Az alkalmazásaritkaföldfémaz alumíniumötvözet öntésében korábban külföldön végeztek. Kína ugyan csak az 1960-as években kezdte ennek a szempontnak a kutatását és alkalmazását, de gyorsan fejlődött. A mechanizmuskutatástól a gyakorlati alkalmazásig sok munka történt, és bizonyos eredményeket értek el.A ritkaföldfémek hozzáadásával az alumíniumötvözetek mechanikai tulajdonságai, öntési tulajdonságai és elektromos tulajdonságai nagymértékben javultak. új anyagok, a ritkaföldfémek gazdag optikai, elektromos és mágneses tulajdonságai is fontos szerepet játszanak a ritkaföldfém állandó mágneses anyagok, ritkaföldfém fénykibocsátó anyagok, ritkaföldfém hidrogéntároló anyagok stb.
◆ ◆ Ritkaföldfémek hatásmechanizmusa alumíniumban és alumíniumötvözetben ◆ ◆
A ritkaföldfémek nagy kémiai aktivitással, alacsony potenciállal és speciális elektronréteg-elrendezéssel rendelkeznek, és szinte minden elemmel kölcsönhatásba léphetnek. Az alumíniumban és alumíniumötvözetekben általánosan használt ritkaföldfémek közé tartozik a La (lantán), Ce (cérium), Y (ittrium) és Sc (skandium). Gyakran adják az alumínium folyadékhoz módosítószerekkel, gócképző szerekkel és gáztalanító szerekkel, amelyek megtisztítják az olvadékot, javítják a szerkezetet, finomítják a szemcsét stb.
01Ritkaföldfémek tisztítása
Mivel az alumíniumötvözet olvasztása és öntése során nagy mennyiségű gáz- és oxidzárvány (főleg hidrogén, oxigén és nitrogén) kerül bejutásra, az öntvényben lyukak, repedések, zárványok és egyéb hibák keletkeznek (lásd 1a. ábra), az alumíniumötvözet szilárdsága.A ritkaföldfémek tisztító hatása elsősorban az olvadt alumínium hidrogéntartalmának nyilvánvaló csökkenésében, a lyukak arányának és porozitásának csökkenésében (lásd 1b. ábra), valamint a zárványok és a káros elemek mennyiségének csökkentésében nyilvánul meg. Ennek oka az, hogy a ritkaföldfémek nagy affinitást mutatnak a hidrogénnel, amely nagy mennyiségben képes felszívni és feloldani a hidrogént, és stabil vegyületeket képezni anélkül, hogy buborékokat képezne, ezáltal jelentősen csökkenti az alumínium hidrogéntartalmát és porozitását; A ritkaföldfémek és a nitrogén tűzálló vegyületeket képez, amelyek többnyire salak formájában távolítják el az olvasztási folyamat során, hogy elérjék az alumínium folyadék tisztításának célját.
A gyakorlat bebizonyította, hogy a ritkaföldfémek csökkentik az alumínium és alumíniumötvözetek hidrogén-, oxigén- és kéntartalmát. 0,1-0,3% RE hozzáadása az alumínium folyadékhoz segít a káros szennyeződések jobb eltávolításában, a szennyeződések finomításában vagy morfológiájuk megváltoztatásában, így finomodik és egyenletesen oszlik el a szemcsék; Ezenkívül az RE és az alacsony olvadáspontú káros szennyeződések bináris vegyületeket képeznek, mint pl. RES, REA és REPb, amelyeket magas olvadáspont, alacsony sűrűség és stabil kémiai tulajdonságok jellemeznek, és felúsztathatók, hogy salakot képezzenek, és eltávolíthatók, így tisztítva az alumínium folyadékot; A megmaradt finom részecskék heterogén alumíniummagokká alakulnak, amelyeket finomítani kell szemek.
1. ábra A 7075 ötvözet SEM morfológiája RE nélkül és w (RE)=0,3%
a. RE nincs hozzáadva;b. Add w (RE)=0,3%
02Ritkaföldfémek metamorfózisa
A ritkaföldfém módosulás elsősorban a szemcsék és dendritek finomításában, a durva lamelláris T2 fázis megjelenésének gátlásában, a primer kristályban eloszló durva masszív fázis megszüntetésében és gömbfázis kialakításában nyilvánul meg, így a szemcsehatáron lévő csík- és fragmens vegyületek jelentősen csökkennek. (lásd 2. ábra). Általában a ritkaföldfém atom sugara nagyobb, mint az alumínium atomé, és tulajdonságai viszonylag aktívak. Az alumínium folyadékban történő olvadás nagyon könnyen kitölti az ötvözetfázis felületi hibáit, ami csökkenti a felületi feszültséget az új és a régi fázisok határfelületén, és javítja a kristálymag növekedési sebességét; ugyanakkor felületet is képezhet aktív film a szemcsék és az olvadt folyadék között, hogy megakadályozza a keletkező szemcsék növekedését és finomítsa az ötvözet szerkezetét (lásd 2b. ábra).
2. ábra Különböző RE kiegészítéssel rendelkező ötvözetek mikroszerkezete
a. RE adagja 0;b. RE hozzáadása 0,3%; c. RE hozzáadás 0,7%
A ritkaföldfémek hozzáadása utánαAz (Al) fázis szemcséi elkezdtek kisebbedni, ami szerepet játszott a kis rózsa vagy rúd alakúra átalakultα(Al) szemcsék finomításában, amikor a ritkaföldfém tartalom 0,3%αAz (Al) szemcsemérete ) fázis a legkisebb, és a ritkaföldfém-tartalom további növekedésével fokozatosan növekszik. Kísérletek igazolták, hogy a ritkaföldfém-metamorfózisnak van egy bizonyos lappangási ideje, és csak akkor, ha bizonyos ideig magas hőmérsékleten tartják, A ritkaföldfémek a metamorfizmusban a legnagyobb szerepet fognak játszani.Ezen kívül a fém kristályosodásakor nagymértékben megnő az alumínium és a ritkaföldfémek alkotta vegyületek kristálymagjainak száma, ami az ötvözet szerkezetét is finomítja. A kutatások azt mutatják, hogy a ritkaföldfémek jó módosító hatás az alumíniumötvözetre.
03 Ritkaföldfémek mikroötvöző hatása
A ritkaföldfémek főként alumíniumban és alumíniumötvözetekben fordulnak elő háromféle formában: szilárd oldat a mátrixban α (Al); Szegregáció a fázishatáron, szemcsehatár és dendrithatár; Szilárd oldat vegyületben vagy formájában. A ritkaföldfémek erősítő hatásai Az alumíniumötvözetek főként a szemcsefinomítással történő erősítést, a véges oldatos erősítést és a ritkaföldfém vegyületek második fázisú erősítését foglalják magukban.
A ritkaföldfémek alumíniumban és alumíniumötvözetben való létezése szorosan összefügg a hozzáadott mennyiségével. Általában, ha a RE-tartalom kevesebb, mint 0,1%, az RE szerepe elsősorban a finomszemcsés szilárdság és a véges oldat erősítése; Ha a RE-tartalom 0,25% ~ 0,30%, az RE és az Al nagyszámú gömb alakú vagy rövid rudat képeznek, mint intermetallikus vegyületek. , amelyek a szemcse- vagy szemcsehatáron oszlanak el, és nagyszámú diszlokáció, finomszemcsés gömbölyű szerkezetek és diszpergált ritkaföldfém-vegyületek jelennek meg, amelyek mikroötvöző hatásokat, például második fázis erősödést eredményeznek.
◆ ◆ A ritkaföldfémek hatása az alumínium és alumíniumötvözetek tulajdonságaira ◆◆
01 A ritkaföldfémek hatása az ötvözet átfogó mechanikai tulajdonságaira
Az ötvözet szilárdsága, keménysége, nyúlása, törésállósága, kopásállósága és egyéb átfogó mechanikai tulajdonságai megfelelő mennyiségű ritkaföldfém hozzáadásával javíthatók.0,3% RE-t adnak az öntött alumínium ZL10 sorozatú ötvözethezσb205,9 MPa-ról 274 MPa-ra, HB pedig 80-ról 108-ra; 0,42% Sc hozzáadása 7005 ötvözethezσb314MPa-ról 414MPa,σ-ra nőtt0.2282 MPa-ról 378 MPa-ra nőtt, a plaszticitás 6,8%-ról 10,1%-ra nőtt, és a magas hőmérsékleti stabilitás jelentősen javult; La és Ce jelentősen javíthatja az ötvözet szuperplaszticitását. 0,14-0,64% La hozzáadása az Al-6Mg-0,5Mn ötvözethez 430%-ról 800-1000%-ra növeli a szuperplaszticitást; Az Al Si ötvözet szisztematikus vizsgálata azt mutatja, hogy az ötvözet folyáshatára és szakítószilárdsága nagymértékben változhat. megfelelő mennyiségű Sc hozzáadásával javítva. ábra. A 3. ábra az Al-Si7-Mg húzótörésének SEM megjelenését mutatja0.8ötvözet, ami azt jelzi, hogy tipikus rideg hasítási törésről van szó RE nélkül, míg 0,3% RE hozzáadása után nyilvánvaló gödröcskés szerkezet jelenik meg a törésben, ami azt jelzi, hogy jó szívóssággal és hajlékonysággal rendelkezik.
3. ábra Szakítótörés morfológiája
a. Nem csatlakozott az RE-hez;b. Adjunk hozzá 0,3% RE-t
02A ritkaföldfémek hatása az ötvözetek magas hőmérsékletű tulajdonságaira
Adott hozzá egy bizonyos mennyiségűritkaföldfémAz alumíniumötvözetbe való bedolgozás hatékonyan javíthatja az alumíniumötvözet magas hőmérsékletű oxidációval szembeni ellenállását. 1% ~ 1,5% vegyes ritkaföldfém hozzáadása az öntött Al Si eutektikus ötvözethez 33%-kal növeli a magas hőmérsékleti szilárdságot, a magas hőmérsékletű szakítószilárdságot (300 ℃, 1000 óra) 44%-kal, a kopásállóság és a magas hőmérséklet-stabilitás pedig jelentősen javul; La, Ce, Y és kevert fém hozzáadása az öntött Al Cu ötvözetekhez javíthatja az ötvözetek magas hőmérsékletű tulajdonságait; A gyorsan megszilárdult Al-8,4% A Fe-3,4% Ce ötvözet hosszú ideig 400 ℃ alatt is működhet, nagymértékben javítva az alumíniumötvözet üzemi hőmérsékletét; Sc-t adnak az Al Mg Si ötvözethez, hogy Al-t képezzen.3Sc részecskék, amelyeket nem könnyű durvítani magas hőmérsékleten, és koherensek a mátrixszal, hogy rögzítsék a szemcsehatárt, így az ötvözet megőrzi átkristályosodatlan szerkezetét az izzítás során, és nagymértékben javítja az ötvözet magas hőmérsékletű tulajdonságait.
03 A ritkaföldfémek hatása az ötvözetek optikai tulajdonságaira
Ritkaföldfém hozzáadása az alumíniumötvözethez megváltoztathatja annak felületi oxidfilmjének szerkezetét, így a felület fényesebbé és szebbé válik. Ha 0,12–0,25% RE-t adunk az alumíniumötvözethez, az oxidált és színes 6063-as profil fényvisszaverő képessége eléri a maximumot. 92%;Ha 0,1% ~ 0,3% RE-t adnak az Al Mg öntött alumíniumötvözethez, az ötvözet a legjobb felületi minőséget és fényes tartósságot érheti el.
04 A ritkaföldfémek hatása az ötvözetek elektromos tulajdonságaira
A nagy tisztaságú alumíniumhoz való RE hozzáadása káros az ötvözet vezetőképességére, de a vezetőképesség bizonyos mértékig javítható megfelelő RE hozzáadásával ipari tisztaságú alumíniumhoz és Al Mg Si vezetőképes ötvözetekhez. A kísérleti eredmények azt mutatják, hogy az alumínium vezetőképessége 2–3%-kal javítható 0,2% RE hozzáadásával. Kis mennyiségű ittriumban gazdag ritkaföldfém Al-Zr ötvözetbe történő hozzáadása javíthatja az ötvözet vezetőképességét, amelyet a legtöbb hazai huzalgyár elfogad; nagy tisztaságú alumíniumra, hogy Al RE fóliakondenzátort készítsenek. 25 kV-os termékekben történő felhasználáskor a kapacitásindex megduplázódik, az egységnyi térfogatra jutó kapacitás 5-szörösére nő, a tömeg 47%-kal csökken, a kondenzátor térfogata pedig jelentősen csökken.
05A ritkaföldfémek hatása az ötvözet korrózióállóságára
Egyes szolgáltatási környezetben, különösen kloridionok jelenlétében, az ötvözetek érzékenyek a korrózióra, a réskorrózióra, a feszültségkorrózióra és a korróziós kifáradásra. Az alumíniumötvözetek korrózióállóságának javítása érdekében számos tanulmányt végeztek. Megállapítást nyert, hogy megfelelő mennyiségű ritkaföldfém hozzáadása az alumíniumötvözetekhez hatékonyan javíthatja azok korrózióállóságát. A különböző mennyiségű vegyes ritkaföldfém (0,1-0,5%) alumíniumhoz adásával készült mintákat három egymást követő alkalommal sós lében és mesterséges tengervízben áztatták. évre. Az eredmények azt mutatják, hogy kis mennyiségű ritkaföldfém hozzáadása az alumíniumhoz javíthatja az alumínium korrózióállóságát, és a sóoldatban és a mesterséges tengervízben a korrózióállóság 24%-kal, illetve 32%-kal magasabb, mint az alumíniumé. ritkaföldfém többkomponensű penetráns (La, Ce stb.), a 2024-es ötvözet felületén egy ritkaföldfém konverziós filmréteg alakítható ki, így az alumíniumötvözet felületi elektródapotenciálja egységessé válik, és javítja az ellenállást szemcseközi korrózió és feszültségkorrózió; Ha az La-t adjuk a magas Mg-tartalmú alumíniumötvözethez, az jelentősen javíthatja az ötvözet tengeri korrózió elleni képességét; 1,5–2,5% Nd alumíniumötvözetekhez való hozzáadása javíthatja az alumíniumötvözet magas hőmérsékleti teljesítményét, légtömörségét és korrózióállóságát. ötvözetek, amelyeket széles körben használnak repülőgép-ipari anyagokként.
◆ ◆ Ritkaföldfém alumíniumötvözet előállítási technológiája ◆ ◆
A ritkaföldfémeket többnyire nyomelemek formájában adják hozzá alumíniumötvözetekhez és más ötvözetekhez. A ritkaföldfémek nagy kémiai aktivitással, magas olvadásponttal rendelkeznek, könnyen oxidálódnak és magas hőmérsékleten elégethetők. Ez bizonyos nehézségeket okozott a ritkaföldfém-alumíniumötvözetek előállítása és alkalmazása során.A hosszú távú kísérleti kutatás során az emberek továbbra is a ritkaföldfém-alumíniumötvözetek előállítási módszereinek feltárását végzik.Jelenleg a ritkaföldfém-alumíniumötvözetek előállításának fő gyártási módszerei a keverési módszer, az olvadt só elektrolízis módszere és az aluminoterm redukciós módszer.
01 Keverési módszer
A vegyes olvasztási módszer az, hogy a magas hőmérsékletű alumíniumfolyadékhoz ritkaföldfémet vagy kevert ritkaföldfémet adnak a mesterötvözet vagy alkalmazási ötvözet előállításához arányosan, majd a mesterötvözetet és a maradék alumíniumot a számított ráhagyásnak megfelelően megolvasztják, teljesen keverik és finomítják. .
02 Elektrolízis
Az olvadt só elektrolízis módszere az, hogy ritkaföldfém-oxidot vagy ritkaföldfém-sót adnak az ipari alumínium elektrolitikus cellába, és alumínium-oxiddal elektrolizálják, hogy ritkaföldfém-alumíniumötvözetet állítsanak elő. Az olvadt só elektrolízis módszere viszonylag gyorsan fejlődött Kínában. Általában két módszer létezik, nevezetesen a folyékony katód módszer és az elektrolitikus eutektoid módszer. Jelenleg azt fejlesztették ki, hogy a ritkaföldfém-vegyületek közvetlenül adhatók az ipari alumínium elektrolitikus cellákhoz, és ritkaföldfém-alumíniumötvözetek állíthatók elő kloridolvadékok elektrolízisével eutektoid módszerrel.
03 Aluminoterm redukciós módszer
Mivel az alumínium erős redukciós képességgel rendelkezik, és az alumínium különféle intermetallikus vegyületet képezhet ritkaföldfémekkel, az alumínium redukálószerként használható ritkaföldfém-alumíniumötvözetek előállításához. A fő kémiai reakciókat a következő képlet mutatja:
RE2O3+ 6Al→2REal2+ Al2O3
Közülük ritkaföldfém-oxid vagy ritkaföldfémben gazdag salak használható ritkaföldfém-alapanyagként; A redukálószer lehet ipari tiszta alumínium vagy szilícium-alumínium; A redukciós hőmérséklet 1400 ℃ ~ 1600 ℃. A korai szakaszban szállították fűtőanyag és folyasztószer megléte mellett, és a magas redukciós hőmérséklet sok problémát okozna; Az elmúlt években a kutatók új aluminoterm redukciós módszert fejlesztettek ki. Alacsonyabb hőmérsékleten (780 ℃) az aluminoterm redukciós reakció a nátrium-fluorid-nátrium-klorid rendszerben végbemegy, így elkerülhető az eredeti magas hőmérséklet okozta problémák.
◆ ◆ A ritkaföldfém-alumíniumötvözet alkalmazásának folyamata ◆ ◆
01 Ritkaföldfém alumíniumötvözet alkalmazása az energiaiparban
A jó vezetőképesség, a nagy áramterhelhetőség, a nagy szilárdság, a kopásállóság, a könnyű feldolgozás és a hosszú élettartam előnyei miatt a ritkaföldfém-alumíniumötvözet felhasználható kábelek, légvezetékek, vezetékmagok, csúszóhuzalok és vékony vezetékek gyártására. speciális célokra. Kis mennyiségű RE hozzáadása az Al Si ötvözetrendszerhez javíthatja a vezetőképességet, ami azért van, mert az alumíniumötvözetben lévő szilícium egy nagy tartalmú szennyező elem, amely nagyobb hatással van az elektromos tulajdonságokra. Megfelelő mennyiségű ritkaföldfém hozzáadása javíthatja a szilícium morfológiáját és eloszlását az ötvözetben, ami hatékonyan javíthatja az alumínium elektromos tulajdonságait; Kis mennyiségű ittriumban vagy ittriumban gazdag kevert ritkaföldfém hozzáadása a hőálló alumíniumötvözet huzalhoz nem csak a jó magas hőmérsékletű teljesítményt tudja fenntartani, hanem javítja a vezetőképességet is; A ritkaföldfém javíthatja az alumíniumötvözet rendszer szakítószilárdságát, hőállóságát és korrózióállóságát. A ritkaföldfém alumíniumötvözetből készült kábelek és vezetékek növelhetik a kábeltorony fesztávját és meghosszabbíthatják a kábelek élettartamát.
02Ritkaföldfém alumíniumötvözetek alkalmazása az építőiparban
A 6063 alumíniumötvözet a legelterjedtebb az építőiparban. 0,15–0,25% ritkaföldfém hozzáadása jelentősen javíthatja az öntvény szerkezetét és a feldolgozási szerkezetet, valamint javíthatja az extrudálási teljesítményt, a hőkezelési hatást, a mechanikai tulajdonságokat, a korrózióállóságot, a felületkezelési teljesítményt és a színtónust. Megállapítást nyert, hogy a ritkaföldfém főként 6063 alumíniumötvözetben oszlik el az α-Al semlegesíti a fázishatárt, a szemcsehatárt és az interdendriteket, és vegyületekben oldódnak, vagy vegyületek formájában léteznek, hogy finomítsák a dendrit szerkezetét és szemcséit, így az oldatlan eutektikum mérete és mérete A gödröcske területén lévő gödröcskék jelentősen kisebbek lesznek, az eloszlás egyenletes, a sűrűség pedig nő, így az ötvözet különböző tulajdonságai különböző mértékben javulnak. Például a profil szilárdsága több mint 20%-kal nő, a nyúlás 50%-kal nő, és a korrózió mértéke több mint kétszeresére csökken, az oxidfilm vastagsága 5-8%-kal nő, és a színező tulajdonság körülbelül 3%-kal nő.Ezért az RE-6063 ötvözetből készült építőprofilokat széles körben használják.
03Ritkaföldfém alumíniumötvözet alkalmazása napi termékekben
Ritkaföldfém nyomnyi mennyiségének hozzáadása a tiszta alumíniumhoz és az Al Mg sorozatú alumíniumötvözetekhez a mindennapi használatra szánt alumíniumtermékekhez jelentősen javíthatja a mechanikai tulajdonságokat, a mélyhúzó tulajdonságot és a korrózióállóságot. A napi szükségletek, például alumínium edények, alumínium serpenyők, alumínium tányérok, alumínium ebédlődobozok az alumínium bútortartók, alumínium kerékpárok és az Al Mg RE ötvözetből készült háztartási gépalkatrészek több mint kétszeres korrózióállósággal rendelkeznek, 10% ~ 15% súlycsökkenés, 10% ~ 20% hozamnövekedés, 10% ~ 15% gyártási költség csökkenés, és jobb mélyhúzási és mélyfeldolgozási teljesítmény a ritkaföldfém nélküli alumíniumötvözet termékekhez képest. Jelenleg a ritkaföldfém-alumíniumötvözet napi szükségleteit széles körben használják, és a termékek jelentősen megnövekedtek, és jól értékesítik a hazai és a külföldi piacokon .
04 Ritkaföldfém-alumíniumötvözet alkalmazása egyéb szempontok szerint
Néhány ezredrész ritkaföldfém hozzáadása a legszélesebb körben használt Al Si sorozatú öntvényötvözethez jelentősen javíthatja az ötvözet megmunkálási teljesítményét. Sok márkájú terméket használtak repülőgépekben, hajókban, autókban, dízelmotorokban, motorkerékpárokban és páncélozott járművekben (dugattyú, sebességváltó, henger, műszerek és egyéb alkatrészek). A kutatás és az alkalmazás során azt találták, hogy az Sc a leghatékonyabb elem optimalizálja az alumíniumötvözetek szerkezetét és tulajdonságait. Erős diszperziós erősítő, szemcsefinomítás erősítő, oldaterősítő és mikroötvözet erősítő hatása van az alumíniumon, és javíthatja az ötvözetek szilárdságát, keménységét, plaszticitását, szívósságát, korrózióállóságát, hőállóságát stb.. Az Sc Al sorozatú ötvözeteket csúcstechnológiás iparágak, mint például repülőgépgyártás, hajók, nagysebességű vonatok, könnyű járművek stb. A NASA által kifejlesztett C557Al Mg Zr Sc sorozatú szkandium alumíniumötvözet nagy szilárdságú, magas hőmérsékleten és alacsony hőmérsékleten stabil, és repülőgéptörzseken és repülőgépeken alkalmazták szerkezeti részek;Az Oroszország által kifejlesztett 0146Al Cu Li Sc ötvözetet űrhajók kriogén üzemanyagtartályára alkalmazták.
A 33. kötet, Wang Hui, Yang An és Yun Qi Ritkaföldfémek 1. száma
Feladás időpontja: 2023.05.05