisten maametallien metamorfia
Harvinaisten maametallien modifikaatio ilmenee pääasiassa jyvien ja dendriittien jalostamisessa, karkean lamellaarisen T2-faasin ilmaantumisen estämisessä, primäärikiteessä jakautuneen karkean massiivisen faasin eliminoinnissa ja pallomaisen faasin muodostamisessa, jolloin raerajalla olevat kaistale- ja fragmenttiyhdisteet vähenevät merkittävästi. (katso kuva 2). Harvinaisen maametallin atomin säde on yleensä suurempi kuin alumiiniatomin, ja sen ominaisuudet ovat suhteellisen aktiivisia. Alumiininesteessä sulaminen on erittäin helppo täyttää seosfaasin pintavirheet, mikä vähentää pintajännitystä uusien ja vanhojen faasien rajapinnassa ja parantaa kideytimen kasvunopeutta; Samalla se voi myös muodostaa pinnan aktiivinen kalvo rakeiden ja sulan nesteen välissä estämään muodostuneiden rakeiden kasvua ja jalostamaan seosrakennetta (katso kuva 2b).
Kuva 2 Eri RE-lisäyksellä varustettujen metalliseosten mikrorakenne
a. RE-annos on 0;b. RE-lisäys on 0,3 %; c. RE-lisäys on 0,7 %
Harvinaisten maametallien lisäyksen jälkeenα(Al)-faasin rakeet alkoivat pienentyä, mikä vaikutti pienen ruusun tai sauvan muotoon muuttuneiden jyvienα(Al) jalostukseen, kun harvinaisten maametallien pitoisuus on 0,3 %α(Al:n raekoko) ) -vaihe on pienin ja kasvaa vähitellen harvinaisten maametallien pitoisuuden lisääntyessä. Kokeet ovat osoittaneet, että harvinaisten maametallien muodonmuutoksella on tietty itämisaika, ja vain silloin, kun se pidetään korkeassa lämpötilassa tietyn ajan, harvinaisilla maametallilla on suurin rooli muodonmuutoksessa.Lisäksi alumiinin ja harvinaisen maametallin muodostamien yhdisteiden kideytimien määrä kasvaa huomattavasti metallin kiteytyessä, mikä tekee myös lejeeringin rakennetta jalostettu. Tutkimus osoittaa, että harvinaisilla maametallilla on hyvä modifikaatiovaikutus alumiiniseokselle.
03 Harvinaisten maametallien mikroseosvaikutus
Harvinaisia maametallia on pääasiassa alumiinissa ja alumiiniseoksissa kolmessa muodossa: kiinteä liuos matriisissa α (Al); Segregaatio faasin rajalla, raeraja ja dendriittiraja; Kiinteä liuos yhdisteenä tai muodossa. Harvinaisten maametallien vahvistavat vaikutukset alumiiniseokset sisältävät pääasiassa raejalostusvahvistuksen, rajallisen liuosvahvistuksen ja harvinaisten maametallien toisen vaiheen lujittamisen.
Harvinaisen maametallin olemassaolomuoto alumiinissa ja alumiiniseoksessa liittyy läheisesti sen lisäysmäärään. Yleensä kun RE-pitoisuus on alle 0,1 %, RE:n rooli on pääasiassa hienorakeiden vahvistaminen ja rajallisen liuoksen vahvistaminen; Kun RE-pitoisuus on 0,25 % ~ 0,30 %, RE ja Al muodostavat suuren määrän pallomaisia tai lyhyitä sauvoja, kuten metallien välisiä yhdisteitä. , jotka ovat jakautuneet rae- tai raerajalle ja ilmaantuu suuri määrä dislokaatioita, hienorakeisia pallomaisia rakenteita ja hajaantuneita harvinaisten maametallien yhdisteitä, jotka tuottaa mikroseosvaikutuksia, kuten toisen vaiheen vahvistuksen.
◆ ◆ Harvinaisten maametallien vaikutus alumiinin ja alumiiniseoksen ominaisuuksiin ◆◆
01 Harvinaisten maametallien vaikutus metalliseoksen kattaviin mekaanisiin ominaisuuksiin
Seoksen lujuutta, kovuutta, venymää, murtolujuutta, kulutuskestävyyttä ja muita kattavia mekaanisia ominaisuuksia voidaan parantaa lisäämällä sopiva määrä harvinaista maametallia. 0,3 % RE:tä lisätään valualumiinin ZL10-sarjan seokseenσb205,9 MPa - 274 MPa ja HB 80 - 108; 0,42 % Sc:n lisääminen 7005 seokseenσbnousi 314 MPa:sta 414 MPa:iin,σ0.2nousi 282 MPa:sta 378 MPa:iin, plastisuus kasvoi 6,8 %:sta 10,1 %:iin ja korkean lämpötilan stabiilisuus parani merkittävästi; La ja Ce voivat parantaa merkittävästi lejeeringin superplastisuutta. 0,14-0,64 % La:n lisääminen Al-6Mg-0,5Mn-seokseen kasvattaa superplastisuutta 430 %:sta 800 %~1000 %:iin; Al Si -lejeeringin systemaattinen tutkimus osoittaa, että lejeeringin myötölujuus ja lopullinen vetolujuus voivat olla suuresti parannettiin lisäämällä sopiva määrä Sc.Fig. Kuva 3 esittää Al-Si7-Mg:n vetomurtuman SEM-ilmiön0.8metalliseos, mikä osoittaa, että kyseessä on tyypillinen hauras halkeamismurtuma ilman RE:tä, kun taas 0,3 % RE:n lisäyksen jälkeen murtumaan tulee selvä kuopparakenne, mikä osoittaa, että sillä on hyvä sitkeys ja sitkeys.
Kuva 3 Vetomurtuman morfologia
a. Ei liittynyt RE:hen;b. Lisää 0,3 % RE
02Harvinaisten maametallien vaikutus metalliseosten korkean lämpötilan ominaisuuksiin
Lisäämällä tietty määräharvinainen maametallialumiiniseokseen voi tehokkaasti parantaa alumiiniseoksen hapettumisenkestävyyttä korkeissa lämpötiloissa. 1 % ~ 1,5 % harvinaisen maametallin lisääminen valettuun Al Si eutektiseen metalliseokseen lisää lujuutta korkeassa lämpötilassa 33 %, murtumislujuutta korkeassa lämpötilassa (300 ℃, 1000 tuntia) 44 % ja kulutuskestävyys ja korkeiden lämpötilojen vakaus paranevat merkittävästi; lisäämällä La, Ce, Y ja sekametallia valettaviin Al Cu -seoksiin voi parantaa seosten korkean lämpötilan ominaisuuksia; Nopeasti jähmettynyt Al-8,4 % Fe-3,4 % Ce -seos voi toimia pitkään alle 400 ℃:n lämpötilassa, mikä parantaa huomattavasti alumiiniseoksen käyttölämpötilaa; Sc lisätään Al Mg Si -seokseen Al:n muodostamiseksi3Sc-hiukkasia, joita ei ole helppo karkea korkeassa lämpötilassa ja jotka ovat koheressa matriisin kanssa raeraajan kiinnittämiseksi, jolloin seos säilyttää uudelleenkiteytymättömän rakenteen hehkutuksen aikana ja parantaa huomattavasti seoksen ominaisuuksia korkeissa lämpötiloissa.
03 Harvinaisten maametallien vaikutus metalliseosten optisiin ominaisuuksiin
Harvinaisen maametallin lisääminen alumiiniseokseen voi muuttaa sen pinnan oksidikalvon rakennetta, mikä tekee pinnasta kirkkaamman ja kauniimman. Kun alumiiniseokseen lisätään 0,12–0,25 % RE, hapetetun ja värillisen 6063-profiilin heijastavuus on jopa 92 %;Kun 0,1 % ~ 0,3 % RE lisätään Al Mg -valettua alumiiniseokseen, seos voi saada parhaan pinnan ja kiillon kestävyys.
04 Harvinaisten maametallien vaikutus metalliseosten sähköisiin ominaisuuksiin
RE:n lisääminen erittäin puhtaaseen alumiiniin on haitallista lejeeringin johtavuudelle, mutta johtavuutta voidaan jossain määrin parantaa lisäämällä sopivaa RE:tä teolliseen puhtaaseen alumiiniin ja Al Mg Si johtaviin seoksiin.Kokeetulokset osoittavat, että alumiinin johtavuus voidaan parantaa 2 % ~ 3 % lisäämällä 0,2 % RE. Pienen määrän yttriumpitoista harvinaista maametallia lisäämällä Al Zr -seokseen voi parantaa aineen johtavuutta metalliseos, jonka useimmat kotimaiset lankatehtaat ovat ottaneet käyttöön; Lisää harvinaisia maametallia erittäin puhtaaseen alumiiniin Al RE -foliokondensaattorin valmistamiseksi. Käytettäessä 25 kV:n tuotteissa kapasitanssiindeksi kaksinkertaistuu, kapasiteetti tilavuusyksikköä kohti kasvaa 5 kertaa, paino pienenee 47% ja kondensaattorin tilavuus pienenee merkittävästi.
05Harvinaisten maametallien vaikutus lejeeringin korroosionkestävyyteen
Joissakin käyttöympäristöissä, erityisesti kloridi-ionien läsnä ollessa, seokset ovat alttiita korroosiolle, rakokorroosiolle, jännityskorroosiolle ja korroosioväsymiselle. Alumiiniseosten korroosionkestävyyden parantamiseksi on tehty monia tutkimuksia. On havaittu, että sopivan määrän harvinaisten maametallien lisääminen alumiiniseoksiin voi parantaa niiden korroosionkestävyyttä tehokkaasti. Näytteet, jotka oli valmistettu lisäämällä alumiiniin eri määriä harvinaisten maametallien seosta (0,1 % ~ 0,5 %), liotettiin suolavedessä ja keinotekoisessa merivedessä kolme peräkkäistä kertaa. vuotta. Tulokset osoittavat, että pienen määrän harvinaisten maametallien lisääminen alumiiniin voi parantaa alumiinin korroosionkestävyyttä, ja korroosionkestävyys suolaliuoksessa ja keinotekoisessa merivedessä on 24 % ja 32 % korkeampi kuin alumiinilla; Kemiallinen höyrymenetelmä ja lisääminen harvinaisten maametallien monikomponenttinen tunkeutumisaine (La, Ce jne.), 2024-lejeeringin pinnalle voidaan muodostaa kerros harvinaisten maametallien muunnoskalvoa, mikä tekee alumiinin pintaelektrodipotentiaalista seos on yleensä tasaista ja parantaa rakeiden välisen korroosion ja jännityskorroosionkestävyyttä; La:n lisääminen korkean Mg-alumiiniseokseen voi parantaa merkittävästi seoksen merikorroosion estokykyä; 1,5–2,5 % Nd:n lisääminen alumiiniseoksiin voi parantaa korkeaa -Seosten lämpötilan suorituskyky, ilmatiiviys ja korroosionkestävyys, joita käytetään laajalti ilmailu-avaruusmateriaaleina.
◆ ◆ Harvinaisen maametallin alumiiniseoksen valmistustekniikka ◆ ◆
Harvinaisia maametallia lisätään enimmäkseen hivenaineina alumiiniseoksiin ja muihin seoksiin. Harvinaisilla maametallilla on korkea kemiallinen aktiivisuus, korkea sulamispiste, ja se on helppo hapettaa ja polttaa korkeissa lämpötiloissa. Tämä on aiheuttanut tiettyjä vaikeuksia harvinaisten maametallien alumiiniseosten valmistuksessa ja levittämisessä.Pitkäaikaisessa kokeellisessa tutkimuksessa ihmiset jatkavat harvinaisten maametallien alumiiniseosten valmistusmenetelmien tutkimista. Tällä hetkellä tärkeimmät tuotantomenetelmät harvinaisten maametallien alumiiniseosten valmistuksessa ovat sekoitusmenetelmä, sulan suolan elektrolyysimenetelmä ja aluminoterminen pelkistysmenetelmä.
01 Sekoitusmenetelmä
Sekoitettu sulatusmenetelmä on lisätä harvinaisia maametallia tai sekoitettua harvinaista maametallia korkean lämpötilan alumiininesteeseen suhteessa pääseoksen tai sovelluslejeeringin valmistamiseksi ja sitten sulattaa pääseos ja jäljelle jäänyt alumiini lasketun päästömäärän mukaan yhdessä, sekoitetaan täysin ja jalostetaan. .
02 Elektrolyysi
Sulan suolan elektrolyysimenetelmänä on lisätä harvinaisten maametallien oksidia tai harvinaisten maametallien suolaa teolliseen alumiinielektrolyyttikennoon ja elektrolysoida alumiinioksidilla harvinaisten maametallien alumiiniseoksen valmistamiseksi. Sulan suolan elektrolyysimenetelmä on kehittynyt suhteellisen nopeasti Kiinassa. Yleensä on olemassa kaksi tapaa, nimittäin nestekatodimenetelmä ja elektrolyyttinen eutektoidimenetelmä. Tällä hetkellä on kehitetty, että harvinaisia maametalliyhdisteitä voidaan lisätä suoraan teollisiin alumiinielektrolyyttikennoihin ja harvinaisten maametallien alumiiniseoksia voidaan valmistaa kloridisulatteiden elektrolyysillä eutektoidisella menetelmällä.
03 Aluminoterminen pelkistysmenetelmä
Koska alumiinilla on vahva pelkistyskyky ja alumiini voi muodostaa erilaisia metallien välisiä yhdisteitä harvinaisten maametallien kanssa, alumiinia voidaan käyttää pelkistimenä valmistettaessa harvinaisten maametallien alumiiniseoksia. Tärkeimmät kemialliset reaktiot esitetään seuraavassa kaavassa:
RE2O3+ 6Al→2REAl2+ Al2O3
Niistä harvinaisten maametallien raaka-aineina voidaan käyttää harvinaisten maametallien oksidia tai runsaasti harvinaista maametallia sisältävää kuonaa; Pelkistysaine voi olla teollista puhdasta alumiinia tai piialumiinia; Pelkistyslämpötila on 1400 ℃ ~ 1600 ℃. Alkuvaiheessa se kuljetettiin Lämmitysaineen ja sulatteen olemassaolossa ja korkea pelkistyslämpötila aiheuttaisi monia ongelmia;Viime vuosina tutkijat ovat kehittäneet uuden aluminotermisen pelkistysmenetelmän. Alemmassa lämpötilassa (780 ℃) aluminoterminen pelkistysreaktio saatetaan loppuun natriumfluoridin ja natriumkloridin järjestelmässä, mikä välttää alkuperäisen korkean lämpötilan aiheuttamat ongelmat.
◆ ◆ Harvinaisten maametallien alumiiniseoksen sovelluksen edistyminen ◆ ◆
01 Harvinaisen maametallin alumiiniseoksen käyttö energiateollisuudessa
Hyvän johtavuuden, suuren virrankestävyyden, suuren lujuuden, kulutuskestävyyden, helpon prosessoinnin ja pitkän käyttöiän etujen ansiosta harvinaisten maametallien alumiiniseosta voidaan käyttää kaapeleiden, ilmasiirtolinjojen, johdinsydämien, liukujohtojen ja ohuiden johtojen valmistukseen. Pienen määrän RE:n lisääminen Al Si -seosjärjestelmään voi parantaa johtavuutta, mikä johtuu siitä, että alumiiniseoksessa oleva pii on korkean pitoisuuden omaava epäpuhtausalkuaine, jolla on suurempi vaikutus sähköiset ominaisuudet. Sopivan määrän harvinaisten maametallien lisääminen voi parantaa piin olemassa olevaa morfologiaa ja jakautumista seoksessa, mikä voi parantaa tehokkaasti alumiinin sähköisiä ominaisuuksia; Pienen määrän yttriumia tai yttriumpitoista sekoitettua harvinaista maametallia lisääminen lämmönkestävään alumiiniseoslankaan ei vain voi ylläpitää hyvää suorituskykyä korkeassa lämpötilassa, vaan myös parantaa johtavuutta; Harvinaiset maametallit voivat parantaa alumiiniseosjärjestelmän vetolujuutta, lämmönkestävyyttä ja korroosionkestävyyttä. Harvinaisen maametallin alumiiniseoksesta valmistetut kaapelit ja johtimet voivat lisätä kaapelitornin jänneväliä ja pidentää kaapeleiden käyttöikää.
02Harvinaisen maametallin alumiiniseoksen käyttö rakennusteollisuudessa
6063 alumiiniseos on laajimmin käytetty rakennusteollisuudessa. 0,15–0,25 % harvinaisten maametallien lisääminen voi parantaa merkittävästi valurakennetta ja prosessointirakennetta, ja se voi parantaa suulakepuristustehoa, lämpökäsittelyvaikutusta, mekaanisia ominaisuuksia, korroosionkestävyyttä, pintakäsittelyn suorituskykyä ja värisävyä. On havaittu, että harvinaiset maametallit ovat pääosin jakautuneena 6063 alumiiniseoksessa α-Al neutraloi faasirajan, raeraajan ja interdendriittisen, ja ne liukenevat yhdisteisiin tai esiintyvät yhdisteitä dendriittirakenteen ja rakeiden jalostamiseksi siten, että liukenemattoman eutektin koko ja kuoppa-alueen kuopan koko pienenevät merkittävästi, jakautuminen on tasaista ja tiheys kasvaa, jolloin lejeeringin erilaiset ominaisuudet muuttuvat. parantunut vaihtelevassa määrin. Esimerkiksi profiilin lujuus kasvaa yli 20 %, venymä kasvaa 50 % ja korroosionopeus vähenee yli kaksinkertaiseksi, oksidikalvon paksuus kasvaa 5 % ~ 8 % ja värjäysominaisuus kasvaa noin 3 %. Siksi RE-6063-seoksesta valmistettuja rakennusprofiileja käytetään laajalti.
03Harvinaisen maametallin alumiiniseoksen käyttö päivittäisissä tuotteissa
Harvinaisen maametallin lisääminen puhtaaseen alumiiniin ja Al Mg -sarjan alumiiniseoksiin päivittäiseen käyttöön alumiinituotteisiin voi parantaa merkittävästi mekaanisia ominaisuuksia, syvävetoominaisuutta ja korroosionkestävyyttä. Päivittäiset tarpeet, kuten alumiinikattilat, alumiinipannut, alumiinilautaset, alumiiniset lounaslaatikot, Al Mg RE -seoksesta valmistetuilla alumiinikalustetuilla, alumiinipyörillä ja kodinkoneosilla on yli kaksinkertainen korroosionkestävyys, 10 % ~ 15 % painonpudotus, 10 % ~ 20 % tuotto lisäys, 10–15 %:n tuotantokustannusten aleneminen ja parempi syväveto- ja syväkäsittelyteho verrattuna alumiiniseostuotteisiin, joissa ei ole harvinaista maametallia. Tällä hetkellä harvinaisten maametallien alumiiniseoksen päivittäiset tarpeet ovat olleet laajalti käytössä, ja tuotteet ovat lisääntyneet merkittävästi , ja niitä myydään hyvin koti- ja ulkomailla.
04 Harvinaisen maametallin alumiiniseoksen käyttö muissa näkökohdissa
Muutaman tuhannesosan harvinaisen maametallin lisääminen yleisimmin käytettyyn Al Si -sarjan valuseokseen voi parantaa merkittävästi lejeeringin työstötehoa. Monien tuotemerkkien tuotteita on käytetty lentokoneissa, laivoissa, autoissa, dieselmoottoreissa, moottoripyörissä ja panssaroiduissa ajoneuvoissa (mäntä, vaihdelaatikko, sylinteri, instrumentointi ja muut osat). Tutkimuksessa ja sovelluksissa on havaittu, että Sc on tehokkain aine optimoida alumiiniseosten rakenne ja ominaisuudet. Sillä on vahva dispersiovahvistus, rakeiden jalostusvahvistus, liuosta vahvistava ja mikroseosvahvistusvaikutus alumiinille, ja se voi parantaa seosten lujuutta, kovuutta, plastisuutta, sitkeyttä, korroosionkestävyyttä, lämmönkestävyyttä jne. Sc Al -sarjan metalliseoksia on käytetty korkean teknologian teollisuus, kuten ilmailu, laivat, suurnopeusjunat, kevyet ajoneuvot jne.C557Al Mg Zr Sc -sarja skandiumalumiinia NASAn kehittämällä metalliseoksella on korkea lujuus, korkea lämpötila ja alhainen lämpötila, ja sitä on käytetty lentokoneiden runkoon ja lentokoneiden rakenneosiin; Venäjän kehittämä 0146Al Cu Li Sc -seos on levitetty avaruusalusten kryogeeniseen polttoainesäiliöön.
Osasta 33, Wang Huin, Yang Anin ja Yun Qin harvinaisten maametallien numero 1
Postitusaika: 05.07.2023