Penerapantanah jarangdalam pengecoran paduan aluminium telah dilakukan sebelumnya di luar negeri. Meskipun Tiongkok baru memulai penelitian dan penerapan aspek ini pada tahun 1960an, Tiongkok telah berkembang pesat. Banyak pekerjaan telah dilakukan mulai dari penelitian mekanisme hingga aplikasi praktis, dan beberapa pencapaian telah dicapai. Dengan penambahan unsur tanah jarang, sifat mekanik, sifat pengecoran, dan sifat listrik paduan aluminium telah meningkat pesat. bahan baru, sifat optik, listrik dan magnet yang kaya dari unsur tanah jarang juga memainkan peran penting dalam pembuatan bahan magnet permanen tanah jarang, bahan pemancar cahaya tanah jarang, bahan penyimpanan hidrogen tanah jarang, dll.
◆ ◆ Mekanisme aksi tanah jarang pada aluminium dan paduan aluminium ◆ ◆
Tanah jarang memiliki aktivitas kimia yang tinggi, potensi rendah dan susunan lapisan elektron khusus, serta dapat berinteraksi dengan hampir semua unsur. Tanah jarang yang biasa digunakan dalam aluminium dan paduan aluminium antara lain La (lantanum), Ce (cerium), kamu (yttrium) dan Sc (skandium). Mereka sering ditambahkan ke dalam cairan aluminium dengan pengubah, zat nukleasi dan zat degassing, yang dapat memurnikan lelehan, memperbaiki struktur, menghaluskan butiran, dll.
01Pemurnian tanah jarang
Karena sejumlah besar inklusi gas dan oksida (terutama hidrogen, oksigen dan nitrogen) akan dibawa selama peleburan dan pengecoran paduan aluminium, lubang kecil, retakan, inklusi dan cacat lainnya akan terjadi dalam pengecoran (lihat Gambar 1a), sehingga mengurangi kekuatan paduan aluminium. Efek pemurnian tanah jarang terutama diwujudkan dalam pengurangan nyata kandungan hidrogen dalam aluminium cair, pengurangan laju lubang jarum dan porositas (lihat Gambar 1b), dan pengurangan inklusi dan elemen berbahaya. Alasannya adalah karena tanah jarang memilikinya afinitas yang besar dengan hidrogen, yang dapat menyerap dan melarutkan hidrogen dalam jumlah besar dan membentuk senyawa stabil tanpa membentuk gelembung, sehingga secara signifikan mengurangi kandungan hidrogen dan porositas aluminium; Tanah jarang dan nitrogen membentuk senyawa tahan api, yang sebagian besar dihilangkan dalam bentuk terak dalam proses peleburan, sehingga mencapai tujuan pemurnian cairan aluminium.
Praktek telah membuktikan bahwa tanah jarang mempunyai efek mengurangi kandungan hidrogen, oksigen dan sulfur dalam aluminium dan paduan aluminium. Menambahkan 0,1%~0,3% RE dalam cairan aluminium bermanfaat untuk menghilangkan pengotor berbahaya dengan lebih baik, menghaluskan pengotor atau mengubah morfologinya, sehingga dapat menghaluskan dan mendistribusikan butiran secara merata; Selain itu, RE dan pengotor berbahaya dengan titik leleh rendah membentuk senyawa biner seperti RES, REAs, dan REPb, yang dicirikan oleh titik leleh tinggi, kepadatan rendah, dan sifat kimia yang stabil, dan dapat diapungkan untuk membentuk terak dan dihilangkan, sehingga memurnikan cairan aluminium; Partikel halus yang tersisa menjadi inti aluminium yang heterogen untuk dimurnikan biji-bijian.
Gambar 1 Morfologi SEM Paduan 7075 tanpa RE dan w (RE)=0,3%
A. RE tidak ditambahkan;b. Tambahkan w (RE)=0,3%
02Metamorfisme tanah jarang
Modifikasi tanah jarang terutama diwujudkan dalam pemurnian butir dan dendrit, menghambat munculnya fase T2 pipih kasar, menghilangkan fase masif kasar yang didistribusikan dalam kristal primer dan membentuk fase bola, sehingga senyawa strip dan fragmen pada batas butir berkurang secara signifikan. (lihat Gambar 2).Umumnya jari-jari atom tanah jarang lebih besar dibandingkan dengan atom aluminium, dan sifat-sifatnya relatif aktif. Peleburan dalam cairan aluminium sangat mudah untuk mengisi cacat permukaan fase paduan, yang mengurangi tegangan permukaan pada antarmuka antara fase baru dan lama, dan meningkatkan laju pertumbuhan inti kristal; Pada saat yang sama, juga dapat membentuk permukaan lapisan aktif antara butiran dan cairan cair untuk mencegah pertumbuhan butiran yang dihasilkan dan menghaluskan struktur paduan (lihat Gambar 2b).
Gambar 2 Struktur Mikro Paduan dengan Penambahan RE Berbeda
A. Dosis RE adalah 0;b. Penambahan RE sebesar 0,3%;c. Penambahan RE sebesar 0,7%
Setelah penambahan unsur tanah jarangαButiran fasa (Al) mulai mengecil yang berperan dalam pemurnian butiranα(Al) berubah menjadi bentuk mawar atau batang kecil, bila kandungan tanah jarang 0,3%αUkuran butir (Al ) fase adalah yang terkecil, dan secara bertahap meningkat seiring dengan semakin meningkatnya kandungan tanah jarang. Eksperimen telah membuktikan bahwa terdapat masa inkubasi tertentu untuk metamorfisme tanah jarang, dan hanya jika disimpan pada suhu tinggi untuk jangka waktu tertentu, tanah jarang akan bermain peran terbesar dalam metamorfisme. Selain itu, jumlah inti kristal senyawa yang dibentuk oleh aluminium dan tanah jarang meningkat pesat ketika logam mengkristal, yang juga membuat struktur paduan menjadi lebih halus. Penelitian menunjukkan bahwa tanah jarang memiliki efek modifikasi yang baik pada aluminium paduan.
03 Efek microalloying dari tanah jarang
Tanah jarang terutama terdapat pada aluminium dan paduan aluminium dalam tiga bentuk: larutan padat dalam matriksα(Al);Segregasi pada batas fasa, batas butir dan batas dendrit;Larutan padat dalam atau dalam bentuk senyawa.Efek penguatan tanah jarang dalam paduan aluminium terutama mencakup penguatan penghalusan butiran, penguatan larutan hingga, dan penguatan fase kedua senyawa tanah jarang.
Keberadaan unsur tanah jarang pada aluminium dan paduan aluminium erat kaitannya dengan jumlah penambahannya. Umumnya, bila kandungan RE kurang dari 0,1%, peran RE terutama adalah penguatan butiran halus dan penguatan larutan hingga; Bila kandungan RE 0,25%~0,30%, RE dan Al membentuk sejumlah besar batang bulat atau pendek seperti senyawa intermetalik , yang terdistribusi dalam butir atau batas butir, dan sejumlah besar dislokasi, struktur spheroid berbutir halus dan senyawa tanah jarang yang tersebar muncul, yang akan menghasilkan efek paduan mikro seperti penguatan fase kedua.
◆ ◆ Pengaruh tanah jarang terhadap sifat aluminium dan paduan aluminium ◆◆
01 Pengaruh tanah jarang pada sifat mekanik komprehensif paduan
Kekuatan, kekerasan, perpanjangan, ketangguhan patah, ketahanan aus, dan sifat mekanik komprehensif lainnya dari paduan dapat ditingkatkan dengan menambahkan tanah jarang dalam jumlah yang sesuai. 0,3% RE ditambahkan ke paduan aluminium cor seri ZL10σbdari 205,9 MPa menjadi 274 MPa, dan HB dari 80 menjadi 108; Menambahkan 0,42% Sc ke paduan 7005σbmeningkat dari 314MPa menjadi 414MPa,σ0,2meningkat dari 282MPa menjadi 378MPa, plastisitas meningkat dari 6,8% menjadi 10,1%, dan stabilitas suhu tinggi meningkat secara signifikan; La dan Ce dapat meningkatkan superplastisitas paduan secara signifikan. Menambahkan 0,14%~0,64% La ke paduan Al-6Mg-0,5Mn meningkatkan superplastisitas dari 430% menjadi 800%~1000%;Sebuah studi sistematis terhadap paduan Al Si menunjukkan bahwa kekuatan luluh dan kekuatan tarik akhir dari paduan tersebut bisa sangat besar. ditingkatkan dengan menambahkan jumlah Sc.Fig. Gambar 3 menunjukkan penampakan SEM patahan tarik Al-Si7-Mg0,8paduan, yang menunjukkan bahwa itu adalah tipikal patahan getas tanpa RE, sedangkan setelah penambahan 0,3% RE, struktur lesung yang jelas muncul pada patahan, yang menunjukkan bahwa ia memiliki ketangguhan dan keuletan yang baik.
Gambar 3 Morfologi Fraktur Tarik
A. Tidak bergabung dengan RE;b. Tambahkan 0,3% RE
02Pengaruh Tanah Jarang pada Sifat Suhu Tinggi Paduan
Menambahkan sejumlah tertentutanah jarangmenjadi paduan aluminium dapat secara efektif meningkatkan ketahanan oksidasi suhu tinggi dari paduan aluminium. Menambahkan 1%~1,5% campuran tanah jarang ke dalam paduan eutektik Al Si meningkatkan kekuatan suhu tinggi sebesar 33%, kekuatan pecah suhu tinggi (300 ℃, 1000 jam) sebesar 44%, dan ketahanan aus serta stabilitas suhu tinggi meningkat secara signifikan; Menambahkan La, Ce, Y dan mischmetal ke paduan Al Cu dapat meningkatkan sifat suhu tinggi dari paduan; Paduan Al-8,4% Fe-3,4% Ce yang dipadatkan dengan cepat dapat bekerja untuk waktu yang lama di bawah 400 ℃, sangat meningkatkan suhu kerja paduan aluminium; Sc ditambahkan ke paduan Al Mg Si untuk membentuk Al3Partikel sc yang tidak mudah menjadi kasar pada suhu tinggi dan menyatu dengan matriks untuk menyematkan batas butir, sehingga paduan mempertahankan struktur yang tidak dikristalisasi selama anil, dan sangat meningkatkan sifat suhu tinggi paduan.
03 Pengaruh Tanah Jarang pada Sifat Optik Paduan
Menambahkan tanah jarang ke dalam paduan aluminium dapat mengubah struktur lapisan oksida permukaannya, membuat permukaan lebih cerah dan indah. Ketika 0,12%~0,25% RE ditambahkan ke paduan aluminium, reflektifitas profil 6063 yang teroksidasi dan berwarna meningkat hingga 92%;Ketika 0,1%~0,3% RE ditambahkan ke paduan aluminium cor Al Mg, paduan tersebut dapat memperoleh permukaan akhir terbaik dan daya tahan kilap.
04 Pengaruh Tanah Jarang terhadap Sifat Listrik Paduan
Menambahkan RE ke aluminium dengan kemurnian tinggi berbahaya bagi konduktivitas paduan, tetapi konduktivitas dapat ditingkatkan sampai batas tertentu dengan menambahkan RE yang sesuai ke aluminium murni industri dan paduan konduktif Al Mg Si. Hasil eksperimen menunjukkan bahwa konduktivitas aluminium dapat ditingkatkan sebesar 2%~3% dengan menambahkan 0,2% RE. Menambahkan sejumlah kecil tanah jarang kaya yttrium ke dalam paduan Al Zr dapat meningkatkan konduktivitas paduan, yang telah diadopsi oleh sebagian besar pabrik kawat domestik;Tambahkan jejak tanah jarang ke aluminium dengan kemurnian tinggi untuk membuat kapasitor foil Al RE. Ketika digunakan dalam produk 25kV, indeks kapasitansi menjadi dua kali lipat, kapasitas per satuan volume meningkat 5 kali lipat, bobot berkurang 47%, dan volume kapasitor berkurang secara signifikan.
05Pengaruh Rare Earth terhadap Ketahanan Korosi Paduan
Di beberapa lingkungan servis, terutama dengan adanya ion klorida, paduan rentan terhadap korosi, korosi celah, korosi tegangan, dan kelelahan korosi. Untuk meningkatkan ketahanan korosi pada paduan aluminium, banyak penelitian telah dilakukan. Ditemukan bahwa menambahkan tanah jarang dalam jumlah yang sesuai ke dalam paduan aluminium dapat secara efektif meningkatkan ketahanan terhadap korosi. Sampel yang dibuat dengan menambahkan jumlah tanah jarang campuran yang berbeda (0,1%~0,5%) ke aluminium direndam dalam air garam dan air laut buatan selama tiga kali berturut-turut. bertahun-tahun. Hasilnya menunjukkan bahwa menambahkan sejumlah kecil tanah jarang ke aluminium dapat meningkatkan ketahanan korosi aluminium, dan ketahanan korosi dalam air garam dan air laut buatan masing-masing 24% dan 32% lebih tinggi dibandingkan aluminium; Menggunakan metode uap kimia dan penambahan penetran multi-komponen tanah jarang (La, Ce, dll.), lapisan film konversi tanah jarang dapat dibentuk pada permukaan paduan 2024, membuat potensial elektroda permukaan paduan aluminium cenderung seragam, dan meningkatkan ketahanan terhadap korosi antar butir dan korosi tegangan; Menambahkan La ke paduan aluminium Mg tinggi dapat secara signifikan meningkatkan kemampuan anti korosi laut dari paduan tersebut; Menambahkan 1,5% ~ 2,5% Nd ke paduan aluminium dapat meningkatkan kinerja suhu tinggi, kedap udara, dan ketahanan korosi pada paduan tersebut. paduan, yang banyak digunakan sebagai bahan luar angkasa.
◆ ◆ Teknologi persiapan paduan aluminium tanah jarang ◆ ◆
Tanah jarang sebagian besar ditambahkan dalam bentuk elemen jejak pada paduan aluminium dan paduan lainnya. Tanah jarang memiliki aktivitas kimia yang tinggi, titik leleh yang tinggi, serta mudah teroksidasi dan terbakar pada suhu tinggi. Hal ini telah menyebabkan kesulitan tertentu dalam persiapan dan penerapan paduan aluminium tanah jarang. Dalam penelitian eksperimental jangka panjang, orang terus mengeksplorasi metode persiapan paduan aluminium tanah jarang. Saat ini, metode produksi utama untuk menyiapkan paduan aluminium tanah jarang adalah metode pencampuran, metode elektrolisis garam cair dan metode reduksi aluminotermik.
01 Metode pencampuran
Metode peleburan campuran adalah dengan menambahkan tanah jarang atau logam tanah jarang campuran ke dalam cairan aluminium suhu tinggi secara proporsional untuk membuat paduan utama atau paduan aplikasi, dan kemudian melelehkan paduan utama dan sisa aluminium sesuai dengan kelonggaran yang dihitung bersama-sama, aduk rata dan haluskan. .
02 Elektrolisa
Metode elektrolisis garam cair adalah dengan menambahkan oksida tanah jarang atau garam tanah jarang ke dalam sel elektrolitik aluminium industri dan mengelektrolisis dengan aluminium oksida untuk menghasilkan paduan aluminium tanah jarang. Metode elektrolisis garam cair telah berkembang relatif cepat di Cina. Secara umum terdapat dua cara yaitu metode katoda cair dan metode eutektoid elektrolitik. Saat ini, telah dikembangkan bahwa senyawa tanah jarang dapat langsung ditambahkan ke sel elektrolitik aluminium industri, dan paduan aluminium tanah jarang dapat diproduksi dengan elektrolisis lelehan klorida dengan metode eutektoid.
03 Metode reduksi aluminotermik
Karena aluminium memiliki kemampuan reduksi yang kuat, dan aluminium dapat membentuk berbagai senyawa intermetalik dengan tanah jarang, aluminium dapat digunakan sebagai zat pereduksi untuk membuat paduan aluminium tanah jarang. Reaksi kimia utama ditunjukkan pada rumus berikut:
RE2O3+ 6Al→2NYATA2+ Al2O3
Diantaranya, oksida tanah jarang atau terak kaya tanah jarang dapat digunakan sebagai bahan baku tanah jarang; Zat pereduksi dapat berupa aluminium murni industri atau aluminium silikon; Suhu reduksi adalah 1400 ℃~1600 ℃.Pada tahap awal, dilakukan dalam kondisi adanya zat pemanas dan fluks, serta suhu reduksi yang tinggi akan menimbulkan banyak masalah; Dalam beberapa tahun terakhir, para peneliti telah mengembangkan metode reduksi aluminotermik baru. Pada suhu yang lebih rendah (780 ℃), reaksi reduksi aluminotermik diselesaikan dalam sistem natrium fluorida dan natrium klorida, sehingga menghindari masalah yang disebabkan oleh suhu awal yang tinggi.
◆ ◆ Kemajuan penerapan paduan aluminium tanah jarang ◆ ◆
01 Penerapan paduan aluminium tanah jarang dalam industri tenaga listrik
Karena keunggulan konduktivitas yang baik, daya dukung arus yang besar, kekuatan tinggi, ketahanan aus, pemrosesan yang mudah, dan masa pakai yang lama, paduan aluminium tanah jarang dapat digunakan untuk memproduksi kabel, saluran transmisi overhead, inti kawat, kabel geser, dan kabel tipis untuk tujuan khusus.Menambahkan sejumlah kecil RE pada sistem paduan Al Si dapat meningkatkan konduktivitas, hal ini karena silikon pada paduan aluminium merupakan unsur pengotor dengan kandungan tinggi sehingga berdampak lebih besar pada sifat kelistrikan. Menambahkan tanah jarang dalam jumlah yang sesuai dapat meningkatkan morfologi dan distribusi silikon yang ada dalam paduan, yang secara efektif dapat meningkatkan sifat listrik aluminium; Menambahkan sejumlah kecil tanah jarang campuran kaya yttrium atau yttrium ke dalam kawat paduan aluminium tahan panas tidak hanya dapat mempertahankan kinerja suhu tinggi yang baik tetapi juga meningkatkan konduktivitas; Tanah jarang dapat meningkatkan kekuatan tarik, ketahanan panas dan ketahanan korosi pada sistem paduan aluminium. Kabel dan konduktor yang terbuat dari paduan aluminium tanah jarang dapat meningkatkan rentang menara kabel dan memperpanjang masa pakai kabel.
02Penerapan paduan aluminium tanah jarang dalam industri konstruksi
Paduan aluminium 6063 adalah yang paling banyak digunakan dalam industri konstruksi. Menambahkan 0,15% ~ 0,25% tanah jarang dapat secara signifikan meningkatkan struktur cor dan struktur pemrosesan, dan dapat meningkatkan kinerja ekstrusi, efek perlakuan panas, sifat mekanik, ketahanan korosi, kinerja perawatan permukaan, dan nada warna. Ditemukan bahwa tanah jarang adalah terutama didistribusikan dalam paduan aluminium 6063α-Al menetralkan batas fasa, batas butir dan interdendritik, dan dilarutkan dalam senyawa atau ada dalam bentuk senyawa untuk menghaluskan struktur dendrit dan butir, sehingga ukuran eutektik yang tidak larut dan ukuran lesung pipi di area lesung menjadi lebih kecil secara signifikan, distribusinya seragam, dan densitasnya meningkat, sehingga berbagai sifat paduan ditingkatkan hingga tingkat yang berbeda-beda. Misalnya, kekuatan profil meningkat lebih dari 20%, perpanjangan meningkat sebesar 50%, dan laju korosi berkurang lebih dari dua kali lipat, Ketebalan film oksida meningkat sebesar 5% ~ 8%, dan sifat pewarnaan meningkat sekitar 3%. Oleh karena itu, profil bangunan paduan RE-6063 banyak digunakan.
03Penerapan paduan aluminium tanah jarang dalam produk sehari-hari
Menambahkan jejak tanah jarang ke aluminium murni dan paduan aluminium seri Al Mg untuk penggunaan sehari-hari produk aluminium dapat secara signifikan meningkatkan sifat mekanik, sifat penarikan dalam, dan ketahanan terhadap korosi. Kebutuhan sehari-hari seperti panci aluminium, panci aluminium, pelat aluminium, kotak makan siang aluminium, penyangga furnitur aluminium, sepeda aluminium, dan suku cadang peralatan rumah tangga yang terbuat dari paduan Al Mg RE memiliki ketahanan korosi lebih dari dua kali lipat, pengurangan berat 10%~15%, peningkatan hasil 10%~20%, biaya produksi 10%~15% pengurangan, dan kinerja penarikan dalam dan pemrosesan dalam yang lebih baik dibandingkan dengan produk paduan aluminium tanpa tanah jarang. Saat ini, kebutuhan sehari-hari paduan aluminium tanah jarang telah banyak digunakan, dan produknya meningkat secara signifikan, dan terjual dengan baik di dalam negeri dan dalam negeri. pasar luar negeri.
04 Penerapan paduan aluminium tanah jarang dalam aspek lain
Menambahkan seperseribu tanah jarang ke dalam paduan pengecoran seri Al Si yang paling banyak digunakan dapat meningkatkan kinerja pemesinan paduan secara signifikan. Banyak merek produk yang telah digunakan pada pesawat terbang, kapal laut, mobil, mesin diesel, sepeda motor dan kendaraan lapis baja (piston, gearbox, silinder, instrumentasi dan bagian lainnya). Dalam penelitian dan penerapannya, ditemukan bahwa Sc adalah elemen yang paling efektif untuk mengoptimalkan struktur dan sifat paduan aluminium. Ini memiliki penguatan dispersi yang kuat, penguatan penghalusan butiran, penguatan larutan dan efek penguatan paduan mikro pada aluminium, dan dapat meningkatkan kekuatan, kekerasan, plastisitas, ketangguhan, ketahanan korosi, tahan panas, dll. Dari paduan. Paduan seri Sc Al telah digunakan dalam industri teknologi tinggi seperti dirgantara, kapal laut, kereta api berkecepatan tinggi, kendaraan ringan, dll. Paduan aluminium skandium seri C557Al Mg Zr Sc yang dikembangkan oleh NASA memiliki kekuatan tinggi dan stabilitas suhu tinggi dan suhu rendah dan telah diterapkan pada badan pesawat dan bagian struktur pesawat; Paduan 0146Al Cu Li Sc yang dikembangkan oleh Rusia telah diterapkan pada tangki bahan bakar kriogenik pesawat ruang angkasa.
Dari Volume 33, Edisi 1 Rare Earth oleh Wang Hui, Yang An dan Yun Qi
Waktu posting: 05-Juli-2023